中國的海嘯災害危險性及海嘯預警系統
——解讀2011年太平洋海嘯演習

王培濤，趙聯大,，侯京明，范婷婷，高義

（1.國家海洋環境預報中心,北京100081；2.國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081）

中國的海嘯災害危險性及海嘯預警系統
——解讀2011年太平洋海嘯演習

王培濤1，趙聯大1,2，侯京明1，范婷婷1，高義2

（1.國家海洋環境預報中心,北京100081；2.國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081）

新世紀以來頻發的海嘯災害引起了國際社會的廣泛關注，各濱海國家不僅加大了在海嘯預警建設和海嘯災害危險性、海嘯基礎理論研究方面的投入，更進一步加強了國際社會在應對海嘯災害方面交流與合作。為測試太平洋各國海嘯預警系統的有效性以及政府職能部門的應急管理能力，切實提高各國區域和局地海嘯的應對水平，促進國家和地區間海嘯預警的交流與合作，聯合國教科文組織政府間海洋學委員會（IOC/UNESCO）決定2011年11月9—10日，在整個太平洋地區舉行一次代號為“Exercise Pacific Wave 11”的海嘯演習。此次演習恰逢日本“3.11”大地震海嘯發生后的8個月，通過本次演習對督促太平洋各國進一步檢驗本國的海嘯預警系統、評估本國的海嘯危險性均有著重要的意義。中國作為IOC和太平洋海嘯預警系統的成員國，積極組織實施了我國歷史上第一次涉及當地人員疏散的海嘯演習。本文將在本次演習所涉及的海嘯源評估、海嘯數值計算的基礎上，應用新的海嘯災害分級標準對我國沿海的海嘯危險性和海嘯預警系統進行重新評估分析，期望本文的研究將為今后的海嘯預警及海嘯災害評估工作提供科學的決策依據標準。

海嘯危險性；預警系統；太平洋海嘯演習；數值計算

1 引言

20世紀以來，全球共發生海嘯事件524次，其中有70次引發海嘯災難，特別是進入新世紀的12年間，全球共發生災難性海嘯事件11次（Natural Hazards Database of NGDC/NOAA），平均每年一次，遠遠高于上世紀6年一次的平均水平[1],海嘯防災減災形勢日趨嚴峻。在上述海嘯事件中，86%是由地震事件引發，5%是由火山活動引起的，4%是由海底滑坡產生的，5%由這些原因的綜合過程引起的[2],因此海嘯通常又被稱為“地震海嘯”。海嘯的能量大約為1021—1024爾格，一般為引發其地震能量的0.005%—10%。地震海嘯的激發與海水深度、地震強度、震源機制和震源深度等密切相關[3-4]，而海嘯災害的強弱不僅與激發因素有關，還與海底地形及海岸線的幾何形狀等因素有關。

由于歷史上的災害性海嘯多發生在太平洋沿岸，因此早期國際社會建立的海嘯預警機構多集中于此。如果說海嘯預警機構的雛形源于1948年美國夏威夷建立的“地震海波警報系統”。那么此后的1960年的智利大海嘯和1964年的阿拉斯加大海嘯將把該預警機構逐步推向國際社會，擴展到太平洋沿岸國家。1996年政府間海洋學委員會，為了更好地組織協調太平洋沿岸各國海嘯信息共享和技術交流又成立了“太平洋海嘯警報系統協調組（ICG/ITSU）”，該組織于2005年更名為“太平洋海嘯警報系統（ICG/PTWS）”。2004年印度洋大海嘯之后，聯合國教科文組織政府間海洋學委員會考慮建立新的海嘯預警機制框架，即全球—區域—次區域—國家四級海嘯預警系統。由原來僅有的太平洋海嘯預警系統區域，擴展到印度洋、地中海和加勒比海地區，建立覆蓋全球的海嘯預警系統[5]。全球范圍內針對海嘯單一災種的國際間預警與減災交流合作就此拉開序幕。

