有限斷層模型在2015年9月16日智利Mw8.3級(jí)地震海嘯數(shù)值模擬中的應(yīng)用與評(píng)估

閃迪,王培濤,3*,任智源,原野,3,趙聯(lián)大,3,范婷婷,王宗辰

(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)

有限斷層模型在2015年9月16日智利Mw8.3級(jí)地震海嘯數(shù)值模擬中的應(yīng)用與評(píng)估

閃迪1,2,王培濤1,2,3*,任智源1,2,原野1,2,3,趙聯(lián)大1,2,3,范婷婷1,2,王宗辰1,2

(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)

2015年9月16日22時(shí)54分(當(dāng)?shù)貢r(shí)間)智利中部近岸發(fā)生Mw8.3級(jí)地震，震源深度25 km。同時(shí)，強(qiáng)震的破裂區(qū)長(zhǎng)200 km，寬100 km，隨之產(chǎn)生了中等強(qiáng)度的越洋海嘯。海嘯影響了智利沿岸近700 km的區(qū)域，局部地區(qū)監(jiān)測(cè)到近5 m的海嘯波幅和超過(guò)13 m的海嘯爬坡高度。太平洋區(qū)域的40多個(gè)海嘯浮標(biāo)及200多個(gè)近岸潮位觀測(cè)站詳細(xì)記錄了此次海嘯的越洋傳播過(guò)程，為詳細(xì)研究此次海嘯近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)傳播及演化規(guī)律提供了珍貴的數(shù)據(jù)。本文選擇有限斷層模型和自適應(yīng)網(wǎng)格海嘯數(shù)值模型建立了既可以兼顧越洋海嘯的計(jì)算效率又可以實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)海嘯精細(xì)化模擬的高分辨率海嘯模型。模擬對(duì)比分析了海嘯的越洋傳播特征，結(jié)果表明采用所建立的模型可以較好地再現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)及近場(chǎng)海嘯特征，特別是對(duì)近場(chǎng)海嘯的模擬結(jié)果非常理想。表明有限斷層可以較好地約束近場(chǎng)、特別是局部區(qū)域的破裂特征，可為海嘯預(yù)警提供更加精確的震源信息，結(jié)合高分辨率的海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)模式實(shí)現(xiàn)海嘯傳播特征的精細(xì)化預(yù)報(bào)。本文結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果初步分析了海嘯波的頻散特征及其對(duì)模型結(jié)果的影響。同時(shí)對(duì)觀測(cè)中典型的海嘯波特征進(jìn)行的簡(jiǎn)要的總結(jié)。譜分析結(jié)果表明海嘯波的能量主要分布在10～50 min周期域內(nèi)。這些波特征提取是現(xiàn)行海嘯預(yù)警信息中未涉及，但又十分重要的預(yù)警參數(shù)。進(jìn)一步對(duì)這些波動(dòng)特征的詳細(xì)研究將為海嘯預(yù)警信息及預(yù)警產(chǎn)品的完善提供技術(shù)支撐。

有限斷層；數(shù)值模擬；地震海嘯；海嘯浮標(biāo)；自適應(yīng)網(wǎng)格

1 引言

近10多年來(lái)重大海嘯災(zāi)害呈高發(fā)態(tài)勢(shì)，全球范圍內(nèi)平均每年均有破壞性海嘯事件發(fā)生，遠(yuǎn)高于20世紀(jì)每6年一次的頻率，據(jù)統(tǒng)計(jì)，海嘯災(zāi)害已造成245 622人死亡，129 658棟房屋受損，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)2 500億美元。由此可見(jiàn)，海嘯災(zāi)害已成為世界上最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著全球沿海居民生命財(cái)產(chǎn)安全。為了盡可能避免或降低未來(lái)海嘯事件對(duì)人類(lèi)造成的災(zāi)難，沿海國(guó)家及地區(qū)政府和科研團(tuán)體應(yīng)盡快完善本區(qū)域的海嘯預(yù)警系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，并加強(qiáng)本區(qū)域的海嘯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及區(qū)劃技術(shù)的研發(fā)[1-4]。

在經(jīng)歷了2004年印度洋大海嘯、2010年智利大海嘯、2011年日本東北大海嘯等重大海嘯事件之后，各沿海國(guó)家逐步提高了應(yīng)對(duì)海嘯災(zāi)害的關(guān)注度，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，但有效的應(yīng)對(duì)近場(chǎng)海嘯的能力仍存在較大不足[5]。近年來(lái)，隨著實(shí)時(shí)海嘯監(jiān)測(cè)技術(shù)、快速震源機(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[6-9]。

