海底地震有限斷層破裂模型對(duì)近場(chǎng)海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)的影響

王培濤，于福江，原野，閃迪，趙聯(lián)大

1 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京　100081　2　國(guó)家海洋局海嘯預(yù)警中心，北京　100081　3 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

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海底地震有限斷層破裂模型對(duì)近場(chǎng)海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)的影響

王培濤1,2,3，于福江1,2,3，原野1,2,3，閃迪1,2，趙聯(lián)大1,2,3

1 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京1000812國(guó)家海洋局海嘯預(yù)警中心，北京1000813 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

摘要快速準(zhǔn)確的海嘯源模型是近場(chǎng)海嘯精確預(yù)警的關(guān)鍵.盡管目前還沒(méi)有辦法直接對(duì)其進(jìn)行正演定量計(jì)算，但是可以通過(guò)多源地震、海嘯觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演或聯(lián)合反演推算.不同的海嘯源可能導(dǎo)致不同的預(yù)警結(jié)論，了解不同類型海嘯源適用性、評(píng)估海嘯源特征差異對(duì)近場(chǎng)海嘯的影響，無(wú)論對(duì)于海嘯預(yù)警還是海嘯模擬研究尤為重要.本文評(píng)估分析了6種不同同震斷層模型對(duì)2011年3月11日日本東北地震海嘯近場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)的影響,重點(diǎn)對(duì)比分析了有限斷層模型與均一滑動(dòng)場(chǎng)模型對(duì)近場(chǎng)海嘯產(chǎn)生、傳播、淹沒(méi)特征的影響及各自的誤差.研究表明：近場(chǎng)海嘯波能量分布主要取決于海嘯源分布特征，特別是走向角的差異對(duì)海嘯能量分布影響較大；有限斷層模型對(duì)海嘯災(zāi)害最為嚴(yán)重的39°N以南沿岸地區(qū)的最大海嘯爬坡高度明顯優(yōu)于均一滑動(dòng)場(chǎng)模型結(jié)果；綜合對(duì)比DART浮標(biāo)、GPS浮標(biāo)及近岸潮位站共32個(gè)站次的海嘯波幅序列結(jié)果發(fā)現(xiàn)有限斷層模型整體平均絕對(duì)/相對(duì)誤差比均一滑動(dòng)場(chǎng)模型平均誤差要低，其中Fujii海嘯源的平均絕對(duì)/相對(duì)誤差最小,分別是0.56 m和26.71%.UCSB海嘯源的平均絕對(duì)/相對(duì)誤差次之.3個(gè)均一滑動(dòng)場(chǎng)模型中USGSCMT海嘯源模擬精度最高.相對(duì)于深海、淺海觀測(cè)站，有限斷層模型比均一滑動(dòng)場(chǎng)模型對(duì)近岸觀測(cè)站計(jì)算精度更高.海嘯源誤差具有顯著的方向性，可能與反演所采用的波形數(shù)據(jù)的代表性有關(guān)；譜分析結(jié)果表明Fujii海嘯源對(duì)在12至60 min主頻波譜的模擬要優(yōu)于UCSB海嘯源.海嘯源中很難真實(shí)反映海底地震破裂過(guò)程，然而通過(guò)聯(lián)合反演海嘯波形數(shù)據(jù)推算海嘯源的方法可以快速確定海嘯源，并且最大限度的降低地震破裂過(guò)程與海嘯產(chǎn)生的不確定性帶來(lái)的誤差.

關(guān)鍵詞海底地震; 有限斷層破裂模型; 近場(chǎng)海嘯; 譜分析; Dart浮標(biāo); 數(shù)值預(yù)報(bào)； 聯(lián)合反演

1引言

1) 數(shù)據(jù)來(lái)源:美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心，2014 (http:∥www.ngdc.noaa.gov/hazard/tsu_db.shtml)

20世紀(jì)100年間海嘯災(zāi)害死亡人口總數(shù)的6倍.由此可見(jiàn),海嘯已成為威脅全球沿海居民生命財(cái)產(chǎn)安全最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，也成為國(guó)際輿論與海洋防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域討論與研究的熱點(diǎn)、重點(diǎn)問(wèn)題.同時(shí)，頻發(fā)地、災(zāi)害性的海嘯事件也時(shí)刻警醒沿海國(guó)家及地區(qū)政府和研究團(tuán)體應(yīng)加快本區(qū)域有效海嘯預(yù)警系統(tǒng)、實(shí)時(shí)海嘯監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),加強(qiáng)海嘯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及區(qū)劃技術(shù)的研發(fā)，以盡可能避免或降低未來(lái)海嘯事件對(duì)人類造成的災(zāi)難(Synolakis et al.,2005; Geist et al.,2006; Titov,2009; Tang et al.,2009).

