基于海底壓力測量的海嘯預警方法研究

賈立雙，任 煒，李家軍，馮志濤，商紅梅

（國家海洋技術中心,天津 300112）

基于海底壓力測量的海嘯預警方法研究

賈立雙，任 煒，李家軍，馮志濤，商紅梅

（國家海洋技術中心,天津 300112）

海嘯是一種具有極大破壞力的海洋災害，及時準確的海嘯預報可大幅降低人民生財產損失。文中介紹了一種新的海嘯災害預警方法。該方法針對海嘯預警需求，分析海嘯波和海洋中的其他波動特性，以海底高精度壓力測量為核心并消除噪聲信號影響，可實現深海遠距離海嘯實時預警。以該方法為基礎研制的海嘯監測儀可實時監測并識別海嘯波，從根本上降低海嘯預警誤報、漏報的概率，提高海嘯預警系統的性能，及時為決策者提供信息，有效降低海嘯災害帶來的損失。

海嘯；預警；壓力測量；潮波

海嘯是一種具有極大破壞力的海洋災害。海底強震發生時，震波動力可能引起海水劇烈起伏形成巨浪，巨浪抵達海岸、沿沒沿海地帶的災害，即為海嘯。海嘯來臨時，巨浪大量吞噬生命，港口設施、建筑也毀于一旦；海嘯過后，城市可能被夷為平地，海灘上更是一片狼藉?，F有科技水平還不能阻止地震、海嘯這類災害的發生。但是，海嘯波從其發源地傳播到海岸邊往往需要一段時間（發源地緊鄰海岸的例外），如果能在海嘯波傳播過程中即加以識別并發出預警，將可及時疏散民眾、降低沿海地區人民生命財產損失，這正是海嘯預警的初衷。

1 海嘯預警系統簡介

2004年印度洋地震海嘯致使約16.4萬人死亡，損失難以估量。海嘯地區慘狀震撼全世界，促使各國積極研究和建立海嘯防御機制，以期將海嘯災害造成的損失降到最低。迄今為止，美國、意大利、日本、印度、印度尼西亞、澳大利亞、智利等多個國家已開展海嘯預警業務。其中，美國海嘯預警系統建成時間最早，經驗最為豐富。

美國最先于1948年在夏威夷建成“地震海嘯預警系統”，太平洋海嘯警報中心、西海岸和阿拉斯加海嘯警報中心相繼建成。通過監測海底地震，預警中心能夠迅速判斷海嘯發生的可能性并向受影響地區發布預警。為了能盡早監測到海嘯波數據，實時發布準確的海嘯預警信息，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）于1986年即啟動了海嘯浮標研制，1996年開始正式布放和應用海嘯浮標。

我國在20世紀80年代即加入太平洋海嘯預警系統，此后對海嘯進行了大量研究。20世紀90年代至今，先后研發了越洋海嘯數值模式、海嘯傳播時間模式。2004年發生的印度洋海嘯，促使我國啟動針對南海及其周邊海域的海嘯預警能力建設，通過國家項目支持，建成了基于數據庫和GIS技術的南海定量海嘯預警系統。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。

目前，我國的海嘯預警以地震監測數據和海嘯預警模式相結合為主。由于缺乏海嘯波實時觀測數據，存在誤報、漏報的可能，其后果可能非常嚴重。例如：誤報引發的撤離可導致數千萬元經濟損失，也會致使民眾受傷甚至死亡；誤報還將削弱預警的可信性，對公眾信心的打擊更是難以估量；而漏報則可能直接導致災難性后果。存在誤報和漏報的原因有三：一是海嘯有多種成因，海底地震并非唯一因素；二是海底地震發生并不一定引起海嘯；三是海底地震引發的海嘯規模并不完全與地震震級比例相關。因此，需要開展海嘯波實時觀測，改進海嘯預警方法，大幅提升海嘯預警準確性。

2 基于海底壓力測量的海嘯預警方法

2.1 基于海底壓力測量的海嘯預警方法流程

基于海底壓力測量開展海嘯預警所需要的核心裝置是布設在深海海底的裝有高精度壓力傳感器的海嘯監測儀。其功能是采集海底高精度壓力數據，利用特定算法識別海嘯波，生成報文并傳輸至海面錨系浮標，通過衛星發送至海嘯預警中心；該中心也可以通過衛星傳送指令給海面浮標，并由其使用聲通信機將指令轉發給海嘯監測儀，改變海嘯監測儀工作模式。

