汕頭市海嘯淹沒范圍的數值研究

侯京明，于福江,2,王培濤

汕頭市海嘯淹沒范圍的數值研究

侯京明1，于福江1,2,王培濤1

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

文中以汕頭市為例，利用“COMCOT”模型進行海嘯數值計算。主要從局地海嘯和區域海嘯兩個方面進行，共模擬6個海嘯源點。從結果來看，海嘯源點3引起的淹沒范圍最大，海嘯淹沒了汕頭市東部的大片市區，最大淹沒面積為17 km2。

海嘯；淹沒；數值計算

1 引言

海嘯通常是由一系列波動組成，海底地震、滑坡、火山爆發和隕石降落都能引發海嘯。它和一般常見的海浪、潮汐等海洋波動不同，它的波長更長，在大洋中的運動速度更快。另外，通常海洋波動只是最上層海水的運動，而海嘯波動則是從海底到海面的整個水體的運動。在大洋中，海嘯的波幅通常是幾十厘米至一米左右。但是靠近海岸時，海水變淺與波速減緩引起海嘯波長減小，造成能量聚集，海嘯波會迅速升高，有時可以達到數十米。可見，海嘯波攜帶的能量巨大，到達近岸一般會造成重大生命財產損失。

面對海嘯災害，美國、日本和智利等受海嘯災害影響嚴重的國家紛紛投入大量人力物力對海嘯災害進行研究。實施海嘯防災減災計劃，其中一個經濟有效的方法就是構建海嘯高風險區的海嘯淹沒圖。海嘯淹沒圖是以歷史和有可能發生的海嘯事件為依據，借助可靠的數學計算模型對海嘯高風險區進行數值計算后繪出的。隨著衛星技術和航天飛機技術在地形數據收集處理方面的應用，為海嘯淹沒范圍的研究提供了所需要精確的水深數據和近岸陸地高程數據，這在某種程度上促進了各國對海嘯淹沒的研究。

美國自1996年開始國家海嘯災害減災計劃，此計劃是美國政府為應對海嘯對沿岸民眾和財產的威脅而進行的由聯邦政府和州政府聯合起來的一項綜合性工程。該計劃的其中一項重要內容就是風險評估系統建設，海嘯淹沒圖是其中重要的組成部分[1]。目前，已經完成了65個城市的高精度海嘯淹沒圖。而我國在這方面的研究尚處于起步階段，本研究選取汕頭市區作為研究對象，利用數值模型進行汕頭市海嘯淹沒范圍的研究，并繪制海嘯淹沒圖。

2 海嘯危險性分析

雖然大多數海嘯是由海底地震引發，但并不是所有的海底地震都能引發海嘯。一般來說，大多數海底地震不引發海嘯。陳顒和陳棋福[2]認為，地震海嘯的產生一般受三個條件控制：

震源斷層條件：構造地震是最主要的產生海嘯的地震類型，地震必須能引起海底垂直方向上的劇烈變形，才能產生海嘯；

震源水深條件：在深水區發生的地震更容易產生海嘯；

震級、震源深度條件：震級大于6.5，震源較淺的地震易于產生海嘯。

從我國周邊的地殼斷層來看，我國東南部沿海處于太平洋板塊和歐亞板塊的交接處，由一系列的島弧和海溝組成，這些地區是地震海嘯常發生的地區。從圖1可以看出，我國周邊海域的地震主要分布在琉球海溝、馬尼拉海溝及臺灣周邊。從地震海嘯產生的幾個條件來看，我國東海雖然平均水深在400 m左右，但有大片水深大于1 km的海域[3-4]，南海的水深在1200 m左右，水深條件較深符合海嘯發生條件[5]。從歷史資料來看，6.5級以上的地震在這三個地區均發生過多次[6]。如果海嘯發生，我國的江蘇省、上海市、浙江省、福建省、廣東省、臺灣、海南和南海島嶼都將受到影響。

汕頭面朝南海，又通過巴士海峽與太平洋相連，因此汕頭既面臨局地海嘯和區域海嘯的危險，也受越洋海嘯的影響。從圖1可以看出汕頭周邊的地震海嘯威脅主要來自于從臺灣西南部海域一直到菲律賓的地震帶上，另外，產生自菲律賓海溝和琉球海溝的地震海嘯也可能穿過巴士海峽和臺灣海峽影響汕頭地區。

