任智源, 原 野, 3, 趙聯(lián)大, 3, 王培濤, 3, 侯京明, 3, 徐志國, 3, 高 義, 3, 李宏偉, 閃 迪, 王君成, 范婷婷, 王宗辰

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2016年全球地震海嘯監(jiān)測預(yù)警與數(shù)值模擬研究

任智源1, 2, 原 野1, 2, 3, 趙聯(lián)大1, 2, 3, 王培濤1, 2, 3, 侯京明1, 2, 3, 徐志國1, 2, 3, 高 義1, 2, 3, 李宏偉1, 2, 閃 迪1, 2, 王君成1, 2, 范婷婷1, 2, 王宗辰1, 2

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

回顧了國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心(國家海洋局海嘯預(yù)警中心) 2016年全球地震海嘯監(jiān)測預(yù)警的總體狀況, 并基于震源生成模型和海嘯傳播數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果詳細(xì)介紹了幾次主要海嘯事件及其影響特性。2016年全年國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心總共對(duì)全球6.5級(jí)(中國近海5.5級(jí))以上海底地震響應(yīng)了45次,發(fā)布海嘯信息81期, 沒有發(fā)生對(duì)我國有明顯影響的海嘯。結(jié)合精細(xì)化的數(shù)值模擬結(jié)果和浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù), 重點(diǎn)介紹了蘇門達(dá)臘7.8級(jí)地震海嘯、厄瓜多爾7.8級(jí)地震海嘯、新西蘭7.1級(jí)和7.8級(jí)地震海嘯, 以及所羅門7.8級(jí)地震海嘯的波動(dòng)特征和傳播規(guī)律, 模擬結(jié)果與實(shí)測海嘯波符合較好。針對(duì)厄瓜多爾7.8級(jí)地震海嘯事件, 本文比較分析了均勻斷層模型和多源有限斷層模型對(duì)模擬結(jié)果的影響; 針對(duì)新西蘭7.1級(jí)地震海嘯, 探討了色散效應(yīng)對(duì)海嘯波在大水深、遠(yuǎn)距離傳播過程的影響規(guī)律。

地震海嘯; 海嘯預(yù)警; 數(shù)值模擬; 淺水波方程; Boussinesq方程

海嘯一般是由海底地震、海底滑坡及火山噴發(fā)等地質(zhì)災(zāi)害所引起, 作為一種突發(fā)性、且破壞力極大的海洋災(zāi)害, 近幾年來受到高度重視[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì), 超過90%的海嘯是由地震引發(fā)[2-3], 且海底地震是可實(shí)時(shí)監(jiān)測的, 因此對(duì)地震海嘯的監(jiān)測預(yù)警及研究成為了主要方面。2004年12月26日, 在印度尼西亞蘇門答臘北部地區(qū)發(fā)生的震級(jí)為M=9.2級(jí)的地震并引發(fā)了特大海嘯, 對(duì)印度洋周邊國家造成了約30萬的人員傷亡[4-6]。許多涉海國家開始重視海嘯預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)與研究工作。而2010年智利的M=8.8級(jí)地震海嘯和2011年日本東北M=9.0級(jí)地震海嘯對(duì)近場區(qū)域所造成的嚴(yán)重災(zāi)害和人員傷亡對(duì)局地海嘯的近岸預(yù)警提出了新的挑戰(zhàn)[7]。

海嘯的全生命周期包括了海嘯的生成、傳播, 以及爬高和淹沒[8]。地震海嘯的生成階段主要是由于地震引發(fā)的海底的突然變形進(jìn)而引起海水的大范圍波動(dòng)。Mansinha和Lmylie[9]基于彈性變形理論, 根據(jù)Volterra公式推導(dǎo)出了由板塊運(yùn)動(dòng)所造成的海底變形量的計(jì)算方法, 被COMCOT模型采用。Okada[10-11]采用有限域積分模型由震源參數(shù)位錯(cuò)形態(tài), 為海嘯形成的初始形態(tài)提供海底邊界的變化過程。在得到海底的變形之后, 再將海底地形的靜態(tài)形變直接投影到水面作為初始形態(tài)處理[12]。該方法被稱為瞬時(shí)響應(yīng)模型。對(duì)于強(qiáng)度較大的地震, 板塊運(yùn)動(dòng)形變歷時(shí)較短, 該方法是適用的。對(duì)于運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長的地震或者滑坡, 可以通過求解Cauchy-Poisson問題將海底變形由空間域的Fourier變換和時(shí)間域的Laplace變換得到水面位移和海底位移的關(guān)系, 即通過傳遞函數(shù)聯(lián)系海底地形變化和水面波動(dòng),該方法可以稱為動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型[1]。Lynette和Liu[13]基于弱非線性Boussinesq方程研究了海底滑坡誘發(fā)的海嘯。王本龍[14]根據(jù)Madsen等[15]提供的建議速度值, 改寫了將Euler方程在自由面和底面的投影方程, 可以較好地模擬由非均勻海底引起的大范圍非線性色散波浪的傳播問題。趙曦[16]將該模型進(jìn)一步推廣為海底運(yùn)動(dòng)激發(fā)海嘯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型。在得到海嘯的初始波動(dòng)形態(tài)后, 海嘯波將以自由表面重力波的形式向外傳播。