準(zhǔn)確刻畫(huà)海嘯源破裂過(guò)程或能量特征已成為現(xiàn)代海嘯預(yù)警技術(shù)的核心部分[10]。目前，大部分海嘯預(yù)警系統(tǒng)為了滿(mǎn)足快速預(yù)警的需求，主要基于對(duì)短周期地震波的分析來(lái)獲取地震參數(shù)信息和同震形變場(chǎng)[11]進(jìn)行海嘯定量預(yù)警。由于短周期地震波無(wú)法攜帶完整的地震能量釋放信息，經(jīng)常導(dǎo)致地震規(guī)模被低估；同樣，各項(xiàng)同性均一滑動(dòng)場(chǎng)模型刻畫(huà)地震破裂形變場(chǎng)分布精度較低，對(duì)近場(chǎng)海嘯評(píng)估結(jié)果影響較大[12]。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，隨著科學(xué)觀測(cè)技術(shù)的提高，越來(lái)越多的海嘯監(jiān)測(cè)記錄和地震探測(cè)數(shù)據(jù)被應(yīng)用于同震位移場(chǎng)的重構(gòu)和反演計(jì)算。利用海嘯浮標(biāo)數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)地震數(shù)據(jù)反演的有限斷層解可以描述詳細(xì)的地震破裂特征，這種模型稱(chēng)為有限斷層模型(Finite Fault Solution Model)。該模型將整個(gè)斷層面剖分為多個(gè)相等面積的子斷層，每個(gè)子斷層具有獨(dú)立的局部震源機(jī)制解，并根據(jù)斷層的破裂速度以及子斷層的破裂時(shí)間構(gòu)建隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)破裂過(guò)程。Wei等[13]指出了基于海嘯浮標(biāo)反演的有限斷層模型在刻畫(huà)海嘯傳播特征方面更為準(zhǔn)確；景惠敏等[14]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；Yamazaki等[15]利用有限斷層模型很好的模擬了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)；王培濤等[16]分析了有限斷層模型與均一滑動(dòng)場(chǎng)模型對(duì)海嘯產(chǎn)生、傳播、淹沒(méi)特征的影響及各自的誤差。綜上研究對(duì)于有限斷層模型在模擬海嘯傳播特征方面起到了推動(dòng)作用。

本文基于有限斷層模型和高精度有限體積水動(dòng)力模型模擬分析了2015年9月16日智利Mw8.3級(jí)地震海嘯越洋傳播特征，評(píng)估分析了有限斷層模型對(duì)本次地震海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)的影響，為今后海嘯預(yù)警、海嘯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及區(qū)劃在運(yùn)用有限斷層模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究具有借鑒意義。

2 2015年9月16日智利Mw8.3級(jí)地震海嘯事件概述

由于納斯卡板塊每年以6.5～7 cm的速度向美洲板塊俯沖，導(dǎo)致南美洲的西海岸一直處于地震頻發(fā)地帶，1960年發(fā)生在智利南部的9.5級(jí)強(qiáng)震是有史以來(lái)記錄到的最大地震，其破裂長(zhǎng)度超過(guò)900 km，最大滑移量超過(guò)40 m[17-18]。2015年9月16日22時(shí)55分(北京時(shí)間17日6時(shí)55分)位于納斯卡板塊和南美洲板塊之間的南美洲俯沖帶發(fā)生8.3級(jí)地震。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)，震中位置距智利科金博大區(qū)伊亞佩爾市以西46 km，震中位于31.6°S，71.7°W，震源深度25 km。Okuwaki等[19]通過(guò)動(dòng)態(tài)波形反演方法分析了本次地震的破裂過(guò)程，認(rèn)為破裂的最大滑移量集中在震源位置西北72 km處；Ye等[20]利用W震相分析了震源參數(shù)，地震矩的范圍為3.7×1021～2.7×1021N·m，最大滑移量在7～10 m之間。本次地震引發(fā)了泛太平洋范圍的海嘯，遠(yuǎn)場(chǎng)雖未有人員傷亡的報(bào)道，但在近場(chǎng)本次地震海嘯共造成至少15人死亡，1人失蹤，14人受傷，2 305間民房損毀，10 044間民房受到不同程度的毀壞，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)6億美元。

