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1(5)地震動・津波等の事前予測・即時予測

「地震動・津波等の事前予測・即時予測」計画推進部会長 香川敬生(鳥取大学大学院工学研究科)
副部会長 関口春子(京都大学防災研究所)


1.はじめに

地震,火山噴火に伴う地震動,津波,地すべり,山体崩壊,火山灰や溶岩の噴出などの災害誘因を,その発生前に高精度に評価しておくことは,これらの災害対策に資するために重要である。また,各種観測データの利用法や解析手法を開発,高度化し,地震・火山噴火発生直後に高精度かつ即時的に災害誘因の規模を予測して情報伝達することは,災害および2次災害の軽減にきわめて有効である。そのため本テーマでは,本計画で得られる地震発生や火山噴火の理解や構造モデルなど最新の研究成果を利用して,地震動・津波等の事前予測・即時予測を通じた災害軽減に資する研究を行う。同時に,事前予測・即時予測結果を効果的に社会に還元するため,防災工学や社会科学との連携,および防災に関する現業での活用を指向して研究を進める。

2.平成26年度の成果概要

(1)地震・火山噴火の災害誘因の事前評価手法の高度化

ア.地震動の事前評価

○震源モデルの高度化

2011年東北地方太平洋沖地震では,海溝側の浅い領域では大すべりが起きたものの,地震被害に直結する周期帯域(周期10秒から0.1秒程度)の地震動は震源域の深い側から生成されていたことが指摘されている。この地震波放射特性の空間的な「棲み分け」が明らかであるのかどうかについて,強震観測記録を周期帯別に同様の方法で解析し,それぞれの周期別の震源モデルを比較検討した。30mを超える大きなすべりを持つ宮城県沖浅部では長周期(50~100秒)の地震波を強く励起したが,短周期(5~10秒)の地震波の励起は弱かったこと,宮城県沖深部ではほぼ同じ場所で40秒の時間間隔をおいて2度の破壊が生じていたことが分かった。宮城県沖深部での2度の破壊の特徴は全ての解析周期帯域で見られ,宮城県沖深部では短周期 (5~25 s)地震波のみならず,それより長周期の地震波も生成していたと考えられる。さらに1回目の方が2回目に比してより短周期を生成していたことが見出された。これらのことから,2011年東北地方太平洋沖地震の強震動生成の「棲み分け」は単純ではないものの,地震被害に直結する地震動生成に関しては震源域の深い領域から生成されるという震源モデル化の作業仮説は活用可能と考えられる。また,近年発生した内陸地震,具体的には2014年8月の米国カリフォルニア州の南ナパ地震,2010年ニュージーランド・ダーフィールド地震,および2014年11 月の長野県北部の地震の震源モデルを強震記録から推定した。南ナパ地震(Mw6.0),長野県西部の地震(MJ6.7,Mw6.2)では,地震規模に比して食い違い量の大きい地表地震断層を伴い,局所的に大きな地震動が観測あるいは被害から示唆されている。これらの詳細な震源過程を検討することは,地震被害を検討するため強震動評価の高度化に重要であると考えられる(京大防災研[課題番号:1903],久保・他,2014)。
既往の広帯域震源モデル(例えば,Sekiguchi and Yoshimi,2010)では,事前情報から設定された長波長が卓越する震源モデルに様々な空間スケールで不均質を付加することにより広帯域化を実現している。具体的には,すべり量と破壊伝播速度という2つの震源パラメータの分布に同時に不均質を追加している。すべりの不均質分布については,多くの既往研究で示唆されているフラクタル分布を用いているが,破壊伝播速度の不均質分布については有力なモデルが無いため,暫定的に全てのスケールで同じ強さで,つまりホワイトノイズ的に与えている。これらの仮定を,同様のすべり不均質を持つよう作成された広帯域動力学震源モデル(加瀬・関口,2013)におけるパラメータ間の相関を見ることにより検討した。その結果,破壊伝播速度の不均質分布は波数の逆数に比例するスペクトルとなった。また,破壊伝播速度とすべり量,および応力降下量の間にはほとんど相関が見られないことがわかった。震源パラメータに関するこれらの性質は,より説得力のある仮定として広帯域震源モデルの改良に活かせると考えられる(京大防災研[課題番号:1911])。