目前, 海嘯的數(shù)值傳播模型主要有淺水波數(shù)值模型和Boussinesq色散模型?；跍\水波方程的數(shù)值模型主要有MOST[17]、GeoClaw[18]、COMCOT[19]和TUNAMI[20]等。淺水波方程是從N-S(Navier-Stokes)方程出發(fā), 忽略了速度在垂直方向的變化而采用平均速度得到的。因此, 當(dāng)流體垂直分量的速度較小, 即動(dòng)壓相對(duì)較小而以靜壓為主的條件下, 淺水波方程是適用的。Boussinesq方程是將流場的垂直分布以多項(xiàng)式級(jí)數(shù)形式近似表示, 并將連續(xù)性方程和動(dòng)量方程進(jìn)行沿水深的垂向積分, 將空間三維流動(dòng)問題簡化為平面二維問題。Boussinesq方程考慮了波浪的非線性特性和垂直加速度所導(dǎo)致的非靜壓效應(yīng), 即色散效應(yīng), 主要模型有FUNWAVE[21]和CULWAVE[22]。作為二十世紀(jì)九十年代海岸工程水動(dòng)力學(xué)的重要進(jìn)展, 通過提高模型的色散性使得Boussinesq類方程的適用范圍被拓展至深水區(qū)域, 并通過改善模型的色散性和非線性等特性進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用的范圍[8, 23-25]。此外, 在近些年得到發(fā)展的非靜壓模型也值得關(guān)注[26-27]。

針對(duì)波浪爬高問題, Carrier和Greenspan[28]最早將非線性淺水波方程經(jīng)過無量綱化變化為一組線性方程, 給出了簡諧波爬高問題的解析解。Synolakis[29]利用合成孤立波譜的方法得當(dāng)了孤立波爬高的非線性解析解, 并發(fā)現(xiàn)線性理論和非線性理論得到的波浪爬高結(jié)果一致。Carrier[30]基于新的坐標(biāo)系統(tǒng), 將非線性淺水波方程轉(zhuǎn)化為線性雙曲方程, 推導(dǎo)出了任意形態(tài)的初始波動(dòng)在斜坡爬高的解析解。Tadepalli和Synolakis[31-32]基于淺水方程研究了N波(由兩個(gè)孤立波組成, 類似字母“N”)在斜坡上的最大爬高值, 發(fā)現(xiàn)波谷在前的N波比波峰在前的N波產(chǎn)生更大的爬高。Madsen和Schffer[33]給出了單峰波和N波更普遍的表達(dá)式, 并通過非線性淺水方程研究了它們?cè)谛逼律系呐栏?。Zhao等[34]研究了單峰波和N波在在斜坡上的爬高特性, 并進(jìn)一步揭示了在爬高過程中的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律。

目前, 針對(duì)地震海嘯的預(yù)警技術(shù)主要基于地震實(shí)時(shí)監(jiān)測、浮標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)監(jiān)測、快速數(shù)值模擬技術(shù), 以及海嘯預(yù)警數(shù)據(jù)庫。Satake[35]最早提出了海嘯數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方法, 并通過格林函數(shù)反問題方法計(jì)算斷層滑移量。Wei等[36]提出了基于最小二乘法的反問題預(yù)報(bào)模型, 并應(yīng)用于分析阿拉斯加潛在震源對(duì)夏威夷的影響分析。Liu等[37]將南海馬尼拉潛在斷層劃分為39個(gè)單元板塊, 采用COMCOT 模型建立了海嘯預(yù)警系統(tǒng)。Ren等[38]將該方法拓展為多個(gè)浮標(biāo)共同參與反演, 提高了預(yù)警的準(zhǔn)確性, 并提出了一種優(yōu)化布置浮標(biāo)的方法。近幾年發(fā)生的幾次大海嘯, 均被經(jīng)過相應(yīng)海面的衛(wèi)星高度計(jì)捕獲到, 發(fā)展衛(wèi)星實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)也為海嘯預(yù)警提供了有益的參考[39-41]。此外, Wang和Liu[42-43]根據(jù)海嘯數(shù)值模擬和基于海嘯波影響的地磁場麥克斯韋方程, 建立了根據(jù)局部地磁場異常變化探測海嘯特性的方法, 是近年來海嘯預(yù)警研究的一個(gè)亮點(diǎn)。

