detect_inflation_preeruptive2コマンド マニュアル

(The documentation of detect_inflation_preeruptive2 command)

Last Update: 2023/06/12


◆機能・用途(Purpose)

detect_inflationコマンドの出力を用いて Maeda (2023)に基づき噴火直前の傾斜変動を検知する。
Detect a pre-eruptive tilt change using the output of detect_inflation command on the basis of Maeda (2023).


◆概要(Overview)

detect_inflationコマンド では波形s(t)を用いて 全てのタイムウインドウ[tst,ten]における 一方向への変動の指標M(tst,ten)を計算した。 M(tst,ten)の値はそのタイムウインドウが 火山の山体膨張・収縮に伴う一方向への傾斜変動を表している可能性の 相対的な大小を与えるものである。 M(tst,ten)の値が大きいほど傾斜変動を表す可能性が高いと考えられる。 しかしdetect_inflationコマンドの出力はそこまでで止まっており、 波形の中に傾斜変動が含まれるのか否かや 含まれる場合のタイムウインドウを 直接的・確定的に与えるような出力にはなっていない。
The detect_inflation command computes a measure M(tst,ten) of a unidirectional change in every time window [tst,ten] of a waveform s(t). The value of M(tst,ten) indicates the relative possibility that each time window corresponds to a unidirectional tilt change caused by inflation or deflation of a volcano; the larger the M(tst,ten), more likely the tilt change. However, the output of the detect_inflation command stops there, and does not consist of direct and definite information on whether the tilt change is present in the waveform and the time of the tilt change window if present.

そこで、detect_inflationコマンドに引き続いて実行する事後処理用のプログラムとして このコマンドを用意した。 このコマンドでは噴火直前の傾斜変動にターゲットを絞り、 detect_inflationコマンドの出力を用いて 傾斜変動の有無やタイムウインドウを具体的に与える。
This command was developed as a postprocessing program for the detect_inflation command. The target signals are limited to tilt changes that immediately precede eruptions. This command definitely determines the existence or absence of the pre-eruptive tilt change and the time window of the tilt change if present.


◆ソースコード(Source code)

$YMAEDA_OPENTOOL_DIR/event_detection/src/detect_inflation_preeruptive2.c


◆使用方法(Usage)

コマンドライン引数でパラメータを指定する。 パラメータの一覧を下表に示す。
Specify parameters by command-line arguments. The table below shows a list of parameters.


●「-」から始まらない引数 (Arguments not beginning with “-”)

引数
Argument
与える値
Quantity to be given
第1引数
1st argument
入力ファイル名。 全ての[tst,ten]に対するM(tst,ten)の値を 列挙したテキストファイルであり、 detect_inflationコマンドの出力ファイル またはそれと同様の書式を持つファイルとする。
The input file name. This file must be a text file that consists of M(tst,ten) for all [tst,ten], in the same format as that of the output file of detect_inflation command.
第2引数
2nd argument
出力ファイル名。 テキストファイルであり、拡張子は何でも良い。
The name of the output file. This is a text file with an arbitrary extension.


●1つの「-」から始まる引数 (Arguments beginning with a single “-”)

このコマンドでは1つの「-」から始まる引数は存在しない。
This command does not have arguments beginning with a single “-”.


●「--パラメータ名=パラメータ値」の形式の引数 (Arguments of a form “--Parameter name=Parameter Value”)

「--パラメータ名=パラメータ値」の形式の引数は自由な順番で指定できる。 「-」から始まらない引数の間に挿入しても良い。 相反する指定がなされた場合には後の指定が優先される。 デフォルト値を持つパラメータは省略できる。
Arguments of a form “--Parameter name=Parameter Value” can be placed in an arbitrary order. They can even be inserted between arguments not beginning with “-”. In case of conflicting options being specified, the latter option has a higher priority. Parameters that have default values can be omitted.

