溫州甌江口淺灘地區(qū)越洋海嘯影響評(píng)估計(jì)算

王培濤，于福江,2，趙聯(lián)大,2，侯京明

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

1 引言

2004年12月26日蘇門答臘-安達(dá)曼Mw9.1地震引發(fā)的海嘯，不僅造成了印度洋周邊十余個(gè)國(guó)家的重大經(jīng)濟(jì)損失（超過(guò)100億美元），還奪去了近30萬(wàn)人的生命，超過(guò)100萬(wàn)人無(wú)家可歸[1-7]。2010年2月27日智利中部近海發(fā)生Mw8.8地震，并引發(fā)越洋海嘯，此次地震及海嘯在智利當(dāng)?shù)卦斐山?000人死亡，超過(guò)150萬(wàn)所房屋建筑倒塌，至少200萬(wàn)人受災(zāi)，遠(yuǎn)在大洋彼岸的中國(guó)在地震發(fā)生25個(gè)小時(shí)后監(jiān)測(cè)到海嘯，最大海嘯波為32 cm[8-9]。同年10月25日西蘇門答臘省明打威群島附近海域發(fā)生的Mw 7.7地震再次引發(fā)了海嘯，并造成近400人死亡[10]。

當(dāng)人類還未擺脫印度洋海嘯、智利海嘯的陰影時(shí)，又一次“惡夢(mèng)”震驚世界—2011年3月11日14時(shí)46 min（當(dāng)?shù)貢r(shí)間）日本東北近海發(fā)生Mw9.0級(jí)地震，為日本歷史上最強(qiáng)地震，引發(fā)的越洋海嘯不僅對(duì)日本東北部近岸造成災(zāi)難性影響，還對(duì)環(huán)太平洋多個(gè)國(guó)家造成災(zāi)害[11-13]；海嘯近場(chǎng)的福島縣相馬海嘯波幅9.3 m、宮城縣石卷8.6 m以上、巖手縣宮古8.5 m以上,局部海嘯爬高達(dá)40 m[14];美國(guó)西海岸也監(jiān)測(cè)到了2.5 m的海嘯波。地震、海嘯、火災(zāi)和核泄漏構(gòu)成了災(zāi)害的主體，形成并發(fā)的復(fù)合型災(zāi)害，共造成15240人死亡死亡、8173人失蹤、112528棟房屋被毀、40多萬(wàn)人無(wú)家可歸和100萬(wàn)人缺少飲用水，綜合多家國(guó)際知名金融公司的預(yù)測(cè)，此次災(zāi)難造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)18萬(wàn)億日元[15]。受此影響，我國(guó)發(fā)布了首個(gè)海嘯藍(lán)色警報(bào)，海嘯波震6 h后到達(dá)我國(guó)大陸沿海，我國(guó)沿海儀測(cè)最大海嘯波幅為55 cm,數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)此次地震海嘯在我國(guó)沿海局部地區(qū)海嘯波幅可達(dá)1.5 m[12]。

如果說(shuō)2004年印度洋海嘯事件改變了人們對(duì)印度洋海嘯危險(xiǎn)性的認(rèn)識(shí)[16]，那么，1960年、2010年智利海嘯、2011年日本海嘯則應(yīng)該改變?nèi)藗儗?duì)我國(guó)不會(huì)受越洋海嘯影響的觀點(diǎn)[8-9,12,16]。加之，近年來(lái)頻發(fā)的地震海嘯災(zāi)害再次敦促各濱海國(guó)家進(jìn)一步完善海嘯預(yù)警系統(tǒng)，加強(qiáng)海嘯基礎(chǔ)理論研究、加大海嘯預(yù)警監(jiān)測(cè)投入，適時(shí)開(kāi)展海嘯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及區(qū)劃工作。早在上世紀(jì)90年代于福江等就利用自主開(kāi)發(fā)的地震海嘯模型對(duì)沿海的多個(gè)核電站進(jìn)行可能最大海嘯增水計(jì)算；日本3.11地震海嘯后，國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心海嘯組針對(duì)區(qū)域海嘯評(píng)估了我國(guó)沿海所有在建和已建核電站海嘯危險(xiǎn)性，但是上述研究成果均是針對(duì)區(qū)域海嘯和局地海嘯所開(kāi)展的論述。本文主要關(guān)注越洋海嘯對(duì)研究區(qū)域危險(xiǎn)性的影響評(píng)估。

