Estimation of JMA-Magnitude for Slow Tsunami Earthquakes

When an earthquake occurs and a tsunami threatens, rapid issuance of the first tsunami warning is important for timely evacuation of coastal residents. For tsunami early warning, estimates of an earthquake’s hypocenter and magnitude are usually used. In Japan, the Japan Meteorological Agency (JMA) magnitude MJ, which is based on the observed displacement amplitude, is used to estimate the first tsunami warning. Slow tsunami earthquakes, such as the 1896 Meiji Sanriku earthquake, generate high tsunami waves but relatively small seismic waves. Thus, the use of MJ can cause underestimation of the size of such earthquakes and, therefore, lead to underestimation of the tsunami wave height. Quantitative understanding of the underestimation of slow tsunami earthquake magnitudes is needed, but local seismic records of slow tsunami earthquakes are scarce. In this study, we conducted spectrum analyses of teleseismic waves and used previously reported moment rate functions to construct synthetic local seismic wave records for slow tsunami earthquakes. First, we used data of earthquakes that occurred off the Japanese coast to confirm the validity of this method of constructing synthetic records. Then, we assumed tsunami earthquakes occurring off Miyagi Prefecture or the Sanriku Coast of Japan with the same moment rate functions as five major historical slow tsunami earthquakes, and compared our estimated magnitudes for these assumed earthquakes with the moment magnitudes (MW) of the five slow tsunami earthquakes. We found that MJ underestimated the size of the assumed earthquakes by 1 or more magnitude units when compared with MW. We also evaluated M100, a scale introduced after the 2011 Tohoku earthquake to supplement MJ and avoid underestimation of magnitude 9 class earthquakes. We found that M100 underestimated magnitudes by 0.5 or more magnitude units. Additionally, we suggest that amplitude distributions obtained from long-period seismic monitors, which were introduced to prevent underestimation of the magnitude of huge earthquakes, may be effectively used to estimate magnitudes of slow tsunami earthquakes. Corresponding author: Takahito Nishimiya Department of Seismology and Tsunami Research, Meteorological Research Institute 1-1 Nagamine, Tsukuba, Ibaraki 305-0052, Japan. E-mail: tnishimi@mri-jma.go.jp © 2022 by the Japan Meteorological Agency / Meteorological Research Institute Nishimiya, T. and A. Katsumata Vol. 70 2 ラスの平成 23 年東北地方太平洋沖地震において過小 評価となったが M 8 程度までの規模の地震に対しては モーメントマグニチュード(MW)にほぼ等しい適正な M が得られる(Hirose et al. 2011)。平成 23 年東北地方 太平洋沖地震における過小評価後は、巨大地震対策と して MJ の過小評価を補うための、地震波の最大振幅 を使った他の迅速な規模推定手法も用いられるように なっている(気象庁 2013)。 一方、地震波の最大振幅から推定する M(以後単に M と記した場合は、最大振幅から求めるマグニチュー ドを指す)に対して不均衡に大きな津波をもたらす津 波地震が知られ、多くの犠牲者が生じた明治三陸津波 地震もその 1 つとされる(Kanamori 1972)。Kanamori (1972)は、明治三陸津波地震の震源断層の破壊が、断 層の大きさの割にゆっくりであることを指摘した。ま た Polet and Kanamori(2000)は、1992 年から 1996 年 までに沈み込み帯で発生した MW 7.0 以上の浅い地震の 震源スペクトルを推定した結果、大きな津波を伴った 地震の中に震源スペクトルの 1 ~20 秒で見ると振幅が 通常の地震に比べて小さいものがあることを見出し、 これらをスロー型津波地震と呼んだ。スロー型津波地 震については、津波警報第 1 報に用いる MJ が適切に推 定できるか、MJ を補う他の手法が効果的かについてわ かっていない。また近地波形の記録が少ないことから、 定量的に評価した例も見当たらない。 本研究は、津波予測に潜在的な問題がある可能性が 高いスロー型津波地震(以後単に津波地震と記す)に 対する M の過小評価について定量的に評価し、この知 見を津波警報業務に生かすことを目的とする。