日本M W 9.0級(jí)地震海嘯數(shù)值模擬與啟示＊

溫瑞智 任葉飛 李小軍

1)中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心,哈爾濱 150080 2)中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 100081

引言

北京時(shí)間2011年3月11日13時(shí)46分,日本東北部海域發(fā)生 MW9.0級(jí)特大地震。地震引發(fā)的巨大海嘯襲擊了環(huán)太平洋沿海大部分國(guó)家和地區(qū),造成巨大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。海嘯波于震后15分鐘抵達(dá)日本沿岸,并在隨后數(shù)小時(shí)內(nèi)襲擊海岸區(qū)。據(jù)日本警察廳統(tǒng)計(jì),截止2011年4月6日,地震和海嘯共造成日本12554人死亡、15077人失蹤以及2866人不同程度受傷,接近20萬棟建筑物受損,其中絕大部分由海嘯造成。另外,由海嘯間接引起的福島第一核電站核泄漏事故對(duì)于環(huán)境的破壞無法估計(jì)。

海嘯數(shù)值模擬是開展海嘯減災(zāi)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié),作者于地震發(fā)生后數(shù)小時(shí)內(nèi)對(duì)此次海嘯進(jìn)行了數(shù)值模擬,本文介紹了數(shù)值模擬結(jié)果,分析此次海嘯造成巨大破壞的原因,并針對(duì)我國(guó)海嘯防災(zāi)減災(zāi)工作給出建議。

1 海嘯數(shù)值模擬

在進(jìn)行地震海嘯的數(shù)值模擬過程中,通常假設(shè)初始海嘯波由斷層的突然豎向錯(cuò)動(dòng)引起,不考慮斷層破裂過程,假設(shè)海水表面的向上運(yùn)動(dòng)和海底位移一致,可由各向同性的彈性半空間中的斷層位錯(cuò)公式確定[1]。根據(jù)日本氣象廳的經(jīng)驗(yàn)公式,快速估計(jì)斷層長(zhǎng)度L=400 km、寬度 W=150 km[2];震源機(jī)制解參考USGS于震后快速發(fā)布的 Wphase矩張量解,包括斷層傾角δ、走向θ、滑動(dòng)角λ、以及地震矩 M0=3.9×1022N·m[3];海底面距此次斷層面頂部高度 H假設(shè)為10 km;斷層平均滑移量ˉD通過經(jīng)驗(yàn)公式M0=μˉDL W確定[4]。

各斷層參數(shù)值見表1,按照這些參數(shù)計(jì)算得到了斷層位錯(cuò)分布,如圖1所示。其中,圖(a)給出了此次海嘯源的位置及海底地形情況;圖(b)給出了地震引起的地殼抬升及沉降等值線,實(shí)線表示抬升,虛線表示沉降,間隔分別為1 m和0.5 m;圖(c)分別表示A—A′斷面和B—B′斷面的位錯(cuò)分布,最大值和最小值分別為8.71 m和-3.64 m。

表1 2011年日本東北地震估算斷層參數(shù)

將上述初始海底位錯(cuò)作為海嘯波初始值輸入越洋海嘯數(shù)值傳播計(jì)算模型[5-6],計(jì)算區(qū)域取 :S80°～N80°,E90°～ W 65°,空間步長(zhǎng)取5′,時(shí)間步長(zhǎng)取10 s,柵格數(shù)量總計(jì)為2461×1921。計(jì)算總持時(shí)約 2個(gè)小時(shí)(CPU:P4 3.2GHz,512M內(nèi)存)。計(jì)算結(jié)果包括海嘯傳播走時(shí)圖、各時(shí)刻的波高分布、能量分布圖及沿海波高分布,限于篇幅原因這里僅給出了傳播走時(shí)圖,如圖2所示,詳細(xì)結(jié)果可參閱www.chinatsunami.o rg。模擬結(jié)果顯示,震后3.5小時(shí)海嘯波傳播至我國(guó)臺(tái)灣;約6.5小時(shí)至福建、浙江沿海,最大波峰約70 cm;約10小時(shí)后至我國(guó)上海,最大波峰約50 cm。此次海嘯未對(duì)我國(guó)沿海造成顯著影響,主要原因是海嘯波通過繞射向我國(guó)海域傳播,并受日本本島及琉球群島的阻隔及我國(guó)寬闊大陸架的摩擦耗能作用。美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局(NOAA)于本世紀(jì)初實(shí)施了DART(Deep-ocean A ssessment and Reporting of Tsunamis)項(xiàng)目,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海嘯波,已組建有39個(gè)觀測(cè)站,每個(gè)觀測(cè)站配備精密的海底壓力計(jì),通過衛(wèi)星準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸水深數(shù)據(jù)[7]。本文從中選取6個(gè)觀測(cè)站,將其觀測(cè)值與本文計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性,結(jié)果如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)各觀測(cè)站首波無論是達(dá)到時(shí)間還是幅值大小計(jì)算值與觀測(cè)值基本上一致,首波過后兩者波形顯著差異但幅值保持一致,說明本文模擬結(jié)果具有一定的可靠度,尤其是作為海嘯警報(bào)發(fā)布前需預(yù)估的兩個(gè)重要指標(biāo)——首波達(dá)到時(shí)間及最大波高,模擬結(jié)果與觀測(cè)值之間一致性較高。

