中國的海嘯災(zāi)害危險(xiǎn)性及海嘯預(yù)警系統(tǒng)
——解讀2011年太平洋海嘯演習(xí)

王培濤，趙聯(lián)大,，侯京明，范婷婷，高義

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,北京100081；2.國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

中國的海嘯災(zāi)害危險(xiǎn)性及海嘯預(yù)警系統(tǒng)
——解讀2011年太平洋海嘯演習(xí)

王培濤1，趙聯(lián)大1,2，侯京明1，范婷婷1，高義2

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,北京100081；2.國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

新世紀(jì)以來頻發(fā)的海嘯災(zāi)害引起了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注，各濱海國家不僅加大了在海嘯預(yù)警建設(shè)和海嘯災(zāi)害危險(xiǎn)性、海嘯基礎(chǔ)理論研究方面的投入，更進(jìn)一步加強(qiáng)了國際社會(huì)在應(yīng)對(duì)海嘯災(zāi)害方面交流與合作。為測(cè)試太平洋各國海嘯預(yù)警系統(tǒng)的有效性以及政府職能部門的應(yīng)急管理能力，切實(shí)提高各國區(qū)域和局地海嘯的應(yīng)對(duì)水平，促進(jìn)國家和地區(qū)間海嘯預(yù)警的交流與合作，聯(lián)合國教科文組織政府間海洋學(xué)委員會(huì)（IOC/UNESCO）決定2011年11月9—10日，在整個(gè)太平洋地區(qū)舉行一次代號(hào)為“Exercise Pacific Wave 11”的海嘯演習(xí)。此次演習(xí)恰逢日本“3.11”大地震海嘯發(fā)生后的8個(gè)月，通過本次演習(xí)對(duì)督促太平洋各國進(jìn)一步檢驗(yàn)本國的海嘯預(yù)警系統(tǒng)、評(píng)估本國的海嘯危險(xiǎn)性均有著重要的意義。中國作為IOC和太平洋海嘯預(yù)警系統(tǒng)的成員國，積極組織實(shí)施了我國歷史上第一次涉及當(dāng)?shù)厝藛T疏散的海嘯演習(xí)。本文將在本次演習(xí)所涉及的海嘯源評(píng)估、海嘯數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，應(yīng)用新的海嘯災(zāi)害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國沿海的海嘯危險(xiǎn)性和海嘯預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行重新評(píng)估分析，期望本文的研究將為今后的海嘯預(yù)警及海嘯災(zāi)害評(píng)估工作提供科學(xué)的決策依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

海嘯危險(xiǎn)性；預(yù)警系統(tǒng)；太平洋海嘯演習(xí)；數(shù)值計(jì)算

1 引言

20世紀(jì)以來，全球共發(fā)生海嘯事件524次，其中有70次引發(fā)海嘯災(zāi)難，特別是進(jìn)入新世紀(jì)的12年間，全球共發(fā)生災(zāi)難性海嘯事件11次（Natural Hazards Database of NGDC/NOAA），平均每年一次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上世紀(jì)6年一次的平均水平[1],海嘯防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。在上述海嘯事件中，86%是由地震事件引發(fā)，5%是由火山活動(dòng)引起的，4%是由海底滑坡產(chǎn)生的，5%由這些原因的綜合過程引起的[2],因此海嘯通常又被稱為“地震海嘯”。海嘯的能量大約為1021—1024爾格，一般為引發(fā)其地震能量的0.005%—10%。地震海嘯的激發(fā)與海水深度、地震強(qiáng)度、震源機(jī)制和震源深度等密切相關(guān)[3-4]，而海嘯災(zāi)害的強(qiáng)弱不僅與激發(fā)因素有關(guān)，還與海底地形及海岸線的幾何形狀等因素有關(guān)。

