孫立寧，于福江，王培濤

（國家海洋環(huán)境預報中心（自然資源部海嘯預警中心）自然資源部海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081）

1 引言

海嘯作為一種突發(fā)性且破壞力極強的海洋災害，近年來受到廣泛關注。引發(fā)海嘯的因素包括海底地震、海底或海岸滑坡、火山噴發(fā)和小行星撞擊等，其中海底地震是引發(fā)海嘯的最主要因素，據(jù)統(tǒng)計90%以上的海嘯是由地震引起的[1-2]。歷史記載中的特大海嘯，例如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，都是由海底地震引發(fā)的海嘯。我國沿海處于亞歐板塊和太平洋板塊交界處，琉球群島、臺灣島和菲律賓群島一線是環(huán)太平洋地震帶的一部分，也是地震和海嘯多發(fā)地帶。我國東南沿海面臨著來自南海馬尼拉海溝、臺灣島周邊、琉球海溝的潛在局地海嘯的威脅，南海沿岸的風險尤其嚴重[3]。

海底滑坡是引發(fā)海嘯的又一主要因素。從20世紀90 年代得到的太平洋海域地震震級與海嘯強度的記錄中發(fā)現(xiàn)，在所有的海嘯事件中，30%左右的海嘯與海底滑坡等海底沉積物運動有關[4]。20世紀90年代以來，一系列的滑坡海嘯事件使人們將更多的關注投入到了滑坡海嘯的安全問題上。1992年印度尼西亞佛羅里斯島海域發(fā)生地震，在距離地震中心位置很遠的一個小村莊出現(xiàn)了高達26 m 的大海嘯，海嘯完全摧毀了該村莊的建筑并造成122人死亡。根據(jù)災后進行的研究，此次海嘯很有可能是由地震引起的海底滑坡導致的[5]。1994年菲律賓民都洛島發(fā)生地震并引發(fā)海嘯，事后有學者提出此次海嘯的產生很可能也與地震過程中發(fā)生的海底滑坡有關[6]。雖然當時學者提出了一些海底滑坡引發(fā)海嘯的觀點，但都沒有引起足夠的重視，直到1998年巴布亞新幾內亞海嘯事件發(fā)生。在經過7級地震的短暫襲擊之后，10 m 高的海嘯波在巴布亞新幾內亞沿岸登陸，橫掃3個村莊并造成超過2 200人死亡。事后的實地野外觀測發(fā)現(xiàn)，此次海嘯波高遠高于正常水平，海嘯波到達時間也有所延遲，這些觀測事實都指向了此次海嘯事件很可能是地震及其引發(fā)的海底滑坡共同作用的結果。在這之后，巴布亞新幾內亞海嘯的引發(fā)機制被廣泛地研究和討論。眾多學者的理論研究和對海嘯區(qū)域的海底影像圖分析證明，此次海嘯事件確實受到了海底滑坡的影響[7-12]。與此同時，關于歷史上海嘯波形存在異常的海嘯事件是否也受到了滑坡影響的討論也逐漸增多，滑坡海嘯逐漸引起人們的重視。

隨著各國科研工作者對滑坡海嘯的重視程度不斷提高，滑坡海嘯的研究在近年來涌現(xiàn)出很多新成果。Watts 等[13]基于滑坡海嘯理論建立了用于模擬海嘯波生成和傳播的Geowave 模式，并利用該模式成功模擬了1946年阿拉斯加海底滑坡海嘯、1994年阿拉斯加近岸滑坡海嘯，以及1998年巴布亞新幾內亞海嘯。Enet等[14]對滑坡海嘯進行了室內實驗室模擬，將滑坡體從不同的初始深度進行滑坡實驗，并采集波高、爬高和滑坡加速度等數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)海嘯波具有較強的頻散性和定向性，海嘯爬高的高度與滑坡體的初始深度相對應。在國內，胡濤駿等[15]將滑坡海嘯強度預測模型與海底邊坡穩(wěn)定性分析相結合，提出了定性分析與海嘯強度計算相結合預測滑坡海嘯的方法，并采用該方法計算了岙山原油碼頭滑坡區(qū)的滑坡海嘯強度。結果表明：若該地區(qū)發(fā)生滑坡將會產生2～3 m 的海嘯波。任智源等[16]基于Herschel-Bulkley 流變理論建立了表征粘塑性泥石流滑坡過程的數(shù)值模型，通過求解耦合滑坡過程的非線性淺水波方程，發(fā)展可用于模擬海底滑坡激發(fā)海嘯的生成、傳播和近岸爬高過程的數(shù)值模型，并利用該模型計算了南海北部白云滑坡海嘯和南海南部文萊特大型滑坡海嘯，綜合分析了南海潛在滑坡海嘯對近岸的影響特征。