我國的海嘯警報(bào)信息是由國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心(國家海洋局海嘯預(yù)警中心)發(fā)布, 所采用的新一代海嘯預(yù)警系統(tǒng)包括了全球地震監(jiān)測系統(tǒng)、60個(gè)海嘯浮標(biāo)與800余個(gè)潮位站組成的水位實(shí)測系統(tǒng)、基于高性能計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬系統(tǒng), 以及警報(bào)信息發(fā)布平臺(tái)。2016年全年, 國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心共針對(duì)45次地震發(fā)布了81次海嘯信息(參見表1), 其中震級(jí)較大且監(jiān)測到明顯海嘯波的分別是蘇門答臘7.8級(jí)地震海嘯、厄瓜多爾7.8級(jí)地震海嘯、新西蘭7.1級(jí)和7.8級(jí)地震海嘯, 以及所羅門7.8級(jí)地震海嘯。震源位置如圖1所示, 其中全球板塊邊界采用Bird[44]提出的模型PB2002, 圖中顯示了18個(gè)較大板塊的邊界?？梢园l(fā)現(xiàn), 環(huán)太平洋地震帶依然是最活躍的地震帶。在太平洋板塊與周邊其他板塊的相互作用下, 發(fā)生了多次海底地震, 尤其是太平洋板塊的西邊界與歐亞板塊、鄂霍次克板塊、菲律賓板塊、澳大利亞板塊的相互作用非常頻繁。此外, 菲律賓板塊與琉球板塊、揚(yáng)子板塊, 以及巽他板塊之間的作用也比較明顯, 因此也有可能誘發(fā)對(duì)中國沿海有較大威脅的海嘯。本文將基于數(shù)值模型與實(shí)測數(shù)據(jù)分別對(duì)2016年的典型海嘯事件進(jìn)行深入地分析。

表1 2010~2016年地震海嘯預(yù)警響應(yīng)頻次(中國海洋災(zāi)害公報(bào)2010~2016)

AF: 非洲板塊; AM: 阿默爾板塊; AN: 南極板塊; AR: 阿拉伯板塊; AU: 澳大利亞板塊; CA: 加勒比板塊; CO: 科庫斯板塊; EU: 歐亞板塊; IN: 印度板塊; NZ: 納斯卡板塊; NA: 北美板塊; OK: 鄂霍次克板塊; PA: 太平洋板塊; PS: 菲律賓板塊; SA: 南美板塊; SO: 索馬里板塊; SU: 巽他板塊; YA: 揚(yáng)子板塊

AF: plates of Africa; AM: plates of Amur; AN: plates of Antarctica; AR: plates of Arabia; AU: plates of Australia; CA: plates of Caribbean; CO: plates of Cocos; EU: plates of Eurasia; IN: plates of India; NZ: plates of Nazca; NA: plates of North America; OK: plates of Okhotsk; PA: plates of Pacific; PS: plates of Philippines; SA: plates of South America; SO: plates of Somalia; SU: plates of Sunda; YA: plates of Yangtze

1 研究方法

1.1 實(shí)測數(shù)據(jù)

DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis)是由美國太平洋海洋環(huán)境實(shí)驗(yàn)室(PMEL, Pacific Marine Environmental Laboratory)開發(fā)的一套用于全球海嘯監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)。原始的DART實(shí)測數(shù)據(jù)包括了15 s、1 min、15 min等不同的采樣頻率的數(shù)據(jù)。在一次海嘯事件中, 浮標(biāo)將從15 min一次的采樣頻率轉(zhuǎn)換為15 s一次的采樣頻率并持續(xù)一段事件, 隨后再次轉(zhuǎn)換為1 min一次的頻率直至事件結(jié)束。此外, 全球潮位站的實(shí)測數(shù)據(jù)以及我國近岸的潮位站可以提供海嘯到達(dá)近岸附近的實(shí)測數(shù)據(jù)。原始的水位數(shù)據(jù)中, 包含了潮位的水位波動(dòng)數(shù)據(jù)和海嘯波的水位波動(dòng)序列, 但由于二者頻率不同, 因此可以通過濾波方法將海嘯波分離出來, 得到海嘯波的實(shí)測波形時(shí)間序列。

1.2 數(shù)值模型

針對(duì)地震產(chǎn)生的海底地形形變, 采用彈性半空間位錯(cuò)理論Okada模型[10-11]。在各項(xiàng)同性的條件下, 根據(jù)彈性半空間位錯(cuò)理論, 某一矩形幾何面發(fā)生滑移引發(fā)地表某點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)所產(chǎn)生的位移, 與滑移面的滑動(dòng)量成正比。其中, 比例系數(shù)由滑移面的深度、傾角、幾何尺寸, 以及該點(diǎn)與滑移面的相對(duì)位置確定。

在得到海底地形初始形變之后, 再用水波模型模擬海嘯波的傳播特征。平面二維形式的非線性淺水波方程[18]如下:

(2)

(3)

其中,表示時(shí)間,()為總水深,()用來描述真實(shí)的地形,()和()分別表示和方向的垂向平均速度,表示重力加速度。和表示底摩擦項(xiàng):

表示曼寧系數(shù), 采用有限體積法對(duì)淺水方程進(jìn)行數(shù)值離散, 加入限制器(limiter)使得數(shù)值精度達(dá)到二階精度。