由于歷史上的災(zāi)害性海嘯多發(fā)生在太平洋沿岸，因此早期國際社會(huì)建立的海嘯預(yù)警機(jī)構(gòu)多集中于此。如果說海嘯預(yù)警機(jī)構(gòu)的雛形源于1948年美國夏威夷建立的“地震海波警報(bào)系統(tǒng)”。那么此后的1960年的智利大海嘯和1964年的阿拉斯加大海嘯將把該預(yù)警機(jī)構(gòu)逐步推向國際社會(huì)，擴(kuò)展到太平洋沿岸國家。1996年政府間海洋學(xué)委員會(huì)，為了更好地組織協(xié)調(diào)太平洋沿岸各國海嘯信息共享和技術(shù)交流又成立了“太平洋海嘯警報(bào)系統(tǒng)協(xié)調(diào)組（ICG/ITSU）”，該組織于2005年更名為“太平洋海嘯警報(bào)系統(tǒng)（ICG/PTWS）”。2004年印度洋大海嘯之后，聯(lián)合國教科文組織政府間海洋學(xué)委員會(huì)考慮建立新的海嘯預(yù)警機(jī)制框架，即全球—區(qū)域—次區(qū)域—國家四級(jí)海嘯預(yù)警系統(tǒng)。由原來僅有的太平洋海嘯預(yù)警系統(tǒng)區(qū)域，擴(kuò)展到印度洋、地中海和加勒比海地區(qū)，建立覆蓋全球的海嘯預(yù)警系統(tǒng)[5]。全球范圍內(nèi)針對(duì)海嘯單一災(zāi)種的國際間預(yù)警與減災(zāi)交流合作就此拉開序幕。

2 太平洋海嘯演習(xí)背景及意義

太平洋海嘯演習(xí)始于2006年，共進(jìn)行了過兩次，主要檢驗(yàn)太平洋海嘯預(yù)警系統(tǒng)及太平洋國家政府及海嘯預(yù)警中心的應(yīng)急反應(yīng)處置及預(yù)警預(yù)報(bào)能力。此次演習(xí)是繼2006年和2008年之后，海委會(huì)在泛太平洋區(qū)域發(fā)起的又一次大規(guī)模的跨國海嘯演習(xí)。演習(xí)的主要目的是檢驗(yàn)太平洋海嘯預(yù)警系統(tǒng)（PTWS）的海嘯信息分發(fā)能力，以及各參演國家的海嘯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行狀況和政府應(yīng)急處置能力，太平洋海嘯警報(bào)中心還將首次嘗試發(fā)布最新研制的定量化海嘯預(yù)報(bào)產(chǎn)品。與前兩次不同是此次演習(xí)針對(duì)的海嘯類型為局地海嘯和區(qū)域海嘯[6-7]，IOC/UNESCO共在智利北部、厄瓜多爾、中美洲、阿留申群島、湯加群島、瓦努阿圖、堪察加群島、琉球海溝、菲律賓海溝和馬尼拉海溝等地的附近海域設(shè)置了10個(gè)假想海嘯源（見圖1），11月9—10日，這10個(gè)地點(diǎn)將陸續(xù)發(fā)生9.0級(jí)地震，太平洋海嘯預(yù)警中心（PTWC）、西海岸/阿拉斯加海嘯警報(bào)中心（WC/ATWC）和西北太平洋海嘯咨詢中心（NWPTAC）將分別向太平洋沿岸各國發(fā)布海嘯信息。參演各國在接到上述機(jī)構(gòu)發(fā)布的海嘯警報(bào)后，根據(jù)各國事先制定的演習(xí)方案開展應(yīng)急響應(yīng)工作。此次演習(xí)恰逢日本“3.11”地震海嘯發(fā)生后8個(gè)月，通過此次演習(xí)對(duì)于督促太平洋各國進(jìn)一步檢驗(yàn)各自的海嘯預(yù)警系統(tǒng)的有效性、評(píng)估各國的海嘯危險(xiǎn)性，有著重要的意義。

圖1 2011年太平洋海嘯演習(xí)假想海嘯源分布（震級(jí)均為9.0Mw）

特別值得一提的是，2006年泛太平洋海嘯演習(xí)的目的是測(cè)試太平洋沿海國家海嘯預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)對(duì)越洋海嘯的反應(yīng)能力，海嘯源設(shè)在智利中部（假設(shè)震級(jí)Mw=9.2）以及馬尼拉海溝南段（假設(shè)震級(jí)Mw=8.8）。2008年泛太平洋海嘯演習(xí)的目的是測(cè)試國家海嘯預(yù)警輔助決策支持系統(tǒng)的有效性，海嘯源設(shè)在日本東北部近海（假設(shè)震級(jí)Mw=9.2）。非常不幸的是在2007—2012年間上述三個(gè)位置附近均發(fā)生了強(qiáng)烈地震并引發(fā)了海嘯[8-9]（見圖2）。海嘯演習(xí)中海嘯源的設(shè)定是根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、斷層發(fā)育狀況、歷史地震發(fā)生規(guī)律綜合判定，具有可靠的科學(xué)理論和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，所以各國無論從海嘯預(yù)警與減災(zāi)、海嘯應(yīng)急處置、海嘯應(yīng)急疏散演練、國際協(xié)同合作、宣傳教育等方面考慮，都應(yīng)該積極參加海嘯演習(xí)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以應(yīng)對(duì)未來的海嘯災(zāi)害。