全球各濱海國(guó)家在經(jīng)歷了印度洋大海嘯(2004)、智利大海嘯(2010)、日本東北大海嘯(2011)等重大海嘯事件之后，相繼建立了適合本區(qū)域的海嘯預(yù)警系統(tǒng)，初步具備了應(yīng)對(duì)越洋海嘯和區(qū)域海嘯的能力，但有效地應(yīng)對(duì)近場(chǎng)海嘯的能力仍存在較大不足(王培濤等，2012).絕大部分海嘯事件造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失都集中于海嘯源地近場(chǎng)區(qū)域(稱為近場(chǎng)海嘯影響區(qū)域),究其原因：一、近場(chǎng)海嘯留給人們可預(yù)警和逃生的時(shí)間窗口及窄，短則幾分鐘，長(zhǎng)則幾十分鐘；二、近場(chǎng)海嘯監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)研究一直以來(lái)面臨諸多挑戰(zhàn)，實(shí)時(shí)的海嘯監(jiān)測(cè)和預(yù)警技術(shù)方法仍在不斷探索中；三、公眾對(duì)海嘯災(zāi)害的認(rèn)知程度和逃生技能有待進(jìn)一步提高.近年來(lái)，通過(guò)實(shí)時(shí)海嘯監(jiān)測(cè)技術(shù)、快速地震參數(shù)估計(jì)和震源機(jī)制解反演技術(shù)的發(fā)展為近場(chǎng)海嘯預(yù)警系統(tǒng)的完善提供了有力的技術(shù)支撐(Baba et al.,2004; Takayama,2008; Tatsumi and Tomita,2009; Wang,et al.,2012).美國(guó)太平洋海嘯預(yù)警中心(PTWC)基于快速震源參數(shù)評(píng)估技術(shù)、快速W-phase矩心矩張量解反演計(jì)算方法以及快速海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)模型RIFT (Real-time Tsunami Forecast Model)構(gòu)建了適用于近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)的海嘯預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在數(shù)秒內(nèi)完成近場(chǎng)區(qū)域4h傳播過(guò)程的模擬，可為太平洋沿海國(guó)家、當(dāng)?shù)卣凸娞峁┏醪降亩炕A(yù)警產(chǎn)品；日本氣象廳一直致力于近場(chǎng)海嘯快速監(jiān)測(cè)、預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建，在全球率先提出和建立了定量海嘯情景數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行海嘯快速預(yù)警(Lu et al.,2013)，實(shí)現(xiàn)了震后3 min內(nèi)完成近場(chǎng)海嘯預(yù)警信息的發(fā)布；中國(guó)在快速定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)和實(shí)時(shí)海嘯預(yù)報(bào)數(shù)值模式方面也取得了較大進(jìn)展.上述預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用也為各個(gè)國(guó)家的近場(chǎng)海嘯預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展提供了可借鑒的原型.同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)盡管上述模型在解決近場(chǎng)海嘯預(yù)警時(shí)效性方面有了較大的改善，但由于過(guò)分依賴初步評(píng)估震源參數(shù)進(jìn)行快速預(yù)警，上述海嘯預(yù)警系統(tǒng)的精度仍有較大提升空間(Wei et al.,2011; Tang et al.,2012; Tsushima et al.,2012).一個(gè)完善的近場(chǎng)海嘯預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)該包括高精度、高密度地震、海嘯監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和分析系統(tǒng)，快速、準(zhǔn)確的海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)(包括傳播和淹沒(méi)過(guò)程)以及綜合的海嘯預(yù)警流程信息化平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)，其中準(zhǔn)確刻畫海嘯源破裂過(guò)程或能量特征是現(xiàn)代海嘯預(yù)警技術(shù)的核心部分(Wei et al.,2014).目前，海嘯源估算方法有多種,且各有所長(zhǎng)，但多數(shù)海嘯預(yù)警系統(tǒng)為了滿足海嘯快速預(yù)警需求,主要基于對(duì)短周期(數(shù)秒)地震波的分析來(lái)獲取地震參數(shù)信息和同震形變場(chǎng)(Tsushima et al.,2011)進(jìn)行海嘯定量預(yù)警，隨后再根據(jù)近海/近岸觀測(cè)修正海嘯預(yù)警信息.短周期地震波無(wú)法完全捕捉地震能量釋放，經(jīng)常導(dǎo)致地震規(guī)模被低估；同樣，均一滑動(dòng)場(chǎng)模型刻畫地震破裂形變場(chǎng)分布精度較低，雖然對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)海嘯的影響較小，但對(duì)近場(chǎng)海嘯影響較大(Ergin,2013).遠(yuǎn)場(chǎng)海嘯只與震源規(guī)模、海底地形及斷層走向有關(guān),受震源參數(shù)影響不大(Wen et al.,2011),因此對(duì)于近場(chǎng)海嘯預(yù)警則需要更精確的海嘯源支持.目前，深水海嘯浮標(biāo)系統(tǒng)(Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis)、地震臺(tái)網(wǎng)、高速GPS站、纜式海底壓力站(OBPGs)、近岸潮位站以及高分辨率衛(wèi)星高度計(jì)等監(jiān)測(cè)手段可以為地震破裂和海嘯傳播提供實(shí)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)可以用于快速反演(或多源數(shù)據(jù)聯(lián)合反演)估計(jì)有限斷層形變滑移量分布特征(Satake,1987; Satake and Kanamori,1991; Wei et al.,2003; Titov,2005; Song,2007; Hayes et al.,2011)，用于近場(chǎng)海嘯的預(yù)警及災(zāi)害評(píng)估.本文考慮到近場(chǎng)海嘯對(duì)海嘯源的依賴性以及重大地震海嘯事件后基于各種數(shù)據(jù)源的斷層破裂模型多樣性及差異性，定量評(píng)估海嘯源差異對(duì)近場(chǎng)海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)的影響研究無(wú)論是對(duì)海嘯預(yù)警、海嘯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及區(qū)劃以及海嘯模型開(kāi)發(fā)及研究都具有借鑒意義.

2有限斷層模型及初始海嘯源形變特征

現(xiàn)代海嘯源反演技術(shù)主要分為兩類：一類是基于直接測(cè)量的海嘯波幅信號(hào)反演的海表面形變場(chǎng)(直接法)；另一類是基于大地測(cè)量和地震探測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)的同震位移場(chǎng)(間接法),同震位移估計(jì)分為兩個(gè)階段，傳統(tǒng)方式通過(guò)估計(jì)地震矩和震源機(jī)制方法推測(cè)同震位移場(chǎng)分布特征，這種方式很難準(zhǔn)確刻畫震源破裂特征.近10年來(lái)，基于實(shí)時(shí)的地震波形反演有限斷層解可以更為細(xì)致的表征地震破裂過(guò)程，在海嘯預(yù)警及研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注.