○地下構造モデルの高度化

首都直下地震,南海トラフ地震の影響が懸念される関東平野では,地震動の入射方向によってやや長周期(周期3~10秒程度)表面波(長周期地震動)の励起特性が異なる。2011年東北地方太平洋沖地震のように北東方向から入射する場合に小さいことが観測から指摘されており,その原因として,関東平野の地下構造が非対称であり,北東方向に向けて基盤深度の変化が緩やかなっていることが表面波の増幅に影響している可能性が指摘された。このことを確認するために,2004年新潟県中越地震の震源モデルを用いた地震動シミュレーションが実施され,中越地震と等しい震源モデルを用いた福島県東部の仮想地震のシミュレーションにより得られた都心部(新宿地点)の長周期地震動のレベルは弱く,新潟県中越地震の1/3以下となることが確認された(図1)(東大地震研[課題番号:1516],Furumura,2014;古村,2014)。
南海トラフ地震の影響を受ける大阪堆積盆地構造モデルを検証するため,その北西部に位置する尼崎観測点(関西地震観測研究協議会)の記録に現れる特徴的な後続波群についての分析をはじめた。この地点では,約20年間の100程度のイベント記録に,直達S波の後,数秒後に繰り返し孤立的な波群が現れることが分かった。これらの後続波群の震動方向や波群間の時間差の変化を震央方位に対して見てみると,波の到来方向によって系統的な差異があることがわかった。これら後続波群が堆積盆地と地震基盤間の境界面と地表との多重反射波であることを作業仮説として波群のモデル化を進め,地下構造モデルとの関係を調べる(京大防災研[課題番号:1911])。

○強震動評価の高度化

震源の浅い地殻内地震やプレート境界地震では,地表とモホ面の間をS波が広角反射(全反射)しながら伝わるLg波が発生し,遠地まで強い揺れが伝わる原因となる。大陸の地殻構造に類する西南日本ではLg波が最大振幅を持つ地震動として観測されるのに対して,東北日本から北海道ではLg波の距離減衰が大きく地震波形には明瞭に見られない。こうしたLg波の影響を適切に予測するために,Hi-netデータを用いて推定された高分解能速度トモグラフィモデルを用いた地震波伝播シミュレーションを実施したが,西南日本で見られる強いLg波励起を説明できなかった。そこで,トモグラフィの解像度よりずっと小さな短波長不均質構造(水平(x)と鉛直(z)方向の相関距離がAx/Az=10/0.5km程度で,揺らぎの標準偏差e=1~2%程度のvon Karman型ランダム不均質分布特性)を用いてP波とS波速度に揺らぎを与えたモデルをトモグラフィモデルに付加してシミュレーションを実施したところ,Hi-net観測記録に特徴的に見られる紡錘形のLg波群が良く再現できるようになった(図2)(東大地震研[課題番号:1516],Furumura,Hong,and Kennett,2014)。

イ.地震による地すべりの事前評価

地震によって火山地域で発生した地すべりの調査,レビューを行い,最も甚大な被害を発生したのは降下火砕物の崩壊性地すべりであり,傾斜10°から25度の緩斜面で発生し,斜面下方を流れ広がり,広範囲に被害を発生したことを示した。すべった物質は,降下火砕物である軽石やスコリア,火山灰土で,すべり面は粘土質の火山灰土(古土壌)あるいは強く風化して粘土質になった軽石により形成されていた。このような地域の層構造の共通的な特徴として,地表付近にやや硬い層があり,その下の粘土質な層にすべり面が形成されることがわかった。これらの知見は,火山地域で地震によって発生する地すべりで特に広域に被害を及ぼす場所を地質的に抽出できる見通しを与える。地震発生時に生じうる多様な地すべりに対応するため,受け盤の大規模な岩盤地すべりを起こしうる斜面,深層崩壊・大規模地すべり発生後に取り残され不安定化が促進されたブロック,固結度の弱い後期白亜紀の砂泥互層における海岸,軟弱な埋め立て物が崩壊する危険性がある人工盛土斜面において,地震計・間隙水圧計・伸縮計などの設置,観測をおこなった。これらの地すべり地において,近地地震の波形,およびS波部分,コーダ部分のスペクトルを用いて地震波の増幅特性を見積もった。特に東京都目黒区の盛土においては,S波上下動に顕著な増幅が見られ(図3),10 Hz 前後の増幅が原因であることがスペクトル解析からわかった。横浜市における観測からは,崖際における盛土の揺れが地山に比べおよそ3倍増幅することがわかった(京大防災研[課題番号:1912])。