震后數(shù)分鐘內(nèi)，海嘯襲擊了智利近岸區(qū)域。地震發(fā)生40 min后，32402 DART浮標(biāo)(距離震中583 km)率先記錄到海嘯波，高度為0.1 m，之后海嘯波襲擊了整個(gè)智利沿岸，其中科金博港口潮位站(COQUIMBO)監(jiān)測(cè)到本次事件最大波高，高度為4.75 m。科金博市大部分地區(qū)被海水淹沒(méi)，對(duì)港口、漁場(chǎng)以及城鎮(zhèn)造成了嚴(yán)重的破壞[21]。據(jù)報(bào)道，在震源附近海嘯波爬高接近10 m，疏散沿岸近一百萬(wàn)居民。

近5年來(lái)，智利沿岸海域發(fā)生了3次大規(guī)模的地震事件，均引發(fā)了太平洋范圍的海嘯，同一俯沖帶內(nèi)接連發(fā)生如此規(guī)模的逆沖型地震，大大提高了該區(qū)域海嘯危險(xiǎn)性及對(duì)該地區(qū)海嘯災(zāi)害的關(guān)注度。2010年2月27日智利南部發(fā)生8.8級(jí)地震并引發(fā)海嘯，事件共造成525人死亡，其中124人死于地震海嘯[22]。事后智利政府升級(jí)海嘯預(yù)警系統(tǒng)，提高公眾對(duì)海嘯災(zāi)害的認(rèn)知程度和逃生技能。2014年4月1日智利伊基克發(fā)生了8.2級(jí)地震，海嘯預(yù)警能力和居民防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)的提高大大降低了地震海嘯的傷亡率。由此可見(jiàn)，納斯卡板塊和南美洲板塊頻繁的相互作用，致使智利沿岸呈地震海嘯頻發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)。定量評(píng)估該區(qū)域海嘯源對(duì)海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)的影響對(duì)于應(yīng)對(duì)該區(qū)域的地震海嘯具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

3 精細(xì)化地震海嘯數(shù)值模型的建立

海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)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；一個(gè)完善的海嘯預(yù)警系統(tǒng)必須能夠快速、準(zhǔn)確的給出海嘯到達(dá)近岸的時(shí)間、海嘯在近岸的波幅以及海嘯淹沒(méi)的范圍，這些信息是建立海嘯撤離方案，進(jìn)行海嘯防災(zāi)減災(zāi)最主要的依據(jù)；而這些最基本預(yù)警信息的獲得都無(wú)疑需要直接或間接的通過(guò)海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。地震海嘯數(shù)值模型應(yīng)涵蓋海嘯的整個(gè)物理過(guò)程的生命周期，主要包括3個(gè)階段：海嘯的產(chǎn)生、傳播及淹沒(méi)。

3.1 海嘯源模型

斷層模型直接關(guān)系到海嘯波在大洋中的傳播及海嘯與近岸的相互作用，海嘯源的適用性對(duì)海嘯模型模擬結(jié)果顯得尤為重要。目前海嘯源的反演技術(shù)主要有直接通過(guò)海嘯波幅信號(hào)反演和基于大地測(cè)量和地震數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)反演的方法[23]。前者是利用直接測(cè)量的海嘯波幅信號(hào)反演海平面形變場(chǎng)；后者是根據(jù)GPS數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)估計(jì)同震位移場(chǎng)。傳統(tǒng)同震位移場(chǎng)是通過(guò)地震矩和震源機(jī)制方法推測(cè)同震位移場(chǎng)分布特征，轉(zhuǎn)化成海嘯產(chǎn)生階段自由表面的初始邊界條件。

實(shí)時(shí)地震波形數(shù)據(jù)反演的有限斷層解可以快速刻畫(huà)斷層滑移量分布，本文引用USGS有限斷層模型。該有限斷層模型子斷層單元長(zhǎng)度為20 km，寬度為14 km，破裂面長(zhǎng)度為640 km，寬度為168 km，走向角為4°，傾向19°，最大滑移量為8.04 m(表1)，利用26個(gè)遠(yuǎn)震寬頻P波波形數(shù)據(jù)、11個(gè)寬頻SH波波形數(shù)據(jù)和42個(gè)長(zhǎng)周期面波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，并與歷史地震的滑移場(chǎng)分布進(jìn)行對(duì)比，其主要能量釋放集中在地震破裂的30～70 s。

表1 2015年智利地震海嘯有限斷層模型參數(shù)

續(xù)表1

圖1 USGS有限斷層同震滑移量分布Fig.1 Slip distributions obtainedusing the inversions of the teleseismic by USGS