パラメータ名
Parameter name
意味
Meaning
可能なパラメータ値
Allowed parameter values
デフォルト値
Default value
t_eruption 噴火時刻teruption(s)。 時刻の原点は入力ファイル第3列、第4列と一致させること。
Time (s) of the eruption teruption. The time origin must be consistent with that of the 3rd and 4th columns of the input file.
実数。 入力ファイルに登場する時刻範囲の先頭をtfilemin、 末尾をtfilemaxとして tfilemin<teruptiontfilemax でなければならない。
A real number that satisfies tfilemin<teruptiontfilemax, where tfilemin and tfilemax are the beginning and end times of the input file, respectively.
tfilemax60(tfilemin+tfilemax)/2の 大きい方。
The larger one of tfilemax60 and (tfilemin+tfilemax)/2.
tmin_candidate 傾斜変動の候補となる時刻範囲の下限tcandidatemin(s)。 tsttcandidateminとなるタイムウインドウは たとえMが大きくとも傾斜変動ではないと判断する。 時刻の原点は入力ファイル第3列、第4列と一致させること。
The lower limit, tcandidatemin, of the time range (s) to regard a time window being potentially a tilt change. A time window that meets tsttcandidatemin is regarded not being a tilt change even if M is large. The time origin must be consistent with that of the 3rd and 4th columns of the input file.
実数。 tfilemintcandidatemin<teruption でなければならない。
A real number that satisfies tfilemintcandidatemin<teruption.
tfilemin+(teruptiontfilemin)/2
tmax_candidate 傾斜変動の候補となる時刻範囲の上限tcandidatemax(s)。 tentcandidatemaxとなるタイムウインドウは たとえMが大きくとも傾斜変動ではないと判断する。 時刻の原点は入力ファイル第3列、第4列と一致させること。
The upper limit, tcandidatemax, of the time range (s) to regard a time window being potentially a tilt change. A time window that satisfies tentcandidatemax is regarded not being a tilt change even if M is large. The time origin must be consistent with that of the 3rd and 4th columns of the input file.
実数。 tcandidatemin<tcandidatemaxtfilemax でなければならない。
A real number that satisfies tfilemintcandidatemin<teruption.
teruption+60tfilemaxの小さい方。
The smaller one of teruption+60 and tfilemax.
Tsum_max 下記(1)式における 閾値T14maxの値。
A threshold value T14max in Eq. (1) below.
tfilemaxtfilemin以下の正の実数。
A positive real number less than or equal to tfilemaxtfilemin.
(teruptiontcandidatemin)/2
M_thre 下記のアルゴリズムにおけるM1-M4の閾値MthreM1-M4がこの値よりも小さい場合は傾斜変動の候補としない。
The threshold value, Mthre, for M1-M4 in the algorithm below. Each candidate is regarded as not being a tilt change if M1-M4 is less than this threshold.
1よりも小さな正の実数。
A positive real number less than 1.
0.4
M_ratio_thre 下記のアルゴリズムにおける 比M1/Mave-M4/Maveの閾値Mratiothre。 比がこの値よりも小さい場合は傾斜変動の候補としない。
The threshold value, Mratiothre, for the ratios M1/Mave to M4/Mave in the algorithm below. Each candidate is regarded as not being a tilt change if the ratio is less than this threshold.
正の実数。
A positive real number.
2.0


◆動作(Behaviour)

第1引数で指定したテキストファイルを読み込み、 噴火直前の傾斜変動を探索して 結果を第2引数で指定したテキストファイルに出力する。 出力ファイルの書式は以下の通り。
Read the text file given by the 1st argument, search the pre-eruptive tilt change, and output the result into the file given by the 2nd argument with the format below.

以下に出力ファイルのサンプルを示す。
Sample output files are shown below.

#Tilt change present
#Window: 1
#Start: -422.000
#End: 30.000
#Ncandidates: 4
#Definable non-zero M_i: 8
#Mave: 1.530740e-03
#i[TAB]t_i^st(s)[TAB]t_i^en(s)[TAB]M_i
1[TAB]-422.000[TAB]30.000[TAB]9.892279e-01
2[TAB]30.000[TAB]60.000[TAB]8.182390e-02
3[TAB]-451.000[TAB]-422.000[TAB]4.144805e-03
4[TAB]-1739.000[TAB]-1723.000[TAB]2.797923e-03
5[TAB]-704.000[TAB]-655.000[TAB]1.830976e-03
6[TAB]-729.000[TAB]-704.000[TAB]1.542258e-03
7[TAB]-1609.000[TAB]-1585.000[TAB]1.425062e-03
8[TAB]-1723.000[TAB]-1707.000[TAB]1.324663e-03