2 我國(guó)東南沿海的地震海嘯風(fēng)險(xiǎn)

我國(guó)是世界上最早記錄到地震海嘯的國(guó)家，2000多年來(lái)我國(guó)沿海共發(fā)生海嘯大約60多次[17]，其中大多數(shù)集中在我國(guó)臺(tái)灣和南海沿岸。我國(guó)東南沿海處于環(huán)太平洋地震帶上，既面臨著局地海嘯的威脅，也受區(qū)域和越洋海嘯的影響。影響我國(guó)的海嘯最有可能發(fā)生在南海東部馬尼拉海溝、臺(tái)灣島周邊海域、琉球群島。尤其是南海馬尼拉海溝，是國(guó)際公認(rèn)的海嘯潛在發(fā)生源地[18-19]。局地海嘯一般發(fā)生在近海和岸邊，海嘯波到達(dá)岸邊的時(shí)間很短，有時(shí)僅幾分鐘或幾十分鐘，通常猝不及防，往往造成嚴(yán)重危害。我國(guó)歷史上1867年臺(tái)灣基隆和1992年海南島的海嘯事件均屬于局地海嘯。越洋海嘯主要來(lái)自于太平洋海域，盡管有外圍島鏈的阻擋和大陸架地形的影響，越洋海嘯對(duì)我國(guó)東海沿岸和臺(tái)灣島的影響不容忽視。1960年、2010年智利海嘯和2011年日本海嘯事件均屬于越洋海嘯，我國(guó)東部沿海儀器監(jiān)測(cè)到55 cm的最大海嘯波幅。這并不能說(shuō)明，在這幾次事件中我國(guó)東南沿海最大海嘯波為55 cm，在沒(méi)有儀器觀測(cè)的局部地區(qū)可能會(huì)有更大的海嘯波存在.我國(guó)沿海越洋海嘯風(fēng)險(xiǎn)不容忽視[8-9,12]。

根據(jù)美國(guó)哈佛大學(xué)提供的震源機(jī)制解資料分析，環(huán)太平洋地震帶7級(jí)以上地震主要為逆沖型破裂，由于引發(fā)海嘯的地震震源機(jī)制類型是傾滑型或帶傾滑分量的走滑型的地震，從地震錯(cuò)動(dòng)方式上，該區(qū)的地震多數(shù)具備引發(fā)海嘯的條件。因此研究溫州甌江口淺灘地區(qū)海嘯風(fēng)險(xiǎn)除應(yīng)考慮區(qū)域海嘯源（琉球海溝、馬尼拉海溝）的影響，也應(yīng)該考慮越洋海嘯對(duì)該地區(qū)的威脅。本文將針對(duì)該區(qū)域的越洋海嘯危險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。