圖1 2011年日本東北地震海底位錯(cuò)分布

圖2 2011年日本東北海嘯傳播走時(shí)圖(間隔1 h)

圖3 2011年日本東北海嘯模擬計(jì)算值與觀測(cè)值比較(分別用紅線和藍(lán)線表示)

2 海嘯造成巨大破壞的原因

日本自1933年三陸地震海嘯造成3000多人死亡后逐步開展海嘯防災(zāi)減災(zāi)研究,至1999年完成了基于數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的新一代海嘯預(yù)警系統(tǒng),能在大震后3分鐘之內(nèi)發(fā)出可靠的預(yù)警信息[8]。對(duì)于此次海嘯預(yù)警,日本氣象廳(JMA)于地震發(fā)生后3分鐘,對(duì)巖手縣、宮城縣、福島縣發(fā)布大海嘯警報(bào)(＞3 m),并不斷更新警報(bào)信息,于震后45分,擴(kuò)大至10個(gè)區(qū)域發(fā)布大海嘯警報(bào)[9]?？梢哉f日本在海嘯研究領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位,另外政府花費(fèi)了大量人力、財(cái)力修筑了綿延數(shù)千公里的海堤和防波堤,為何對(duì)于這個(gè)已從事了近80年海嘯防災(zāi)減災(zāi)研究工作的國(guó)家,還未能避免此次巨大的海嘯災(zāi)難,值得深思與借鑒,為此我們分析了以下幾點(diǎn)原因:

(1)地震釋放能量巨大。此次地震震級(jí)最后修訂為9.0級(jí),是有記錄以來世界第五大地震,形成海底約500 km×200 km區(qū)域的破裂帶。本文盡管沒有對(duì)余震海嘯展開數(shù)值模擬,但據(jù)JMA統(tǒng)計(jì),主震發(fā)生22分、29分、39分鐘過后,破裂區(qū)內(nèi)連續(xù)發(fā)生了M7.4、M7.7、M7.5三次較強(qiáng)余震[9]。主震產(chǎn)生的海嘯波還未消退,余震的海嘯波接踵而至,相互疊加,一浪勝過一浪,持續(xù)數(shù)小時(shí)。

(2)地形放大效應(yīng)。里亞斯型海岸的特殊地形有利于海嘯波匯聚與爬坡,具有一定的放大效應(yīng)[10]。本次海嘯受災(zāi)較為嚴(yán)重的巖手縣和宮城縣恰恰具有典型的里亞斯型海岸。圖4給出了此次海嘯調(diào)查的實(shí)際波高分布,包括爬坡高度,數(shù)據(jù)下載源于美國(guó)地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)的全球歷史海嘯數(shù)據(jù)庫[11]。從圖中清晰可見,巖手縣和宮城縣多處海嘯波高在10 m以上,尤以大船渡市24 m最高。圖中同時(shí)給出了其局部地形,典型的“喇叭口型”海灣,海嘯波侵入海灣,經(jīng)過匯聚與反射疊加,涌浪高度顯著增加。

(3)邊緣波效應(yīng)。在流體動(dòng)力學(xué)中,當(dāng)表面重力波沿剛壁邊界傳播時(shí),受其反射作用,邊界處以正弦波方式傳播,幅值顯著增加[12]。該效應(yīng)將會(huì)使海嘯能量盤踞在沿岸或島嶼周圍。若周圍的海底地形是屬于平坦的斜坡,那么邊緣波效應(yīng)將可被完美地發(fā)揮出來。從圖1(a)可以清晰發(fā)現(xiàn)日本東北海域正好如上所述,具有“漂亮”的斜坡地形,因而海嘯波高增加、持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)。

圖4 2011年日本東北海嘯波高調(diào)查值分布(截止2011年4月5日結(jié)果)

(4)民眾防范意識(shí)麻痹。實(shí)際上,JMA在震后3分鐘即發(fā)布了海嘯警報(bào),而第一波海嘯波在15分鐘后才登陸海岸,公眾有充足的時(shí)間進(jìn)行逃生與開展防護(hù)措施。然而事實(shí)并非如此,最典型的例子是仙臺(tái)機(jī)場(chǎng),約震后1小時(shí)才遭受高達(dá)12 m的海嘯波襲擊,由于未采取應(yīng)急措施而造成嚴(yán)重的破壞。自1960年智利MW9.5級(jí)地震在日本產(chǎn)生6～8 m的海嘯波以來,至今未有如此高的海嘯波侵襲日本沿岸;另外對(duì)于修筑在沿海的海堤與防波堤過度地信任與依賴。大部分民眾對(duì)于海嘯災(zāi)害未有清醒的憂患意識(shí),在警報(bào)響起后并沒有選擇逃生。

