南海定量海嘯預警系統

趙聯大，于福江，滕駿華（.國家海洋環境預報中心，北京0008；2.國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京0008）

?

南海定量海嘯預警系統

趙聯大1,2，于福江1,2，滕駿華1
（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）

摘要：我國面臨著來自于馬尼拉海溝、臺灣島以及琉球海溝等海域可能形成的局地和區域海嘯風險，及時、準確地預警海嘯是一個難題。2004年印度洋海嘯之后，基于海量數據庫和GIS技術，國家海洋環境預報中心開發了南海定量海嘯預警系統，可以對潛在海嘯進行快速定量化的預警，并利用GIS軟件進行預警結果可視化。利用該系統對2006年臺灣南部地震海嘯進行模擬預報，預報結果與實測結果基本吻合。

關鍵詞：南海；定量；海嘯；預警系統

1　引言

海嘯是由地震、火山噴發等因素引起的海水大規模波動形成的一種大洋長波。在深海大洋中，海嘯波能夠以時速500—1000 km的速度傳播。當海嘯波移近岸邊淺水區時，波速會減慢，波高陡增，可形成十數米或更高的水墻。據觀測，大海嘯的波高可達30 m以上。即使波高只有3—6 m的海嘯，也極具破壞力，可造成嚴重傷亡[1]。如2004年12月26日印度尼西亞蘇門答臘島外海發生9.1級海底地震[2]，地震引發了規模超強的巨大海嘯，襲擊了多個印度洋沿岸國家，造成超過22萬人死亡[3]。

印度洋大海嘯給全世界上了一堂生動的海嘯災害教育課，預警系統的缺失顯示出海嘯預警報的極端重要性和迫切需求。

由于海嘯傳播速度很快，局地海嘯經常在地震發生后很短時間內(通常15—30 min)即到達海岸線。由于計算條件的限制，數值模式完成一次數值計算需要相當長的時間。因此，在大氣海洋領域通常采用的利用數值模式進行實時計算的常規預報方式無法用于海嘯的實時預警報。傳統的海嘯預警報方法是根據地震初始參數并基于預報員的經驗進行定性的預警報，定量化的預警報如到達沿岸某些地點的準確的海嘯波幅則難以給出。因此快速且定量化的海嘯預警報技術變得亟需起來。

20世紀90年代，日本氣象廳為了滿足快速且定量化海嘯預警的需求，利用大型計算機對10萬個假想的海嘯個例進行了數值計算，開發了基于數據庫的定量海嘯預警系統[4]。

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、菲律賓群島一線是環太平洋地震帶的一部分，也是地震和海嘯的多發地帶。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[5]。2004年印度洋大海嘯之后，國家海洋環境預報中心即著手開發了應對南海及其附近區域的潛在海嘯威脅的定量海嘯預警系統（定量海嘯預警系統框架見圖1）。

2　南海定量海嘯預警系統開發

南海定量海嘯預警系統的開發分為以下幾個部分：首先確定預警區域及影響該區域的潛在地震海嘯源；然后劃分地震海嘯單位源，確定每個單位源的相關參數；選擇成熟、可靠的地震海嘯數值模式；針對每個地震海嘯單位源在不同震源參數情況下的情景進行計算；建立數據庫，所有計算結果存儲于數據庫中；開發人機交互軟件。

2.1地震海嘯源

根據歷史地震海嘯災害數據和大量的數值模擬結果，我國南海沿岸的海嘯風險最大，影響南海沿岸域的主要地震海嘯源主要分布在琉球海溝、臺灣島周邊以及南海馬尼拉海溝。國家海洋環境預報中心確定了南海定量海嘯預警系統的預警覆蓋區域為北緯10—32°，東經105—130°，預警岸段為自長江口以南的整個中國東南沿海，其中南海沿岸是預警重點。

針對這些潛在地震海嘯源區，國家海洋環境預報中心劃分了235個地震海嘯單位源，每個單位源空間間隔為0.5°。參考當地的地質構造，每個單位源分別確定出固定的震源經緯度、斷層走向角、傾斜角、滑動角。針對每個單位源（圖2b），國家海洋環境預報中心分別考慮不同震級（圖2a）和震源深度的情景，其中震級劃分為6.5、7.0、7.5、8.0、8.5共5種，震源深度劃分為0 km、20 km、40 km、60 km、80 km、100 km共6種，所以每個單位源設定有30種情景。