2 太平洋海嘯演習背景及意義

太平洋海嘯演習始于2006年，共進行了過兩次，主要檢驗太平洋海嘯預警系統及太平洋國家政府及海嘯預警中心的應急反應處置及預警預報能力。此次演習是繼2006年和2008年之后，海委會在泛太平洋區域發起的又一次大規模的跨國海嘯演習。演習的主要目的是檢驗太平洋海嘯預警系統（PTWS）的海嘯信息分發能力，以及各參演國家的海嘯災害預警系統運行狀況和政府應急處置能力，太平洋海嘯警報中心還將首次嘗試發布最新研制的定量化海嘯預報產品。與前兩次不同是此次演習針對的海嘯類型為局地海嘯和區域海嘯[6-7]，IOC/UNESCO共在智利北部、厄瓜多爾、中美洲、阿留申群島、湯加群島、瓦努阿圖、堪察加群島、琉球海溝、菲律賓海溝和馬尼拉海溝等地的附近海域設置了10個假想海嘯源（見圖1），11月9—10日，這10個地點將陸續發生9.0級地震，太平洋海嘯預警中心（PTWC）、西海岸/阿拉斯加海嘯警報中心（WC/ATWC）和西北太平洋海嘯咨詢中心（NWPTAC）將分別向太平洋沿岸各國發布海嘯信息。參演各國在接到上述機構發布的海嘯警報后，根據各國事先制定的演習方案開展應急響應工作。此次演習恰逢日本“3.11”地震海嘯發生后8個月，通過此次演習對于督促太平洋各國進一步檢驗各自的海嘯預警系統的有效性、評估各國的海嘯危險性，有著重要的意義。

圖1 2011年太平洋海嘯演習假想海嘯源分布（震級均為9.0Mw）

特別值得一提的是，2006年泛太平洋海嘯演習的目的是測試太平洋沿海國家海嘯預警系統應對越洋海嘯的反應能力，海嘯源設在智利中部（假設震級Mw=9.2）以及馬尼拉海溝南段（假設震級Mw=8.8）。2008年泛太平洋海嘯演習的目的是測試國家海嘯預警輔助決策支持系統的有效性，海嘯源設在日本東北部近海（假設震級Mw=9.2）。非常不幸的是在2007—2012年間上述三個位置附近均發生了強烈地震并引發了海嘯[8-9]（見圖2）。海嘯演習中海嘯源的設定是根據該地區的地質構造環境、斷層發育狀況、歷史地震發生規律綜合判定，具有可靠的科學理論和基礎數據支持，所以各國無論從海嘯預警與減災、海嘯應急處置、海嘯應急疏散演練、國際協同合作、宣傳教育等方面考慮，都應該積極參加海嘯演習的各個環節，以應對未來的海嘯災害。

圖2 歷次海嘯演習假想海嘯源分布與真實地震分布

3 演習海嘯源選擇及數值評估計算

3.1 海嘯源選擇

我國作為PTWS成員國，承諾參與本次代號為“Exercise Pacific Wave 11”的海嘯演習，考慮此次演習的目的及越洋海嘯對中國的影響[10]，經綜合分析確定10個演習海嘯源中對我國威脅最大的是馬尼拉海溝、琉球海溝的兩個，將其作為本次海嘯演習的海嘯源進行數值模擬評估，各地方省市海洋部門可針對自己的實際情況組織開展海嘯預警和應急避險工作。具體做法是：2011年11月10日08時30分（北京時），在菲律賓以西海域（16.2°N,119.3°E）或者琉球海溝以南（28.0°N，129°E）發生9.0級海底地震（見表1），并引發特大海嘯。

表1 “Exercise Pacific Wave 11”海嘯源參數

3.2 海嘯源數值評估計算

3.2.1 模型介紹

本文選用美國Cornell大學開發COMCOT（Cornell Multi-grid Coupled Tsunami Model）海嘯模型作為研究模型。該模型采用的是基于多層網格嵌套的有限差分法。針對海嘯波的不同物理特性，模型可以靈活配置所需的坐標系（直角/球面）和控制方程類型（線性/非線性）[11-15]。本文中深水模塊采用球坐標系下線性方程：

淺水模塊采用球坐標系下非線性方程：

式中η為相對于平均海平面的自由表面位移；φ為緯度；Ψ為經度；R為地球半徑；h為凈水深，H=h+η為總水深；P為沿經度單位寬度的通量；Q為沿緯度單位寬度的通量；f為科氏力系數；g為重力加速度。fx，fy分別為經度和緯度方向的底摩擦力。

模型采用交錯顯示蛙跳格式求解長波方程。波高η及流通量P，Q在時間和空間上都是交錯進行的，波高及水深定義在網格中心，體積通量定義在網格邊的中點，因此波高及體積通量的計算是在不同的時間步長上，利用物理量在空間上的交錯方式來計算，可以增加數值的穩定性。采用蛙跳格式可以利用差分方程的數值頻散近似代替波在淺水中傳播所帶來的物理頻散。