ウ.火山灰や溶岩噴出の事前評価

大規模噴火の事例として,1914年に発生した桜島大正噴火について,当時の噴煙高度や降灰分布を整理し,領域移流拡散モデル(RATM)による火山灰拡散・降灰予測を行った。気象条件によっては,大正噴火当時と同様に東北地方,さらに北海道まで降灰が予測されることを確認するとともに,連続的噴火の設定や成層圏内の火山灰の輸送過程等の課題を整理した。大規模噴火時に成層圏に達した火山灰の輸送を予測する際に問題となる,高層で空気が希薄になることによる落下速度の変化(抵抗係数のスリップ補正)について,RATMを用いた検討を行った。この補正はミクロンオーダーの火山灰の落下過程に影響すること,広域に長期間浮遊する火山灰の輸送予測に影響することを確認した。全球移流拡散モデル(GATM)を用いて,阿蘇山のカルデラ噴火を想定した降灰シミュレーションを実施した。東大地震研による火山噴煙ダイナミクスの三次元数値モデル計算結果からモデルに適した火山灰粒子を抽出して用いる方法を考案し,初期値として用いた。この結果,地質調査による降灰量と整合した結果が得られ,降灰量は必ずしも距離とともに減少するわけではなく,また遠方の方が降灰の開始・終了時刻が早くなる地域もあることが分かった(気象庁気象研究所[課題番号:7010])。

(2)地震・火山噴火の災害誘因の即時予測手法の高度化

ア.地震動の即時予測

現在の緊急地震速報で用いられている,震源とマグニチュードの早期決定,という考え方に加えて,揺れの伝播を予測する(地盤の増幅特性のリアルタイム補正,データ同化手法による震度分布の実況把握,およびその実況分布から波動伝播の物理に則って震度を予測),という考え方で研究を進め,2011年東北地方太平洋沖地震(M9.0),2004年新潟県中越地震(M6.8),2014年長野県北部の地震(M6.7)で観測された実波形データに手法を適用した。近い未来の予測ならば概ね震度差1以内に収まる精度で行えること,また,実時間に比べてそれほど遅くない程度に計算が可能であること,ただし予測精度には観測点密度が重要であることが確認された。実波形データを用いて地盤の増幅特性を全国の観測点で推定したことにより,ほぼ全国で周波数依存性を考慮した増幅特性をリアルタイムで補正できる。地盤増幅特性のリアルタイム補正について,長周期地震動への応用を念頭に置きつつ周期10秒までの周波数依存性の推定を進めた。震度の予測では波動伝播の計算に高周波で成り立つ近似を用いているが,この近似が周期10秒くらいまで有効であること,ただし巨大な盆地構造での地震動の継続時間は予測よりも長くなりやすい傾向があることを見出した(気象庁気象研究所[課題番号:7008])。
上記研究で揺れの伝播を予測するには観測点密度が重要であることが指摘されており,気象庁観測点よりも高密度で配置されている自治体震度計の利活用を目指した検討を開始している。鳥取県を対象に,県の防災業務に支障を及ぼさずに,情報ハイウェイを介して計測震度計から地震発生に関するデータを取得するシステムの設計をおこない,リアルタイム震度と最大加速度値を1秒パケットで送信する機能を震度計に持たせる可能性が示された。地盤増幅のリアルタイム補正に供するため,鳥取県域の全計測震度観測点を調査し,常時微動3成分単点およびアレー観測おこない,H/Vスペクトル比による卓越周期,および位相速度分散曲線を介した速度構造モデルを構築した(鳥取大学[課題番号:2001],野口・他, 2014)。

