汕头市海啸淹没范围的数值研究

侯京明，于福江,2,王培涛

汕头市海啸淹没范围的数值研究

侯京明1，于福江1,2,王培涛1

（1.国家海洋环境预报中心,北京100081;2.国家海洋环境预报中心海洋灾害预报技术研究国家海洋局重点实验室，北京100081）

文中以汕头市为例，利用“COMCOT”模型进行海啸数值计算。主要从局地海啸和区域海啸两个方面进行，共模拟6个海啸源点。从结果来看，海啸源点3引起的淹没范围最大，海啸淹没了汕头市东部的大片市区，最大淹没面积为17 km2。

海啸；淹没；数值计算

1 引言

海啸通常是由一系列波动组成，海底地震、滑坡、火山爆发和陨石降落都能引发海啸。它和一般常见的海浪、潮汐等海洋波动不同，它的波长更长，在大洋中的运动速度更快。另外，通常海洋波动只是最上层海水的运动，而海啸波动则是从海底到海面的整个水体的运动。在大洋中，海啸的波幅通常是几十厘米至一米左右。但是靠近海岸时，海水变浅与波速减缓引起海啸波长减小，造成能量聚集，海啸波会迅速升高，有时可以达到数十米。可见，海啸波携带的能量巨大，到达近岸一般会造成重大生命财产损失。

面对海啸灾害，美国、日本和智利等受海啸灾害影响严重的国家纷纷投入大量人力物力对海啸灾害进行研究。实施海啸防灾减灾计划，其中一个经济有效的方法就是构建海啸高风险区的海啸淹没图。海啸淹没图是以历史和有可能发生的海啸事件为依据，借助可靠的数学计算模型对海啸高风险区进行数值计算后绘出的。随着卫星技术和航天飞机技术在地形数据收集处理方面的应用，为海啸淹没范围的研究提供了所需要精确的水深数据和近岸陆地高程数据，这在某种程度上促进了各国对海啸淹没的研究。

美国自1996年开始国家海啸灾害减灾计划，此计划是美国政府为应对海啸对沿岸民众和财产的威胁而进行的由联邦政府和州政府联合起来的一项综合性工程。该计划的其中一项重要内容就是风险评估系统建设，海啸淹没图是其中重要的组成部分[1]。目前，已经完成了65个城市的高精度海啸淹没图。而我国在这方面的研究尚处于起步阶段，本研究选取汕头市区作为研究对象，利用数值模型进行汕头市海啸淹没范围的研究，并绘制海啸淹没图。

2 海啸危险性分析

虽然大多数海啸是由海底地震引发，但并不是所有的海底地震都能引发海啸。一般来说，大多数海底地震不引发海啸。陈顒和陈棋福[2]认为，地震海啸的产生一般受三个条件控制：

震源断层条件：构造地震是最主要的产生海啸的地震类型，地震必须能引起海底垂直方向上的剧烈变形，才能产生海啸；

震源水深条件：在深水区发生的地震更容易产生海啸；

震级、震源深度条件：震级大于6.5，震源较浅的地震易于产生海啸。

从我国周边的地壳断层来看，我国东南部沿海处于太平洋板块和欧亚板块的交接处，由一系列的岛弧和海沟组成，这些地区是地震海啸常发生的地区。从图1可以看出，我国周边海域的地震主要分布在琉球海沟、马尼拉海沟及台湾周边。从地震海啸产生的几个条件来看，我国东海虽然平均水深在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，水深条件较深符合海啸发生条件[5]。从历史资料来看，6.5级以上的地震在这三个地区均发生过多次[6]。如果海啸发生，我国的江苏省、上海市、浙江省、福建省、广东省、台湾、海南和南海岛屿都将受到影响。

汕头面朝南海，又通过巴士海峡与太平洋相连，因此汕头既面临局地海啸和区域海啸的危险，也受越洋海啸的影响。从图1可以看出汕头周边的地震海啸威胁主要来自于从台湾西南部海域一直到菲律宾的地震带上，另外，产生自菲律宾海沟和琉球海沟的地震海啸也可能穿过巴士海峡和台湾海峡影响汕头地区。