海嘯監測儀的工作模式有兩種：（1）常規模式，海嘯監測儀測量海底壓力數據并進行判定和識別，未發現海嘯波信息時以常規頻率發送壓力數據，經海面浮標傳送至地面預警中心；（2）事件模式，發現并判定海嘯波信息時，生成并發送海嘯預警信息，同時加密發送壓力數據。

將海嘯監測儀預先布放在主要的海嘯傳播路徑上，利用高精度壓力傳感器測量的數據識別判定海嘯波的方法，是海嘯預警系統的重要組成部分。然而，海水的水質點運動通常是天文潮、風浪、涌浪和海流等多種形式運動的合成，如何從水質點運動中識別并抽取海嘯波分量，就成為基于海底壓力測量的海嘯預警方法的技術難點。

2.2 基于海底壓力測量的海嘯預警方法原理

海嘯以波的形式在水中傳播，如圖1所示。通常，海嘯波在深海中形成時波長很長（可達幾百千米）、波高很小（幾十厘米或更?。?、周期從幾分鐘至2 h、傳播速度很快（達幾百千米/小時）。當海嘯波傳播到近岸淺水區時，受海岸地形影響，其波速減小、波高驟增、波長減小。因此，可對沿岸地區生命財產安全形成致命威脅的海嘯，在深海區域傳播時引起的海平面變化往往并不大。

圖1 海嘯波的傳播

由于海嘯傳播速度很快，為提早發布海嘯預警，以贏得更長的災害防御時間，海嘯監測儀需布放在深海區的海嘯傳播路徑上（就我國而言，可能引起地震海嘯的震源區距離大陸很遠）。在這些區域，海水受海嘯波影響而起伏，水面距海底高度隨之變化，這種變化雖然不大，但可由放置于海底的高精度壓力傳感器測得。這首先是因為海嘯波具有長波（水深相對波長很小，也稱為淺水波）屬性。

圖2 淺水波與深水波由海面至海底的傳播

如圖2（a）所示，長波傳播時，水質點運動的軌跡呈橢圓形，其短軸隨深度減小，直到接觸海底才變為零；而從海面至海底，長軸則幾乎完全相同。這樣，海嘯波傳播時，海底附近的水質點運動依然明顯，所引起的水位變化可由海底高精度壓力計測得。與之相對，由風引起的波浪屬深水波（圖2（b）），在水面附近水質點運動比較顯著，其軌跡近似為圓形，隨深度增加波動衰減直至靜止。低頻海嘯波可以到達深海海底而高頻風生波無法到達，這種現象使深海成為一個理想的低通濾波器，便于在海底進行海嘯波測量。

另一方面，海嘯監測使用的布放于海底的壓力傳感器具有很高的分辨率和精度（分別高于滿量程的百萬分之一和萬分之一），如美國生產的高精度石英壓力傳感器（4 000系列），可以感知到0.6 cm的水位變化所造成的壓力改變。當海嘯波在深海傳播所引起的海平面高度變化大于0.6 cm時即可被海底壓力傳感器所測到，已可以有效地開展海嘯監測。

另外，海嘯監測儀布放于海底，具備安全性好、受氣象環境和海況影響小、工作環境穩定等優勢，可以滿足海嘯監測的業務化運行需求。

總之，海嘯傳播時，在海底的壓力測量信號中將包含有明顯的海嘯波信號，只需將其識別出來，即可開展有效的海嘯監測并發出預警，服務海嘯災害防御。

3 海嘯波識別算法設計

基于海底壓力測量的海嘯波識別算法的核心任務是結合已有觀測數據，判斷當前時刻測量數據是否表征海嘯波的到來。獲取海底壓力測量數據后，海嘯波識別算法的工作步驟是：（1）濾除測量信號中的高頻雜波；（2）計算潮波數據；（3）從壓力測量數據中分離干擾數據，判斷所得信號是否為海嘯波。該算法首先需滿足時效性要求，同時為提高在位時間，必須盡可能降低算法運行的資源消耗。

3.1 海底壓力信號中的主要分量

海洋中的波由多種因素引起，為水質點的波動提供主要能量的是風、猛烈風暴、地震以及太陽等天體的引力。波高與波周期、各種生成因素之間的關系如圖3所示。由圖可知，周期在5 min～2 h間的波主要是海嘯波；周期在5 min以下，主要是風切波和涌浪等風生波；周期在2 h以上，主要是由天體引力等驅動的潮波。

圖3 波高、波周期及其驅動因素

根據波在海洋中傳播的規律，長波（即淺水波）可以傳播到深海海底，而短波則在傳播到海底之前即大幅衰減。風生波屬于短波，故其對海底附近的水質點運動影響微弱；海嘯波和潮波屬于長波，海底附近的水質點運動主要受海嘯波和潮波影響。