圖1 我國周邊海域板塊邊界與地震事件

圖2 汕頭地區水系矢量圖

3 地形水深處理

利用數值模型進行數值計算時，需要提供所研究區域的高程和水深數據。而海嘯淹沒范圍的研究，地形數據的準確性非常關鍵，直接決定了數值計算的成敗，因此必須選擇分辨率高、誤差小的數據。雖然目前有多家國內外研究機構提供水深數據的下載，但分辨率都比較粗，達不到數值計算的需要，需要進行插值計算。而且由于測量手段的原因，近岸的水深數據往往誤差較大，本研究利用已有的近岸水深資料對其進行訂正。

汕頭地區的陸地高程數據選用ASTER GDEM數據，近海水深采用實測數據，遠海水深選用GEBCO_08 Grid數據。因為ASTER GDEM數據的分辨率最高，為1弧度秒（約30m），所以汕頭市近海的高程水深場數據的分辨率定為1 s（約30 m）。由于GEBCO_08 Grid水深數據的分辨率為30 s，所以需要進行插值。這里選用在地理信息系統數據處理中常用的克里金插值方法進行插值。

對于地形數據中海陸邊界不準確的問題，本研究利用Landsat影像數據對高程水深文件進行提取，較好地解決了這個問題。Landsat5衛星裝有專題繪圖儀TM，TM共7個波段，每個波段都有自己的特點，對事物的敏感性不同。其中，第5波段區分水面和陸地面的能力較強，本研究用第5波段來刻畫汕頭地區的海陸邊界，對海陸邊界數據進行校準。

圖2黃色區域是用遙感圖像處理軟件ENVI提取的水系部分矢量面文件，利用矢量面文件來提取高程和水深文件，可以較好地解決海陸邊界模糊的問題。

4 COMCOT模型簡介與驗證

4.1模型簡介

本文數值計算采用COMCOT模型，COMCOT是由美國Cornell大學研發的海嘯模型，能夠模擬海嘯的整個生命過程，包括產生、傳播、爬高和淹沒。COMCOT引入了多種海嘯生成機理，包括地震斷層，滑坡等。模型可以在不同區域，不同坐標系（球面坐標或者笛卡爾坐標）和使用不同控制方程（線性或者非線性）進行運算。模型設計為多重網格結構，每一層的控制方程和網格分辨率等參數可以不同。

在計算海嘯波在大洋深海的傳播時，COMCOT采用線性淺水方程，在模擬海嘯波的近岸淹水部分，模型利用帶底摩擦項的非線性淺水方程作為控制方程。COMCOT運用干濕網格法處理海嘯淹沒時的動邊界。國際上，曾有多位專家學者利用COMCOT進行過海嘯研究，Wang和Liu[7]曾在2006年利用COMCOT成功的模擬了2004年印度洋大海嘯的爬高和淹沒過程。

4.22011日本海嘯情況簡介

北京時間2011年3月11日，日本本州東部海域發生Mw9.0級地震，震源深度為24 km，震中位于日本仙臺以東約130 km海域。隨后，地震引發大海嘯并襲擊了日本本州東北地區大部分沿海地區。本次海嘯是一次波及整個太平洋的越洋海嘯。在地震發生后的20多個小時里，海嘯先后到達了太平洋沿岸一些國家和地區。各地均監測到了明顯的海嘯波。

日本國土交通省根據衛星圖片估計日本大海嘯的淹沒范圍約535 km2。日本東北地震海嘯聯合調查組的調查結果顯示，本次大海嘯的海嘯波爬高超過40 m。日本本州東北部海岸受海嘯影響最大，這一地區從地理上可以劃分為兩部分，北部三陸地區，包括宮城、巖手、青森等縣轄區，多山地，河口溪谷密集。海嘯波傳到這里，波浪爬高較大，但由于地勢較高，淹沒范圍較小；從宮城縣仙臺市往南，包括福島、茨城和千葉等地是廣闊的平原，地勢較低，當海嘯波傳到時，淹沒了大片區域，尤其是仙臺附近沿岸，淹沒范圍最大。電視等新聞媒體報道中出現的淹沒畫面大多發生在該區域。聯合調查團的調查結果顯示，該地區的海嘯平均淹沒高度在10—15 m之間。本研究數值模擬的就是該區域。