图1 我国周边海域板块边界与地震事件

图2 汕头地区水系矢量图

3 地形水深处理

利用数值模型进行数值计算时，需要提供所研究区域的高程和水深数据。而海啸淹没范围的研究，地形数据的准确性非常关键，直接决定了数值计算的成败，因此必须选择分辨率高、误差小的数据。虽然目前有多家国内外研究机构提供水深数据的下载，但分辨率都比较粗，达不到数值计算的需要，需要进行插值计算。而且由于测量手段的原因，近岸的水深数据往往误差较大，本研究利用已有的近岸水深资料对其进行订正。

汕头地区的陆地高程数据选用ASTER GDEM数据，近海水深采用实测数据，远海水深选用GEBCO_08 Grid数据。因为ASTER GDEM数据的分辨率最高，为1弧度秒（约30m），所以汕头市近海的高程水深场数据的分辨率定为1 s（约30 m）。由于GEBCO_08 Grid水深数据的分辨率为30 s，所以需要进行插值。这里选用在地理信息系统数据处理中常用的克里金插值方法进行插值。

对于地形数据中海陆边界不准确的问题，本研究利用Landsat影像数据对高程水深文件进行提取，较好地解决了这个问题。Landsat5卫星装有专题绘图仪TM，TM共7个波段，每个波段都有自己的特点，对事物的敏感性不同。其中，第5波段区分水面和陆地面的能力较强，本研究用第5波段来刻画汕头地区的海陆边界，对海陆边界数据进行校准。

图2黄色区域是用遥感图像处理软件ENVI提取的水系部分矢量面文件，利用矢量面文件来提取高程和水深文件，可以较好地解决海陆边界模糊的问题。

4 COMCOT模型简介与验证

4.1模型简介

本文数值计算采用COMCOT模型，COMCOT是由美国Cornell大学研发的海啸模型，能够模拟海啸的整个生命过程，包括产生、传播、爬高和淹没。COMCOT引入了多种海啸生成机理，包括地震断层，滑坡等。模型可以在不同区域，不同坐标系（球面坐标或者笛卡尔坐标）和使用不同控制方程（线性或者非线性）进行运算。模型设计为多重网格结构，每一层的控制方程和网格分辨率等参数可以不同。

在计算海啸波在大洋深海的传播时，COMCOT采用线性浅水方程，在模拟海啸波的近岸淹水部分，模型利用带底摩擦项的非线性浅水方程作为控制方程。COMCOT运用干湿网格法处理海啸淹没时的动边界。国际上，曾有多位专家学者利用COMCOT进行过海啸研究，Wang和Liu[7]曾在2006年利用COMCOT成功的模拟了2004年印度洋大海啸的爬高和淹没过程。

4.22011日本海啸情况简介

北京时间2011年3月11日，日本本州东部海域发生Mw9.0级地震，震源深度为24 km，震中位于日本仙台以东约130 km海域。随后，地震引发大海啸并袭击了日本本州东北地区大部分沿海地区。本次海啸是一次波及整个太平洋的越洋海啸。在地震发生后的20多个小时里，海啸先后到达了太平洋沿岸一些国家和地区。各地均监测到了明显的海啸波。

日本国土交通省根据卫星图片估计日本大海啸的淹没范围约535 km2。日本东北地震海啸联合调查组的调查结果显示，本次大海啸的海啸波爬高超过40 m。日本本州东北部海岸受海啸影响最大，这一地区从地理上可以划分为两部分，北部三陆地区，包括宫城、岩手、青森等县辖区，多山地，河口溪谷密集。海啸波传到这里，波浪爬高较大，但由于地势较高，淹没范围较小；从宫城县仙台市往南，包括福岛、茨城和千叶等地是广阔的平原，地势较低，当海啸波传到时，淹没了大片区域，尤其是仙台附近沿岸，淹没范围最大。电视等新闻媒体报道中出现的淹没画面大多发生在该区域。联合调查团的调查结果显示，该地区的海啸平均淹没高度在10—15 m之间。本研究数值模拟的就是该区域。

4.32011日本海啸数值模拟

根据震源参数的计算方法，得出地震参数（见表1），并用COMCOT模型对这次大海啸事件进行数值模拟。将模拟出的淹没范围与联合调查组调查的淹没区域进行比对。数值模拟采用两层网格嵌套。

