(1)摘要 利用COMCOT模型, 分析马尼拉海沟一个潜在海啸源的危险性。通过改变震级和震源深度两个海啸初始场信息, 揭示海啸登陆中国沿海地区时的首波波幅与二者的定量关系。结果表明: 震源深度对首波波幅的影响幅度可以达到50%, 地震震级不同, 震源深度对首波波幅的影响趋势也不同; 海啸登陆时的首波波幅基本上随着震级的增加而加大, 但由于海啸波会与近岸的反射波互相叠加, 可能导致在海啸传播至近岸过程中首波登陆波幅异常减小; 震级达到Mw 8.6时, 海啸等级为1级, 部分沿海地区会遭受海啸威胁。
关键词 COMCOT; 定量分析; 海啸; 震级; 震源深度; 南海; 首波波幅
海啸是在海洋中产生并在海洋中传播的具有极大波长的波。对这种灾难性的海浪, 人们在2004年印度尼西亚大海啸和2011年日本大海啸之后, 才逐渐记住“海啸”这一名词。北京时间2004年12月26日08时58分, 在苏门答腊近海海域发生Mw9.1级地震, 引发的海啸对影响区域内的数个国家造成重大人员生命和财产损失, 死亡和失踪人数达到284712人[1]。北京时间2011年3月11日13时46分, 日本东部海域发生Mw 9.0级地震, 引发的海啸对环太平洋地区和太平洋中的岛国造成巨大的破坏性影响, 导致16000多人死亡, 2000多人失踪, 海啸还引发福岛第一核电站泄露事故, 对周围地区环境的破坏难以挽回[2]。
自然灾害的“放大效应”在人口密度大、经济发达的地区尤为显著。中国沿海地区人口不断增加、经济快速发展, 若遭遇灾难性海啸的袭击, 损失将难以估计。另外, 中国在南海建设众多人工岛屿, 其基础设施和人员安全需要保障, 因此对中国南海遭受海啸的危险性进行评估具有重要的现实意义。
中国近海地区大陆架宽阔平缓, 发生海底滑坡的可能性不太, 也没有火山活动的迹象[3]。从地理条件来看, 中国东部有朝鲜半岛、日本列岛、琉球群岛和菲律宾群岛环绕, 南部有印度尼西亚群岛和中南半岛阻隔, 因此太平洋和印度洋地区的远洋海啸的影响不大, 对中国沿海地区有重大影响的主要是近海海啸。
2006年, 美国地质调查局(United States Geolo-gical Survey, USGS)对整个太平洋地区的潜在地震源进行危险性评估, 认为在中国的沿海地区有3个潜在的海啸源存在激发海啸的风险[4], 分别是琉球群岛俯冲带、苏拉威西俯冲带和马尼拉俯冲带。其中, 东海水深较小, 难以形成破坏性海啸; 苏拉威西俯冲带受菲律宾群岛和印度尼西亚群岛阻隔, 对中国沿海地区的影响有限; 马尼拉海沟俯冲带是最可能引发对中国沿海地区破坏较大的潜在海啸源。闻正[5]认为一千年前南海发生过强烈的地震海啸, 震中位于马尼拉俯冲带附近。虽然南海多年没有发生较大的海啸, 但存在发生灾难性海啸的风险。南海岛屿有许多设施和人员, 一旦发生大海啸, 损失难以估计。因此, 需要对中国沿海的海啸风险进行定量分析。
2015年, 国家海洋局开发了基于CTSU模式的南海定量海啸预警系统[6‒7]。为了实现快速准确的海啸预警, 必须建立完善的海啸数据库, 对假想的海啸源个例进行数值计算。本研究利用COMCOT (Cornell Multi-grid Coupled Tsunami Model)模型, 对马尼拉海沟潜在的海啸源进行数值模拟, 定量地分析和评估潜在震源引发的海啸对中国沿海地区的影响。
COMCOT模型使用标准模块化的设计方式, 网格设计中采用多重嵌套的方法, 比较全面地模拟海啸传播的物理过程。该模型可以比较完善地模拟计算海啸的越洋传播和近海传播过程以及局部的淹水过程, 在研究海啸传播的物理机制方面具有明显的优势。
COMCOT模型中包括球坐标下的线性和非线性浅水方程[8]。在研究深海的海啸时, 采用球坐标系下的线性浅水方程:
(1)
(2)
。 (3)
当海啸传播至沿海地区时, 对海啸波的模拟采用球坐标系下的非线性浅水方程:
(4)
(5)
。 (6)
其中, η表示水面位移; (P, Q)代表 X方向和Y方向的体积通量; (φ, ψ)表示地球纬度和经度; R表示地球半径; g表示重力加速度; H表示总水深, H=h+η; f 表示由地球自转引起的科氏力系数; τx和τy分别代表X方向和Y方向的底部摩擦, 可以通过曼宁公式计算得到:
(7)
(8)
n 是曼宁粗糙系数。
COMCOT断层模型是采用Okada[8]的理论模型建立的。该模型将断裂带滑移引起的海底地形变化直接视为水面变化进行处理, 并以此作为海啸产生的初始条件。对震级比较大的海底地震而言, 海啸波的周期远大于地震破裂的持续时间以及地震引起的海底抬升时间, 所以如果用该模型来模拟断层, 对结果的影响也不大。因此, 采用Okada[8]的弹性断层模型对海啸产生阶段进行模拟是可行的。
本文采用的均匀断层模型如图1所示, 其中断层长度L、断层宽度W和滑动距离D可以根据日本气象厅的经验公式[9]求得。
L:断层长度; W:断层宽度; D:滑动距离; λ:滑动角; θ:走向角; δ:倾角
图1 断层模型
Fig. 1 Fault model
马尼拉海沟位于中国南海东部, 菲律宾西部, 是一个呈南北向分布的向西突出的弧形深水槽地, 南端最大深度达到5377m[10]。马尼拉海沟长期受亚欧板块和太平洋板块的挤压, 亚欧板块在此没入菲律宾活动带之下, 因此该区域地震活动频繁。根据USGS的统计, 1900—2018年期间, 马尼拉海沟附近发生Mw 6.0以上的地震69次, 其中有8次达到Mw 7.0。从马尼拉海沟的地质构造特征和历史地震记录来看, 马尼拉海沟是南海最有可能引发地震海啸的区域。