4.32011日本海嘯數值模擬

根據震源參數的計算方法，得出地震參數（見表1），并用COMCOT模型對這次大海嘯事件進行數值模擬。將模擬出的淹沒范圍與聯合調查組調查的淹沒區域進行比對。數值模擬采用兩層網格嵌套。

圖3是COMCOT模型計算出的淹沒范圍圖，其中紅色的線是實際調查測量的淹沒界線，從圖中可以看出，模型結果與實際測量線大致相同。從淹沒高度上看，計算結果顯示最高波幅為38 m，與調查結果得出的40 m非常接近。計算結果表明，COMCOT模型能較好地模擬海嘯的淹沒過程。

表1 日本地震海嘯震源各參數

5 汕頭市數值計算及成圖

從汕頭市所處的地理位置以及以往數值計算結果來看，越洋海嘯的影響應該小于大型局地海嘯和區域海嘯，不會產生重大災害。因此，本研究主要從局地海嘯和區域海嘯兩個方面來進行數值計算。根據以上分析，汕頭市地區最大的局地海嘯威脅來自于馬尼拉海溝和臺灣南部的斷層。從區域海嘯來看，最大的威脅可能來自于琉球海溝和馬尼拉海溝。

圖3 數值結果與調查結果對比

5.1地震參數計算

對于COMCOT模型所需要的各個地震參數，走向角、傾向角和滑角需要根據地震斷層的具體情況確定。以往假想地震的震級，都是在歷史資料的基礎上，根據地震與地震頻數的關系，利用最小二乘法求得。吸取2011年日本大海嘯的經驗教訓，我國也僅有短短幾百年的地震資料，不能排除馬尼拉海溝多個斷層面發生聯合破裂繼而發生大地震的可能性。因此，對于馬尼拉海溝這種較大的斷層的海嘯源不能采用此方法。四個震源點中，只有位于臺灣南部小斷層上第一個點的震級是根據歷史資料計算的，而位于馬尼拉海溝的其他三個海嘯源的震級都定為Mw9.0級。2011年由聯合國教科文組織政府間海洋學委員會在整個太平洋區域發起的太平洋海嘯演習設置的10個假想海嘯源的震級也全部為Mw9.0級。魏柏林[4]等也認為臺南至菲律賓地震帶仍是強震活躍地帶，有可能引發更大規模的海嘯，切不可掉以輕心。

圖4 局地海嘯震源選點

5.2局地海嘯數值計算

為計算局地海嘯對汕頭市的影響，本研究根據地震事件的發生次數和板塊界線，在臺灣島和菲律賓之間的海域標出了4個最可能產生海嘯并對汕頭市產生較大影響的地震震源（見圖4），來模擬局地海嘯對汕頭市的淹沒影響。

第一個震源選在臺灣西南部的一處斷裂帶上，這里發生過多次地震，并且1994年在這一地區附近發生過一次海嘯事件，當時東山潮位站監測到20多厘米的海嘯波[8]。第二個震源位于馬尼拉俯沖帶的北端，這里地震發生次數也比較多，地質運動活躍。第三個震源位于菲律賓西北呂宋島近海，根據馬尼拉俯沖帶的走向，這里的走向角在45度左右，如果發生海嘯，海嘯的主要能量可能傳播到汕頭地區。第四個震源也處在馬尼拉俯沖帶上，地震活動比較多。利用地震參數的計算方法，得出上述的四個地震海嘯源的各種參數如表2。

局地海嘯數值計算采用兩層嵌套格式，第一層經度范圍介于東經112度到122度之間，緯度介于北緯15度到25度之間，分辨率為10 s（約300 m），采用線性淺水控制方程。第二層經度范圍介于東經116.5度到117度之間，緯度介于北緯23.5度到24度之間，分辨率為為1 s（約30 m），采用非線性淺水控制方程，并加入底摩擦參數。海嘯波的生成均利用模型中的地震斷層方式進行計算。

局地海嘯數值計算后，得到四個汕頭市近海的最大海嘯波波幅數據文件，即數值嵌套計算中的第二層結果，數據繪圖后如圖5所示。

表2 各海嘯源地震參數表

圖5 局地海嘯源點最大海嘯波波幅

從圖5可以看出海嘯波在汕頭市近海發生了淹沒。無論從淹沒范圍還是從淹沒高度上看，都是第3個海嘯源點最大，主要原因是第3個點的斷層的走向角度使得海嘯波能量的主要傳播方向剛好對向汕頭市方向。海嘯源點1雖然距離汕頭市最近，斷層走向角度也有利于海嘯波傳向汕頭市，但是由于其震級小，釋放的能量也小，所以引起的海嘯淹沒范圍不大。海嘯源點2的淹沒范圍較小也是斷層走向角度的原因，海嘯波的主要能量沒有傳向汕頭市地區。