位錯(cuò)理論引入地震學(xué)后(Steketee，1958a，1958b)，許多地震學(xué)者針對(duì)不同的斷層類型發(fā)展了不同的位錯(cuò)理論，使得計(jì)算地球同震形變的方法得到不斷發(fā)展.在前人基礎(chǔ)上，Okada(1985,1992)、Mansinha和Smylie(1967,1971)給出了在均勻半無(wú)限空間計(jì)算彈性介質(zhì)海底位移場(chǎng)的同震位移計(jì)算模型，上述模型也成為計(jì)算海底地震同震位移場(chǎng)的基礎(chǔ)模型.Kajiura(1963)首次提出可以將靜態(tài)的海底位移轉(zhuǎn)化成海嘯產(chǎn)生階段自由表面的初始邊界條件.該假定的提出使得海嘯數(shù)值計(jì)算成為可能.一直以來(lái)同震模型常假定海底地震具有一致震源機(jī)制特征，采用點(diǎn)源、單斷層面和平均滑動(dòng)量(Slip)的假定以簡(jiǎn)化斷層破裂的復(fù)雜性，忽略了斷層破裂的局地特征,而局地地質(zhì)構(gòu)造特征和地形效應(yīng)對(duì)同震形變有較大的影響(林曉光等，2014).過(guò)去幾十年間,大部分海嘯事件的模擬均基于這一間接的方法獲取海嘯源特征來(lái)計(jì)算海嘯的遠(yuǎn)場(chǎng)傳播特征(Ergin,2013).隨著越來(lái)越多的地震探測(cè)數(shù)據(jù)和海嘯監(jiān)測(cè)記錄被應(yīng)用于同震位移場(chǎng)的重構(gòu)和反演計(jì)算，一種可以刻畫和描述詳細(xì)地震破裂特征和可變的局地震源參數(shù)的同震模型更多的應(yīng)用于海嘯預(yù)警、海嘯事件重演及海嘯風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等工作中，這種同震模型稱為有限斷層模型(Finite Fault Solution Model).該模型將斷層面剖分為多個(gè)面積均等子斷層，每個(gè)子斷層具有可變的局部震源機(jī)制解.同時(shí)可以根據(jù)斷層破裂的速度以及子斷層破裂時(shí)間構(gòu)建海底地震位移場(chǎng)動(dòng)態(tài)破裂過(guò)程，可以細(xì)致的描述海嘯近場(chǎng)傳播特征.

近年來(lái)該類模型被多次應(yīng)用于地震海嘯事件的數(shù)值模擬研究及預(yù)警服務(wù)領(lǐng)域,均取得了較為理想的結(jié)果.Yamazaki(2011a,2013)利用有限斷層模型很好地模擬了2010年智利海嘯和2011年日本東北地震海嘯近場(chǎng)傳播特征及陸架共振效應(yīng);Tang等(2012)利用海嘯浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)反演的有限斷層海嘯源分析了2011年日本東北地震海嘯的能量特征; Wei 等(2014)指出了基于海嘯浮標(biāo)反演有限斷層模型在近場(chǎng)海嘯傳播特征方面具有更好的精度，同時(shí)指出近場(chǎng)的波動(dòng)特征更多取決于海嘯源特征；景惠敏(2013)和Yamazaki(2011b)利用海嘯模擬結(jié)果和近場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)有限斷層模型的精度進(jìn)行了驗(yàn)證和改進(jìn)；Weinstein(2008)詳細(xì)介紹了有限斷層模型在海嘯預(yù)警流程中的重要作用.這些嘗試進(jìn)一步推動(dòng)了有限斷層模型在近場(chǎng)海嘯傳播特征模擬計(jì)算方面的應(yīng)用.

日本東北地震引發(fā)的巨大海嘯造成15863人死亡，4539人失蹤，5901人受傷，114591房屋受損，其中90%以上死亡人數(shù)是由于海嘯溺水而亡(Koketsu,2011)，此次災(zāi)難的一個(gè)顯著特征就是受傷人數(shù)所占比重較小.因此我們可以看出：一個(gè)準(zhǔn)確的斷層模型對(duì)準(zhǔn)確預(yù)警、合理評(píng)估近場(chǎng)海嘯災(zāi)害危險(xiǎn)性具有重要意義.本文中引用了不同機(jī)構(gòu)、不同反演方法得到的幾種典型的有限斷層模型(表2)，用以模擬分析日本東北地震海嘯的近場(chǎng)傳播特征.同時(shí)，期望工作中可以初步分析、總結(jié)不同反演方法得到的有限斷層對(duì)近場(chǎng)海嘯預(yù)報(bào)精度的影響以及各自的適用范圍.

實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)反演的有限斷層解可以快速刻畫斷層滑移場(chǎng)分布,如本文引用的USGSFFM(Hayes,2011)、UCSB (Shao et al.,2011);近海GPS浮標(biāo)和潮位觀測(cè)站觀測(cè)的海嘯信號(hào)可以直接反演獲取斷層破裂區(qū)域海表面形變場(chǎng)特征，如本文引用的Fujii海嘯源(Fujii et al.,2011)；近年來(lái)，基于W-phase技術(shù)的矩張量反演方法趨于成熟，如本文引用的USGSWpCMT，該方法可以進(jìn)一步提高強(qiáng)震震源矩張量解反演的速度和精度(趙旭等，2014)；再有就是基于傳統(tǒng)方法獲取的地震矩張量解，該方法的獲取雖然采用的點(diǎn)源簡(jiǎn)化模型獲取，但是能夠保證對(duì)震源區(qū)地震發(fā)生時(shí)的力學(xué)過(guò)程在足夠短的時(shí)間內(nèi)給出相對(duì)合理的解釋，例如本文采用的USGSCMT、GCMT.根據(jù)Kajiura假設(shè),我們將獲取的同震Slip分布或震源參數(shù)(圖1，表1)，利用Okada位錯(cuò)模型計(jì)算了海嘯傳播所需的初始位移場(chǎng)(圖2).從6個(gè)海嘯源形態(tài)特征我們可以看出，盡管采用不同數(shù)據(jù)和方法計(jì)算所得，但對(duì)于海嘯源計(jì)算卻具有相似的特征：沿著海溝走向具有一致的8～10 m高能分布特征；形變場(chǎng)能量主要集中在37°N—40°N范圍內(nèi)，東西方向自海溝向陸地150 km范圍內(nèi)；同時(shí)它們的不同之處也比較明顯，有限斷層模型計(jì)算的海表面形變場(chǎng)分布不再像均一滑動(dòng)場(chǎng)模型的結(jié)果那么規(guī)則,水位高度分布具有更細(xì)致的局部特征；此外除了由于參數(shù)差異各個(gè)模型最大(小)海表面位移響應(yīng)也有所不同(詳見(jiàn)表1)外，各種反演方法采用的子斷層尺度大小也在一定程度上影響海嘯源的分布特征.