图3是COMCOT模型计算出的淹没范围图，其中红色的线是实际调查测量的淹没界线，从图中可以看出，模型结果与实际测量线大致相同。从淹没高度上看，计算结果显示最高波幅为38 m，与调查结果得出的40 m非常接近。计算结果表明，COMCOT模型能较好地模拟海啸的淹没过程。

表1 日本地震海啸震源各参数

5 汕头市数值计算及成图

从汕头市所处的地理位置以及以往数值计算结果来看，越洋海啸的影响应该小于大型局地海啸和区域海啸，不会产生重大灾害。因此，本研究主要从局地海啸和区域海啸两个方面来进行数值计算。根据以上分析，汕头市地区最大的局地海啸威胁来自于马尼拉海沟和台湾南部的断层。从区域海啸来看，最大的威胁可能来自于琉球海沟和马尼拉海沟。

图3 数值结果与调查结果对比

5.1地震参数计算

对于COMCOT模型所需要的各个地震参数，走向角、倾向角和滑角需要根据地震断层的具体情况确定。以往假想地震的震级，都是在历史资料的基础上，根据地震与地震频数的关系，利用最小二乘法求得。吸取2011年日本大海啸的经验教训，我国也仅有短短几百年的地震资料，不能排除马尼拉海沟多个断层面发生联合破裂继而发生大地震的可能性。因此，对于马尼拉海沟这种较大的断层的海啸源不能采用此方法。四个震源点中，只有位于台湾南部小断层上第一个点的震级是根据历史资料计算的，而位于马尼拉海沟的其他三个海啸源的震级都定为Mw9.0级。2011年由联合国教科文组织政府间海洋学委员会在整个太平洋区域发起的太平洋海啸演习设置的10个假想海啸源的震级也全部为Mw9.0级。魏柏林[4]等也认为台南至菲律宾地震带仍是强震活跃地带，有可能引发更大规模的海啸，切不可掉以轻心。

图4 局地海啸震源选点

5.2局地海啸数值计算

为计算局地海啸对汕头市的影响，本研究根据地震事件的发生次数和板块界线，在台湾岛和菲律宾之间的海域标出了4个最可能产生海啸并对汕头市产生较大影响的地震震源（见图4），来模拟局地海啸对汕头市的淹没影响。

第一个震源选在台湾西南部的一处断裂带上，这里发生过多次地震，并且1994年在这一地区附近发生过一次海啸事件，当时东山潮位站监测到20多厘米的海啸波[8]。第二个震源位于马尼拉俯冲带的北端，这里地震发生次数也比较多，地质运动活跃。第三个震源位于菲律宾西北吕宋岛近海，根据马尼拉俯冲带的走向，这里的走向角在45度左右，如果发生海啸，海啸的主要能量可能传播到汕头地区。第四个震源也处在马尼拉俯冲带上，地震活动比较多。利用地震参数的计算方法，得出上述的四个地震海啸源的各种参数如表2。

局地海啸数值计算采用两层嵌套格式，第一层经度范围介于东经112度到122度之间，纬度介于北纬15度到25度之间，分辨率为10 s（约300 m），采用线性浅水控制方程。第二层经度范围介于东经116.5度到117度之间，纬度介于北纬23.5度到24度之间，分辨率为为1 s（约30 m），采用非线性浅水控制方程，并加入底摩擦参数。海啸波的生成均利用模型中的地震断层方式进行计算。

局地海啸数值计算后，得到四个汕头市近海的最大海啸波波幅数据文件，即数值嵌套计算中的第二层结果，数据绘图后如图5所示。

表2 各海啸源地震参数表

图5 局地海啸源点最大海啸波波幅

从图5可以看出海啸波在汕头市近海发生了淹没。无论从淹没范围还是从淹没高度上看，都是第3个海啸源点最大，主要原因是第3个点的断层的走向角度使得海啸波能量的主要传播方向刚好对向汕头市方向。海啸源点1虽然距离汕头市最近，断层走向角度也有利于海啸波传向汕头市，但是由于其震级小，释放的能量也小，所以引起的海啸淹没范围不大。海啸源点2的淹没范围较小也是断层走向角度的原因，海啸波的主要能量没有传向汕头市地区。