本文建立了基于Wei和Kirby[46]提出的完全非線性Boussinesq方程的海嘯傳播色散模型, 考慮了波浪的色散性、摩阻系數(shù)、邊界吸收、移動(dòng)海岸等附加特性。數(shù)值方法采取TVD(Total Variation Diminishing)有限體積方法, 對(duì)時(shí)間項(xiàng)采用四階強(qiáng)穩(wěn)定R-K(Runge-Kutta)方法[21]。該模式將方程進(jìn)一步擴(kuò)展, 可以根據(jù)需要改寫成為Nwogu[47]擴(kuò)展的Boussinesq方程、Peregrine[48]擴(kuò)展的Boussinesq方程、弱非線性色散模型、非線性淺水方程等。為了模擬淺水處拍岸浪的動(dòng)力過程, 帶有渦度粘性的動(dòng)力混合項(xiàng)加入方程中, 模擬波浪破碎引起的能量耗散。在球極坐標(biāo)下的弱非線性Boussinesq方程為

(5)

(6)

(8)

這里,表示總水深,r表示地球半徑, (u,v)表示經(jīng)度和緯度方程的垂向速度,表示自由水面高度,表示底摩擦系數(shù),和分別表示經(jīng)度方向和緯度方向,表示科氏力。這里取–0.39, 對(duì)應(yīng)。

該模型在模擬波浪淺化、破碎、波浪爬高以及近岸環(huán)流等方面均有較好表現(xiàn)。本文將基于淺水波方程和Boussinesq方程分別建立數(shù)值模型并針對(duì)海嘯傳播過程進(jìn)行研究。

2 2016年典型地震海嘯模擬研究

2.1 蘇門達(dá)臘7.8級(jí)地震海嘯

2016年3月2日12時(shí)49分48秒(UTC時(shí)間), 蘇門達(dá)臘附近海域發(fā)生了M=7.8級(jí)地震海嘯。震中位于94.2°E, 4.9°S, 距離蘇門達(dá)臘西海岸約800 km, 震源深度達(dá)到24 km。根據(jù)美國地質(zhì)勘探局(USGS, United States Geological Survey)的評(píng)估, 此次地震產(chǎn)生的地震矩達(dá)到6.0×1020N·m。震中距離印度-澳大利亞板塊和巽他板塊交界處約600 km。在該處, 印度-澳大利亞板塊每年以55 mm的速度向巽他板塊移動(dòng)。根據(jù)USGS提供的震源參數(shù), 此次地震屬于走滑型地震, 即斷層的上下盤沿著斷層面走向相對(duì)滑動(dòng), 且以水平運(yùn)動(dòng)為主。因此, 這種形式的板塊運(yùn)動(dòng)不易激發(fā)海嘯。2012年4月11日在蘇門達(dá)臘海域曾先后發(fā)生的8.6級(jí)和8.2級(jí)地震, 以及2000年6月18日的7.9級(jí)地震都屬于走滑型地震。2012年蘇門達(dá)臘8.6級(jí)地震, 在浮標(biāo)DART-56001、DART-23401, 和DART-23227監(jiān)測到的海嘯波的最大波幅分別為1、7和8 cm。而近岸潮位站分別監(jiān)測到了15 cm (Hanimadhoo)和40 cm(Sabang)的海嘯波動(dòng)。

根據(jù)DART深水浮標(biāo)監(jiān)測到的數(shù)據(jù), 此次地震引發(fā)的海嘯波幅在1 cm左右。本文結(jié)合了USGS和NOAA提供震源參數(shù), 震源參數(shù)為: 走向角96°, 傾角84°, 滑動(dòng)角–170°, 長度100 km, 寬度50 km, 滑移量3.0 m。根據(jù)Okada模型, 計(jì)算得到海底變形位移量, 進(jìn)一步利用淺水波模型模擬海嘯的傳播過程。圖2為數(shù)值模擬結(jié)果, 圖2a為最大波幅分布和走時(shí)圖(傳播時(shí)間)的等值線。由于震級(jí)較小以及板塊運(yùn)動(dòng)特性, 此次地震海嘯相對(duì)較弱, 但影響范圍依然較大, 海嘯波影響到了印度洋的大部分地區(qū), 北至孟加拉灣、東至澳大利亞、西到馬達(dá)加斯加島, 對(duì)阿拉伯海影響較小。海嘯在生成之后約3 h抵達(dá)印度東南沿海, 在4 h左右到達(dá)澳大利亞。圖2b圖是數(shù)值模擬與實(shí)測的海嘯波對(duì)比結(jié)果, 黑線表示實(shí)測結(jié)果, 紅線表示模擬結(jié)果。本文選取了4個(gè)浮標(biāo)分別為DART-56001 (109.944°E, 14.016°S)、DART-56003 (117.942°E, 15.023°S)、DART-23401 (88.537°E, 8.905°N),和DART-23227 (88.792°E, 6.255°N)。整體來看, 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)海嘯波的首波比較準(zhǔn)確。在地震初期, 4個(gè)深水浮標(biāo)處均發(fā)生由于地震引起的DART浮標(biāo)海底模塊的震動(dòng)而產(chǎn)生類似海嘯波動(dòng)的“假性海嘯”, 此處應(yīng)與真正的海嘯波相區(qū)分開。