圖1　南海定量海嘯預警系統框架

圖2　潛在地震海嘯源區和劃分好的單位源

2.2數值模式

國內外成熟的海嘯數值模式有多種，如國家海洋環境預報中心使用的CTSU[6]、日本氣象廳使用的TUNAMI[7]、美國Cornell大學開發的COMCOT[8]。由于幾種模式各自具有不同特點，利用上述模式針對同一個假想海嘯事件進行數值計算，對計算的結果進行對比分析。由計算結果對比發現，CTSU模型與日本TUNAMI-N2模式、美國的COMCOT模式的計算結果（尤其是第一個海嘯波）基本一致（見圖3），但CTSU模式的計算速度要比其他國外模式快許多。由于南海定量海嘯預警系統包含了大量的海嘯情景，需要進行大量的數值計算，因此在構建南海定量海嘯預警系統過程中，國家海洋環境預報中心采用了自主開發的計算效率較高的CTSU數值模式。

圖3　CTSU、COMCOT和Tunami-N2數值模式計算結果對比

CTSU模式基于淺水方程，分別建立了球面坐標和直角坐標控制方程。CTSU模式的控制方程組為：

方程組（1）為球面坐標方程組，方程組（2）為直角坐標方程組。式中，ζ為水面高度；h為靜止水深；H為總水深；g為重力加速度；ρ為水的密度；R為地球半徑；f為科氏力；τx、τy分別為x、y方向上的摩擦力；P、Q為x、y方向上的體積通量；φ和ψ分別為經度、緯度。CTSU采用半隱式差分格式求解控制方程。該模式具有計算速度快，支持并行計算等優點。

構建本系統過程中，CTSU模式的計算范圍即為定量海嘯預警系統的預警覆蓋區域范圍，即北緯10—32°，東經105—130°；模式采用單層網格，網格距大小為1′（見圖4）。

圖4　計算范圍和網格

2.3數據庫

國家海洋環境預報中心利用運行在大型計算機上的CTSU海嘯數值模式對235個潛在海嘯源的7050（235×30）個情景進行計算。每個海嘯數值模擬將會模擬海嘯發生10 h的情形。海嘯模擬的輸入文件包括可執行文件、參數控制文件、水深文件、沿岸點的經緯度等。海嘯模擬輸出文件包括每隔10 min的模擬區域水位值、全時間序列全區域的海嘯最大波高分布值、全時間序列全區域的海嘯傳播時間分布值、沿岸點的海嘯波值。

由于每次海嘯數值模擬其輸出結果文件所占空間很大，約1.5 G，所有7050個海嘯數值模擬將會占有約10.6 T的空間。如此大的數據量很難輸入數據庫。即使所有數據能夠輸入數據庫，也無法保證數據庫能在短時間內完成查詢、插值、輸出等工作。因此，項目組將海嘯預警最重要的海嘯波幅和海嘯到達時間輸入數據庫，其余的海嘯波傳播過程數據將不再被輸入數據庫。

南海定量海嘯預警系統的數據庫采用Oracle數據庫。海嘯預警數據量較大，采用人工方式顯然不合適，一般采用記錄交換文件方式，將相關的數據批量地自動更新到數據庫系統之中。數據庫包含有海嘯預警信息主表、海嘯預警岸段網格信息表、海嘯預警岸段信息表、重點城市海嘯預警信息表。為提高數據庫訪問效率，本數據庫采用表分區技術，在超大型數據庫（VLDB）中將大表及其索引通過分區的形式分割為若干較小、可管理的小塊，每一分區可進一步劃分為更小的子分區，以達到快速地在線查詢要求。

系統輸入參數只有3個，即震中位置（X,Y）、震級和震源深度，要求系統輸出岸段上每個點的到達時間和高度。根據震中位置（X,Y）檢索數據庫中的海嘯單位源與之匹配。如果能夠檢索得到，則立刻將該單位源情景結果調用出來。如果不能準確匹配，則選擇臨近的4個海嘯單位源，將4個海嘯源通過反距離插值分解為單個源的求解，在計算單個源時，根據線性插值方法進行震級、震源深度等維數分解，進而獲得相應的預警結果（見圖5）。

圖5　海嘯源檢索示意圖

2.4人機交互顯示和發布

南海定量海嘯預警系統采用GIS技術進行預警信息的查詢和顯示（見圖6a）。當地震發生后，根據及時獲得的地震信息，預報員分別輸入地震發生時間、震源經緯度位置、震源深度、震級等參數，系統迅速進行查詢和檢索，隨后系統會生成并在顯示界面顯示出震源信息、我國東南沿海不同岸段的第一波海嘯波高和到達時間、沿海重點城市的第一波海嘯波高和到達時間等產品。不同岸段和城市會以不同的顏色框來區分不同的危險等級。預報員還可通過鼠標點擊查看沿海岸段任意格點的海嘯波預警報信息。整個輸入、查詢、檢索、顯示、輸出過程可以在1 min內完成。