3 越洋海嘯傳播特征及海嘯源選取

3.1 越洋海嘯傳播特征

海嘯通常是由海底地震、海底火山噴發(fā)、海底或海岸滑坡、崩塌、海底核爆炸或者小行星撞擊所產(chǎn)生的系列具有超長(zhǎng)波長(zhǎng)和周期（與風(fēng)浪相比）的大洋行波，其中海底地震是誘發(fā)海嘯的主要原因，在所有的海嘯事件中86%是由地震觸發(fā)，5%由火山活動(dòng)引起，4%由海底滑坡產(chǎn)生，5%是由這些因素的綜合過(guò)程引起[20]，因此海嘯通常被稱為“地震海嘯”。按照海嘯影響范圍海嘯又可以分為越洋海嘯、區(qū)域海嘯和局地海嘯[21].越洋海嘯是指海嘯源距離受災(zāi)地區(qū)超過(guò)1000 km。越洋海嘯首波波長(zhǎng)在量級(jí)相當(dāng)于震源長(zhǎng)軸尺度，通?？蛇_(dá)幾百千米，此時(shí)大洋水深和海嘯波長(zhǎng)的關(guān)系為：<<1，因此海嘯波可視為淺水長(zhǎng)波，即海嘯波在大洋中傳播時(shí)不發(fā)生頻散，傳播速度為，可達(dá)700 km/h，但波高卻只有1 m左右，甚至更??；加之海嘯波在大洋中受到的摩擦力較小，所以越洋海嘯可以在大洋中傳播數(shù)千海里而能量衰減甚少，對(duì)數(shù)千海里外的沿岸地區(qū)也會(huì)造成海嘯災(zāi)害。當(dāng)海嘯波傳播到近岸區(qū)域后由于水深急劇變淺，水體波動(dòng)特性因受到地形影響而改變，主要表現(xiàn)為其傳播方向、海嘯高度以及剖面形狀都要隨之變化；特別當(dāng)水深沿波向線逐漸變淺使得原先的海嘯波波長(zhǎng)急劇變短，波高驟增。如1960年、2010年智利海嘯、2011年日本海嘯，上述3次越洋海嘯奔襲24 h，海嘯波行進(jìn)了大約1.8×104km，海嘯波平均波速達(dá)到750 km/h（見(jiàn)圖1 a）,周期為60 min（見(jiàn)圖1b）。海嘯到達(dá)彼岸時(shí)海嘯波幅依舊高達(dá)數(shù)米。

3.2 海嘯源選取

我國(guó)東南沿海越洋海嘯威脅主要來(lái)自環(huán)太平洋地震帶，因此本文進(jìn)行評(píng)估計(jì)算的海嘯源取自歷次海嘯演習(xí)中UNESCO/IOC推薦的環(huán)太平洋地震帶上的潛在地震海嘯源。包括日本東北部潛在地震源、菲律賓東部潛在地震源、智利中南部潛在地震源、厄瓜多爾西部潛在地震源、中美洲潛在地震源、卡斯凱迪亞潛在地震源、阿留申群島潛在地震源、堪察加半島潛在地震源、湯加以及瓦努阿圖潛在地震源（見(jiàn)圖2，表1）。

圖2 UNESCO/IOC推薦環(huán)太平洋地震帶可能最大越洋海嘯震源位置分布圖

表1 環(huán)太平洋地震帶潛在震源參數(shù)

4 地震海嘯模式建立及驗(yàn)證

4.1 地震海嘯模式建立

地震海嘯模型是探索海嘯生成機(jī)制、評(píng)估海嘯災(zāi)害和建立實(shí)時(shí)海嘯預(yù)警系統(tǒng)的重要工具和技術(shù)手段。根據(jù)海嘯波的物理特性，海嘯數(shù)值模型通常包括：計(jì)算海嘯初始位移場(chǎng)的斷層模型(Genera?tion)；基于非線性淺水方程或類Boussinesq方程，計(jì)算海嘯波傳播的傳播模型(Propagation)；考慮沿岸地形、地物、采用動(dòng)態(tài)移動(dòng)邊界技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)海嘯爬高及與海岸相互作用的淹沒(méi)模型(Inundation)[2,8,22-23]。

4.1.1 海嘯源模型(斷層模型)

海嘯源模型是海嘯數(shù)值模型研究的基礎(chǔ)，它的適用性直接關(guān)系到海嘯波的傳播及海嘯與海岸的相互作用。斷層模型通過(guò)利用海床位移量來(lái)估算地震引起的初始水面高度，為海嘯數(shù)值模型計(jì)算提供初始條件。目前，Mansinha&Smylie(1971)[24]以及Okada(1985)[25]基于彈性錯(cuò)移理論發(fā)展的兩套斷層模型被廣泛應(yīng)用，大量的研究和應(yīng)用實(shí)例表明此類模型對(duì)大部分海嘯源計(jì)算具有較好的適用性[8,26-27]。

4.1.2 海嘯傳播數(shù)值模型

海嘯在大洋和大陸架傳播時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)的垂直加速度與重力加速度相比可看做一小量；這時(shí)水質(zhì)點(diǎn)的垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)壓力分布的影響可以忽略，所以不考慮頻散項(xiàng)的非線性淺水方程通常被用來(lái)作為海嘯的傳播模型。在近岸此類模型對(duì)海嘯波到達(dá)時(shí)間和海嘯波首波波高均能給出較精確的模擬結(jié)果，但對(duì)首波后的系列波形的預(yù)報(bào)卻有較大的偏差。Imamura F和Liu P.L認(rèn)同頻散作用的重要性，認(rèn)為模型物理頻散效應(yīng)可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和空間步長(zhǎng)，用差分方程的數(shù)值頻散代替微分方程的物理頻散(physical dispersion)既保持了海嘯傳播過(guò)程的物理本質(zhì),又降低了求解物理頻散項(xiàng)的機(jī)時(shí)代價(jià)。