3.2.2 評估計算

利用上述海嘯數值預報模型對琉球海槽和馬尼拉海溝的兩個海嘯源進行了評估計算。琉球海溝海嘯最大波幅分布為：江蘇南部5—8 m，上海4—7 m，浙江3—6 m，福建北部2—4 m，廣東珠江口以東1—2 m；海嘯波4.5 h到達浙江南部、福建北部；5 h到達浙江北部、廣東東部、6—8 h到達寧波、上海沿岸，9—12 h到達江蘇中南部（見圖3）。

圖3a 琉球海溝海嘯源最大海嘯波幅分布及海嘯波傳播時間圖

圖3b 琉球海溝海嘯源地震海嘯在東部沿海各代表站海嘯波序列

馬尼拉海溝最大海嘯波幅分布：海嘯波將于1—15 h內先后到達我國臺灣、海南、廣東、香港、澳門、福建、廣西、浙江、上海、江蘇沿海。受其影響，上述地區沿岸將先后出現1—10 m的海嘯波。其中江蘇省南部沿岸海嘯波高0.5—1.0 m；上海市沿岸0.5—1.2 m；浙江省北部沿岸0.5—1.5 m，南部沿岸1.5—3.0 m；福建省北部沿岸1.0—2.8 m，南部沿岸2.5—5.0 m；廣東省珠江口以東沿岸3.0—9.0 m，珠江口沿岸2.5—8.0 m，珠江口以西至雷州半島沿岸2.5—7.5m；海南省東北部沿岸2.0—6.0m，南部沿岸1.5—5.0 m，西部沿岸1.0—2.0 m；廣西自治區沿岸0.5—1.0 m；香港沿岸2.0—7.0 m；澳門沿岸3.0—8.0 m；臺灣東南部沿岸1.5—3.5 m（見圖4）。

圖4a 馬尼拉海溝海嘯源最大海嘯波幅分布及海嘯波傳播時間圖

圖4b 琉球海溝海嘯源地震海嘯在南部沿海各代表站海嘯波序列

4 通過海嘯演習解讀中國的海嘯災害危險性及海嘯預警系統

4.1 中國的海嘯災害危險性

以往的有關中國海嘯危險性的研究成果中不乏一些定性結論[1,16-17]，最近幾年一些學者利用數值模式對中國部分海區的海嘯危險性進行了討論[8-10,18-20]，得出一些量化結果。在上述研究成果中均認為馬尼拉海溝或者琉球海槽的地震海嘯源對我國沿海具有較大威脅，應給于特別關注。盡管如此，尚未見對中國沿海海嘯危險性按照統一標準進行的等級劃分成果，本文針對上述兩個海嘯源試圖通過統一的等級劃分標準對中國沿海海嘯危險性進行重新定位與認識。海嘯分級標準采用PTWC最新推薦的四級標準，具體步驟是：首先計算出每個海嘯源在中國沿海所有縣/市級行政單元內引發的最大海嘯波幅，通過空間分析法將其最大波幅擴展到每個縣/市級行政單元的海岸線上，從而得出我國沿海海嘯危險性等級分布（見圖5）。

圖5 假想海嘯源地震海嘯危險性等級分布圖（圖中等值線為海嘯傳播時間：1h間隔）

從上圖可以清楚的看出：琉球海槽海嘯源對中國東部沿海特別是長江口、杭州灣、浙江中南部均構成嚴重威脅；同樣，馬尼拉海溝海嘯源對中國南部沿海地區，特別是福建南部、臺灣南部、廣東沿海、香港、澳門及海南東部均具有最高等級威脅。