2.2 厄瓜多爾7.8級(jí)地震海嘯

2016年4月16日23時(shí)58分48秒(UTC時(shí)間), 厄瓜多爾沿岸發(fā)生了M=7.8級(jí)地震。根據(jù)USGS測定的地震基本信息, 震中位于79.94°W, 0.37°N, 距離厄瓜多爾首都基多約170 km, 震源深度為20 km。此次地震產(chǎn)生的地震矩達(dá)到7.1×1020N·m。此次地震屬于淺源逆沖型, 在該處納斯卡板塊以每年61 mm的速度向南美洲板塊之下俯沖。這兩個(gè)板塊的相互作用也曾造成了1960年智利9.5級(jí)地震、2010年智利8.8級(jí)地震、2014年和2015年智利8.3級(jí)地震。

a: 最大波幅分布和走時(shí)圖等值線分布; b: 海嘯波實(shí)測與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

a: Distribution of the maximum tsunami wave amplitude and traveling time; b: Comparison of the tsunami wave series at DART locations between the measurement (black line) and numerical results (red line)

實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示, 距離震中較近的La Libertad站監(jiān)測到海嘯波的首波約為0.12 m, 最大波幅為0.24 m。附近的浮標(biāo)也捕獲到了輕微的海水波動(dòng)信息。本文根據(jù)USGS提供的震源參數(shù)(長度160 km, 寬度60 km, 走向角29°, 傾角15°, 滑移角123°), 基于Okada模型分別對(duì)均一板塊和多個(gè)單元板塊組成的有限斷層模型(Finite fault model, 240個(gè)單元板塊)反演得到的多板塊震源模擬得到地震激發(fā)的海底地形變化, 作為海嘯波傳播的初始條件。進(jìn)一步采用非線性淺水波模型模擬研究海嘯波的傳播演化特征。全場的地形和網(wǎng)格分辨率均為4 min, 近岸的地形和網(wǎng)格分辨率分別為0.5 min和0.25 min。

圖3為數(shù)值模擬結(jié)果, 其中圖3a為均一化震源模型計(jì)算得到的最大波幅分布和走時(shí)圖的等值線。此次地震海嘯主要對(duì)近場存在一定影響, 在厄瓜多爾附近海域, 包括巴拿馬、哥倫比亞、哥斯達(dá)黎加、尼加拉瓜等均產(chǎn)生一定影響, 但并沒有在近岸產(chǎn)生海嘯災(zāi)害。盡管海嘯波較小, 但對(duì)整個(gè)太平洋地區(qū)都有一定影響。太平洋水深比較均勻, 因此傳播時(shí)間均勻分布, 抵達(dá)中國沿海至少需要22 h。圖3b為數(shù)值模擬和監(jiān)測得到的海嘯波時(shí)間序列的比較圖, 圖中黑色線為實(shí)測值, 紅色線和綠色線分別為均一化震源模型和有限斷層多個(gè)單元板塊模擬的結(jié)果。兩個(gè)深水浮標(biāo)32411(90.850°W, 4.995°N)和32413(93.477°W, 7.393°S)監(jiān)測到海嘯的最大波幅均不足1 cm。模擬的結(jié)果和實(shí)測海嘯波在首波基本一致, 但后續(xù)的幾個(gè)波存在一定偏差。在距離震中最近的DART-32067 (81.262°W, 0.641°N), 多板塊震源可以模擬得到初始時(shí)刻達(dá)到5 cm的海嘯波。在近岸的La Libertad站(89.319°W, 13.4851°N), 受限于地形分辨率和震源機(jī)制解的影響, 兩種震源均可以模擬得到海嘯波首波, 但無法精細(xì)描述海嘯波在近岸的持續(xù)震蕩過程。在夏威夷附近的DART51407沒有監(jiān)測到海嘯波, 而此處的模擬結(jié)果顯示僅有1 mm的海水波動(dòng)。

a: 最大波幅分布和走時(shí)圖等值線; b: 海嘯波實(shí)測與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

a: Distribution of the maximum tsunami wave amplitude and traveling time; b: Comparison of the tsunami wave series at DART locations between the measurement (black line), numerical results of the uniform earthquake source (red line), and the finite fault model (green line)

2.3 新西蘭7.1級(jí)地震海嘯

2016年9月1日16時(shí)37分57秒(UTC時(shí)間), 新西蘭附近海域發(fā)生了M=7.1級(jí)地震。震中位于179.055°E, 37.401°S, 位于新西蘭的吉斯伯恩港東北部, 距離新西蘭約50 km, 震源深度為20 km。此次地震產(chǎn)生的地震矩為4.4×1019N·m。此次地震屬于淺源型地震, 主要是由于太平洋板塊和澳大利亞板塊相互作用而產(chǎn)生的。太平洋板塊以47 mm/a的速度向澳大利亞板塊之下俯沖, 使得這一區(qū)域發(fā)生6級(jí)以上地震超過28次, 包括了1995年2月一次7.1級(jí)地震。