如前所述，斷層模型計(jì)算的海嘯初始位移場(chǎng)，它直接關(guān)系到海嘯波在大洋中的傳播及海嘯與近岸的相互作用，是模擬海嘯波傳播的重要因素之一，根據(jù)Kajiura假設(shè)，水面變動(dòng)與地震引起的瞬時(shí)斷層錯(cuò)動(dòng)的同時(shí)或數(shù)秒后發(fā)生的前提下，我們將獲得的震源參數(shù)(表1)和同震位移場(chǎng)分布(圖1)，利用Okada基于彈性錯(cuò)位理論的斷層模型計(jì)算了海嘯傳播所需的初始位移場(chǎng)(圖2)。從海嘯源的形態(tài)特征我們可以看出，其形變場(chǎng)能量主要沿著納斯卡板塊和南美洲板塊之間的俯沖帶分布，呈平均具有3 m，長(zhǎng)約200 km NNE向帶狀高能分布特征。另外，與均一滑動(dòng)場(chǎng)模型計(jì)算的規(guī)則結(jié)果相比較，有限斷層模型計(jì)算的海表面形變場(chǎng)具有更細(xì)致的局部特征。

圖2 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Fig.2 Sea surface deformation derived from finite fault solutions model

3.2 海嘯數(shù)值模型的建立

作為海嘯預(yù)警、科學(xué)研究和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的核心工具，海嘯數(shù)值模型發(fā)展至今能夠較為準(zhǔn)確的重現(xiàn)海嘯產(chǎn)生、傳播和淹沒(méi)的整個(gè)過(guò)程。目前國(guó)際上有許多優(yōu)秀的海嘯數(shù)值模式，例如基于不考慮物理頻散效應(yīng)的非線(xiàn)性淺水方程(NSWE)的COMCOT[24]、MOST[25]和Geoclaw[26]等，以及考慮頻散項(xiàng)的Boussinesq方程或類(lèi)Boussinesq方程的Funwave-TVD[27]、Neowave[28]等。

本文利用GeoClaw數(shù)學(xué)模型作為此次數(shù)值模擬的模型，該模型是由美國(guó)華盛頓大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系George D L和LeVeque R L基于波浪追逐原理和自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的。該模型根據(jù)越洋海嘯的傳播特征，考慮了海嘯波在近岸傳播的非線(xiàn)性作用、底摩擦和科氏力效應(yīng)，根據(jù)追蹤波幅變化確定是否加密計(jì)算，對(duì)海嘯波影響小的區(qū)域進(jìn)行粗網(wǎng)格分辨率計(jì)算，當(dāng)?shù)竭_(dá)近岸時(shí)波幅增大，模型會(huì)自動(dòng)加密，提高計(jì)算分辨率。其主要優(yōu)點(diǎn)在于解決了高分辨率和計(jì)算效率之間的矛盾，提高了運(yùn)行效率。

模型的控制方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,g為重力加速度；h為總水深；u和v分別為x和y方向的深度平均流速；t為時(shí)間；f為科氏力系數(shù)；b為海底表面水位；τx和τy分別為x和y方向底摩擦項(xiàng)，其中n為曼寧系數(shù)。

相對(duì)于海嘯源特征和海嘯數(shù)值模式精度，影響海嘯數(shù)值模型的計(jì)算精度的重要因素是水深及地形數(shù)據(jù)的分辨率[29]，研究區(qū)域內(nèi)不同質(zhì)量的地形水深數(shù)據(jù)，必然會(huì)導(dǎo)致模擬精度在一定程度上的下降。本文的模擬計(jì)算范圍是65°S～65°N，115°E～65°W，基本涵蓋了太平洋及其邊緣海范圍。考慮大洋中海嘯波長(zhǎng)的尺度為數(shù)百千米，故大洋中采用5′網(wǎng)格分辨率計(jì)算，可以提高計(jì)算效率，地理信息數(shù)據(jù)來(lái)自ETOPO1(https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)。當(dāng)海嘯波傳播到近岸區(qū)域后，水體波動(dòng)特性因受到地形影響而改變，ETOPO系列水深分辨率在模擬港口海底高程的精細(xì)模型中還不夠精確。因此，在智利近岸沿海區(qū)域補(bǔ)充了SRTM3數(shù)據(jù)，其分辨率為100 m左右，通過(guò)插值得到計(jì)算模型中每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的具體高程值，用來(lái)修正SRTM3數(shù)據(jù)預(yù)插值數(shù)據(jù)結(jié)果，水深數(shù)據(jù)融合GEOBCO_08數(shù)據(jù)獲得。計(jì)算過(guò)程中通過(guò)自適應(yīng)網(wǎng)格加密計(jì)算，最高網(wǎng)格分辨率可達(dá)30 m，根據(jù)波浪特征追蹤加密判斷的標(biāo)準(zhǔn)為1 cm。同時(shí)，海嘯傳播到近岸后，底摩擦效應(yīng)遠(yuǎn)比粗網(wǎng)格計(jì)算時(shí)顯著，模型中曼寧系數(shù)為0.025。本文選取了20個(gè)海嘯浮標(biāo)和14個(gè)近岸海嘯監(jiān)測(cè)站(圖3)，利用前文有限斷層海嘯源作為初始條件，對(duì)智利地震海嘯在遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的傳播特征進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)海嘯傳播數(shù)值模擬結(jié)果的有效性檢驗(yàn)，從而也實(shí)現(xiàn)了對(duì)本文選用的有限斷層模型的評(píng)估釋用，為地震參數(shù)的合理性與適用性提供了一種有效的校正方法。