同時，南海定量海嘯預警系統還可以通過Google Map API來實現預警信息的顯示和發布（圖6b）。系統生成產品時自動產生xml文件，通過Javascript編程，將代碼寫入html文件，實現預警信息的網絡發布。

圖6　岸段預報結果的GIS顯示和城市預報結果在Google Map上的顯示

3　南海定量海嘯預警系統應用

2009年，南海定量海嘯預警系統開發完成并在國家海洋環境預報中心投入業務化運行。自運行后至今，本系統所覆蓋的預警范圍內沒有發生過真實的地震海嘯事件，所以沒有經過實際海嘯災害預警的檢測。但2006年12月26日，位于本地區的臺灣南部發生地震海嘯事件，國家海洋環境預報中心利用本系統對這一事件進行了模擬檢驗。

2006年12月26日20時26分，臺灣南部發生7.0級地震[9]，地震震斷了我國與歐美連接的海底光纜，造成互聯網傳輸中斷了1個多月。地震還引發了輕微的海嘯波，國家海洋局崇武和東山驗潮站分別測得了輕微的海嘯波。國家海洋環境預報中心利用南海定量海嘯預警系統進行了后報。在輸入地震發生時間、震中位置、震級、震源深度等參數后，海嘯預警系統在20 s左右時間即輸出了預警結果。結果表明預報傳播時間和波高與實測基本一致。

表1　崇武和東山驗潮站的海嘯實測與后報波高對比

4　結論

為了有效應對南海海嘯的威脅，實現快速發布海嘯預警報，國家海洋環境預報中心開發了南海定量海嘯預警系統。該系統涉及了南海馬尼拉海溝、臺灣島周邊、琉球海溝等潛在海嘯源，預警區域覆蓋了我國長江口以南的整個中國沿海。通過對每個潛在海嘯單位源進行不同震級和震源深度等不同情景的計算，獲得海量數值計算結果，系統利用Oracle數據庫對計算結果進行存儲和管理，利用GIS軟件進行顯示和輸出。南海定量海嘯預警系統可以在輸入震源參數1min內顯示并輸出預警報結果。利用該系統對2006年12月26日臺灣島地震海嘯進行后報，結果表明該系統預報結果與實測結果基本一致。南海定量海嘯預警系統使國內首次具備了海嘯定量化預報的能力。

參考文獻：

[1] UNESCO/IOC, Tsunami Glossary. Intergovernmental Oceanographic Commission Technical Series 85[K]. 2008.

[2] USGS, http: //earthquake. usgs. gov/earthquakes/eqinthenews/2004/ us2004slav/.

[3] NGDC/NOAA, http://www.ngdc.noaa.gov/hazard/tsu.shtml.

[4]于福江,吳瑋,趙聯大.基于數值預報技術的日本新一代海嘯預警系統[J].國際地震動態, 2005(1): 19-22.

[5]趙聯大,于福江,王培濤.我國的海嘯風險與預警[C].//國家綜合防災減災與可持續發展論壇文集,北京:氣象出版社, 2012: 370-376.

[6]于福江,葉琳,王喜年. 1994年發生在臺灣海峽的一次地震海嘯的數值模擬[J].海洋學報, 2001, 23(6): 32-39.

[7] IUGG/IOC. Time Project: Numerical Method of Tsunami Simulation With The Leap-Frog Scheme[K]. 1997.

[8] Cornell University, http://ceeserver.cee.cornell.edu/pll-group/comcot.htm.

[9] USGS, http://comcat.cr.usgs.gov/earthquakes/eventpage/centennial 20061226122622.

SCS quantitative tsunami warning system

ZHAO Lian-da1,2, YU Fu-jiang1,2, TENG Jun-hua1
（1. National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081 China；2. Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting, Beijing 100081 China）

Abstract：The main tsunami risk for China comes from Manila Trench, Taiwan Island and Ryukyu Trench, which may generate local and regional tsunamis. It is very difficult to forecast tsunami timely and accurately, because tsunami generates suddenly and propagates quickly. After the 2004 Indian Ocean tsunami, National Marine Environmental Forecasting Center (NMEFC) develops SCS quantitative tsunami warning system with massive database and GIS technology. Quantitative tsunami warning products could be produced quickly by the system, and visualized with GIS. Hind-cast results of 26thDec 2006 Taiwan tsunami from the system show a good agreement with measurements in coastal tide gauges.

Key words：The South China Sea（SCS）; quantitative; tsunami; warning system

作者簡介：趙聯大（1980-），男，高級工程師，碩士研究生，主要從事海嘯預警報及數值模式研究。E-mail：zld@nmefc.gov.cn

基金項目：國家海洋局海洋公益性行業科研專項（201405026）；國家科技支撐計劃（2006BAC03B02）

收稿日期：2014-05-08

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.02.001

中圖分類號：P731.25

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2015）02-0001-06