浙江沿海潛在區(qū)域地震海嘯風(fēng)險分析

毛獻忠，祝倩，Wei Yong

（1.清華大學(xué)深圳研究生院海洋學(xué)部，廣東深圳，518055；2.NOAA Center for Tsunami Research，Pacific Marine Environmental Laboratory，NOAA，USA）

浙江沿海潛在區(qū)域地震海嘯風(fēng)險分析

毛獻忠1，祝倩1，Wei Yong2

（1.清華大學(xué)深圳研究生院海洋學(xué)部，廣東深圳，518055；2.NOAA Center for Tsunami Research，Pacific Marine Environmental Laboratory，NOAA，USA）

采用COMCOT海嘯模型建立三重網(wǎng)格模型模擬了2011年3月11日日本東北部9.0級地震引發(fā)的海嘯發(fā)生、發(fā)展以及在我國東南沿海傳播過程。震源附近浮標站以及浙江沿海的潮位站實測資料驗證結(jié)果顯示，大部分監(jiān)測站首波到達時間和海嘯波的計算值相差在15%以內(nèi)，表明模型可較好的模擬海嘯在計算域內(nèi)的傳播過程。研究表明日本南海海槽、沖繩海槽以及琉球海溝南部是影響浙江沿海主要的區(qū)域潛在震源，通過情景計算分別模擬3個潛在震源9.1級、8.0級和8.7級地震引發(fā)的海嘯對浙江沿海的海嘯風(fēng)險，計算結(jié)果表明，海嘯波產(chǎn)生后可在3～8 h內(nèi)傳至浙江省沿岸，海嘯波達1～3 m，最大可達4 m，此時浙江沿岸面臨Ⅲ～Ⅳ級海嘯風(fēng)險，達到淹沒至嚴重淹沒等級。

COMCOT模型；地震海嘯；日本南海海槽；沖繩海槽；琉球海溝；浙江沿海

1 引言

海嘯是一種破壞力極強的自然災(zāi)害，全球約90%的海嘯為地震海嘯。2004年12月26日發(fā)生在印尼蘇門答臘島西北附近海域9.1級強烈地震，以及2011年3月11日發(fā)生在日本本州島附近海域9.0級地震，引發(fā)區(qū)域內(nèi)的特大海嘯，造成巨大人員傷亡及財產(chǎn)損失。近年來海嘯災(zāi)害頻繁發(fā)生，促使沿海各國加強海嘯理論研究，以及改進與完善現(xiàn)有的預(yù)警系統(tǒng)，同時對沿海地區(qū)潛在的地震海嘯風(fēng)險進行全面的評估。

有關(guān)研究表明，我國歷史上最早的海嘯記錄發(fā)生在公元前48年，自公元前48年至2004年，我國沿海共發(fā)生海嘯約60多次［1］；歷史文獻記錄浙江沿海至少有5次遭遇地震海嘯的襲擊［2］。東海邊緣的臺灣－琉球－日本一帶是地震高發(fā)地帶，若該島鏈某個斷層發(fā)生強地震，對我國東南沿海潛在的地震海嘯風(fēng)險很大，因此需要對潛在的風(fēng)險源進行調(diào)查和評估，以應(yīng)對可能的地震海嘯事件。

本文采用COMCOT海嘯模型建立三重網(wǎng)格模型，在日本311地震海嘯事件驗證的基礎(chǔ)上，對影響浙江沿海主要的潛在區(qū)域地震震源進行識別，然后模擬和評估其對浙江沿海的海嘯災(zāi)害風(fēng)險。

2 潛在震源分析

按照震源距受災(zāi)地的遠近，海嘯可分為局地海嘯、區(qū)域海嘯和越洋海嘯，我國浙江沿?？赡軙獾絽^(qū)域海嘯和越洋海嘯的影響。王培濤等［3］通過數(shù)值模擬，評估了10個環(huán)太平洋地震帶上潛在或歷史地震海嘯事件對溫州甌江口的影響，計算波幅均小于100 cm。1960年智利9.5級地震大海嘯和1964年美國阿拉斯加灣8.4級地震大海嘯，在長江口的記錄僅有20 cm。因此，本文主要研究區(qū)域海嘯對浙江沿海的影響，即當中國近海發(fā)生強烈地震時，浙江沿?？赡苊媾R的災(zāi)害性海嘯風(fēng)險。影響浙江沿海的區(qū)域海嘯源主要有東海大陸架外的沖繩海槽、琉球海溝、日本西南海域的南海海槽以及馬尼拉海溝。