表1　模型配置及數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1　有限斷層同震滑移量分布(a) USGS 有限斷層Slip分布; (b) UCSB有限斷層Slip分布； (c) Fujii有限斷層Slip分布.

圖2　不同有限斷層模型計(jì)算的海底位移引起的海表形變場(chǎng)分布(★震中位置)(a) USGSCMT海嘯源； (b) USGSWpCMT海嘯源； (c) USGSFFM海嘯源; (d)GCMT海嘯源； (e) UCSB海嘯源； (f) Fujii海嘯源.

圖3　模型計(jì)算范圍、深海-近海水位海嘯監(jiān)測(cè)站(a)及近岸監(jiān)測(cè)站位置示意圖(b)

圖4　基于不同有限斷層模型模擬的最大海嘯波幅分布(a) 基于USGSCMT海嘯源； (b) 基于USGSWpCMT海嘯源；(c) 基于USGSFFM海嘯源； (d) 基于GCMT海嘯源； (e) 基于UCSB海嘯源； (f) 基于Fujii海嘯源.

3海嘯數(shù)值模型及近場(chǎng)海嘯模擬

海嘯數(shù)值模型作為海嘯情景分析與重構(gòu)的研究工具至今已有50年歷史.經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，海嘯數(shù)值模型可以較為準(zhǔn)確的再現(xiàn)海嘯產(chǎn)生、傳播和淹沒(méi)的整個(gè)過(guò)程，已成為海嘯預(yù)警、科學(xué)研究和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算的核心工具.目前，基于海嘯波物理特征，兩類控制方程被應(yīng)用于海嘯數(shù)值模型的發(fā)展.一類是忽略水質(zhì)點(diǎn)的垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)壓力分布的影響，即不考慮物理頻散效應(yīng)的非線性淺水方程(NSWE)；另一類是考慮海嘯波物理頻散項(xiàng)的Boussinesq方程.目前國(guó)際上基于這兩種方程發(fā)展了多個(gè)優(yōu)秀的海嘯數(shù)值模式，例如基于非線性淺水方程的COMCOT(Wang and Liu,2011)、MOST(Titov and González,1997)、Geoclaw(George and LeVeque，2006)、Tunami-N2(Imamura,1996a; 1996b)等模式，以及基于Boussinesq方程的Funwave-TVD(Shi et al.,2012)、Neowave(Yamazaki et al.，2011c)、Geowave(Watts et al.,2003)等模型.

海嘯在大洋或在近海(水深大于50m)傳播時(shí)，采用計(jì)算效率較高線性方程模擬海嘯的傳播，可以獲得與非線性淺水方程同等精度的效果(王培濤等，2014).當(dāng)考慮海嘯與潮汐相互作用或海嘯淹沒(méi)計(jì)算時(shí)，必須采用非線性淺水方程(Dao and Tkalich,2007).當(dāng)考慮遠(yuǎn)距離越洋傳播或模擬滑坡引起的海嘯時(shí)色散效應(yīng)不能忽略，應(yīng)采用Boussinesq方程(Kirby et al.,2013；Watts et al.,2003)或者考慮用非線性淺水方程的數(shù)值頻散來(lái)代替物理頻散(Yoon et al.,2007)，但是值得注意的是，雖然數(shù)值頻散具有較高的計(jì)算效率，但并不能完全代替物理頻散效應(yīng)，例如對(duì)色散海嘯波遠(yuǎn)場(chǎng)傳播后的波長(zhǎng)較短的尾波序列的模擬，兩者差距較大(Zhou et al.,2011).考慮本文的研究目標(biāo)日本東北地震海嘯且考察范圍為近場(chǎng)，它的色散效應(yīng)在近場(chǎng)區(qū)域不明顯，故采用COMCOT模型作為本文的研究模型，模擬的范圍見(jiàn)圖3a.COMCOT模型由美國(guó)康奈爾大學(xué)研究開(kāi)發(fā)，采用雙向嵌套網(wǎng)格設(shè)計(jì)，交錯(cuò)顯式蛙跳格式(staggered explicit leap-frog scheme)離散控制方程.模式考慮非線性、底摩擦、科氏力、數(shù)值頻散等效應(yīng)，并且經(jīng)過(guò)多次重大海嘯事件的檢驗(yàn)(Liu et al.,1994;Wang et al.,2007;王培濤等,2012)，均得到了較為滿意的結(jié)果.

相對(duì)于海嘯源特征和海嘯數(shù)值模式精度，水深及地形數(shù)據(jù)的分辨率也是影響計(jì)算精度的重要因素(Macinnes et al.,2013)，受制于研究區(qū)域的地形水深數(shù)據(jù)質(zhì)量及密度參差不齊，必然會(huì)導(dǎo)致模擬精度在一定程度上的下降.同時(shí)粗網(wǎng)格對(duì)摩擦效應(yīng)不敏感，但是當(dāng)海嘯上岸后，底摩擦效應(yīng)非常顯著.該研究采用三層嵌套網(wǎng)格計(jì)算近場(chǎng)海嘯傳播及淹沒(méi)過(guò)程，模型配置及數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1.

利用上節(jié)計(jì)算所得6個(gè)有限斷層海嘯源作為初始條件，對(duì)日本東北地震海嘯在近海、近岸以及淹沒(méi)情景進(jìn)行了數(shù)值模擬.以下就海嘯能量近場(chǎng)分布特征、海嘯記錄站(見(jiàn)圖3)時(shí)間序列對(duì)比、海嘯爬坡高度驗(yàn)證以及海嘯波譜及能譜特征進(jìn)行了分析.試圖通過(guò)上述對(duì)比分析闡述每種海嘯源各自具備的特征、優(yōu)勢(shì)、不足以及在近場(chǎng)海嘯預(yù)警工作中恰當(dāng)選取和利用不同反演方法獲取的有限斷層解.