本文選用美國(guó)Cornell大學(xué)開(kāi)發(fā)COMCOT(Cor?nell Multi-grid Coupled Tsunami Model)海嘯模型作為本文的研究模型。該模型采用基于多層網(wǎng)格嵌套的有限差分法。針對(duì)海嘯波不同物理特性，模式可以靈活配置所需坐標(biāo)系(直角/球面)和控制方程類型(線性/非線性)[28-30]。本次模擬采用三層嵌套網(wǎng)格（見(jiàn)圖3）。

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:

圖3 模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格配置

圖4 2010年智利海嘯（a）、2011年日本海嘯（b）在近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)傳播的數(shù)值模擬與觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

式中η為相對(duì)于平均海平面的自由表面位移；?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，F(xiàn)y分別為經(jīng)度和緯度方向的底摩擦力。

4.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的可靠性和適用性，本文利用該模型對(duì)2010年智利海嘯、2011年日本地震海嘯的近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)傳播進(jìn)行了數(shù)值模擬（模擬參數(shù)配置見(jiàn)文獻(xiàn)[8,12]），將模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。從對(duì)比的結(jié)果（見(jiàn)圖4）可以看出所采用模型對(duì)海嘯波到達(dá)時(shí)間及最大波幅的模擬計(jì)算具有較高的精度。但是模型對(duì)首波以后的高頻波動(dòng)模擬仍存在一定的偏差，這與該模型所采用的海嘯源模型及基礎(chǔ)的水深數(shù)據(jù)精度有直接關(guān)系。但就海嘯評(píng)估工作，此模型精度滿足需求。

5 越洋海嘯對(duì)甌江口地區(qū)的影響評(píng)估計(jì)算及危險(xiǎn)性分析

5.1 計(jì)算網(wǎng)格和地形數(shù)據(jù)

圖5 第三層嵌套網(wǎng)格范圍及評(píng)估點(diǎn)設(shè)置

越洋海嘯的計(jì)算分3層嵌套網(wǎng)格進(jìn)行（見(jiàn)表2），第一層太平洋范圍網(wǎng)格分辨率4'，第二層陸架范圍網(wǎng)格分辨率0.5'，第三層評(píng)估區(qū)所在的近岸區(qū)域（見(jiàn)圖5）網(wǎng)格分辨率0.1'。第一層的水深數(shù)據(jù)主要取自ETOPO1數(shù)據(jù)；第二層陸架范圍數(shù)據(jù)采用GEBCO（General Bathymetric Chart of the Oceans）數(shù)據(jù)與部分海圖數(shù)據(jù)融合；第三層數(shù)據(jù)由大比例尺海圖數(shù)字化獲取，其中近岸海陸交接面的分離采用strm 30衛(wèi)星數(shù)據(jù)訂正?？紤]海嘯波進(jìn)入大陸架，特別是行進(jìn)到研究區(qū)域時(shí)海嘯波的傳播特性，圍繞甌江口淺灘近岸區(qū)域選擇12個(gè)控制點(diǎn)作為該區(qū)域海嘯評(píng)估的主要參考依據(jù)。其中，1#—5#位置主要考慮海嘯波直接進(jìn)入該區(qū)域后對(duì)研究區(qū)域的影響，7#—10#位置主要考慮繞射波對(duì)評(píng)估區(qū)域的影響作用，11#、12#位置主要考查開(kāi)闊海域海嘯波特征參數(shù)及模式評(píng)估驗(yàn)證，6#、7#綜合考慮波浪反射、繞射、散射等共同作用后海嘯波幅的高度。