日本南海海槽位于日本西南海域，由于菲律賓海板塊的北西向運動與其向歐亞板塊的強烈俯沖，致使該區(qū)域頻繁發(fā)生強烈地震［4］。海槽由東海、東南海和南海3段組成，一般統(tǒng)稱為南海海槽。自公元175年以來，該區(qū)域共發(fā)生過12次7.5級以上的地震，最新的大地震記錄是1944年東南海7.9級地震和1946年南海8級地震。有研究認為日本南海海槽8級地震發(fā)生周期約為100～200 a，因此未來該區(qū)域發(fā)生大地震的概率很高［5］。日本中央防災(zāi)委員會在日本東北311海嘯過后，重新評估了日本南海海槽地區(qū)海嘯風(fēng)險，將其可能面臨的最大地震從8.7級升級為9.1級（http：／／www.bousai.go.jp／jishin／nankai／model／index.html）。NOAA將太平洋、大西洋、印度洋已知的和潛在的地震震源分為1 160個單位震源，建立海嘯傳播數(shù)據(jù)庫，為其SIFT（Short-term Inundation Forecast for Tsunamis）預(yù)報模式服務(wù)［6］。本文參考該數(shù)據(jù)庫中琉球－九州－日本南海海槽地震帶參數(shù)，設(shè)置了該地區(qū)①發(fā)生9.1級大地震時的斷層（圖1）。

圖1 潛在震源斷層分布圖Fig.1 Distribution of fault plane segments of potential sources

琉球海溝俯沖帶是歐亞板塊與菲律賓板塊的板塊邊界，菲律賓板塊整體向北西向移動，俯沖插入亞洲板塊之下，使得琉球島弧隆起，琉球海溝形成，海溝長1 500 km，南自臺灣島，北至九州帛琉海嶺，海溝南段較深，最大深度7 507 m［7］。地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)數(shù)據(jù)［8］顯示琉球群島南部的沖繩海槽正以50 mm／a的速度向175°方向擴張。加上歐亞板塊和菲律賓板塊以80～85 mm／a的速度靠攏，所以在南琉球島弧地區(qū)與菲律賓板塊靠攏的速度可達125 mm／a。根據(jù)臺灣地區(qū)的歷史記錄，在過去幾百年，臺灣東北帶發(fā)生了至少10次7.0級以上地震，最大的一次是1920年7月5日的一次7.7級地震［9］。參考NOAA全球震源數(shù)據(jù)庫［6］，在琉球地帶（②－⑥）選擇了5個震源，震級設(shè)置為8.0級。Hsu等［8］研究了臺灣島東面與那國島之間的琉球俯沖地帶發(fā)生淺源地震的可能性和規(guī)模，結(jié)合臺灣地區(qū)的GPS數(shù)據(jù)和琉球地區(qū)歷史地震數(shù)據(jù)，研究推測可能發(fā)生7.0～8.7級淺源地震的地區(qū)，位于臺灣島東部至加瓜海脊之間。因此，在琉球海溝俯沖南段（⑧）設(shè)置了8.7級地震的斷層。

沖繩海槽為大陸邊緣張裂形成的半深?；『笈璧兀錁?gòu)造發(fā)育主要受控于歐亞板塊與菲律賓海板塊之間俯沖活動。海槽的斷裂系統(tǒng)一組平行于海槽走向，另一組相交于俯沖構(gòu)造帶走向，海槽的斷裂系統(tǒng)決定了其東西分帶，南北分塊的構(gòu)造地貌特征［10］。海槽南部水深在1 000～2 000 m，南部邊緣地形起伏不平；中部地形較為平坦，水深約1 000～2 000 m；北部水深在500～1 000 m之間。沖繩海槽的地形、水深條件符合海嘯發(fā)生的要求，且具有強烈的斷裂構(gòu)造活動、高熱流值，是會威脅到我國東南沿海的潛在震源區(qū)［11］。參考上海地震局的研究［12］，沖繩海槽⑦設(shè)置地震震級為8.0級的斷層。