從圖4可以看出：海嘯波能分布特征主要決定于海嘯源的特征和海底地形的分布.海底地形的分布除了可以影響海嘯波能的大小，更重要的是可以改變海嘯能量傳播路徑.例如洋中脊、海底島鏈、海溝海槽的分布可以扮演波導(dǎo)管角色，這些特征地形也成為了海嘯能量的輻合地帶.這些效應(yīng)會(huì)隨著海嘯傳播距離的增加而越發(fā)明顯，當(dāng)海嘯經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)傳播后，地形特征效應(yīng)將是影響遠(yuǎn)場(chǎng)海嘯波能分布特征優(yōu)先因素.對(duì)照?qǐng)D2和圖4可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)，近場(chǎng)海嘯的波能分布特別是高能區(qū)分布特征主要取決于海嘯源幾何分布特征.盡管6個(gè)場(chǎng)景都基本抓住了海嘯主體能量ESE傳播以及伴隨海溝走向出現(xiàn)了NNE、SSE的分支能量的分布，但主體能量的傳播方向具有明顯的源參數(shù)差異特征.僅從同震單斷層面模型結(jié)果(USGSCMT、USGSWpCMT、GCMT)來(lái)看，除由于震級(jí)、震源深度、斷層傾角、滑動(dòng)角不同所引起的能量量值的區(qū)別外，能量特征分布主要差異來(lái)源于源參數(shù)的走向角(Strike)，走向角接近20°的差異(見(jiàn)表2),這是控制海嘯能量近場(chǎng)傳播方向的核心因素.反觀有限斷層模型結(jié)果(USGSFFM、UCSB、Fujii′s Source)除量值上差異外，能量分布特征較為一致，究其原因主要因?yàn)槿齻€(gè)模型中采用的基準(zhǔn)節(jié)面的走向角差異不超過(guò)5°.例如Fujii的有限斷層基準(zhǔn)節(jié)面采用了USGSWpCMT的節(jié)面解走向角為193°;UCSB采用的基準(zhǔn)節(jié)面的走向角為195°，而USGSFFM采用的NEIC的WpCMT震源機(jī)機(jī)制為基準(zhǔn)節(jié)面走向角為198°.同時(shí)，對(duì)照表2及圖4的6組場(chǎng)景很容易發(fā)現(xiàn)矩震級(jí)的大小、震源深度、斷層傾角及滑動(dòng)角是影響海嘯能量量值的主要因素，其中震級(jí)大小、震源深度及滑動(dòng)角又是最為敏感的參數(shù).由于大面觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失，以上只能定性分析海嘯源差異對(duì)近場(chǎng)海嘯能量分布的影響，下面將根據(jù)近場(chǎng)海嘯觀測(cè)數(shù)據(jù)定量分析有限斷層差異對(duì)近場(chǎng)海嘯特征的影響.

表2　2011年日本地震海嘯有限斷層模型參數(shù)

圖5　不同有限斷層模型條件下海嘯爬坡高度模擬值與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果對(duì)比

日本東北大地震是自1900以來(lái)世界第四大地震，同時(shí)也是日本自有儀測(cè)以來(lái)歷史最強(qiáng)地震.地震引發(fā)的巨大海嘯沖擊了日本仙臺(tái)、宮城、福島、巖手等縣，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，并導(dǎo)致福島第一核電站發(fā)生嚴(yán)重核泄漏事故，引發(fā)了國(guó)際社會(huì)對(duì)核電安全開(kāi)發(fā)新一輪大討論.如前所述，由地震海嘯造成的人員傷亡中90%以上是由于溺水造成的.為了全面了解此次海嘯災(zāi)害淹沒(méi)的情況，由來(lái)自64個(gè)科研院所或大學(xué)的299名科學(xué)家組成的聯(lián)合調(diào)查隊(duì)，沿著日本東北沿海2000 km的范圍5300個(gè)實(shí)地調(diào)查點(diǎn)進(jìn)行海嘯相關(guān)特征參數(shù)調(diào)查取證.獲得大量珍貴的數(shù)據(jù)，為海嘯研究者全方位的研究、評(píng)估日本東北地震海嘯提供了依據(jù).調(diào)查顯示巖手縣宮古市最高海嘯爬坡高度達(dá)到39.7 m，仙臺(tái)縣海水浸沒(méi)內(nèi)陸達(dá)到10 km(Mori,2011).從圖5可以發(fā)現(xiàn)海嘯爬坡高度和淹沒(méi)深度大于20 m的區(qū)域主要集中在39°N至40°N之間.原因是這個(gè)區(qū)域沿海地形特征多為喇叭口型溪谷，這種形狀的地形將非常有利于放大海嘯淹沒(méi)和增水高度.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在40.3°N以北、36.5°N以南海嘯爬高和淹沒(méi)深度集中在10 m以下.這與圖4中海嘯能量分布趨勢(shì)是吻合的.利用表1中的模型配置計(jì)算了6種海嘯源情況下海嘯淹沒(méi)情景，將計(jì)算所得海嘯爬坡高度與調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比(見(jiàn)圖5).39°N以南三類有限斷層模型結(jié)果與調(diào)查結(jié)果更加匹配，三類一致滑動(dòng)模型所得結(jié)果在該范圍內(nèi)普遍偏大,考慮與采用平均滑移量假定導(dǎo)致海嘯初始能量分布相對(duì)集中于破裂點(diǎn)附近區(qū)域.在三類有限斷層模型中UCSB模型對(duì)近場(chǎng)海嘯的淹沒(méi)估計(jì)偏高，相比之下USGSFFM及Fujii海嘯源在39°N以南區(qū)域擬合效果最佳.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)40°N以北，6種模型海嘯源模型都給出了非常好的擬合結(jié)果，考慮原因40°N以北方向已經(jīng)稍微偏離了海嘯主能量傳播方向，海嘯波主要受地形控制.遺憾的是在39°N—40°N之間，6種海嘯源模型對(duì)高值區(qū)的模擬精度都不是很理想，普遍低估了該區(qū)域的海嘯淹沒(méi)高度.考慮這與我們所采用的地形精度有非常緊密的關(guān)系，90 m分辨率的高程數(shù)據(jù)并不能夠充分滿足海嘯淹沒(méi)模型的需要，更何況該區(qū)域?yàn)槿毡狙睾５匦巫顬閺?fù)雜的區(qū)域之一;此外，額外的非地震海嘯源也可能是產(chǎn)生該區(qū)高值的一個(gè)可能因素(Grilli et al,2013).盡管如此，三類有限斷層模型相對(duì)于均一滑動(dòng)場(chǎng)模型對(duì)災(zāi)害損失最為嚴(yán)重的37°N至39°N之間給出了更加理想的模擬結(jié)果.