新西蘭的兩個(gè)潮位站East Cape(178.159°E, 37.55°S)和Tauranga(176.18°E, 37.64°S)監(jiān)測到了海嘯波動(dòng), 最大波幅分別為23 cm和5 cm。采取USGS提供的震源參數(shù): 長度為60 km, 寬度為40 km, 震源深度19 km, 走向角351°, 傾角26°, 滑動(dòng)角–145°, 滑移量0.6 m。在震源附近選取了一個(gè)包含潮位站的小區(qū)域, 網(wǎng)格為0.5分, 采用非線性淺水方程進(jìn)行模擬。圖4a給出了在潮位站位置, 實(shí)測海嘯波與數(shù)值模擬結(jié)果的比較。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較吻合。盡管在East Cape監(jiān)測到的海嘯波周期約為30 min。但由于近岸的反射所造成的邊緣波及其俘獲效應(yīng), 海嘯在近岸的波動(dòng)持續(xù)了4個(gè)小時(shí)以上。

圖4b為淺水波方程模擬計(jì)算得到整個(gè)太平洋范圍的能量分布和傳播時(shí)間圖。此次地震震級(jí)相對(duì)較小, 影響的范圍也相對(duì)較小。但由于海底山脊的導(dǎo)向作用, 部分海嘯波也傳播到了南美洲和南極地區(qū)。震中位于南太平洋中部地區(qū), 海嘯傳播至太平洋西海岸和美洲大陸均需要13 h左右。本文針對(duì)此次海嘯事件, 建立了太平洋范圍內(nèi)的基于弱色散boussinesq方程模擬海底變形激發(fā)海水大范圍擾動(dòng)的傳播模型。圖4c為分別在考慮色散效應(yīng)和不考慮色散效應(yīng)時(shí)海嘯波引起的最大波幅的差異。盡管海嘯波相對(duì)較小, 但依然存在一定的色散效應(yīng), 與震源存在一定距離, 并沿海嘯的最大能量方向分布于東太平洋。

2.4 新西蘭7.8級(jí)地震海嘯

新西蘭再次于2016年11月13日11時(shí)02分59秒(UTC時(shí)間), 發(fā)生了M=7.8級(jí)地震。震中位于173.065°E, 42.725°S, 位于新西蘭南島的陸地上, 距離新西蘭最近的城市安伯利約56 km, 震源深度為22 km(USGS)。此次地震產(chǎn)生的地震矩為7.4×1020N·m, 屬于淺源型地震, 同樣是是由于太平洋板塊和澳大利亞板塊相互作用而產(chǎn)生的。

新西蘭的兩個(gè)潮位站Kaikoura(173.7028°E, 42.4129°S)和Wellington(174.78°E, 41.28°S)監(jiān)測到了最大波幅達(dá)到了233 cm和46 cm的海嘯波。采取的震源參數(shù)為: 長度為100 km, 寬度為50 km, 震源深度15 km, 走向角219°, 傾角38°, 滑動(dòng)角128°, 滑移量3.0 m。在震源附近選取了包含潮位站的小區(qū)域, 采用高精度網(wǎng)格和地形數(shù)據(jù), 以及非線性淺水方程進(jìn)行模擬。圖5a給出了在潮位站位置, 實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的比較。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較吻合。海嘯波在近岸周期約為30 min, 但由于近岸的邊緣波及其俘獲效應(yīng), 使得海嘯在近岸的波動(dòng)達(dá)到了4個(gè)小時(shí)。圖5b是海嘯波在太平洋傳播過程中的最大波幅分布和走時(shí)圖?？梢园l(fā)現(xiàn), 此次海嘯事件主要是對(duì)新西蘭南部200 km范圍以內(nèi)有明顯的影響, 但同時(shí)也對(duì)西南太平洋存在一定影響。根據(jù)海嘯傳播的走時(shí)圖, 海嘯約在14 h到達(dá)美洲, 18 h到達(dá)中國沿海。

2.5 所羅門群島7.8級(jí)地震海嘯

2016年12月8日17時(shí)38分46秒(UTC時(shí)間), 發(fā)生了M=7.8級(jí)地震。震中位于161.330°E, 10.676°S, 位于所羅門群島南部海底中, 距離所羅門的基拉基拉(Kirakira)約69.1 km, 震源深度為41.0 km (USGS)。此次地震產(chǎn)生的地震矩為6.4×1020N·m, 屬于淺源型地震。在震中位置, 澳大利亞板塊以每年96 mm的速度向太平洋板塊進(jìn)行俯沖。根據(jù)USGS的震源機(jī)制解表明破裂發(fā)生在傾斜的逆斷層上。