南海白云凹陷區(qū)域在地形上存在較大的坡度，并發(fā)育有大面積的滑坡體，是南?？赡馨l(fā)生海底滑坡且存在較高風險的區(qū)域[17]。為了評估白云凹陷地區(qū)發(fā)生滑坡海嘯的風險性，本文對該區(qū)域進行了滑坡海嘯的數(shù)值模擬實驗，并對海嘯特征進行分析。根據(jù)數(shù)值模擬和分析的結果，對南海北部白云凹陷區(qū)域滑坡海嘯的風險性進行評估。

2 數(shù)值模型

本文采用Geowave 數(shù)值模式對南海白云凹陷區(qū)域滑坡海嘯進行模擬。Geowave 模式由Watts等[13]開發(fā)，并成功模擬了1946 年阿拉斯加海底滑坡海嘯、1994年阿拉斯加近岸滑坡海嘯以及1998年巴布亞新幾內亞海嘯的海嘯初始場，證明該模式具有良好的模擬海嘯的能力。Geowave模式分為兩個模塊，即海嘯的生成模塊和傳播模塊。

海嘯生成模塊稱為TOPICS（Tsunami Open and Progressive Initial Conditions System）。TOPICS 模塊可以對多種海嘯源導致的海嘯初始水位場進行計算，包括地震海嘯、海底平移滑坡海嘯、海底旋轉滑坡海嘯、近岸碎屑流海嘯和火山碎屑流海嘯等。本文將對TOPICS 模塊中平移滑坡和旋轉滑坡生成海嘯初始場的數(shù)值模型進行介紹。

平移滑坡（Translational Slide）和旋轉滑坡（Rotational Slump）都是指發(fā)生在海底的滑坡現(xiàn)象。Watts 等[4,13]對這兩種滑坡的特點進行了分析，并建立了平移滑坡和旋轉滑坡導致海嘯發(fā)生的數(shù)值模型。如圖1 所示，以半橢圓體代表滑坡體的形狀，θ為滑坡傾角，b為滑坡沿傾斜面的長度，T為滑坡體中心厚度，d為滑坡體中心處水深，s(t)代表滑坡體質心隨時間的移動距離。通常情況下，平移滑坡體的中心厚度與長度比T/b小于旋轉滑坡。

圖1 平移滑坡和旋轉滑坡示意圖

平移滑坡模型假設一個剛性半橢圓體沿著斜面平移滑下。假設滑坡體密度γ?1.85 g/cm3，庫侖摩擦力系數(shù)Cn?0，附加質量系數(shù)Cm?1，阻力系數(shù)Cd?1。則平移滑坡體的運動方程可以描述為：

式中：a0為滑坡體的初始加速度；ut為滑坡體自由滑動的終端速度；s0為滑坡體質心移動的特征距離；t0為滑坡體移動的特征時間。根據(jù)Grilli 等[18]建立的海嘯源生成模型，可以計算出海嘯波的特征波長λ0和波幅η2d分別為：

η2d?0.213 9T(1 - 0.745 8sinθ+ 0.170 4sin2θ)

旋轉滑坡模型同樣假設滑坡體為一個剛性半橢圓體，但其運動方式非平移滑下，而是沿著圓弧形的斷層面旋轉滑動。假設其滑坡體滑動的曲率半徑為R，滑動角度為Δφ，相關系數(shù)的設定與平移滑坡相同，則旋轉滑坡的運動方程可以描述為：

式中：umax為滑坡體運動過程中的最大速度，在t= πt0/2 時達到速度最大值。同樣，根據(jù)Grilli 等[18]建立的海嘯源模型，可以計算得到海嘯波的特征波長λ0和波幅η2d分別為：