イ.津波の即時予測

前研究計画で開発されたリアルタイム浸水予測手法(NearTIF)の高度化を実施した。開発した手法では,津波浸水予測を実施する地域に対して,あらかじめ多くの波源モデルから津波遡上数値計算を実施し,その地域の浸水域や浸水高をデータベースに保管する。さらに,津波遡上計算を実施する地域の沖,水深50m程度かつ津波第1波が非線形の効果をほとんど受けない場所を計算地域を囲むように数か所抽出し,それら数か所での津波数値計算結果の時系列(津波波形)を最適津波浸水予測を抽出するための指標としてデータベースに保存する。地震発生後5-10分で地震の規模やメカニズムが決まれば,スケーリング則を用いて断層モデルを推定し,その断層モデルから線形長波近似式による津波数値計算(計算時間1-2分程度)を実施し,データベースと同じ数か所での津波波形をリアルタイムで計算する。それら計算波形とデータベースに保管された津波波形を比較し,計算波形を最も良く説明する津波浸水モデルを抽出し,津波浸水予測を行う。リアルタイムで震源モデルを推定する際に,GPS観測データを使用したRAPiD(Ohta et al., 2012)や遠洋津波波形観測データを使用したtFISH(Tsushima et al., 2009, 2011)を用いることで津波浸水予測精度の向上を目指した。RAPiDで推定された断層モデル用いた場合の陸前高田での例として,実際にそのモデルから津波浸水計算を実施した場合をを図4の左に,開発された手法を用いてデータベースから最適モデルを抽出した場合を右に示す。開発された手法を用いると3分で予測が可能であり,少し大きめとなっているが大きな違いはない。次にデータベースの数を倍に増やすことで津波浸水予測がどの程度改善されるかを検討したところ,予測精度は向上するが予測時間の増加につながることが示された。また,リアルタイム計算波形とデータベースの津波波形を比較する場所の選定および数が最終津波浸水予測結果をデータベースから抽出する時にどう影響するかを検討した結果,予測を実施する場所の海底地形によって比較場所の選定を吟味する必要があることが分かった(北海道大学[課題番号:1005])。
房総沖に設置されている気象庁ケーブル式海底水圧計の近くに高精度自己浮上式海底水圧計を設置して観測を実施し,平成26年7月12日福島県沖の地震(M7.0)に伴う地震動や津波による圧力変化を観測した。地震動による圧力変化の周波数特性等を解析して適切に除去し,リアルタイムに津波成分を抽出する手法の改良のため,このデータを活用する。2011年東北地方太平洋沖地震の津波観測データを用いて,沖合で観測された津波波形の逆解析に基づく津波の即時予測手法の改良を検討した。海溝付近の海底水圧計データについては急峻な海底地形によって水平変位から生じる見かけの上下変位を考慮する必要があることが分かったため手法の改良を行い,実データへの適用を通してその有効性を確認した。東北地方太平洋沖地震に関し,既往研究では互いに整合しない点がある地震と津波の発生機構を統一的に説明してその実像を明らかにするため,沖合津波観測データを用いた震源像の推定に着手した。それにより,多点の沖合津波観測データを用いることで,通常よりも長い時間をかけて生じる津波の波源生成の時間変化をある程度把握できる見込みが示された(気象庁気象研究所[課題番号:7011])。

ウ.地殻変動のリアルタイムモニタと震源断層の即時推定

数日以内程度の時定数を持つ地殻変動場を精密に捉えるためのGNSS解析の高精度化に関する研究開発を進めた。キネマティックGNSS解析では座標値パラメータと対流圏遅延パラメータ等,未知パラメータ間の相関が高く両者の分離精度が低く,座標値推定精度がスタティックGNSS解析と比較して低い。特に時空間的不均質が大きい対流圏における電波伝播遅延量の正確な推定は,目標とする数日以内の地殻変動場を捉える上で極めて重要である。そのため,キネマティックGNSS解析における対流圏遅延と座標値推定時における分離精度の向上を試みた。具体的にはECMWF全球数値気象モデルから期待される6時間毎の天頂湿潤大気遅延量を先験情報とした場合と,用いない場合のそれぞれについてキネマティックGNSS解析を多数観測点において実施した結果,先験情報を用いない場合との比較において,推定される湿潤大気遅延量に明瞭なオフセットが生じうることが明らかになった。これによって,GNSS解析と基本的に独立なデータである全球数値気象モデルを用いることで,キネマティックGNSS解析における座標値および対流圏遅延量パラメータの分離精度を向上させ得ることが分かった。また,キネマティックGNSS解析の精度評価を実施するために,あらかじめ与えた変動を再現可能な精密可動台のプロトタイプ機を完成させた。キネマティックGNSS解析においては,特に移動体において座標値の真値が不明で,その精度評価が難しいという問題点があったが,解析のより網羅的な精度評価が可能なテストベッドを構築することができた。(東北大学[課題番号1209])
GEONETリアルタイム解析から得られるリアルタイム地殻変動データを用いて,矩形断層モデル,プレート境界面上のすべり分布を即時推定する技術の開発をおこない,2003年十勝沖地震時,2011年東北地方太平洋沖地震時に得られた1Hz変位波形および南海トラフ地震のシミュレーションデータに対して適用し,地震発生から3分以内に90%を越える高いVariance Reductionで断層モデル推定が可能であることを確認した(国土地理院地殻活動研究センター[課題番号:6004])。
GNSSデータに対してw-phase解析によりモーメントテンソルを推定し,更にその解と地殻変動に整合的な断層面を推定する手法を開発した。 遠地実体波を用いた震源過程解析の各種事前設定パラメータの最適化を行い,設定したパラメータを用いて多くの地震が適正に解析可能であることを確認した(気象庁気象研究所[課題番号:7009])。