圖3 深海浮標(biāo)(a)及近岸監(jiān)測(cè)站(b)位置示意圖Fig.3 The location of DART buoys(a) and coastal tide-gauge stations(b)

4 2015年智利地震海嘯數(shù)值模擬

2015年9月16日22時(shí)55分(北京時(shí)間17日6點(diǎn)55分)智利中部近岸(31.6°S，71.7°W)發(fā)生8.3級(jí)地震，震源深度為25 km，并引發(fā)了泛太平洋范圍的海嘯。除了海嘯近場(chǎng)的智利沿岸潮位觀測(cè)系統(tǒng)外，海嘯還被布放在太平洋的數(shù)十個(gè)海嘯浮標(biāo)及太平洋沿岸國(guó)家數(shù)百個(gè)高分辨率、高質(zhì)量的數(shù)字化海平面監(jiān)測(cè)儀器所記錄。這些寶貴的數(shù)據(jù)無(wú)疑是我們校正模型、檢驗(yàn)海嘯遠(yuǎn)場(chǎng)及近岸的傳播特征的前提。

4.1 遠(yuǎn)場(chǎng)海嘯波模擬

地震發(fā)生后引發(fā)了泛太平洋范圍的海嘯。海嘯

浮標(biāo)是海嘯預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系的重要組成部分，是目前在大洋中監(jiān)測(cè)海嘯最為有效的手段。通過(guò)浮標(biāo)數(shù)據(jù)不僅可以準(zhǔn)確的刻畫(huà)海嘯在大洋中的傳播特征，還可以反演海嘯源參數(shù)信息。海嘯浮標(biāo)提供了3種采樣間隔，分別為15 s，1 min和15 min，當(dāng)遇到海嘯事件后，浮標(biāo)由常態(tài)的15 min采樣間隔轉(zhuǎn)變?yōu)?5 s，持續(xù)幾分鐘后，變?yōu)? min并維持到事件結(jié)束。因此原始浮標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)時(shí)間上不連續(xù)或重復(fù)的現(xiàn)象。本文選取了20個(gè)DART浮標(biāo)數(shù)據(jù)用來(lái)分析深海及遠(yuǎn)場(chǎng)海嘯波的傳播特征(表2)，其中32402浮標(biāo)距震源位置最近，距震源583 km，記錄的最大波高接近10 cm。

表2 海嘯浮標(biāo)特征參數(shù)

續(xù)表2

圖4 有限斷層模型條件下海嘯浮標(biāo)波幅時(shí)間序列模擬對(duì)比Fig.4 Comparisons of observed and simulated time series based on the finite fault solution models at DART buoys