馬尼拉海溝位于臺南至菲律賓地震帶西帶，平均水深為4 800～4 900 m，最深達5 377 m。海底地形復(fù)雜，與海溝平行還有呈SN向的海嶺分布。因其水深和海底地形起伏較大，具備產(chǎn)生地震海嘯條件。馬尼拉海溝斷塹帶是受正斷層控制的斷塹槽地，該區(qū)域強震活動頻繁［13］。2006年，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGC）對整個太平洋俯沖帶的地震源的潛在危險性進行了評估，認為馬尼拉海溝是南海風(fēng)險最高的區(qū)域［14］，未來若該區(qū)域發(fā)生大地震，有可能引發(fā)大規(guī)模的海嘯，并對我國東南沿海諸省以及港澳地區(qū)產(chǎn)生影響。參考NOAA全球震源數(shù)據(jù)庫［6］，將馬尼拉俯沖區(qū)⑨分為18個長100 km寬50 km的單位震源，總震級為9.0級。

根據(jù)以上分析，針對浙江沿海面臨的主要海嘯風(fēng)險共設(shè)計了9組（①－⑨）研究方案，其震源位置和斷層分布見圖1。

3 模型建立與驗證

2011年3月11日，在日本本州島仙臺港以東130 km處發(fā)生了9.0級地震，引發(fā)的海嘯襲擊了日本本州東北大部分沿海城市，海嘯造成2萬多人死亡和失蹤。我國臺灣、福建、浙江、江蘇等地的沿海驗潮站也監(jiān)測到了海嘯波，國家海洋局發(fā)布了海嘯藍色預(yù)警。本次海嘯事件監(jiān)測數(shù)據(jù)完備，為海嘯模型的建立和驗證提供翔實的資料。

3.1 COMCOT模式簡介

COMCOT海嘯模式是美國Cornell大學(xué)Philip Liu開發(fā)的，該模型基于線性和非線性淺水長波方程，采用多層網(wǎng)格嵌套分別模擬海嘯在深海和淺海中的傳播。根據(jù)海嘯傳播特性以及海域?qū)嶋H情況，可調(diào)整計算區(qū)域和網(wǎng)格大小，以及選擇線性或非線性控制方程，從而兼顧計算精度和效率。模式的控制方程及算法詳見文獻［15］。

模型通過輸入地震斷層參數(shù)，由Okada［16］彈性斷層模型計算得到震后海底表面變形，據(jù)此作為海嘯初始波高。地震斷層參數(shù)包括斷層長度（L）、寬度（W）、震源深度（H）、震中經(jīng)緯度（location）、走向角（strike）、滑移角（slip）、傾角（dip）、錯移量（D）。在深海，控制方程選用球坐標下線性長波方程，在近岸，控制方程選用球坐標下非線性長波方程。

3.2 計算區(qū)域和監(jiān)測點

本文采用3層嵌套網(wǎng)格建立海嘯傳播模型。第一層網(wǎng)格范圍為3°～66.5°N，105°～175°E，分辨率為2′，包括東海、臺灣海峽、南海、日本及部分西太平洋海域，由于水深較深，忽略海底摩擦力，采用球坐標系線性長波方程。第二層網(wǎng)格范圍為21°～34°N，118°～128.5°E，分辨率為0.5′，主要包括東海沿海區(qū)域及東海大陸架，采用球坐標系下非線性長波方程，第一層和第二層的地形數(shù)據(jù)來源于GEBCO提供的地形數(shù)據(jù)。第三層網(wǎng)格范圍為27°～31.5°N，120.5°～122.5°E，主要包括浙江省沿海海域，精度為6″，采用球坐標系下的非線性淺水長波方程，地形數(shù)據(jù)來源于海圖資料。三重網(wǎng)格的計算域、震源附近的浮標站位置以及浙江沿海的驗潮站分布見圖2。