#Tilt change absent
#Ncandidates: 4
#Definable non-zero M_i: 8
#Mave: 3.746137e-01
#i[TAB]t_i^st(s)[TAB]t_i^en(s)[TAB]M_i
1[TAB]-583.000[TAB]-473.000[TAB]6.106610e-01
2[TAB]-962.000[TAB]-906.000[TAB]4.576497e-01
3[TAB]12.000[TAB]51.000[TAB]4.333082e-01
4[TAB]-1500.000[TAB]-1478.000[TAB]4.119325e-01
5[TAB]-753.000[TAB]-711.000[TAB]4.018677e-01
6[TAB]-853.000[TAB]-778.000[TAB]3.788439e-01
7[TAB]-287.000[TAB]-258.000[TAB]3.596151e-01
8[TAB]-1082.000[TAB]-1045.000[TAB]3.581280e-01


◆使用例(Example)

detect_inflation waveform.sac M.txt --tmin=60.0 --tmax=1860.0
detect_inflation_preeruptive M.txt result.txt --M_thre=0.2


◆アルゴリズム(Algorithm)

以下で説明するアルゴリズムはMaeda (2023)の2.2.4節と同様である。
The algorithm explained below is same as that in Section 2.2.4 of Maeda (2023).

[tfilemin,tfilemax]からM(tst,ten)の最大値を探索し、 最大値をM1、それに対応するタイムウインドウを[t1st,t1en]とする。 次に[tfilemin,tfilemax]から [t1st,t1en]を除いたタイムウインドウ (すなわち[tfilemin,t1st]および[t1en,tfilemax])での M(tst,ten)の最大値を探索し、 最大値をM2、それに対応するタイムウインドウを[t2st,t2en]とする。 以下同様にしてM3, M4, …および [t3st,t3en], [t4st,t4en], …を求める。
The maximum value of M(tst,ten) is searched from [tfilemin,tfilemax]. This maximum value is denoted as M1, and the corresponding time window is denoted as [t1st,t1en]. Next, the maximum value of M(tst,ten) is searched from [tfilemin,tfilemax] outside of [t1st,t1en] (i.e., [tfilemin,t1st] and [t1en,tfilemax]). This maximum is denoted as M2, and the corresponding time window is denoted as [t2st,t2en]. In the same way, M3, M4, … and [t3st,t3en], [t4st,t4en], … are defined.

[t1st,t1en]は傾斜変動である可能性が最も高いタイムウインドウである。 しかし噴火直前の膨張ではなく噴火時の収縮を表している場合がある。 そこで[t2st,t2en]が2つ目の候補となる。 典型的な波形においては [t1st,t1en][t2st,t2en]が膨張・収縮ペアをなし、 (どちらが膨張に対応するかはケースバイケースであるが) このペアが噴火直前の膨張と噴火時の収縮を表す。
The time window [t1st,t1en] most likely consists of a tilt change; however, it may be a syn-eruptive deflation. Therefore, [t2st,t2en] is the secondary candidate. A typical waveform consists of a pair of pre-eruptive inflation and syn-eruptive deflation in [t1st,t1en] and [t2st,t2en]; which window corresponds to the inflation depends on cases.

イベント的な膨張・収縮が卓越する波形では、 M1, M2M3以降と比べて有意に大きくなると期待される。 一方、同程度の振幅での振動が続く波形では M1, M2M3以降は近い値になると考えられる。 そこでM3M4の平均値をMaveとし、 M1/MaveMratiothre, M2/MaveMratiothreの場合に [t1st,t1en], [t2st,t2en]を 傾斜変動イベントの候補とみなす。 M1/Mave<Mratiothre, M2/Mave<Mratiothreの場合には この波形に傾斜変動イベントは含まれないと判断する。
In a waveform that consists of significant inflation and deflation, M1 and M2 are expected to be significantly larger than M3 and later values. Contrary, these values are expected to be similar in a waveform that consists of a long-lasting oscillation of nearly constant amplitudes. Based on this consideration, [t1st,t1en] and [t2st,t2en] are regarded as candidates of a pre-eruptive tilt change if M1/MaveMratiothre and M2/MaveMratiothre, respectively, where Mave is an average of M3 and M4; the waveform is regarded to have no tilt change event if M1/Mave<Mratiothre and M2/Mave<Mratiothre.