圖4為數(shù)值計(jì)算得到的20個(gè)浮標(biāo)站點(diǎn)位置的傳播序列和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比。從圖4中不難發(fā)現(xiàn)位于近場(chǎng)的32402、32401、32412及32411浮標(biāo)由于距離源較近，且周邊沒(méi)有局地變化強(qiáng)烈的地形干擾，海嘯信號(hào)表現(xiàn)出了典型的海嘯瞬態(tài)脈沖的波形，海嘯的首波即為最大波幅。海嘯波特征主要受控于海嘯源參數(shù)特征。數(shù)值模擬海嘯波到時(shí)及最大波幅與觀測(cè)吻合良好。在接近震源長(zhǎng)軸方向上的43412、43413、46411及46407海嘯浮標(biāo)除43412外，海嘯波首波波幅即為最大海嘯波幅特征，考慮43412可能有反射波影響，最大波幅出現(xiàn)在首波后的50 min后。相比近場(chǎng)的浮標(biāo)站而言，后相波開(kāi)始出現(xiàn)較大波幅的振蕩現(xiàn)象。盡管如此，數(shù)值模擬對(duì)首波的模擬還是較為理性的。由于模型所采用的地形資料與實(shí)際間的誤差，出現(xiàn)了最大8 min的位相誤差，但相對(duì)于海嘯傳播時(shí)間而言這個(gè)誤差可以忽略。與前類(lèi)似，在稍偏離長(zhǎng)軸方向的46409、46408、46413和46403浮標(biāo)信號(hào)主要受長(zhǎng)波及陸地邊界反射影響影響，出現(xiàn)波幅較大的振蕩特征，但海嘯波能量基本出現(xiàn)在首波。模擬的首波波幅有些低估。位相頻移程度隨著傳播距離的增加沒(méi)有顯著變化，進(jìn)一步說(shuō)明在該方向上的短波成分并不占優(yōu)。在與斷層走向垂直的方向上即海嘯能量的主傳播方向，也就是震源短軸方向海嘯頻移現(xiàn)象隨著傳播距離的增加而加強(qiáng)，考慮在該方向上的海嘯波主要是震源短軸的短波產(chǎn)生的頻散效應(yīng)。受傳播路徑上島鏈、海底山脈等地形特征的折射與散射影響，海嘯波幅最大能量均未出現(xiàn)在海嘯首波位置，而是在首波后的數(shù)個(gè)周期內(nèi)。如前所述，這種延遲要比海嘯的越洋傳播時(shí)間小兩個(gè)量級(jí)，可以忽略。將頻移進(jìn)行人為的訂正后，得到在能量主傳播方向上首波波幅的模擬結(jié)果較為理想。

綜合海嘯能量傳播的各條路徑上的觀測(cè)數(shù)據(jù)不難看出該海嘯在深海傳播過(guò)程中，首先到達(dá)的是海嘯的減水過(guò)程，這是該次海嘯的一個(gè)主要特征，遺憾的是我們的模型沒(méi)有捕捉到這細(xì)微的波結(jié)構(gòu)特征?？紤]可能的原因是海嘯源的邊緣處應(yīng)該存在顯著的水位下降區(qū)域。同時(shí)，模型對(duì)首波后的短波成分的刻畫(huà)并不理想，考慮主要由于用于計(jì)算傳播過(guò)程的地形精度不夠高、物理模型中沒(méi)有考慮物理的頻散效應(yīng)和海底形變與海面位移的轉(zhuǎn)換機(jī)制并不清楚等因素所致。

由于數(shù)值模擬過(guò)程中沒(méi)有考慮到海嘯波的頻散、海水的壓縮性和海嘯波的彈性變化，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相比延遲3～20 min。為此本文根據(jù)這一典型現(xiàn)象，研究了首波延遲時(shí)間與海嘯傳播距離即浮標(biāo)位置距離震源遠(yuǎn)近。圖5可以定性的給出首波延遲與海嘯傳播距離的線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系，但是在某些方向上，特別是與斷層走向垂直的方向上海嘯的延遲會(huì)更顯著。

圖5 海嘯波延時(shí)與距離震源關(guān)系Fig.5 The arrival time delays of the observed waveforms relative to the simulated ones versus the distances from the source

圖6 有限斷層模型模擬的最大海嘯波幅分布Fig.6 Maximum tsunami wave amplitude obtained using the finite fault model

圖7 有限斷層模型條件下近岸監(jiān)測(cè)站海嘯波幅時(shí)間序列模擬對(duì)比Fig.7 Comparisons of observed and simulated time series based on the finite fault solution models at coastal tide-gauge stations

圖8 近岸監(jiān)測(cè)站海嘯波觀測(cè)數(shù)據(jù)小波分析Fig.8 Wacelet analysis for the coastal tide-gauge stations records

從海嘯最大波幅分布(圖6)來(lái)看，本次海嘯波的主要能量傳播方向?yàn)槲鞅狈较?，另外北西北和南西南兩個(gè)方向?yàn)楹[波能的次傳播方向。這種海嘯能量分布特征主要受斷層走向的影響，其次遠(yuǎn)場(chǎng)海嘯能量的走向還與特定的地形有關(guān)。例如當(dāng)海嶺的走向與海嘯波傳播的方向相近時(shí)，洋中脊和環(huán)繞大陸的陸架區(qū)對(duì)海嘯波的傳播方向具有導(dǎo)向作用，除了可以將波動(dòng)導(dǎo)向更遠(yuǎn)的地方外，還可以捕捉海嘯能量，使得這些地區(qū)的海嘯維持長(zhǎng)時(shí)間的振蕩[30]。由此可見(jiàn)，海底地形決定了海嘯波在大洋中的波能量流方向，其主要的能量流聚集在主要的海嶺處，并以帶狀分布。