5.3区域海啸数值计算

根据前面海啸危险性分析结果，汕头市遭受到的最大的区域海啸威胁主要来自于琉球群岛附近的琉球海沟和菲律宾以东的菲律宾海沟。从图6的地震数据可以看出，这两个区域确实常发生地震。

为计算区域海啸对汕头市的影响，本研究在这两个区域各选择了一个海啸源，记为海啸源5和海啸源6。震级也都设为Mw9.0级，除计算区域范围有所不同外，其他数值计算所需要的各个参数的设定与局地海啸基本相同。

图6 区域海啸震源选点示意图

从区域海啸的计算结果图7看出，区域海啸给汕头市近海造成的淹没范围和淹没高度比局地海啸的小。虽然这两次数值计算所模拟的海啸事件都比较大，但是能量的主要传播方向不是汕头市方向，而且海啸波在传播过程中受到台湾岛和菲律宾的阻挡，导致到达汕头市近海的海啸波波幅大大降低。

综上所述，从计算结果看，海啸源点3的淹没范围最大，海啸源点4次之。海啸源点3的海啸波幅度为11.1 m，海啸源点4的海啸波幅度为10.6 m，其他各点的海啸波幅度都在10 m及以下。经过计算淹没面积，海啸源点3淹没了汕头市市区17 km2的区域。因此，汕头市地区最大的海啸淹没危险来自于马尼拉海沟的各个断层区，尤其是源点3所在区域。

从公众防范海啸淹没灾害的角度看，应该考虑所有可能发生的海啸淹没危险，因此，本次数值计算的结果应当选择淹没范围最大的海啸源点3的计算结果。

图7 海啸源点最大海啸波波幅

5.4绘制淹没图

本研究重点关注汕头市市区的淹没情况，所以着重分析汕头市市区的淹没范围。汕头市区分布于榕江入海口的两岸，沿岸分布有许多重要企事业单位，如码头、医院、学校、邮局、体育馆等，汕头市政府所在地也离岸边不远。将海啸源点3的计算结果和市区地图结合起来看（如图8），海啸淹没了汕头市东部的大片市区。淹没区域主要集中在北岸市区，珠池路往南的大部分区域均属于危险区。另外，人民广场附近也在淹没区中。淹没区里有码头、火车站、居民区等大量的海啸灾害脆弱地物。从撤离方向上看，在北部市区，公众得到海啸预警后，应当向西北方向撤离。

图8 海啸淹没图

6 结论

本文利用假想地震源，探讨了海啸淹没范围的数值计算方法，并利用GIS技术绘制了海啸淹没图。海啸淹没范围的研究，是制作海啸疏散图的前提，它既可以为政府部门提供决策服务，保障社会经济的正常发展，又为群众安全避险提供依据，保护人民生命财产免受损失。

[1]González F I,Geist E L,Jaffe B,et al.Probabilistic tsunami hazard assessment at Seaside,Oregon,for near-and far-field seismic sources[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2009,114 (c11),DOI:10.1029/2008JC005132

[2]陈顒，陈棋福.印尼地震海啸及其相关的地球物理现象[J].地球物理学进展,2005,20(1):112-117.

[3]董非非,朱元清,周中红,等.地震海啸传播过程数值模拟研究[J].地震地磁观测与研究,2009,30(2):38-44.

[4]郭彩玲,王晓峰.中国东部海域发生海啸的可能性分析[J].自然灾害学报,2007,16(1):7-11.

[5]魏柏林,康英,陈玉桃,等.南海地震与海啸[J].华南地震,2006,26 (1):47-60.

[6]王锋,刘昌森,章振铨.中国古籍中的地震海啸记录[J].中国地震, 2005,21(3):437-443.

[7]WangX,Liu P.Ananalysis of 2004 sumatraearthquakefaultplane mechanisms andindianoceantsunami[J].J HydraulicRes,2006,44 (2):147-154.

[8]于福江,叶琳,王喜年.1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸的数值模拟.海洋学报,2001,23(6):32-39.

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

国家海洋局海洋公益性行业科研专项（201205034-02）

侯京明（1982-），男，工程师，主要从事海啸和风暴潮预警报技术研究。E-mail：houjingming1982@126.com