圖2 歷次海嘯演習(xí)假想海嘯源分布與真實(shí)地震分布

3 演習(xí)海嘯源選擇及數(shù)值評(píng)估計(jì)算

3.1 海嘯源選擇

我國作為PTWS成員國，承諾參與本次代號(hào)為“Exercise Pacific Wave 11”的海嘯演習(xí)，考慮此次演習(xí)的目的及越洋海嘯對(duì)中國的影響[10]，經(jīng)綜合分析確定10個(gè)演習(xí)海嘯源中對(duì)我國威脅最大的是馬尼拉海溝、琉球海溝的兩個(gè)，將其作為本次海嘯演習(xí)的海嘯源進(jìn)行數(shù)值模擬評(píng)估，各地方省市海洋部門可針對(duì)自己的實(shí)際情況組織開展海嘯預(yù)警和應(yīng)急避險(xiǎn)工作。具體做法是：2011年11月10日08時(shí)30分（北京時(shí)），在菲律賓以西海域（16.2°N,119.3°E）或者琉球海溝以南（28.0°N，129°E）發(fā)生9.0級(jí)海底地震（見表1），并引發(fā)特大海嘯。

表1 “Exercise Pacific Wave 11”海嘯源參數(shù)

3.2 海嘯源數(shù)值評(píng)估計(jì)算

3.2.1 模型介紹

本文選用美國Cornell大學(xué)開發(fā)COMCOT（Cornell Multi-grid Coupled Tsunami Model）海嘯模型作為研究模型。該模型采用的是基于多層網(wǎng)格嵌套的有限差分法。針對(duì)海嘯波的不同物理特性，模型可以靈活配置所需的坐標(biāo)系（直角/球面）和控制方程類型（線性/非線性）[11-15]。本文中深水模塊采用球坐標(biāo)系下線性方程：

淺水模塊采用球坐標(biāo)系下非線性方程：

式中η為相對(duì)于平均海平面的自由表面位移；φ為緯度；Ψ為經(jīng)度；R為地球半徑；h為凈水深，H=h+η為總水深；P為沿經(jīng)度單位寬度的通量；Q為沿緯度單位寬度的通量；f為科氏力系數(shù)；g為重力加速度。fx，fy分別為經(jīng)度和緯度方向的底摩擦力。

模型采用交錯(cuò)顯示蛙跳格式求解長波方程。波高η及流通量P，Q在時(shí)間和空間上都是交錯(cuò)進(jìn)行的，波高及水深定義在網(wǎng)格中心，體積通量定義在網(wǎng)格邊的中點(diǎn)，因此波高及體積通量的計(jì)算是在不同的時(shí)間步長上，利用物理量在空間上的交錯(cuò)方式來計(jì)算，可以增加數(shù)值的穩(wěn)定性。采用蛙跳格式可以利用差分方程的數(shù)值頻散近似代替波在淺水中傳播所帶來的物理頻散。

3.2.2 評(píng)估計(jì)算

利用上述海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)模型對(duì)琉球海槽和馬尼拉海溝的兩個(gè)海嘯源進(jìn)行了評(píng)估計(jì)算。琉球海溝海嘯最大波幅分布為：江蘇南部5—8 m，上海4—7 m，浙江3—6 m，福建北部2—4 m，廣東珠江口以東1—2 m；海嘯波4.5 h到達(dá)浙江南部、福建北部；5 h到達(dá)浙江北部、廣東東部、6—8 h到達(dá)寧波、上海沿岸，9—12 h到達(dá)江蘇中南部（見圖3）。

圖3a 琉球海溝海嘯源最大海嘯波幅分布及海嘯波傳播時(shí)間圖

圖3b 琉球海溝海嘯源地震海嘯在東部沿海各代表站海嘯波序列

馬尼拉海溝最大海嘯波幅分布：海嘯波將于1—15 h內(nèi)先后到達(dá)我國臺(tái)灣、海南、廣東、香港、澳門、福建、廣西、浙江、上海、江蘇沿海。受其影響，上述地區(qū)沿岸將先后出現(xiàn)1—10 m的海嘯波。其中江蘇省南部沿岸海嘯波高0.5—1.0 m；上海市沿岸0.5—1.2 m；浙江省北部沿岸0.5—1.5 m，南部沿岸1.5—3.0 m；福建省北部沿岸1.0—2.8 m，南部沿岸2.5—5.0 m；廣東省珠江口以東沿岸3.0—9.0 m，珠江口沿岸2.5—8.0 m，珠江口以西至雷州半島沿岸2.5—7.5m；海南省東北部沿岸2.0—6.0m，南部沿岸1.5—5.0 m，西部沿岸1.0—2.0 m；廣西自治區(qū)沿岸0.5—1.0 m；香港沿岸2.0—7.0 m；澳門沿岸3.0—8.0 m；臺(tái)灣東南部沿岸1.5—3.5 m（見圖4）。