Geowave數(shù)值模型的海嘯傳播模塊能夠使用完全非線性Boussinesq近似方程組模擬計算海嘯波的傳播情況。Boussinesq 近似將線性長波理論擴展到非線性和頻散區(qū)域，傳播模型是完全非線性的，能夠模擬不限于長波的各種波長。采用笛卡爾坐標系統(tǒng)，x軸和y軸位于靜止水平面，z軸以垂直向上為正方向，完全非線性Boussinesq 方程組表達式[19-20]為：

式中：

上述方程中：ua=(ua,va)為在za處的水質點水平速度，ua、va分別為x和y方向的水平速度分量；η為自由波面；h為水深；g為重力加速度；uat代表變量ua對時間t的一階導數(shù)；?=()表示水平方向的梯度向量。

3 模擬情景與模式參數(shù)設置

白云凹陷位于南海北部大陸邊緣深水區(qū)，構造上屬于珠江口盆地，整體走向近EW向。水深為200～2 000 m（大部分為500～1 500 m），面積約2.5×104km2，是珠江口盆地面積最大、沉積厚度最厚的凹陷[17,21]。白云凹陷區(qū)域海底滑坡數(shù)值模擬的范圍為112°～117°E，18.5°～23.5°N（見圖2）。模式采用的地形水深數(shù)據(jù)為美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提 供 的SRTM15_PLUS 全球地形起伏數(shù)據(jù)，空間分辨率為15″（約460 m）。模式設置的時間步長為0.6 s，模擬時間為10 h。滑坡體大小和坡度等參數(shù)的選定參考了前人對白云凹陷區(qū)域海底滑坡的一系列研究[17,21-24]，具體參數(shù)見表1。

圖2 研究區(qū)域水深及站點分布圖（★為滑坡源位置）

表1 滑坡海嘯源參數(shù)

4 模擬結果及分析

4.1 海嘯初始水位場

從海底滑坡導致產生的海嘯初始水位場可以看到（見圖3），相比滑坡發(fā)生的位置，海嘯初始場的中心位置沿滑坡方向移動了100 km 左右。沿海底滑坡運動的方向，前端為增水場，最大增水為4.16 m，末端為減水場，最大減水為15.69 m。這說明滑坡海嘯初始場的水位起伏分布與海底滑坡的運動方向相一致。

4.2 海嘯傳播過程

圖3 海底滑坡引起的初始水位場

根據(jù)海嘯波的到達時間（見圖4）可知，在滑坡發(fā)生后，海嘯波最快到達近岸的時間為3～4 h，到達的區(qū)域有臺山市上川島南部、珠海市荷包島南部以及香港和汕尾的最南部區(qū)域；4 h時海嘯波基本完全到達南海北部近岸區(qū)域；4～8 h 海嘯波由珠江口外海進入珠江口內部區(qū)域。從海嘯波到達時間來看，在觀測到滑坡海嘯發(fā)生的前提下，近岸區(qū)域有相對充足的時間對海嘯作出響應。因此，加強該區(qū)域的海嘯波觀測，可以在滑坡海嘯發(fā)生時有效地減少近岸地區(qū)的人員和財產損失。

圖4 海嘯波到達時間

圖5 給出了滑坡海嘯發(fā)生后20 min、30 min、40 min 和50 min 時的海嘯波幅情況。從20 min 和30 min時的傳播圖像中可以看到相間分布的黃色波紋（見圖5a、b），這是由于海嘯波在傳播過程中因不同的速度分離開而導致的。這種現(xiàn)象表明，與海底地震引發(fā)的海嘯不同，滑坡海嘯引發(fā)的海嘯波具有較強的頻散性。從20 min、30 min、40 min 時的圖像中可以看到（見圖5a—c），海嘯波在30～40 min 內在西北方向的傳播速度和20～30 min 相比明顯變慢。這是由于海底地形在該處有較大的梯度，海嘯波傳播過程中水深迅速減小，導致海嘯波傳播速度變慢。相應的，海嘯波在40 min 時最大波幅比30 min 時有所增加（白色區(qū)域代表波幅大于4 m）。這也說明海嘯波在由深海傳播到淺海時，由于地形變化、水深減小，導致前端海嘯波傳播速度減慢，后續(xù)海嘯波趕上前端海嘯波時，會使得海嘯波首波波高繼續(xù)增加，在到達近岸時具有更大的波幅。

4.3 海嘯波形特征分析

圖5 滑坡海嘯傳播過程

在數(shù)值模擬實驗中，本文設計了編號為1—9的近岸站點和編號為10—13的深水站點（見圖2）。在相應的站點處輸出海嘯波的波幅值，進而可以觀察滑坡海嘯波在近岸和深水處的波幅和波形特征。