波形によっては噴火とは無関係の膨張・収縮が [tcandidatemin,tcandidatemax]の中に偶然に入ってしまう場合がある。 そこで個々の候補の時間が短い場合には [t3st,t3en], [t4st,t4en] も噴火直前の傾斜変動の候補に加える。 具体的には (1)i=14(tientist)T14max の場合に [t3st,t3en], [t4st,t4en] を候補に加える。 この場合にはMaveM5-M8の平均とし、 比M1/Mave, M2/Mave, M3/Mave, M4/Mave について上記と同様の判断を行う。 なお(1)式が満たされない場合 (個々の膨張・収縮の周期が長くこの4候補だけで波形の大部分を占めてしまう場合) には4つ目の候補まで考えると振動との区別がつかないので 上位2つ([t1st,t1en], [t2st,t2en])のみを候補とする。
The waveform may consist of occational inflation and deflation in [tcandidatemin,tcandidatemax] not related to eruptions. To account for it, [t3st,t3en] and [t4st,t4en] are included as candidates of the tilt changes if individual time windows are short enough to satisfy Eq. (1). In this case, Mave is defined as an average of M5-M8, and the ratios M1/Mave, M2/Mave, M3/Mave, and M4/Mave are used to determine if each time window is a candidate of the pre-eruptive tilt change, in the same manner as described above. If Eq. (1) is not satisfied, which means that the durations of individual inflation and deflation are long enough that the four candidates occupy most parts of the entire waveform, than only the top two candidates ([t1st,t1en] and [t2st,t2en]) are used because otherwise it would be difficult to distinguish oscillation and transient signals.

噴火直前の傾斜変動と判断するには更にいくつかの条件を要する。 まずM1<Mthreの場合には比M1/Maveに関わらず 噴火直前の傾斜変動ではないと判断する。 またt1stteruptionまたは t1entcandidatemaxの場合には [t1st,t1en]は噴火時の変動を表している可能性が高いため 噴火直前の傾斜変動ではないと判断する。 t1sttcandidateminの場合には [t1st,t1en]は波形全体にわたる長周期ノイズを表している可能性が高いため 噴火直前の傾斜変動ではないと判断する。 t1en+(t1ent1st)<teruptionの場合には 噴火直前と見なすには噴火との時間差が大きすぎるため 噴火直前の傾斜変動ではないと判断する。 [t2st,t2en], [t3st,t3en], [t4st,t4en] についても同様の判断を行う。
Several additional conditions are needed to determine a pre-eruptive tilt change. If M1<Mthre, it is regarded as not being a pre-eruptive tilt change regardless of the ratio M1/Mave. If t1stgeqteruption or t1entcandidatemax, [t1st,t1en] likely represents a syn-eruptive tilt change and thus is regarded as not being a pre-eruptive tilt change. If t1sttcandidatemin, [t1st,t1en] likely represents a long-period noise over the waveform, so that it is regarded as not being a pre-eruptive tilt change. If t1en+(t1ent1st)<teruption, the time window is too apart from the eruption time to regard as a pre-eruptive tilt change. Same checks are conducted for [t2st,t2en], [t3st,t3en], and [t4st,t4en].

全ての条件をクリアしたタイムウインドウが複数ある場合には、 それらの中で(tist+tien)/2teruption(中心時刻が噴火開始以前) となる最初のiに対する[tist,tien]を噴火直前の傾斜変動と判断する。 但し全てのiについて(tist+tien)/2>teruptionの場合は 最初のiに対する[tist,tien]を噴火直前の傾斜変動と判断する。
If there remained multiple time windows that passed all these examinations, [tist,tien] for the first i of them that satisfies (tist+tien)/2teruption (i.e., the central time is before the eruption time) is regarded as the pre-eruptive tilt change; if (tist+tien)/2>teruption for all i, [tist,tien] for the first i of them is regarded as the pre-eruptive tilt change.


◆補足 (Additional notes)

detect_inflationコマンドのマニュアル にMaeda (2023)の計算を再現するスクリプトの例を示してある。
A sample script for reproducing Maeda (2023) is available in the documentation of detect_inflation command.


◆引用文献 (References)

は本プログラムを用いた研究成果の発表時に必ず引用すべき論文を表す。
The star () indicates the references that must be cited whenever a research that used this program is published or presented.