由此，在深海海底壓力測量信號中，主要的分量為海嘯波和潮波，除此外，還將存在一些由高頻波、海洋動物活動等引起的環境雜波。要進行海嘯監測和預警，首先需要從海底壓力測量信號中濾除高頻雜波，而后分離出潮波信號，最終得到海嘯波分量。

3.2 海嘯波識別計算

根據潮汐靜力理論，天文潮可以視為受多個“假想天體”影響而產生的由許多周期長短各異的“分潮”疊加而成，每個分潮的波形都可以由正弦波表征。本算法利用過去3 h的觀測壓力值擬合海平面波動曲線，通過外推法預測下一個海平面高度值Hp(t')。

式中：H*表示10 min平均海平面高度；dt= 1 h；t'表示預報時間；系數w(i)來自牛頓公式II，w(i)用于向前遞推。

本算法使用已測壓力值來計算預測值，然后對實測值與預測值做計算，如果差值大于預設值則認為有海嘯波發生，觸發事件模式。發生真實海嘯時，海嘯波幅值將影響預測值，且由于計算預測值使用的測量值時間跨度長達3 h，海嘯波幅值可能長期影響預測值計算，導致算法做出錯誤的判斷，認為海嘯還在發生并處于海嘯事件模式。根據分析，為減小這種影響，使海嘯儀盡快脫離海嘯事件模式，關鍵的因素是調整用于濾除高頻雜波的低通濾波器的截止頻率，截止頻率越高，海嘯波幅值對預測值影響越大。

4 結論

利用布放于海底的高精度壓力計來測量海水水位，進而開展海嘯波的實時監測和預警是可行的。海嘯監測儀可實時監測并識別海嘯波，從根本上降低海嘯預警誤報、漏報的概率，提高海嘯預警系統的性能。引入海底監測儀后，海嘯預警中心接收來自海底的高精度壓力數據和海嘯預警信息，結合地震監測數據、驗潮站水位數據、海嘯預警數值模型，可以更加及時精確地發布海嘯預警信息。同時，該方法還可以應用于精細化風暴潮預警。

[1]包澄瀾.海嘯災害及其預警系統[J].國際地震動態，2005，313(1):14-18.

[2]葉琳，于福江，吳瑋.我國海嘯災害及預警現狀與建議[J].海洋預報，2005，22(S):147-157.

[3]祝會兵，于穎，戴世強.海嘯數值計算研究進展[J].水動力學研究與進展，2006，21(6):714-723.

[4]王紹玉.印度洋地震和海嘯災害引發的若干思考[J].國際地震動態，2005，313(1):1-8.

[5]潘文亮，王盛安，蔡樹群.南海潛在海嘯災害的數值模擬[J].熱帶海洋學報，2009，28(6):7-14.

[6]Beltrami G M.An ANN algorithm for automatic,real-time tsunami detection in deep-sea level measurements[J].Ocean Engineering, 2008,35(5-6):572-587.

[7]Beltrami GM.Automatic,real-time detection and characterization oftsunamis in deep-sea level measurements[J].Ocean Engineering, 2011,38(14-15):1677-1685.

Research on the Method of Tsunami Pre-Warning Based on Deep-Sea Pressure Measurement

JIA Li-Shuang,REN Wei,LI jia-jun,FENG Zhi-tao,SHANG Hong-mei
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

Tsunami is a kind of destructive marine disaster.Effective tsunami prediction in a timely and accurate way can greatly reduce the loss of people's property and lives.A new method for tsunami pre-warning is introduced in this paper.By analyzing the differences between tsunami wave and other waves in the sea,the method uses high-accuracy sea bottom pressure gage as the core technology,and removes the influence of highfrequency noise signals,in order to achieve real-time tsunami wave monitoring over a long distance in deep oceans.The tsunami monitor based on this theory can monitor and identify tsunami waves in a real-time manner, reduce the probability of false alarm and missing report,and improve the capability of the tsunami warning system.Through this method,important information of tsunami wave can be provided for decision-makers,thus effectively reducing the loss caused by tsunami disasters.

tsunami;pre-warning;pressure measurement;tidal wave

P731.36；X834

A

1003-2029（2017）03-0108-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.020

2017-01-02

海洋公益性行業科研專項經費資助項目（201205034）

賈立雙（1980-），男，工程師，主要從事海洋監測技術研究。E-mail:glsh1980@sina.com