4計(jì)算結(jié)果對(duì)比及分析

地震海嘯期間，多個(gè)海嘯監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的大量海嘯監(jiān)測(cè)儀器記錄下了海嘯波信號(hào).其中包括深水海嘯浮標(biāo)系統(tǒng)(DART)、近海GPS浮標(biāo)站、近岸潮位觀測(cè)站以及衛(wèi)星高度計(jì)(Song et al.,2012;Fine et al.,2013).這些資料除了可以幫助定量評(píng)估海嘯災(zāi)害、建立經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模型外，還可以檢驗(yàn)海嘯數(shù)值模型、改進(jìn)海嘯源反演結(jié)果.考慮海嘯波傳播特性，本文中將分別就深水、近海觀測(cè)站以及近岸觀測(cè)站分別進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證(見(jiàn)圖6和圖7).為了考慮海嘯源的反演誤差是否具有顯著的方位特征，更加全面的考察不同海嘯源對(duì)近場(chǎng)海嘯模擬的影響，驗(yàn)證點(diǎn)的選擇上盡量考慮可以覆蓋海嘯能量傳播的各個(gè)方向.重點(diǎn)考察了E、ENE、SE、NNE、NNW、SW、SSW、WSW方向.對(duì)出現(xiàn)較大誤差的方位進(jìn)行標(biāo)注(見(jiàn)表3).因?yàn)閃方向沒(méi)有可用的實(shí)測(cè)資料，可能會(huì)對(duì)本文的結(jié)論有所影響.

從圖6中我們可以看出，無(wú)論是海嘯最大波幅還是首波到底時(shí)間，6個(gè)海嘯源基本都可以較好的擬合海嘯浮標(biāo)、GPS浮標(biāo)觀測(cè)記錄.也不難看出有限斷層模型在DART浮標(biāo)點(diǎn)得到的波形記錄更加平滑，波形擬合更加理想.相比而言均一滑動(dòng)場(chǎng)海嘯源(USGSCMT、USGSWpCMT、GCMT)雖然也能擬合最大海嘯波幅，但波形結(jié)構(gòu)擬合的并不是很理想、特別是在DART浮標(biāo)處在海嘯信號(hào)到達(dá)前出現(xiàn)了小幅的跳躍值，這與海嘯源分布有著直接的關(guān)系.

圖6　不同有限斷層模型條件下近場(chǎng)海嘯浮標(biāo)(A)及GPS浮標(biāo)(B)站海嘯波幅時(shí)間序列模擬對(duì)比

表3中給出了誤差量化分析，可以得出有限斷層模型UCSB、Fujii、USGSFFM海嘯源平均相對(duì)誤差均比較理想，其中UCSB、Fujii海嘯源平均相對(duì)誤差最小(26.9039%、29.8681%).均一滑動(dòng)場(chǎng)模型GCMT結(jié)果平均相對(duì)誤差最大，考慮與該模型參數(shù)震級(jí)及走向角偏大有關(guān).相對(duì)于平均相對(duì)誤差而言，平均絕對(duì)誤差和均方跟誤差卻出現(xiàn)了相反的情況，考慮該組實(shí)測(cè)最大海嘯波幅普遍偏大，特別是GPS浮標(biāo)站最大海嘯波幅多在4～7 m，該考核指標(biāo)受單站誤差影響較大.總體而言，對(duì)于深海及近海站點(diǎn)，幾種海嘯源都具有較好的適用性，有限斷層模型在波幅結(jié)構(gòu)擬合程度更為合理.

在近岸，海嘯波除了受海嘯源分布特影響外，地形與海嘯的相互作用也是影響海嘯傳播特征的主要原因.圖7是6個(gè)海嘯源在近岸18個(gè)驗(yàn)潮站處的模擬結(jié)果對(duì)比情況.從對(duì)比情況可以看到，6種海嘯源對(duì)波動(dòng)序列均給出了較為合理的描述.個(gè)別站出現(xiàn)了3～5 min的位相誤差，相對(duì)于海嘯波長(zhǎng)及網(wǎng)格精度而言這種誤差可以忽略.與近海模擬結(jié)果類似，有限斷層模型特別是UCSB、Fujii海嘯源結(jié)果擬合的相關(guān)性更高.從表3中可以看出：所有海嘯源中有限斷層模型特別是UCSB、Fujii海嘯源結(jié)果誤差無(wú)論從平均相對(duì)誤差、平均絕對(duì)誤差還是均方跟誤差都優(yōu)于均一滑動(dòng)場(chǎng)海嘯源模型，即使是效果相對(duì)較差的USGSFFM有限斷層模型結(jié)果也優(yōu)于多數(shù)均一滑動(dòng)場(chǎng)海嘯源模型結(jié)果.聯(lián)合所有站點(diǎn)的平均相對(duì)誤差、平均絕對(duì)誤差得到了同樣的結(jié)論，UCSB、Fujii海嘯源整體誤差最小，USGSFFM有限斷層模型也優(yōu)于除USGSCMT外的其他兩類同震模型結(jié)果.其中，在所有的海嘯源中Fujii海嘯源是誤差最小的.同時(shí)，經(jīng)過(guò)兩輪檢驗(yàn)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，USGSCMT在該次檢驗(yàn)中模擬效果是所有均一滑動(dòng)場(chǎng)海嘯源模型中最優(yōu)的.