本文模拟的海啸源以2011年11月30日00:27:06 (UTC)发生在马尼拉海沟的地震作为参考。根据USGS发布的信息, 2011年马尼拉海沟地震源位置为北纬15.455°, 东经118.999°。根据W-phase矩张量解, 断层走向为25°。另外, 假设断层的倾角与滑移角分别为10°与−100°。为了评估此震源对中国沿海地区的影响, 本文选取高雄、汕头、香港和三亚4个人口密度大、经济相对发达沿海城市附近的参考点(图2), 对其震源深度(断层上边界至海底的垂直距离)和震级进行定量分析。
为了定量地分析潜在震源的影响, 本文探讨不同震源深度、不同震级的地震源与海啸登陆波高的关系。对不同震级的地震, 震源深度选择9km, 根据日本气象厅的经验公式得到的不同震级的断层参数见表1。研究不同震源深度对海啸登陆波高的影响时, 分别选择Mw 8.0和Mw 9.0两个震级情景。
图2 4个沿海参考点的分布
Fig. 2 Distribution of four coastal reference points
表1 马尼拉海沟不同震级的断层参数
Table 1 Fault parameters at different magnitudes in Manila Trench
Mw断层长度/km断层宽/km滑移量/m 8.0125.963.16.3 8.2158.579.47.9 8.4199.5100.010.0 8.6251.1125.912.6 8.8316.2158.515.8 9.0398.1199.520.0
计算区域为105°—125°E, 13°—25°N, 设置三层网格(图3)。第一层和第二层使用的地形数据为ETOPO1[11]; 第三层使用的地形数据为SRTM30, 空间分辨率为30″。第一层母网格的计算步长为3′, 控制方程选择线性方程, 主要模拟海啸在深水区的传播情况。第二层和第三层子网格的计算步长分别为1′和30″, 主要用于计算大陆架附近海域的海啸波。第三层的平均水深只有几十米, 考虑到底部摩擦的影响, 控制方程选择非线性方程。网格设置情况如表2所示。
两个大长方形框内为第二层网格区域, 4个小正方形框内为第三层网格区域
图3 计算区域网格设置
Fig. 3 Grid setting of the study area
表2 研究区域的网格设置
Table 2 Gridsettings of the research area
网格层网格区域计算步长控制方程曼宁粗糙系数 第一层13°—25°N, 105°—125°E3′线性无 第二层16°—21°N, 108°—112°E1′非线性无 21°—24°N, 112°—122°E 第三层17.75°—18.85°N, 109.15°—110.25°E30″非线性0.0013 21.45°—22.55°N, 113.25°—114.35°E 22.55°—23.65°N, 116.15°—117.25°E 22.15°—23.25°N, 119.65°—120.75°E
对不同震级的震源进行计算, 结果如图4所示。当震级为Mw8.0时, 参考点1的海啸首波波幅最小, 为0.2m, 波幅最大的是参考点4, 接近0.9m; 当震级为Mw9.0时, 参考点1的首波波幅最大, 超过3m。在这4个参考点中, 海啸首波波幅基本上随着震级的增加而加大, 但在参考点3出现首波降低的现象, 可能是由于在海啸传播至近岸的过程中, 海啸波与近岸的反射波互相叠加, 导致首波波幅减小。
图4 地震震级与首波波幅的关系
Fig. 4 Relationship between magnitude of earthquake and amplitude of first wave
表3 渡边伟夫海啸等级表[12]
Table 3 Imamura-lida tsunami level table[12]
海啸等级海啸波高/m损失程度 −1<0.5能量损失 01轻微损失 12损失房屋船只 24~6人员伤亡, 房屋倒塌 310~20≤400 km岸段严重受损, 人员伤亡大、房屋损毁严重 4≥30≥500 km岸段严重受损, 人员伤亡巨大, 建筑物尽毁
根据国际上通用的评价海啸危险性的渡边伟夫海啸等级表(表3), 当海啸登陆时的波幅达到2m时, 就会给登陆地区造成巨大损失。从图4可以看出, 对于本文研究的潜在震源, 当震级达到Mw8.6时, 参考点1的首波波幅会达到2m; 震级达到Mw9.0时, 4个参考点的海啸等级都会达到1级。
震源深度对海啸登陆时的波幅也有一定程度的影响。如图5所示, 当震级为Mw8.0时, 参考点4的震源深度为9km时首波波幅最大(0.88m), 震源深度为44km时首波波幅达到最小值(0.37m), 差距达到0.5m, 变化幅度在50%以上, 并且参考点1, 2和3的首波波幅随震源深度的变化不大。如图6所示, 当震级为Mw9.0时, 参考点1的首波波幅在各震源深度都大于另外3个参考点, 参考点3的首波波幅随震源深度变化较小。
图5 震源深度与首波波幅的关系(Mw 8.0)
Fig. 5 Relationship between focal depth and amplitude of the first wave (Mw 8.0)
图6 震源深度与首波波幅的关系(Mw 9.0)
Fig. 6 Relationship between focal depth and amplitude of the first wave (Mw 9.0)