4.2 近場(chǎng)海嘯波觀測(cè)與模擬

強(qiáng)震發(fā)生半個(gè)小時(shí)后，觀測(cè)資料顯示智利北部港口科金博，海嘯波高達(dá)4.75 m，科金博港是本次地震海嘯事件受影響最重的地方之一。隨后4 h內(nèi)，海嘯波襲擊了智利沿岸700 km范圍的沿岸地區(qū)。數(shù)個(gè)沿岸的港灣地區(qū)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的淹沒(méi)現(xiàn)象，最大海嘯爬坡高度超過(guò)13 m，海嘯上水距離近800 m。與深水遠(yuǎn)場(chǎng)不同的是在近場(chǎng)近岸觀測(cè)數(shù)據(jù)中(圖7)，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)波到達(dá)的負(fù)增水現(xiàn)象。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)海嘯先導(dǎo)波到達(dá)后，在很長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)海嘯波在持續(xù)震蕩，并且震蕩過(guò)程中海嘯波幅往往大于先導(dǎo)波。這種現(xiàn)象并非是海嘯源初始特征所決定的，這主要是由于受到波波相互作用及局地地形和近岸特征所影響。

地震發(fā)生半小時(shí)后，海嘯波抵達(dá)近岸，除了受海嘯源分布特征影響外，地形與海嘯的相互作用也是影響海嘯傳播的原因之一[30-31]。圖7是數(shù)值計(jì)算得到的時(shí)間序列與潮位站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖。從對(duì)比結(jié)果可以看出模式計(jì)算得到的海嘯先導(dǎo)波的相位和波幅與實(shí)際數(shù)據(jù)相吻合，此外模型基本可以準(zhǔn)確刻畫(huà)近場(chǎng)海嘯波第一個(gè)波序列中的前3～5個(gè)波形。說(shuō)明了有限斷層模型在刻畫(huà)近場(chǎng)海嘯波特征方面是可信的，特別是震源短軸控制的海嘯波特征模擬方面較傳統(tǒng)的震源機(jī)制解有較明顯的改善。盡管如此，對(duì)比大多數(shù)潮位站的記錄和模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然首波和最大波幅模擬較為理想，但不夠精確的近岸地形資料，可能導(dǎo)致尾波的擬合都不是很理想。由于近岸特定地形作用下長(zhǎng)期振蕩的存在，對(duì)海嘯預(yù)警工作而言，除了針對(duì)首波到時(shí)、首波波幅外，也不能忽略最大波特征及尾波的存在，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。

本文對(duì)近岸監(jiān)測(cè)站海嘯波觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了小波分析，從分析結(jié)果(圖8)來(lái)看，大部分站點(diǎn)的小波波能主要分布在10～50 min周期域內(nèi)。相比于遠(yuǎn)場(chǎng)，近岸海嘯波主頻波譜分布更廣，除受復(fù)雜地形影響外，還在于海嘯源特征的復(fù)雜性。如VALPARAISO，BUCALEMU，COQUIMBO，HUASCO監(jiān)測(cè)點(diǎn)，距震源位置較近，海嘯波受源的影響較大，波能量分布廣泛。距震源較遠(yuǎn)的CALDERA、CHANARAL監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄到的波能量較為固定。分析TALCAHUANO、QUIRIQUINA、CORRAL站點(diǎn)表明，海嘯波除包含本次事件的主要波能外，波能還集中在100～130 min周期域內(nèi)，可能原因是受特殊地形影響海嘯波激發(fā)了陸架固有周期的震蕩[32]，而后相互作用所致。

5 結(jié)論

海底強(qiáng)震發(fā)生后，各機(jī)構(gòu)或研究團(tuán)體會(huì)陸續(xù)發(fā)布各種的描述與表征地震斷層破裂特征的模型。在這些模型中，選擇恰當(dāng)?shù)恼鹪雌屏涯Ｐ?，一直都是海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)研究的關(guān)鍵問(wèn)題。本文通過(guò)選擇能夠刻畫(huà)地震破裂局部特征的有限斷層模型模擬分析了2016年智利Mw8.3級(jí)地震海嘯在近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)的傳播特征。避免了采用傳統(tǒng)點(diǎn)源震源機(jī)制解估算海嘯源尺度所帶來(lái)的海嘯強(qiáng)度的不確定性誤差。將有限斷層破裂模型與高精度、高分辨率自適應(yīng)加密技術(shù)的海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)大洋的高效及近岸區(qū)域的高分辨率快速計(jì)算。對(duì)比結(jié)果表明，本文采用的計(jì)算與組合策略可以較好的刻畫(huà)海嘯的越洋傳播，特別對(duì)近岸海嘯的波特給出了非常合理的刻畫(huà)。