本文選取了接近震源的兩個(gè)海嘯浮標(biāo)55012 (158.453°E, 15.664°S)和55023(153.537°E, 14.715°S)。板塊長度為100 km, 寬度為50 km。采取USGS提供的震源參數(shù): 震源深度41 km, 走向角290°, 傾角44°, 滑動(dòng)角67°, 滑移量3.0 m。采用非線性淺水方程進(jìn)行模擬。圖6a給出了在浮標(biāo)位置, 實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的比較, 相對(duì)比較吻合。兩個(gè)浮標(biāo)監(jiān)測到的海嘯波均不超過5 cm, 相對(duì)較遠(yuǎn)的浮標(biāo)沒有監(jiān)測到明顯的海嘯。主要是由于震源位于所羅門群島南部, 受周邊地形的影響, 激發(fā)的海嘯難以對(duì)較遠(yuǎn)的區(qū)域產(chǎn)生較大的影響, 但影響范圍依然是整個(gè)太平洋區(qū)域。

3 討論

2016年全年針對(duì)地震事件的響應(yīng)頻次與往年持平, 沒有發(fā)生影響較大的地震海嘯, 但依然有五次可以監(jiān)測到明顯的水面波動(dòng), 并且對(duì)整個(gè)太平洋或者印度洋都產(chǎn)生了一定的影響。近十多年來, 先后發(fā)生了2004年印度洋9.2級(jí)海嘯、2010年智利8.8級(jí)地震海嘯、2011年日本9.0級(jí)地震海嘯、2014年8.2級(jí)和2015年8.3級(jí)智利地震海嘯, 尤其是極端地震海嘯均造成了不可忽視的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。因此, 對(duì)于極端特大地震海嘯的監(jiān)測預(yù)警必須保持高度關(guān)注。

對(duì)于一個(gè)典型的海嘯過程, 震源的機(jī)制對(duì)海嘯的傳播和災(zāi)害影響有重要影響。對(duì)于今年蘇門答臘7.8級(jí)地震, 震源機(jī)制屬于走滑型地震, 斷層運(yùn)動(dòng)以平移運(yùn)動(dòng)為主, 因而產(chǎn)生的海嘯波較小。盡管地震所引起的板塊運(yùn)動(dòng)及海底變形較為復(fù)雜, 利用反演得到多源有限斷層震源機(jī)制解可以對(duì)震源的復(fù)雜性進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述。準(zhǔn)確的復(fù)雜震源有助于計(jì)算得到更為精確的海嘯波動(dòng)[49]。但對(duì)于此次厄瓜多爾7.8級(jí)地震, 由于部分震源位于陸地上, 并且地形精度有限, 因此復(fù)雜高精度震源的優(yōu)勢并沒有很好的體現(xiàn)出來。而大部分海嘯事件所采用的均一化震源模型也可以計(jì)算得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。

a: 近岸測點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較; b: 最大波幅分布和走時(shí)圖等值線; c: 海嘯傳播過程中的色散效應(yīng)

a: Comparison of the tsunami wave series at coastal locations between the measurement and numerical results; b: Distribution of the maximum tsunami wave amplitude and traveling time; c: Difference of maximum amplitude between the shallow water equation and the Boussinesq equation

a: 近岸測點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較; b: 最大波幅分布和走時(shí)圖等值線

a: Comparison of the tsunami wave series at coastal locations between the measurement (black line) and numerical results (red line); b: Distribution of the maximum tsunami wave amplitude and traveling time

海嘯波在近岸和大洋的傳播過程中, 主要表現(xiàn)非線性和色散性[50-51]:

(10)

在公式10中色散性主要表現(xiàn)為頻散特性的積分效應(yīng), 它與波長、傳播距離和傳播水深相關(guān)。傳播距離越遠(yuǎn)、水深越大、或者波長越短, 色散性表現(xiàn)的越顯著。假設(shè)在常水深條件下(4 000 m), 海嘯傳播過程中波長不變(100 km), 在傳播距離為1 000 km和5 000 km時(shí)得到色散指數(shù)分別為0.096和0.48。而根據(jù)Glimsdal等[51]的結(jié)論, 而當(dāng)大于0.1時(shí), 色散性變得比較顯著。也就是說, 對(duì)于太平洋或印度洋平均水深接近4 000 m的深水范圍, 若初始波長為100 km時(shí), 當(dāng)海嘯的傳播距離達(dá)到1 000 km以上時(shí), 色散效應(yīng)逐漸表現(xiàn)出來, 與圖4c基本符合。這也與2011年日本地震海嘯所表現(xiàn)出的色散特性基本一致[21]。

a: 近岸測點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較; b: 最大波幅分布和走時(shí)圖等值線分布

a: Comparison of the tsunami wave series at coastal locations between the measurement (black line) and numerical results (red line); b: Distribution of the maximum tsunami wave amplitude and traveling time