本文中考察海嘯源方位誤差的原則是：如果在某一方位連續(xù)出現(xiàn)多站誤差較大我們將對(duì)該方位進(jìn)行標(biāo)記(表3中陰影填充區(qū)).在近場(chǎng)，海嘯源東側(cè)所有海嘯源都有較理想的模擬結(jié)果；在海嘯源西側(cè)近海模擬中GCMT海嘯源SW方向出現(xiàn)較大誤差、USGSFFM海嘯源NNW方向出現(xiàn)較大誤差.在海嘯源西側(cè)近岸模擬USGSCMT海嘯源對(duì)WSW方 向的模擬精度不高、USGSWpCMT海嘯源在NNW、WSW方向模擬精度較低、GCMT海嘯源在SSW、WSW方向的模擬存在一定誤差、UCSB模型在WSW方向也需要進(jìn)一步改進(jìn).

另外，從圖6和圖7也可以發(fā)現(xiàn)，雖然各海嘯源對(duì)首波及最大波幅模擬較為理想，但對(duì)尾波的擬合都不是很理想.這主要是尾波受制于波波相互作用及局地地形和近岸特征引起的淺化、折射、反射作用，而非海嘯源初始特征所決定.因此更加精確的地形、考慮更全面物理過(guò)程的海嘯數(shù)值模型對(duì)海嘯模擬尤為重要.

海嘯波譜特征主要取決于海嘯源特征、傳播效應(yīng)、陸架地形以及港口幾何形狀等因素(Miranda et al.,1996; Pan et al.,2014).基于以上量化分析，選擇模擬效果最佳的UCSB、Fujii海嘯源模型結(jié)果進(jìn)行譜分析對(duì)比，探究波譜結(jié)構(gòu)對(duì)海嘯源特征的響應(yīng).為了盡可能的消除地形特征對(duì)譜結(jié)構(gòu)的影響，選擇深水浮標(biāo)及近海GPS浮標(biāo)站模擬結(jié)果作為分析對(duì)象.從圖8中可以看出：DART浮標(biāo)站及GPS浮標(biāo)站GPS807、GPS804、GPS802、GPS801的模擬結(jié)果中Fujii海嘯源對(duì)12～60 min主頻波譜的擬合更為理想，UCSB海嘯源對(duì)10 min以下周期波譜擬合較好.這也可以看出Fujii海嘯源由海嘯波形反演約束獲得，海嘯源特征中攜帶了更多海嘯特征信息，故能更好的刻畫海嘯波譜特征.而對(duì)于稍遠(yuǎn)距離的GPS811、GPS812、GPS813、GPS815站點(diǎn)的波譜的模擬基本上一致.我們可以得出當(dāng)波動(dòng)逐漸遠(yuǎn)離近場(chǎng)時(shí)，波譜特征對(duì)海嘯源特征的敏感性逐漸變?nèi)?

5結(jié)論與討論

5.1結(jié)論

基于不同機(jī)構(gòu)發(fā)布的6種同震斷層模型開(kāi)展了本研究工作.其中包括3種有限斷層模型和3種均 一滑動(dòng)模型.6種模型分別采用地震波形反演技術(shù)和海嘯波形反演技術(shù)獲得.借助于COMCOT海嘯數(shù)值模型，聯(lián)合6種斷層模型對(duì)日本東北地震海嘯近場(chǎng)傳播特征進(jìn)行了模擬分析.主要就海嘯源分布特征對(duì)海嘯能量近場(chǎng)分布特征、海嘯近場(chǎng)最大爬坡高度(淹沒(méi)深度)計(jì)算精度、海嘯深水、淺海浮標(biāo)及近岸觀測(cè)站波形模擬誤差及對(duì)波譜結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行詳細(xì)的研究分析.

圖8　UCSB海嘯源和Fujii海嘯源條件下DART浮標(biāo)及GPS浮標(biāo)站海嘯波波譜模擬對(duì)比分析

研究發(fā)現(xiàn)：近場(chǎng)海嘯波能量分布主要取決于海嘯源分布特征，走向角的差異對(duì)海嘯能量分布影響較大；對(duì)海嘯災(zāi)害最為嚴(yán)重的39°N以南地區(qū)，有限斷層計(jì)算的最大海嘯爬坡高度結(jié)果明顯優(yōu)于均一滑動(dòng)場(chǎng)模型結(jié)果；海嘯爬坡高值區(qū)39°N—40°N之間，6種海嘯模型模擬的結(jié)果普遍偏低；綜合考慮深海、淺海及近岸觀測(cè)點(diǎn)海嘯波幅序列的對(duì)比結(jié)果，有限斷層模型整體平均誤差比均一滑動(dòng)場(chǎng)模型平均誤差要低，其中Fujii海嘯源的平均誤差最小,UCSB海嘯源的平均誤差次之.同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在此次模擬對(duì)比中USGSCMT海嘯源模擬精度為三個(gè)均一滑動(dòng)場(chǎng)模型中最高；海嘯源誤差具有顯著的方向性，可能與反演所采用的波形數(shù)據(jù)的代表性有關(guān)；譜分析結(jié)果表明Fujii海嘯源對(duì)在12～60 min主頻波譜的模擬要優(yōu)于UCSB海嘯源.