3.3 震源參數(shù)的設(shè)置和模型驗證

311地震海嘯發(fā)生后，Tang等［17］利用浮標站在震后1 h之內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演計算了6塊長100 km寬50 km的小斷層震源參數(shù)，并利用這些斷層參數(shù)作為初始條件，較精確地模擬海嘯在日本近場和越洋的傳播情況［17—18］。參考文獻［17］中斷層設(shè)置（見表1），作為本文所建海嘯模型的輸入條件，模擬此次海嘯波的產(chǎn)生和發(fā)展，以及在我國沿海的傳播情況。

圖3給出了日本311海嘯在大洋和近海的最大波幅分布。由圖3看出，此次地震引發(fā)的海嘯主要向東南方向傳播，能量集中傳向太平洋。我國沿海不在海嘯能量傳播的主方向上，且受島鏈及東海大陸架的阻擋，海嘯傳播至我國東南沿海時能量已衰減很多。此次海嘯對江蘇南部至福建北部、閩南至珠江口沿岸有一定的影響，浙江省沿岸海嘯波最大波幅在10～60 cm之間。

圖2 三重網(wǎng)格計算域和監(jiān)測點分布圖Fig.2 The three-layer nested computational domain and the locations of observation stations

表1 311日本地震斷層參數(shù)Tab.1 Fault parameters of Japan 311 Earthquake

圖3 311海嘯最大波幅分布Fig.3 The maximum amplitude distribution of 311 Earthquake tsunami

圖4是模型計算結(jié)果和震源附近3個海嘯浮標DART觀測值的對比圖。對比結(jié)果顯示，海嘯首波及之后海嘯波變化過程，模型計算和觀測序列基本一致；首波在地震后0.5～1.5 h內(nèi)陸續(xù)到達附近的浮標站，到達后約15 min出現(xiàn)第一個波峰，模型計算的第一個完整海嘯波與觀測值較為吻合，相位誤差在2 min以內(nèi)；21401站和21419站首波峰計算值分別為50.6和41.5 cm，誤差小于2 cm；21413站觀測值為66 cm，計算值為74 cm，誤差12%。驗證結(jié)果說明模型可較好地模擬311日本地震海嘯發(fā)生及深海傳播過程。

311地震海嘯發(fā)生后，我國沿海的潮位站都觀測到海嘯波，圖5為沿?？查T、石浦、沈家門、呂四4個近岸驗潮站的模擬值與觀測值對比，海嘯首波到達驗潮站的時間及首波波高見表2。計算結(jié)果顯示，模型計算首波到達驗潮站時間與觀測值相差在20 min以內(nèi)，首波波高除沈家門站有較大偏差，在其余幾個驗潮站的平均誤差約為15%。沈家門站周圍島嶼較多，網(wǎng)格和地形的精度可能導(dǎo)致誤差較大，本文計算結(jié)果和王培濤等［19］的接近。計算結(jié)果表明，模型模擬的海嘯傳播時間和波高與觀測值基本符合，說明模型能較準確模擬海嘯在浙江省沿海海域內(nèi)的傳播過程。

圖4 DART浮標觀測值和模擬值對比Fig.4 Comparison of simulated results with the measurements of DART buoys

圖5 部分驗潮站觀測值和模擬值對比Fig.5 Comparison of simulated results with the measurements of tide gauges

表2 首波波幅、到達時間的模擬值和驗潮站觀測值對比Tab.2 Comparison between the observed and simulated arriving time and first wave height at tide gauges

4 浙江沿海的海嘯風(fēng)險分析

根據(jù)潛在震源分析，浙江沿海面臨主要的風(fēng)險可能來自東海大陸架外的沖繩－琉球海域、日本西南海域的日本南海海槽以及馬尼拉海溝。采用已驗證過的模型，對圖1中9個假想的地震海嘯事件進行情景模擬，模擬地震發(fā)生后16 h內(nèi)海嘯在區(qū)域內(nèi)的傳播過程。計算結(jié)果表明對浙江沿海有顯著威脅的地震事件是日本南海海槽①、沖繩海槽⑦及琉球海溝俯沖南段⑧。3個假想海嘯事件在浙江沿海多個驗潮站的最大波幅計算結(jié)果見表3。根據(jù)政府間海洋學(xué)委員會（IOC）太平洋海嘯預(yù)警系統(tǒng)海嘯危險等級劃分標準（表4）對上述3個假想事件對浙江沿海的海嘯風(fēng)險進行分析。