海嘯波在深水站點處的波形中（見圖6），10 號站點處的最大波幅值最小，為3.3 m 左右，11 號站點處最大波幅值最大，接近10 m。在海嘯首波經過后，相應站點的海嘯波幅迅速減小，這說明海嘯波在深水區(qū)域主要由海嘯首波造成威脅，首波經過后后續(xù)波動幅度明顯減弱。需要注意的是，在南海水深迅速變化的區(qū)域，海嘯首波可能會在水深變化的影響下波高迅速增加，最大波幅可能達到10 m 左右，對經過的船只和石油鉆井平臺等海上工程設施造成嚴重的災害性影響。

圖6 深水站點海嘯波形圖

海嘯波在近岸淺水區(qū)域的波形如圖7所示。其中1號、2號站點分別對應陽江市、澳門的南部海域，對應的海嘯波最大波高為1.8 m、1.5 m左右。1號站點位于相對開闊海域，其海嘯波形與深海站點相似，即首波波幅較大、后續(xù)波動迅速減小。2 號站點在周圍島嶼的作用下海嘯波發(fā)生反射，因此首波之后的波動幅度明顯大于1 號站點。3 號站點對應珠江口內區(qū)域，最大波高為0.3 m 左右，說明珠江口內海域在外圍地形的阻擋作用下，受到海嘯的影響相對較小。4 號、5 號站點對應香港南部海域，兩者相比，4 號站點在外圍島嶼的阻擋作用下，最大波高值只有0.5 m 左右；5 號站點海域相對開闊，最大波高約1.6 m。6號、7號、8號站點分別對應大亞灣、紅海灣、碣石灣內部，最大波高分別為0.5 m、1 m、1.2 m；在地形的影響下，位于海灣內的這3 個站點均呈現(xiàn)出波動持續(xù)時間長、波動衰減弱的特征；海嘯首波之后的波動量級與首波相近，都出現(xiàn)后續(xù)波幅大于首波波幅的情況。9 號站點對應汕頭市南部開闊海域，最大波高為1.5 m。

圖7 近岸站點海嘯波形圖

為了進一步研究海嘯波的時頻特征，本文對近岸和深水站點輸出的海嘯波進行了小波分析。從深水站點的小波分析中可以看到（見圖8），海嘯波的能量主要集中在首波，后續(xù)波動的能量較小，這也和觀察海嘯波形得到的結論相一致。海嘯波在深水區(qū)域的主要周期為30 min 左右，與常見的地震海嘯相比，滑坡海嘯產生的海嘯波的主要能量周期更小。淺水站點海嘯波小波分析情況如圖9 所示。與深水區(qū)域相比，總體上近岸區(qū)域海嘯波的能量可以持續(xù)更長時間，其中位于開闊外部無遮擋的近岸站點（1 號、5 號、9 號站點）的海嘯波，其主要能量周期與深水區(qū)域海嘯波的主要能量周期非常相似，都位于30 min 左右，并且主要能量集中在單個峰值區(qū)間內；2號、4號站點受到外圍島嶼的阻擋作用，其海嘯波的主要能量周期相對變大，長周期波動的能量維持的時間更長，能量集中在多個峰值區(qū)間內；3 號站點位于珠江口內部，受地形影響，其主要能量周期為64 min，遠大于深水站點的主要能量周期，且其海嘯波能量在河口內部維持了相當長的時間；6 號、7 號、8 號站點位于海灣內部，其主要能量周期與深水站點海嘯波相同，都為30 min 左右，但受到海灣地形影響，近岸灣內站點具有明顯的多峰值結構，能量的持續(xù)時間也更長。

圖8 深水站點小波能量譜和小波全譜

總體看來，在深水站點，海嘯波的能量主要集中在首波，其波高最高接近10 m。首波經過后，海嘯的能量迅速衰減、波幅減小。海嘯波的主要能量周期在30 min 左右，相比于地震引起的海嘯波，滑坡海嘯的海嘯波主要能量周期更短。在近岸站點，海嘯波更容易受到地形影響，與深水區(qū)域相比有較大的差異。具體表現(xiàn)為：在相對開闊海域，海嘯波形特征與深水站點相似，能量主要集中在首波，首波到達之后波幅迅速衰減；外圍島嶼可以有效地阻擋海嘯的傳播，減小海嘯波幅；海嘯波在島嶼作用下產生反射，在海灣地形作用下產生反射和共振，延長了海嘯波在地形內的持續(xù)時間，對后續(xù)波幅有一定的“放大”效應。根據(jù)王崗等[25]關于港灣共振的研究，珠江口海域大亞灣、大鵬灣和汕尾等港灣均發(fā)生過共振現(xiàn)象，需要引起足夠的重視。