(5)政府低估了海嘯強(qiáng)度。首先,對(duì)于地震震級(jí)的低估,從最初的7.9級(jí)經(jīng)過多次修正才確定為9.0級(jí),直接導(dǎo)致對(duì)于海嘯波高的低估;其次,在沿海經(jīng)濟(jì)規(guī)劃與重大工程海嘯評(píng)估過程中,低估了對(duì)于未來可能遭受到的最大海嘯波高,以福島核電站為例,海嘯風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的最大高度為5 m,而實(shí)際上卻達(dá)到了12 m,如圖4所示,造成了意想不到的備用發(fā)電設(shè)備浸水而無法正常工作,引起了核危機(jī)。

3 我國(guó)海嘯防災(zāi)減災(zāi)工作的啟示

2004年印度尼西亞海嘯之后,海嘯防災(zāi)減災(zāi)成為一項(xiàng)研究的熱點(diǎn),2010年智利地震也引發(fā)了較大海嘯,造成了一定損失。盡管日本沿海筑有綿延的海堤和防波堤,但此次海嘯仍對(duì)這個(gè)有著豐富海嘯防災(zāi)減災(zāi)研究工作的國(guó)家造成了巨大的災(zāi)難。針對(duì)此次地震,結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有海嘯研究工作[13-17],獲得以下幾點(diǎn)啟示:

3.1 完善我國(guó)海嘯防災(zāi)體系

從國(guó)家法律政策層面看,我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)體系仍舊不完善,多是以單一災(zāi)種的管理模式呈現(xiàn)。目前地震防震減災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、震害防御、應(yīng)急救援構(gòu)成的三大體系建設(shè)已十分完善,但與其它災(zāi)種的銜接和關(guān)系尚不明朗。這需要中國(guó)地震局與海洋局共同攜手,成立“復(fù)合型災(zāi)變”部門,各負(fù)其責(zé),加快建設(shè)多部門聯(lián)動(dòng)的災(zāi)害應(yīng)急協(xié)調(diào)機(jī)制。

3.2 開展沿海海嘯危險(xiǎn)性評(píng)估

地震海嘯危險(xiǎn)性分析需要建立在對(duì)我國(guó)沿海地區(qū)地震活動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)之上,需要對(duì)地震活動(dòng)特點(diǎn)和地震發(fā)生的地質(zhì)條件有充分的認(rèn)識(shí)。我國(guó)的地震危險(xiǎn)性分析工作經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)積累了豐富的研究成果,形成了一套比較完整、科學(xué)的評(píng)價(jià)方法,充分借鑒地震危險(xiǎn)性的分析方法和思路,會(huì)使地震海嘯評(píng)價(jià)結(jié)果更合理可靠。

3.3 沿海工程海嘯防御

近來我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,但在沿海的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃布局、圍填海、重大基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過程中,缺乏海洋工程防御內(nèi)容。必須全面研究具體工程的預(yù)防海嘯的措施,制定海嘯防御建造和基本設(shè)施的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),確保沿海工程具有初步防御海嘯襲擊的能力。

3.4 已有沿海核設(shè)施地震與海嘯災(zāi)害應(yīng)重新評(píng)估

必須啟動(dòng)對(duì)我國(guó)沿海已有核設(shè)施地震、海嘯災(zāi)害防御安全性重新評(píng)估工作。在我國(guó)《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中僅涉及到“對(duì)可能遭受海嘯與湖涌影響的場(chǎng)地,收集歷史海嘯與湖涌對(duì)場(chǎng)地及附近地區(qū)的影響”,從本次日本海嘯的經(jīng)驗(yàn)來看,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足核設(shè)施的安全要求。

3.5 完善海嘯監(jiān)測(cè)、警報(bào)服務(wù)系統(tǒng)

我國(guó)在1983年加入國(guó)際海嘯警報(bào)系統(tǒng)中心,國(guó)家海洋局目前負(fù)責(zé)我國(guó)的海嘯預(yù)警報(bào)業(yè)務(wù)。我國(guó)“十二五”期間正在規(guī)劃建設(shè)地震預(yù)警系統(tǒng),應(yīng)該加強(qiáng)地震預(yù)警系統(tǒng)和海嘯預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)的統(tǒng)一管理,結(jié)合地震科學(xué)技術(shù),實(shí)現(xiàn)我國(guó)沿海重要區(qū)域的監(jiān)視觀測(cè)。日本大地震發(fā)生后3分鐘,日本氣象廳隨即發(fā)布了海嘯警報(bào),在一定程度上減少了損失,值得借鑒。

3.6 加強(qiáng)民眾海嘯知識(shí)宣傳

必須大力普及海嘯防災(zāi)減災(zāi)知識(shí),提高民眾的海嘯防災(zāi)避災(zāi)意識(shí)和能力。

4 結(jié)語

本文介紹了日本MW9.0級(jí)地震海嘯數(shù)值模擬結(jié)果,分析了此次海嘯造成巨大破壞的原因,并結(jié)合我國(guó)防震減災(zāi)體系,對(duì)我國(guó)海嘯防災(zāi)減災(zāi)工作給出了若干建議。

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