表2 太平洋海嘯警報中心（PTWC）最新的分級標準

4.2 中國的海嘯預警系統

目前，由于地震的不可預報性，海嘯的預報就更為艱難，只能在地震發生后迅速做出海嘯預警。目前所有的海嘯預警系統設計原則都是利用地震波、海嘯波到達近岸時的時間差，進而進行海嘯預警，所以留給海嘯預警的時間非常短，特別是區域海嘯和局地海嘯，預警難度就更大。2004年的印度洋海嘯是人類的噩夢，同時也給人類敲響了警鐘。一個有效的海嘯預警系統對一個地區應對海嘯這種極端災害是至關重要的。正是基于此，太平洋沿岸各國基本都相繼建立了各自的海嘯預警系統，也初步具備了應對越洋海嘯和區域海嘯的能力。我國也在“十一五”期間建立了基于數據庫和GIS技術的南海定量海嘯預警系統，目前，該系統已經投入業務化運行。當我國東南部近海發生地震海嘯時，通過南海定量海嘯預警系統輸入相關地震參數進行檢索和查詢。系統會在2 min內完成所有計算結果的計算和輸出。此次演習中，該系統的快速、高效運行為海嘯預警產品制作、決策服務、人員疏散等環節爭取了寶貴的時間、提供了有效的預警信息。同時，國家海洋環境預報中心已經完成了基于實時海嘯監測數據的海嘯源反演算法研究工作，目前正著手建立基于海嘯浮標監測的實時海嘯預警系統，未來我國新一代海嘯預警系統在預警精度、預警時效等方面將達到國際先進水平。

5 總結與建議

海嘯災害是沿海國家面臨的最為嚴重的自然災害之一。發展和完善海嘯預警系統，對于海洋災害的防災減災，具有十分重要的意義。在現有的觀測技術水平下對海嘯源模型的研究須進一步拓寬思路，探索多源數據在海嘯源反演方法中的應用；同時應進一步提高海嘯預警系統對“慢地震”①：慢地震：非暴力性質的斷層滑動事件，它需要經過數小時或數天釋放它們擁有的強大能量，而不是在數秒到數分鐘的時間里釋放。海嘯和滑坡海嘯的預報精度；大力發展深海海平面觀測技術、建立實時海嘯預警系統，以防范未來的海嘯風險；這些都將成為今后我國海嘯防災減災的重點工作。

從海嘯危險性等級分布圖可以看出：受馬尼拉海溝和琉球海溝地震海嘯的潛在影響，我國東南沿海均具有較高的海嘯危險性等級，特別是長江口、杭州灣、浙江沿海、珠江口、臺灣南部、海南東部等均屬于最高等級，而這些沿海地區分布著我國絕大部分的港口、核電、石化、倉儲、跨海大橋等大型工程。考慮到我國東南沿海地區巨大的人口總量以及在經濟發展中的戰略地位，一旦發生大海嘯，勢必對我國的經濟發展造成較大影響。因此建議：應盡快開展上述地區的海嘯風險評估工作，制定海岸帶淹沒圖和應急疏散圖；同時加強海嘯科普宣傳教育和疏散演練也勢在必行。

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The hazards of tsunami disaster and tsunami early warning system of China: an interpretation of 2011 Pacific tsunami exercise

WANG Pei-Tao1，ZHAO Lian-Da1,2，HOU Jing-Ming1，FAN Ting-Ting1，GAO Yi2
（1.National Marine Environment Forecasting Center,Beijing 100081 China；2.Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting, State Oceanic Administration,Beijing 100081 China)

Frequent tsunami disasters have already given rise to extensive attentions of international society since the new century.The coastal countries not only increased investment in the construction of tsunami early warning,tsunami hazard and tsunami foundation theory research,but also further promoted international exchanges and cooperation in response to the tsunami disasters.Intergovernmental Oceanographic Commission（IOC）of UNESCO hold a Pacific-wide tsunami warning and communication exercise on 9 and 10 November 2011,which was code-name'Exercise Pacific Wave 11'.The purpose of the exercise were mainly to test tsunami early warning system validity of Pacific Country Tsunami Warning Focal Points,to improve the level of response to regional and local tsunamis effectively and promote exchanges and cooperation among national tsunami early warning center.The exercise is held just after eight months of Japan tsunami on 11th March 2011.The exercise has significance for urging Pacific countries to test tsunami warning system and assessing the tsunami risk.As a member of the IOC and the Pacific tsunami warning system,China organized and implemented the first time of tsunami evacuation drills.The aim of this paper is to re-analyze China's tsunami hazard and reappraise China's tsunami early warning system based on'Exercise Pacific Wave 11'tsunami sources and numerical calculation for regional and local tsunami sources.This study will service as decision basis for tsunami disasters prevention and mitigation.

tsunami hazard;early warning system;Pacific tsunami exercise;numerical calculation

book=319,ebook=319

P731

：A

：1003-0239（2012）05-0009-08

2012-03-28

國家自然科學基金（40676006）；海洋公益性行業科研專項（201205034-02）

王培濤（1981-），男，助理研究員，主要從事海嘯、風暴潮理論及預警報技術研究。E-mail：wpt@nmefc.gov.cn