表3 驗潮站情景計算最大波幅Tab.3 The maximum amplitude of three scenarios at tide gauges

表4 海嘯危險等級劃分Tab.4 Tsunami hazard rank criteria

4.1 情景一：日本南海海槽（Mw9.1）

圖6是情景一日本南海海槽發(fā)生Mw9.1地震海嘯后在區(qū)域內(nèi)最大波幅分布。日本南海海槽9.1級地震引發(fā)的海嘯能量主要傳向太平洋海域，我國沿海雖不在主要傳播方向上，但海嘯波的能量巨大，部分海嘯波穿過吐噶喇海峽傳至我國沿海，影響范圍包括江蘇至福建北部，對廣東沿海也有輕微的影響。受臺灣島的保護，福建中部受影響較小。

震后海嘯5 h首先到達浙江南部，6 h后傳至浙江中部，8 h后傳至北部。從圖6知，整個浙江沿岸均受到較嚴重的影響，最大海嘯波均超過1.0 m，浙江大部分地區(qū)面臨Ⅲ級淹沒風(fēng)險；中部大部分驗潮站的最大波幅超過2.0 m，其中大目涂站達2.6 m，局部地區(qū)最大海嘯波達4.0 m，面臨Ⅳ級嚴重淹沒風(fēng)險。

圖6 情景一海嘯最大波幅分布Fig.6 The maximum tsunami amplitude distribution for Scenario 1

4.2 情景二：沖繩海槽中部（Mw8.0）

圖8是情景二沖繩海槽中部Mw8.0地震海嘯后在區(qū)域內(nèi)最大波幅分布。計算結(jié)果表明，江蘇南部至福建北部均會受到地震海嘯的影響，浙江及江蘇北部在海嘯能量的主傳播方向上，是受影響最大的區(qū)域。震后3 h海嘯傳播至浙江南部，再經(jīng)約2 h傳至浙江中部和北部，其中，中部和南部受到的影響大于北部，浙江中部和南部最大海嘯波均在1.0～3.0 m之間，局部地區(qū)在3.0 m以上，構(gòu)成Ⅲ～Ⅳ級淹沒風(fēng)險；北部杭州灣稍低，在0.5～1.0 m之間，局部海域1.0 m以上，構(gòu)成Ⅱ～Ⅲ級風(fēng)險。在沿海驗潮站中，南部南麓山驗潮站最大波幅可達1.8 m，魚山驗潮站達1.6 m。

圖7 情景二海嘯最大波幅分布Fig.7 The maximum tsunami amplitude distribution for Scenario 2

4.3 情景三：琉球海溝南端（Mw8.7）

圖7是情景三琉球海溝南端Mw8.7地震海嘯后在區(qū)域內(nèi)最大波幅分布。計算結(jié)果表明，震源距離我國沿海較近，海嘯迅速襲擊臺灣島東部，繼續(xù)傳播至我國東南沿海，影響范圍包括臺灣島東、江蘇南部至福建北部、福建南部、廣東沿海。震后3 h海嘯開始傳播至浙江南部，再經(jīng)約2 h傳至浙江中部和北部。浙江南部和中部大部分地區(qū)，最大海嘯波幅在1.2～2.0 m之間，局部地區(qū)超過3.0 m，造成Ⅲ～Ⅳ級淹沒至嚴重淹沒風(fēng)險，北部除杭州灣部分地區(qū)波幅低于1 m，為Ⅱ級近海風(fēng)險外，其他地區(qū)面臨Ⅲ級淹沒風(fēng)險。在南麓山驗潮站，最大波幅達3.4 m，可能受附近地形放大效應(yīng)影響所致，南麓山驗潮站附近海域?qū)⒚媾RⅣ級嚴重淹沒風(fēng)險。

圖8 情景三海嘯最大波幅分布Fig.8 The maximum tsunami amplitude distribution for Scenario 3

對比情景二和情景三的計算結(jié)果表明，發(fā)生地震的斷層走向不同，海嘯的影響區(qū)域也有所不同。若沖繩海槽中部發(fā)生地震，海嘯的主傳播方向在西北方向，浙江沿海正好在海嘯能量的主傳播方向上，所以海嘯影響最大；而琉球海溝南端發(fā)生地震，海嘯的主傳播方向在東北方向，浙江沿海不在海嘯主傳播方向上。所以，雖然情景二和情景三的地震震級相差很大，但浙江沿海面臨的海嘯風(fēng)險相當。