图7 海啸传播过程
Fig. 7 Tsunami propagation process
从图5和6可以看出, 当震级不同时, 4个参考点首波波幅随震源深度变化的趋势不同, 当震源深度发生变化时, 首波波幅的变化幅度可以达到50%。
震级为Mw 9.0, 震源深度为9 km时, 海啸传播过程如图7所示。在海啸发生时, 海水的最大增水达到4m, 然后海啸迅速向四周传播。从图7可以看出, 海啸向中国大陆沿海地区传播时, 随着水深的减小, 海啸的传播速度也迅速降低。5小时后, 海啸到达中国沿海大部分城市。从最大增水图(图8)可以看出, 海啸登陆南海部分岛屿时, 首波波幅接近5 m。
本文选取2011年11月30日00:27:06(UTC)发生在马尼拉海沟地震的震源信息, 通过改变震级和震源深度两个海啸初始场信息, 对海啸登陆中国沿海地区时的首波波幅进行定量分析, 得到如下结论。
1)此震源引发的海啸在5小时内可以达到中国大部分沿海地区, 海啸在南海部分岛屿的登陆波幅很大, 当震级为Mw 9.0时可以达到5 m。
图8 海啸最大增水
Fig. 8 Sealevel uplift of tsunami
2)海啸登陆时的首波波幅基本上随着震级的增加而加大, 但有时首波波幅会异常减小, 可能是由于海啸波与近岸的反射波互相叠加造成的。模拟结果表明, 震级达到Mw8.6时, 部分沿海地区就会遭受海啸威胁。
3)震源深度会对海啸登陆时的首波波幅产生影响, 当震级不同时, 影响趋势也不相同, 震级为Mw8.0时, 三亚地区海啸首波波幅的变化幅度达到50%。
除震级和震源深度外, 断层走向以及震源位置也会对沿海地区的海啸登陆波幅产生影响。Chen等[13]对马尼拉海沟的海啸源进行数值模拟, 海啸在香港与汕头的模拟波幅大于本文的模拟波幅, 原因是海啸能量辐射方向与断层走向正交, 而海啸辐射方向在香港与汕头之间, 并且震源位置距离两处更近, 因此模拟波幅更大。
海啸登陆波幅受岸边地形的影响很大, 若要提高模拟精度, 需要网格密度更高的地形数据。本文只选取一个潜在海啸源进行模拟, 若欲拥有实时、准确的海啸预警能力, 需要对大量的潜在海啸源进行数值模拟, 以期完善海啸数据库。
参考文献
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Quantitative Analysis of Potential Tsunami Hazard in the South China Sea
Abstract The COMCOT model was used to analyze the potential hazards of the tsunami source in Manila Trench. By changing the information of the two tsunami initial fields — magnitude and source depth, the quantitative relationship between the first wave amplitude and the two is revealed when the tsunami landed in China’s coastal areas. The results show that the influence amplitude of different focal depths on the amplitude of the first wave can reach 50%. With the different magnitude of earthquake, the influence of the focal depth on the amplitude of the first wave is also different. The amplitude of the first wave of the tsunami landing basically increases with the magnitude. However, during the process of the tsunami spreading to the near shore, the tsunami wave will overlap with the reflection wave near the shore, which may cause the first wave landing amplitude to decrease abnormally. When the magnitude reach Mw 8.6, the tsunami level is 1 and some coastal areas will be threatened by tsunami.
Key words COMCOT; quantitative analysis; tsunami; earthquake magnitude; focal depth; South China Sea; first wave amplitude
doi: 10.13209/j.0479-8023.2019.015
收稿日期: 2018-04-26;
修回日期: 2018-06-13;
网络出版日期: 2019-03-15
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