5.2 計(jì)算結(jié)果及危險(xiǎn)性分析

從各越洋海嘯源計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表3）可以看出：智利海嘯源產(chǎn)生的海嘯在評(píng)估對(duì)象近岸的海嘯波最大，其中06點(diǎn)處的最大海嘯波幅為100 cm；其次是菲律賓東部、日本海嘯源在06點(diǎn)海嘯波幅分別達(dá)到97 cm、94 cm，厄瓜多爾、堪察加海嘯源、瓦努阿圖、湯加、中美洲、卡斯凱迪亞海嘯源同樣最大海嘯波幅出現(xiàn)在06點(diǎn)位，分別為34 cm、64 cm、60 cm、29 cm、85 cm和62 cm。06點(diǎn)位處的海嘯波幅最大及淺灘南側(cè)海嘯波幅偏大分析可能的原因：越洋海嘯傳播至琉球海溝后，經(jīng)過(guò)繞射及折射調(diào)整后，波傳播方向與06點(diǎn)、05點(diǎn)位連線的方向接近一致，06點(diǎn)位又處于最外側(cè)；而淺灘北側(cè)由于受到群島環(huán)繞，海嘯波繞射后能量受到損失。按照太平洋海嘯警報(bào)中心海嘯危險(xiǎn)性等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表4）劃分：智利海嘯在所評(píng)估的12個(gè)點(diǎn)位處淺灘附近的10個(gè)點(diǎn)的海嘯波幅都達(dá)到Ⅱ級(jí)；菲律賓東部、日本東北、阿留申群島、中美洲以及卡斯凱迪亞海嘯源只在01#—08#點(diǎn)達(dá)到Ⅱ級(jí)，厄瓜多爾、堪察加、瓦努阿圖海嘯源在05點(diǎn)、06點(diǎn)處的海嘯波達(dá)Ⅱ級(jí)，湯加海嘯源各點(diǎn)處的海嘯波幅均不會(huì)對(duì)評(píng)估區(qū)近海、近岸造成影響；同時(shí)可知：各海嘯源對(duì)評(píng)估區(qū)近岸均不構(gòu)成淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)，但是可以看出菲律賓東部、南美智利、日本東北部海嘯以及北美洲中部潛在海嘯源產(chǎn)生的海嘯對(duì)評(píng)估區(qū)近海工程及作業(yè)船會(huì)有一定的影響。

表2 網(wǎng)格及模型參數(shù)設(shè)置

表3 太平洋潛在地震海嘯在評(píng)估點(diǎn)處海嘯波幅計(jì)算結(jié)果（單位/cm）

表4 海嘯危險(xiǎn)性等級(jí)劃分

6 結(jié)語(yǔ)與討論

（1）從太平洋潛在地震海嘯過(guò)程數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看到，評(píng)估區(qū)受越洋海嘯過(guò)程的影響比較小，普遍小于100 cm。但由于工況位置不同，評(píng)估區(qū)所受海嘯影響也各不相同，主要表現(xiàn)為：評(píng)估區(qū)南側(cè)比北側(cè)海嘯危險(xiǎn)性大、東側(cè)比西側(cè)的危險(xiǎn)性大。這主要與海嘯波傳播方向及局部的地形變化有關(guān)；

（2）從10個(gè)越洋海嘯評(píng)估計(jì)算結(jié)果分析可知，南美中南部海嘯源、日本東北部海嘯源、菲律賓東部、北美洲中部海嘯源比較容易對(duì)我國(guó)東南沿海造成影響。但厄瓜多爾、湯加、瓦努阿圖、堪察加等海嘯源由于其海嘯能量傳播主軸方向不直接面向我國(guó)東南沿海方向，因而上述幾處海嘯源地發(fā)生的海嘯不易對(duì)評(píng)估區(qū)造成影響；

（3）值得注意的是如果日本3.11海嘯源的位置發(fā)生在日本“南海海槽”，那么對(duì)評(píng)估區(qū)將造成較大影響。另外，沖繩海槽地震潛在海嘯對(duì)評(píng)估區(qū)域有較大威脅，在充分認(rèn)識(shí)越洋海嘯對(duì)該研究區(qū)域的危險(xiǎn)性后，加強(qiáng)該區(qū)域可能最大海嘯地震分析研究，評(píng)估計(jì)算研究區(qū)可能最大的海嘯將顯得尤為重要。

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