通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的模擬對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了海嘯波在大洋中的頻散特性。這種頻散特征會(huì)隨著海嘯傳播時(shí)間而增強(qiáng)。同時(shí)也分析了數(shù)值模擬結(jié)果頻移特征是與海嘯的頻散有關(guān)的，這種特征與海嘯傳播的方向有緊密的聯(lián)系。此外，在該例中一個(gè)顯著的負(fù)增水波谷首先到達(dá)現(xiàn)象在遠(yuǎn)場(chǎng)的多個(gè)觀測(cè)站中出現(xiàn)，同樣的現(xiàn)象在近場(chǎng)近岸站點(diǎn)沒(méi)有發(fā)生，而在有些近岸站點(diǎn)最大波幅有延遲到達(dá)的現(xiàn)象，針對(duì)這些現(xiàn)象可能的原因有待于進(jìn)一步的研究。

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Application and evaluation of the 16 September 2015 Illapel, Chile Mw8.3 earthquake finite fault rupture model from numerical simulation

Shan Di1,2, Wang Peitao1,2,3, Ren Zhiyuan1,2, Yuan Ye1,2,3, Zhao Lianda1,2,3, Fan Tingting1,2, Wang Zongchen1,2

(1.NationalMarineEnvironmentalForecastingCenter,Beijing100081,China；2.TsunamiWarningCenter,StateOceanicAdministration,Beijing100081,China；3.KeyLaboratoryofResearchonMarineHazardsForecasting,NationalMarineEnvironmentalForecastingCenter,StateOceanicAdministration,Beijing100081,China)

On September 16, 2015, at 19:54 (local time) a magnitudeMw8.3 earthquake took place off the coast of central Chile, focal depth of 25 km. Meanwhile, the earthquake with rupture zone 200 km long and 100 km wide triggered moderate intensity teletsunami. The tsunami impacted approximately 700 km of the coast of Chile, some areas tsunami reached amplitudes near 5 m and tsunami run-up exceeded 13 m. Tsunami waves were subsequently recorded by more than 40 Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunami (DART) buoys in the Pacific Ocean and more than 200 tide gauges throughout the Pacific Ocean, a rich supply of data which study the tsunami propagation scenarios in near-filed and deep-water. This paper used the finite fault models and adaptive refinement algorithms to build a well computational efficiency and high resolution numerical tsunami model. We analyzed the teletsunami propagation characteristics. The results show that by using the established model can well reproduce the far-field and near-field tsunami process, especially on the near-field the simulation results fit well with the observational data. It indicates that the finite fault model can better depict the near-field, especially the rupture characteristics and provide more accurate source information. The fine prediction of tsunami propagation characteristics can be achieved by the finite fault model and high resolution numerical tsunami model. In this paper, using the observation data and simulation results, analyzed the frequency dispersion of the tsunami wave and its influence on the model. Meanwhile, carried out a brief summary of the typical characteristics of the tsunami wave. The wavelet analysis show that the tsunami energy is concentrated in the period band of around 10-50 min. These wave characteristics are not involved in the current tsunami warning information, but they are very important parameters. Further research on these characteristics will provide technical support for the improvement of tsunami warning information and warning products.

finite fault; numerical simulation; earthquake tsunami; tsunami buoys; adaptive refinement algorithms

P731.25

A

0253-4193(2017)11-0049-12

閃迪, 王培濤, 任智源, 等. 有限斷層模型在2015年9月16日智利Mw8.3級(jí)地震海嘯數(shù)值模擬中的應(yīng)用與評(píng)估[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2017, 39(11):49-60,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.005

Shan Di, Wang Peitao, Ren Zhiyuan, et al. Application and evaluation of the 16 September 2015 Illapel, ChileMw8.3 earthquake finite fault rupture model from numerical simulation[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(11):49-60, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.11.005

2016-08-04；

2017-05-04。

海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(201405026，201205034，201305031)。

閃迪(1987—)，男，北京市人，助理工程師，主要從事海洋災(zāi)害預(yù)警技術(shù)研究。E-mail:shandi@nmefc.gov.cn

*通信作者：王培濤(1981—)，男，副研究員，研究方向?yàn)楹Ｑ鬄?zāi)害預(yù)警技術(shù)及河口與海岸動(dòng)力學(xué)。E-mail:wpt@nmefc.gov.cn