5.3區域海嘯數值計算

根據前面海嘯危險性分析結果，汕頭市遭受到的最大的區域海嘯威脅主要來自于琉球群島附近的琉球海溝和菲律賓以東的菲律賓海溝。從圖6的地震數據可以看出，這兩個區域確實常發生地震。

為計算區域海嘯對汕頭市的影響，本研究在這兩個區域各選擇了一個海嘯源，記為海嘯源5和海嘯源6。震級也都設為Mw9.0級，除計算區域范圍有所不同外，其他數值計算所需要的各個參數的設定與局地海嘯基本相同。

圖6 區域海嘯震源選點示意圖

從區域海嘯的計算結果圖7看出，區域海嘯給汕頭市近海造成的淹沒范圍和淹沒高度比局地海嘯的小。雖然這兩次數值計算所模擬的海嘯事件都比較大，但是能量的主要傳播方向不是汕頭市方向，而且海嘯波在傳播過程中受到臺灣島和菲律賓的阻擋，導致到達汕頭市近海的海嘯波波幅大大降低。

綜上所述，從計算結果看，海嘯源點3的淹沒范圍最大，海嘯源點4次之。海嘯源點3的海嘯波幅度為11.1 m，海嘯源點4的海嘯波幅度為10.6 m，其他各點的海嘯波幅度都在10 m及以下。經過計算淹沒面積，海嘯源點3淹沒了汕頭市市區17 km2的區域。因此，汕頭市地區最大的海嘯淹沒危險來自于馬尼拉海溝的各個斷層區，尤其是源點3所在區域。

從公眾防范海嘯淹沒災害的角度看，應該考慮所有可能發生的海嘯淹沒危險，因此，本次數值計算的結果應當選擇淹沒范圍最大的海嘯源點3的計算結果。

圖7 海嘯源點最大海嘯波波幅

5.4繪制淹沒圖

本研究重點關注汕頭市市區的淹沒情況，所以著重分析汕頭市市區的淹沒范圍。汕頭市區分布于榕江入海口的兩岸，沿岸分布有許多重要企事業單位，如碼頭、醫院、學校、郵局、體育館等，汕頭市政府所在地也離岸邊不遠。將海嘯源點3的計算結果和市區地圖結合起來看（如圖8），海嘯淹沒了汕頭市東部的大片市區。淹沒區域主要集中在北岸市區，珠池路往南的大部分區域均屬于危險區。另外，人民廣場附近也在淹沒區中。淹沒區里有碼頭、火車站、居民區等大量的海嘯災害脆弱地物。從撤離方向上看，在北部市區，公眾得到海嘯預警后，應當向西北方向撤離。

圖8 海嘯淹沒圖

6 結論

本文利用假想地震源，探討了海嘯淹沒范圍的數值計算方法，并利用GIS技術繪制了海嘯淹沒圖。海嘯淹沒范圍的研究，是制作海嘯疏散圖的前提，它既可以為政府部門提供決策服務，保障社會經濟的正常發展，又為群眾安全避險提供依據，保護人民生命財產免受損失。

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Numerical study on tsunami inundation for the urban area of Shantou City

HOU Jing-ming1,YU Fu-jiang1,2,WANG Pei-tao1
（1.National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081,China; 2.Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting,National Marine Environmental Forecasting Center, State Oceanic Administration,Beijing 100081,China）

In this paper,the urban area of Shantou City is taken as an example to do the numerical study on tsunami inundation.Six events from local tsunami and regional tsunami which probably would affect the urban area of Shantou City are calculated.The inundation area caused by tsunami source 3 is the biggest among six sources where tsunami submerges a lot of land of Shantou urban area.The maximum inundation area can reach to 17 square kilometers.

tsunami；inundation；numerical calculation

P731.25

A

1003-0239（2014）04-0001-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.04.001

2013-06-09

國家海洋局海洋公益性行業科研專項（201205034-02）

侯京明（1982-），男，工程師，主要從事海嘯和風暴潮預警報技術研究。E-mail：houjingming1982@126.com