5.2討論

對(duì)于海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)而言，快速準(zhǔn)確的斷層模型是近場(chǎng)海嘯精確預(yù)警的關(guān)鍵.海嘯源的適用性是除地形及海嘯數(shù)值模型本身精度以外，影響海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果最顯著的因素.每一種海嘯源都具有自身的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍.例如，地震波形反演的海嘯源，當(dāng)真實(shí)的海嘯源中包含非地震信號(hào)后(海底滑坡等)海嘯源將不再能全面描述海嘯傳播特征,單純的地震波形反演的速度和精度也有較大提升空間；本研究中Fujii海嘯源雖然得到較好的模擬結(jié)果，但是該海嘯源反演中僅僅采用了GPS浮標(biāo)站和近岸潮位站觀測(cè)的海嘯信號(hào)，這可能導(dǎo)致虛假的海嘯信息進(jìn)入海嘯源，可以考慮增加深水海嘯浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演,從而進(jìn)一步提高反演結(jié)果的時(shí)效和精度.這種不過(guò)渡依賴地震參數(shù)，直接通過(guò)海嘯信號(hào)反演海嘯源的方法可以最大限度的降低地震破裂過(guò)程與海嘯產(chǎn)生的不確定性帶來(lái)的誤差.真實(shí)的海嘯源破裂過(guò)程是極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，目前應(yīng)用于海嘯源計(jì)算的同震模型僅考慮斷層錯(cuò)動(dòng)的彈性響應(yīng)，忽略了介質(zhì)的黏性和松弛效應(yīng)；位錯(cuò)理論的有效性和實(shí)用性也是只針對(duì)幾何形狀規(guī)則的模型，沒(méi)有考慮實(shí)際海底地形和局部地質(zhì)構(gòu)造等物理背景所產(chǎn)生的影響；海嘯源計(jì)算僅關(guān)注垂向上的位移滑動(dòng)量，而忽略了水平效應(yīng)等等這些都是導(dǎo)致誤差的因素.可以預(yù)期發(fā)展實(shí)時(shí)的(或準(zhǔn)實(shí)時(shí))、多層次、更具針對(duì)性的多源數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的海嘯源模型必將成為未來(lái)海嘯預(yù)警技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo).

致謝Wang X M博士提供的COMCOT海嘯數(shù)值模型程序；相關(guān)機(jī)構(gòu)和作者提供有限斷層模型；NGDC和NOWPHAS提供的海嘯波形數(shù)據(jù)；評(píng)審專家對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)，在此一并致謝.本文圖件借助Matlab及Python軟件完成.

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(本文編輯汪海英)

基金項(xiàng)目海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201205034，201305031，201405026)，國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAB04B02)資助.

作者簡(jiǎn)介王培濤，男，1981年生，副研究員，主要從事水波動(dòng)力學(xué)及海洋災(zāi)害預(yù)警技術(shù)研究.E-mail:wpt@nmefc.gov.cn

doi:10.6038/cjg20160324 中圖分類號(hào)P732

收稿日期2014-11-20，2015-12-31收修定稿

Effects of finite fault rupture models of submarine earthquakes on numerical forecasting of near-field tsunami

WANG Pei-Tao1,2,3,YU Fu-Jiang1,2,3,YUAN Ye1,2,3,SHAN Di1,2,ZHAO Lian-Da1,2,3

1NationalMarineEnvironmentForecastingCenter,Beijing100081,China2TsunamiWarningCenter,StateOceanicAdministration,Beijing100081,China3KeyLaboratoryofResearchonMarineHazardsForecasting,NationalMarineEnvironmentalForecastingCenter,StateOceanicAdministration,Beijing100081,China

AbstractFast and correctly characterizing tsunami source is crucial to accurate early warning of near-field tsunami.Although there is no way to implement forward quantitative calculation directly,a tsunami source can be inverted using real-time tsunami or seismic waveform records which are detected by Dart buoys,GPS buoys,tidal gauges and seismometers,respectively,and also by joint inversion using different sources data.Because different typical tsunami source models may come to different conclusions,it is important for tsunami early warning and tsunami research to learn about the applicability of different tsunami sources and assess the impacts of tsunami source characteristics differences of near-field tsunami.This study analyzed the effects of six different coseismic fault models on near-field numerical forecasting to the tsunami triggered by the March 11,2011 Tohoku-oki earthquake.A variable nested algorithm was used to increase spatial resolution in the target region.The finest bathymetric grid resolution was 3 arcsec (approx.90m).The present work focused on assessing the performance of the finite fault model and uniform slip model in near-field tsunami generation,propagation,inundation and their respective characteristic errors by comparing the simulated data with the measured data.From observed data of the Deep-Ocean Assessment and Reporting for Tsunamis (DART) network,Japan GPS buoys,we selected tide gauges along the coastline of Japan and post-even survey.The measured data were compared with forecasts to assess the sensitivity of the six different sources using error analysis.The results show that the characteristics of the energy distribution of near-field tsunami is much dependent on tsunami source geometry.In particular,the strike angle and slip are the most sensitive parameters for the energy distribution of near-field tsunami.Comparison indicates that finite fault models are more reasonable than uniform slip models in fitting maximum tsunami run-up height south of 39 °N coastal areas,where occurred the most serious tsunami disaster.A total of 32 sea level monitors including Dart buoys,GPS buoys and tide gauges were used to verify the errors of model data.The simulation results of finite fault models fit the observed records better than uniform slip models as a whole.They have the relatively lower mean absolute/relative error.Fujii′s source has the lowest absolute/relative error (0.56 m and 26.71%).UCSB tsunami source also has a better accuracy.At the same time USGSCMT source has the highest precision among three uniform slip models.This paper also suggests that using finite fault models can attain obviously higher precision at tide gauges than uniform slip models with respect to DART buoys and GPS buoys stations,and the errors of tsunami sources have significant orientations.The comparison of tsunami wave spectra was carried out with Fujii′s source and UCSB source simulated data.Modeling results from Fujii′s source show the better agreement with the spectral energy at wave periods between 12 and 60min than UCSB source.Comparison of tsunami sources inferred from different indirect methods shows the crucial importance of tsunami waveforms for initial seafloor deformation inversion.The joint inversion of tsunami waveform data especially using the deep-ocean tsunami signal can determine the tsunami source quickly and reduce the errors caused by the uncertainty of earthquake rupture processes,which can aid understanding of tsunami generation from earthquakes and nonseismic processes.

KeywordsSubmarine earthquake; Finite fault rupture models; Near-field tsunami; Spectrum analysis; Dart buoys; Numerical forecasting; Joint inversion

王培濤，于福江，原野等.2016.海底地震有限斷層破裂模型對(duì)近場(chǎng)海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)的影響.地球物理學(xué)報(bào)，59(3):1030-1045,doi:10.6038/cjg20160324.

Wang P T,Yu F J,Yuan Y,et al.2016.Effects of finite fault rupture models of submarine earthquakes on numerical forecasting of near-field tsunami.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):1030-1045,doi:10.6038/cjg20160324.