圖4a 馬尼拉海溝海嘯源最大海嘯波幅分布及海嘯波傳播時(shí)間圖

圖4b 琉球海溝海嘯源地震海嘯在南部沿海各代表站海嘯波序列

4 通過海嘯演習(xí)解讀中國的海嘯災(zāi)害危險(xiǎn)性及海嘯預(yù)警系統(tǒng)

4.1 中國的海嘯災(zāi)害危險(xiǎn)性

以往的有關(guān)中國海嘯危險(xiǎn)性的研究成果中不乏一些定性結(jié)論[1,16-17]，最近幾年一些學(xué)者利用數(shù)值模式對(duì)中國部分海區(qū)的海嘯危險(xiǎn)性進(jìn)行了討論[8-10,18-20]，得出一些量化結(jié)果。在上述研究成果中均認(rèn)為馬尼拉海溝或者琉球海槽的地震海嘯源對(duì)我國沿海具有較大威脅，應(yīng)給于特別關(guān)注。盡管如此，尚未見對(duì)中國沿海海嘯危險(xiǎn)性按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的等級(jí)劃分成果，本文針對(duì)上述兩個(gè)海嘯源試圖通過統(tǒng)一的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中國沿海海嘯危險(xiǎn)性進(jìn)行重新定位與認(rèn)識(shí)。海嘯分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用PTWC最新推薦的四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具體步驟是：首先計(jì)算出每個(gè)海嘯源在中國沿海所有縣/市級(jí)行政單元內(nèi)引發(fā)的最大海嘯波幅，通過空間分析法將其最大波幅擴(kuò)展到每個(gè)縣/市級(jí)行政單元的海岸線上，從而得出我國沿海海嘯危險(xiǎn)性等級(jí)分布（見圖5）。

圖5 假想海嘯源地震海嘯危險(xiǎn)性等級(jí)分布圖（圖中等值線為海嘯傳播時(shí)間：1h間隔）

從上圖可以清楚的看出：琉球海槽海嘯源對(duì)中國東部沿海特別是長江口、杭州灣、浙江中南部均構(gòu)成嚴(yán)重威脅；同樣，馬尼拉海溝海嘯源對(duì)中國南部沿海地區(qū)，特別是福建南部、臺(tái)灣南部、廣東沿海、香港、澳門及海南東部均具有最高等級(jí)威脅。

表2 太平洋海嘯警報(bào)中心（PTWC）最新的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4.2 中國的海嘯預(yù)警系統(tǒng)

目前，由于地震的不可預(yù)報(bào)性，海嘯的預(yù)報(bào)就更為艱難，只能在地震發(fā)生后迅速做出海嘯預(yù)警。目前所有的海嘯預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則都是利用地震波、海嘯波到達(dá)近岸時(shí)的時(shí)間差，進(jìn)而進(jìn)行海嘯預(yù)警，所以留給海嘯預(yù)警的時(shí)間非常短，特別是區(qū)域海嘯和局地海嘯，預(yù)警難度就更大。2004年的印度洋海嘯是人類的噩夢(mèng)，同時(shí)也給人類敲響了警鐘。一個(gè)有效的海嘯預(yù)警系統(tǒng)對(duì)一個(gè)地區(qū)應(yīng)對(duì)海嘯這種極端災(zāi)害是至關(guān)重要的。正是基于此，太平洋沿岸各國基本都相繼建立了各自的海嘯預(yù)警系統(tǒng)，也初步具備了應(yīng)對(duì)越洋海嘯和區(qū)域海嘯的能力。我國也在“十一五”期間建立了基于數(shù)據(jù)庫和GIS技術(shù)的南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)，目前，該系統(tǒng)已經(jīng)投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行。當(dāng)我國東南部近海發(fā)生地震海嘯時(shí)，通過南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)輸入相關(guān)地震參數(shù)進(jìn)行檢索和查詢。系統(tǒng)會(huì)在2 min內(nèi)完成所有計(jì)算結(jié)果的計(jì)算和輸出。此次演習(xí)中，該系統(tǒng)的快速、高效運(yùn)行為海嘯預(yù)警產(chǎn)品制作、決策服務(wù)、人員疏散等環(huán)節(jié)爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間、提供了有效的預(yù)警信息。同時(shí)，國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心已經(jīng)完成了基于實(shí)時(shí)海嘯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的海嘯源反演算法研究工作，目前正著手建立基于海嘯浮標(biāo)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)海嘯預(yù)警系統(tǒng)，未來我國新一代海嘯預(yù)警系統(tǒng)在預(yù)警精度、預(yù)警時(shí)效等方面將達(dá)到國際先進(jìn)水平。