此外, 對(duì)于考慮地球曲率的控制方程需要考慮科氏力項(xiàng)的影響。而海嘯在深水中的傳播過程中的能量主要通過波高表現(xiàn)為勢能, 而通過流場所表現(xiàn)的動(dòng)能相對(duì)極小, 因此科氏力對(duì)結(jié)果的影響也可以忽略[18]。海嘯在傳播過程中, 底摩擦也存在一定影響, 其量級(jí)為, 因此對(duì)在深水中傳播影響很小。但當(dāng)水深小于100 m, 以及海嘯波的爬高和淹沒過程中, 海底糙率對(duì)結(jié)果有較大的影響[52]。

4 結(jié)論

本文介紹了2016年全年針對(duì)地震海嘯的預(yù)警的總體情況, 建立了基于震源生成模型和基于淺水波方程及Boussinesq方程的海嘯傳播模型的數(shù)值模擬手段, 并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)詳細(xì)介紹了蘇門答臘7.8級(jí)地震海嘯、厄瓜多爾7.8級(jí)地震海嘯、新西蘭7.1級(jí)和7.8級(jí)地震海嘯, 和所羅門群島7.8級(jí)地震海嘯的近岸波動(dòng)規(guī)律與在大洋中的傳播特征。盡管2016年未發(fā)生類似311日本9.0級(jí)地震海嘯這樣極端性的海嘯事件, 也未發(fā)生8.0級(jí)以上的地震海嘯, 但7.8級(jí)的地震海嘯達(dá)到了4次, 總體數(shù)量偏多, 表明全球板塊的活躍性有一定加劇。從數(shù)值模擬結(jié)果和災(zāi)后調(diào)查來看, 這些海嘯普遍對(duì)近岸造成了一定的影響, 使民眾產(chǎn)生了恐慌情緒, 并對(duì)整個(gè)大洋產(chǎn)生了較大范圍的影響?？傮w而言, 地震海嘯作為一種傳播速度快、釋放能量高、影響范圍廣、物理機(jī)制復(fù)雜的極端海洋災(zāi)害, 需要保持持續(xù)地關(guān)注與深入地研究。

致謝: 感謝上海交通大學(xué)何友聲教授和加州理工學(xué)院吳耀祖教授(Theodore Yao-Tsu Wu)的鼓勵(lì)與支持。對(duì)上海交通大學(xué)劉樺教授和丹麥科技大學(xué)Per A. Madsen教授的指導(dǎo)和幫助表示衷心感謝。本文得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC1401500), 國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201405026), 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(1604)和留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目擇優(yōu)資助的支持。

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Monitoring, early warning and numerical study of global tsunamis in 2016

REN Zhi-yuan1, 2, YUAN Ye1, 2, 3, ZHAO Lian-da1, 2, 3, WANG Pei-tao1, 2, 3, HOU Jing-ming1, 2, 3, XU Zhi-guo1, 2, 3, GAO Yi1, 2, 3, LI Hong-wei1, 2, SHAN Di1, 2, WANG Jun-cheng1, 2, FAN Ting-ting1, 2, WANG Zong-chen1, 2

(1. National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081, China; 2. State Oceanic AdministrationTsunami Warning Center, Beijing 100081, China; 3. Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting, National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081, China)

This study reviewed global earthquake tsunami warnings in 2016, monitored by the National Marine Environmental Forecasting Center (National Tsunami Warning Center, SOA), and introduced the five typical tsunami events-basedon tsunami generation and propagation numerical models. We have responded from 45 submarine earthquakes, above a magnitude of 6.5 (M> 5.5 in the coastal region of China), and released 81 times of earthquake information in 2016. No tsunami affected Chinese Coasts. This study has focused on the Sumatran tsunami ofM7.8, the Ecuadorian tsunami ofM7.8, the New Zealand tsunamis ofM7.1 and 7.8, and the Solomon tsunami ofM7.8, and presented maximum tsunami wave distribution and wave fluctuation data based on refined numerical results and measurements. The numerical results could reproduce the tsunami scenarios and match the measured data well. Comparison between the uniform fault model and the finite fault model with the multi-plate for the Ecuadorian tsunami ofM7.8 is presented. The dispersion effect on tsunami propagation is discussed based on the simulation results of the New Zealand tsunami ofM7.1 with Boussinesq equation.

Tsunami; Tsunami early warning; numerical modeling; shallow water equation; Boussinesq equation

(本文編輯: 李曉燕)

Feb., 14, 2017

[The Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean, No. 201405026; the National Key Research and Development Plan, No. 2016YFC1401500; Opening fund of State Key Laboratory of Ocean Engineering, No. 1604; Technology Foundation for Selected Overseas Chinese Scholar]

O352

A

1000-3096(2017)06-0098-13

10.11759/hykx20170214002

2017-02-14;

2017-04-06

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC1401500); 國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201405026); 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(1604); 留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目擇優(yōu)資助

任智源(1986-), 男, 陜西西安人, 助理研究員, 博士, 研究方向?yàn)樗畡?dòng)力學(xué)和海岸工程, 電話: 010-82102752, E-mail: zhyren@foxmail.com