エ.火山灰や溶岩噴出の即時予測

2009年以降,ブルカノ式噴火の発生頻度がきわめて高い桜島火山を対象に,噴火に伴う噴煙の早期検知を目的とした火山観測および噴煙中の火山灰粒子密度のその場観測と地上観測を実施した。
桜島火山周辺では国交省九州地整大隅河川国道事務所によりXバンドMPレーダーが設置されており,概ね噴煙高度が火口上3000mであれば確実にレーダー画像として噴煙を捉えることができた。このような電波の反射・散乱は,より波長の長いGNSS衛星からの電波にも伝搬遅延として表れている。2012年7月24日に桜島南岳において発生したブルカノ式噴火では,噴煙高度が8000mに達したが,LC (電離層フリー線形結合) 搬送波位相残差 (単位:cm)を衛星と観測点毎の組み合わせに注目してみてみると,位相残差の大きい伝搬経路は南岳上空の4000mまでの高さにおいて交差することが分かった。しかも,その交差点は,時間とともに西方へ移動し,爆発発生から約20分後には南岳の5km西方に達した(図5)。また,噴火によって放出され,大気中を浮遊する火山灰の粒子密度のその場測定を実施した。簡易型粉じん計を用いて,全粒子,10ミクロン,2.5ミクロン,1ミクロン粒子の密度を測定するとともに,吸引するポンプを用いてフィルターに吸着させて粒子の重量を測定した。桜島から風下の微弱な噴煙が漂う大気中で測定したところ部分的に高濃度の粒子密度領域が検出できた。さらに,連続測定を桜島の地上において実施した。これら粒子状物質の中では粗粒のものが卓越すること,また,粒子状物質の濃度と放出火山灰量や風向との相関が認められることから,桜島において観測される粒子状物質の多くは,火口から放出された火山灰起源であることが分かった(京大防災研[課題番号:1913])。
XRAIN垂水局で捉えられた2014年5月10日桜島噴火噴煙を解析し,噴火直後の強いエコーにより疑似エコーが発生するが,二重偏波パラメータによって噴煙エコーだけを抽出することができた。また,2011年新燃岳の連続噴火の噴煙エコー最頂部検知時刻を鹿児島空港ドップラーレーダーの各アンテナ仰角のスキャン時刻に遡って求め直し,空振記録とエコー頂の高さの累乗関係の相関について調べた結果,いずれの空振観測点データにおいても,エコー頂の検知時刻の1~5分早い時間帯の空振記録で相関係数は最大となった。空振データにより噴煙成長のダイナミクスを推定できる可能性を示した。さらに,2014年9月27日に発生した御嶽山噴火における噴煙のレーダーデータの解析とその結果を利用した降灰予測,ひまわり衛星画像の解析,および花粉センサーネットワークの時系列データ等を活用した検証により,気象レーダーによる噴煙高度推定における課題を整理した。2014年2月13日に発生したインドネシア・ケルート火山噴火に伴う噴煙のひまわり6号ラピッドスキャン画像,ひまわり7号赤外画像から,噴煙の面積拡大率の時間変化等を抽出し,傘型噴煙としてモデル化した。このモデルを利用したGATMによる降灰予測計算と降灰量分布との比較から,噴煙モデルのさらなる改良が必要であることが分かった(気象庁気象研究所[課題番号:7010])。