5 結(jié)論與建議

（1）本文采用COMCOT海嘯模式建立了三重嵌套海嘯計算模型，模擬了日本311東北部9.0級地震引發(fā)的海嘯在區(qū)域內(nèi)的傳播過程，對比浮標站及沿海潮位站實測資料，模型計算海嘯波誤差在15%以內(nèi)，

表明模型在計算域內(nèi)結(jié)果穩(wěn)定、可靠，可較好地模擬海嘯在計算域內(nèi)的傳播過程。

（2）日本南海海槽、沖繩海槽以及琉球海溝南部是影響浙江沿海主要的潛在區(qū)域海嘯震源，當這些區(qū)域發(fā)生強烈地震時會對浙江沿海造成災(zāi)害性影響。通過情景計算分別模擬3個潛在震源9.1級、8.0級和8.7級地震引發(fā)的海嘯對浙江沿海的海嘯風(fēng)險，計算結(jié)果表明，海嘯波產(chǎn)生后可在3～8 h內(nèi)傳至浙江省沿岸，海嘯波高1～3 m，最大可達4 m，浙江沿岸面臨Ⅲ至Ⅳ級海嘯風(fēng)險，達到淹沒至嚴重淹沒等級。

（3）海嘯是最嚴重的海洋動力災(zāi)害之一，科學(xué)評估沿海地區(qū)海嘯災(zāi)害風(fēng)險，特別是最大海嘯淹沒范圍的評估，是今后防災(zāi)減災(zāi)重點的研究內(nèi)容。

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Risk analysis of potential regional earthquake tsunami on the coast of Zhejiang Province

Mao Xianzhong1，Zhu Qian1，Wei Yong2

（1.The Division of Ocean Science and Technology，Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China；2.NOAA Center for Tsunami Research，Pacific Marine Environmental Laboratory，NOAA，USA）

A three-layer tsunami model was established utilizing COMCOT numerical model to simulate the generation and propagation of 2011 Tohoku-Oki earthquake tsunami event.The numerical results show that the errors between the computed arrive time and wave height and the observations at the DARTs near earthquake source and the tide gauge stations along Zhejiang coast are less than 15%.Studies show that Japan Nankai Trough，Okinawa Trough and South Ryukyu Trench would be the major potential regional tsunami sources which may threaten Zhejiang coast.Three hypothetical events of the above sources with Mw9.1，Mw8.0 and Mw8.7 earthquakes were stud-ied by the model to assess their impacts on Zhejiang coast.The numerical results show that the tsunami waves generated by three hypothetical events would take 3 to 8 hours to reach the Zhejiang coast area，and the amplitude could vary between 1 and 3 m，with the maximum wave up to 4 m.The simulation indicates that the study area would face the tsunami hazards with levelⅢor levelⅣ，which can cause inundation or serious inundation risk.

COMCOT model；earthquake tsunami；Japan Nankai Trough；Okinawa Trough；Ryukyu Trench；Zhejiang coast

P315.3

A

0253-4193（2015）03-0037-09

毛獻忠，祝倩，Wei Yong.浙江沿海潛在區(qū)域地震海嘯風(fēng)險分析［J］.海洋學(xué)報，2015，37（3）：37－45，

10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.004

Mao Xianzhong，Zhu Qian，Wei Yong.Risk analysis of potential regional earthquake tsunami on the coast of Zhejiang Province［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（3）：37—45，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.004

2014-04-11；

2014-06-11。

國家自然科學(xué)基金項目（41176001）；深圳市科技項目（GJHS20120702112942334）；深圳市近海動力環(huán)境演變重點實驗室（ZDSY20130402163735964）。

毛獻忠（1968—），男，浙江省龍游縣人，副研究員，從事海嘯和風(fēng)暴潮模擬和預(yù)報技術(shù)研究。E-mail：maoxz＠sz.tsinghua.edu.cn