5 總結(jié)與建議

海嘯災(zāi)害是沿海國家面臨的最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。發(fā)展和完善海嘯預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)于海洋災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)，具有十分重要的意義。在現(xiàn)有的觀測(cè)技術(shù)水平下對(duì)海嘯源模型的研究須進(jìn)一步拓寬思路，探索多源數(shù)據(jù)在海嘯源反演方法中的應(yīng)用；同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步提高海嘯預(yù)警系統(tǒng)對(duì)“慢地震”①：慢地震：非暴力性質(zhì)的斷層滑動(dòng)事件，它需要經(jīng)過數(shù)小時(shí)或數(shù)天釋放它們擁有的強(qiáng)大能量，而不是在數(shù)秒到數(shù)分鐘的時(shí)間里釋放。海嘯和滑坡海嘯的預(yù)報(bào)精度；大力發(fā)展深海海平面觀測(cè)技術(shù)、建立實(shí)時(shí)海嘯預(yù)警系統(tǒng)，以防范未來的海嘯風(fēng)險(xiǎn)；這些都將成為今后我國海嘯防災(zāi)減災(zāi)的重點(diǎn)工作。

從海嘯危險(xiǎn)性等級(jí)分布圖可以看出：受馬尼拉海溝和琉球海溝地震海嘯的潛在影響，我國東南沿海均具有較高的海嘯危險(xiǎn)性等級(jí)，特別是長江口、杭州灣、浙江沿海、珠江口、臺(tái)灣南部、海南東部等均屬于最高等級(jí)，而這些沿海地區(qū)分布著我國絕大部分的港口、核電、石化、倉儲(chǔ)、跨海大橋等大型工程。考慮到我國東南沿海地區(qū)巨大的人口總量以及在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位，一旦發(fā)生大海嘯，勢(shì)必對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成較大影響。因此建議：應(yīng)盡快開展上述地區(qū)的海嘯風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，制定海岸帶淹沒圖和應(yīng)急疏散圖；同時(shí)加強(qiáng)海嘯科普宣傳教育和疏散演練也勢(shì)在必行。

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The hazards of tsunami disaster and tsunami early warning system of China: an interpretation of 2011 Pacific tsunami exercise

WANG Pei-Tao1，ZHAO Lian-Da1,2，HOU Jing-Ming1，F(xiàn)AN Ting-Ting1，GAO Yi2
（1.National Marine Environment Forecasting Center,Beijing 100081 China；2.Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting, State Oceanic Administration,Beijing 100081 China)

Frequent tsunami disasters have already given rise to extensive attentions of international society since the new century.The coastal countries not only increased investment in the construction of tsunami early warning,tsunami hazard and tsunami foundation theory research,but also further promoted international exchanges and cooperation in response to the tsunami disasters.Intergovernmental Oceanographic Commission（IOC）of UNESCO hold a Pacific-wide tsunami warning and communication exercise on 9 and 10 November 2011,which was code-name'Exercise Pacific Wave 11'.The purpose of the exercise were mainly to test tsunami early warning system validity of Pacific Country Tsunami Warning Focal Points,to improve the level of response to regional and local tsunamis effectively and promote exchanges and cooperation among national tsunami early warning center.The exercise is held just after eight months of Japan tsunami on 11th March 2011.The exercise has significance for urging Pacific countries to test tsunami warning system and assessing the tsunami risk.As a member of the IOC and the Pacific tsunami warning system,China organized and implemented the first time of tsunami evacuation drills.The aim of this paper is to re-analyze China's tsunami hazard and reappraise China's tsunami early warning system based on'Exercise Pacific Wave 11'tsunami sources and numerical calculation for regional and local tsunami sources.This study will service as decision basis for tsunami disasters prevention and mitigation.

tsunami hazard;early warning system;Pacific tsunami exercise;numerical calculation

book=319,ebook=319

P731

：A

：1003-0239（2012）05-0009-08

2012-03-28

國家自然科學(xué)基金（40676006）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201205034-02）

王培濤（1981-），男，助理研究員，主要從事海嘯、風(fēng)暴潮理論及預(yù)警報(bào)技術(shù)研究。E-mail：wpt@nmefc.gov.cn