これまでの課題と今後の展望

新たな研究計画の初年度として,それぞれの研究課題において既往研究成果の高度化,また新たな取り組みに関して初期の成果が見られるとともに,当面取り組むべき課題を見出すことが出来た。それらの課題を追求するため,以下を当面の方針として次年度以降の検討をおこなう。

(1)地震・火山噴火の災害誘因の事前評価手法の高度化

震源モデルの高度化について,2011年東北地方太平洋沖地震の周期別強震動生成過程および内陸地震の震源モデルの整理を行い,既往の強震動予測のための震源モデルとの関係を調べる。また,既往広帯域震源モデルの設定方法に関する検討結果に鑑み,これを改良する。地下構造モデルの高度化に関して,関東平野の3次元地下構造と短周期地震動~長周期地震動の伝播特性を詳細に把握するため,高密度観測データ(K-NET・KiK-net,首都圏強震総合ネットSK-net,首都直下地震観測網MeSO-net等)を統合的に処理する。また,観測記録に基づく盆地地盤応答特性の抽出を継続し,既往地下構造モデルの有効性を検討する。強震動評価手法の高度化については,短波長不均質構造により地震波散乱が強い減衰を起こす過程,散乱による地震動の継続時間の増長の問題,地震動の空間変動と局所的な増幅(フォーカシング現象)の発生可能性について検討し,地下構造探査による直接推定が困難なこのような短波長不均質構造の存在が,強震動の予測の不確定性に与える影響を定量的に評価する。さらに,巨大地震による強震動,地殻変動,津波の複合災害の予測に向けて,海底隆起・沈降の時空間的変動を適切に活用した,津波高・浸水シミュレーションを実施する。
火山地域における地震時崩壊性地すべりのケーススタディを継続し,火山灰層序学および土質力学的な知見を加えて,発生危険個所の抽出手法の論理立てを図る。また,主に西南日本の非火山地域の地震時崩壊のレビューとケーススタディを継続する。各地すべりにおける地震観測を継続し,地すべり地での地震動増幅特性の評価,コーダ波による斜面応答の方位依存性の推定,斜面内部構造推定法の開発を進める。また,強震動を経験する確率が高く,斜面内部が一部塑性しうる斜面があれば,間隙水圧計を埋設するとともに強震計を併設し,高時間分解能同時観測を新たに開始する。

(2)地震・火山噴火の災害誘因の即時予測手法の高度化

揺れの伝播を予測する手法について,自治体震度計から1秒パケットで情報を受信しするシステムを構築し,これら計測震度観測点について,揺れ易さを周波数毎にリアルタイム評価するためのフィルターを構築して行く。
津波の即時予測については,基礎的研究を継続するとともに,海底津波計(S-NET,DONET,DONET2)の観測波形をINPUTとし直接津波を計算する手法を開発し,各地域での津波の浸水範囲を予測する手法に結び付ける。また,高精度水圧計における津波以外の現象に伴う水圧変化の特性を明らかにし,リアルタイムに津波成分のみを抽出するための技術開発を行う。沖合で観測された津波波形の逆解析に基づく津波の即時予測手法システムについて,大量の津波観測データに対しても安定して効率よく動作するようシステムを改良するなどの高度化を行う。
地殻変動データの利活用については,数日以内程度の時定数を持つ地殻変動場を精密に捉えるためのGNSS解析の高精度化に係る研究開発を行う。特に全球数値気象モデルに基づく大気遅延量の先験情報を用いたキネマティックGNSS解析手法の精度評価を網羅的に進める。また,新たに開発した精密可動台のプロトタイプ機を用いて,様々な地殻変動場を再現し,それを実際のキネマティックGNSS解析によって検出できるかについて検討を進める。さらに,火山活動の変化に伴って観測される山体変形を準実時間で確実に把握し,その変動源の時空間変化を推定する技術開発を開始する。
火山灰や溶岩噴出の即時予測について,XバンドMPレーダー観測,GNSSを用いたLC位相残差およびSNRの現象の検出,大気中における火山灰粒子密度のその場測定,および地上における連続測定を実施し,観測事例を増やすことにより,より定量的な議論に向けてデータを蓄積する。

成果リスト

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-- 登録:平成29年07月 --