5 南海北部沿岸滑坡海嘯危險性分析

從模擬得到的海嘯最大波幅分布情況可以看到（見圖10），白云凹陷區(qū)域海底滑坡發(fā)生后，整個南海北部都將受到海嘯的影響，其中南海深水區(qū)域海嘯波的最大波幅可以達到6 m 以上，如此大幅度的波動將對海上航行的船只和工程建筑產生很大的威脅。圖11給出了海嘯最大波幅在近岸的分布。圖中可以看到，在近岸區(qū)域，海嘯波幅最大區(qū)域為汕尾市和汕頭市之間的近岸區(qū)域，最大波幅達到3 m以上；香港、深圳市近岸海域的最大波幅接近2 m；澳門、珠海市近岸海域最大波幅接近1 m。其他近岸區(qū)域同樣分布著0.3～3 m 以上不等的最大海嘯波幅。根據(jù)自然資源部海嘯預警中心現(xiàn)有的的《海嘯災害應急預案》對海嘯警報的分級標準（見表2），此次滑坡引起的海嘯將在整個南海北部達到至少三級警報標準，部分區(qū)域達到二級警報標準，汕頭和汕尾市部分區(qū)域將達到一級警報標準。此次海嘯事件一旦發(fā)生，將對沿海城市造成極大的生命和財產安全的威脅。

表2 海嘯警報分級標準

6 結論

本文選取了南海北部白云凹陷區(qū)域作為潛在的滑坡海嘯源進行研究。首先參考前人對該區(qū)域的地形及滑坡體特點的研究給出了滑坡海嘯源參數(shù)，然后使用Geowave 模式對滑坡海嘯進行數(shù)值模擬?；谀M結果，對海嘯的到達時間、最大波高分布及波形特征等要素進行了分析，較全面地評估了白云凹陷區(qū)域發(fā)生滑坡海嘯后對南海北部地區(qū)造成災害的危險性。具體結論如下：

圖9 近岸站點小波能量譜和小波全譜

圖10 最大波幅分布

圖11 海嘯最大波幅近岸分布

（1）滑坡發(fā)生后，海嘯波最快將在3～4 h 內到達南海近岸區(qū)域，4 h后海嘯波基本上完全到達南海北部近岸區(qū)域，4～8 h 內海嘯波由珠江口外海進入到珠江口內部區(qū)域。從海嘯波到達時間來看，在觀測到滑坡海嘯發(fā)生的前提下，近岸區(qū)域有一定的時間對海嘯事件作出響應。

（2）相比于地震海嘯，滑坡海嘯波在傳播過程中具有更強的頻散性；海嘯波在傳播過程中，受南海海底地形及水深的影響，導致傳播速度減慢，海嘯能量在單位空間內聚集，波高增加。

（3）海嘯在深水區(qū)域的最大波幅可達6 m 以上，對海上航行的船只和工程建筑產生很大威脅；在近岸區(qū)域海嘯最大波幅最小為0.3 m 左右，最大可達3 m，海嘯在香港、深圳市和汕尾市等近岸區(qū)域可能造成較大的破壞，需要引起重視。

（4）通過對滑坡海嘯波的波形特征進行分析發(fā)現(xiàn)，在深水區(qū)域，海嘯波能量主要集中在首波，首波波高最大接近10 m；首波過后能量迅速衰減、波幅減?。幌啾扔诘卣鸷[，滑坡海嘯波的主要能量周期更小。在近岸站點，海嘯波受到地形影響，南海外圍島嶼能有效阻擋海嘯波，使島嶼背后的近岸區(qū)域海嘯波幅大幅減小；在河口、海灣等區(qū)域，特殊的地形會改變海嘯波的波形特征，有可能引起海嘯波在對應區(qū)域的共振現(xiàn)象，造成海嘯波持續(xù)震蕩。