浙江沿海潜在区域地震海啸风险分析

毛献忠，祝倩，Wei Yong

（1.清华大学深圳研究生院海洋学部，广东深圳，518055；2.NOAA Center for Tsunami Research，Pacific Marine Environmental Laboratory，NOAA，USA）

浙江沿海潜在区域地震海啸风险分析

毛献忠1，祝倩1，Wei Yong2

（1.清华大学深圳研究生院海洋学部，广东深圳，518055；2.NOAA Center for Tsunami Research，Pacific Marine Environmental Laboratory，NOAA，USA）

采用COMCOT海啸模型建立三重网格模型模拟了2011年3月11日日本东北部9.0级地震引发的海啸发生、发展以及在我国东南沿海传播过程。震源附近浮标站以及浙江沿海的潮位站实测资料验证结果显示，大部分监测站首波到达时间和海啸波的计算值相差在15%以内，表明模型可较好的模拟海啸在计算域内的传播过程。研究表明日本南海海槽、冲绳海槽以及琉球海沟南部是影响浙江沿海主要的区域潜在震源，通过情景计算分别模拟3个潜在震源9.1级、8.0级和8.7级地震引发的海啸对浙江沿海的海啸风险，计算结果表明，海啸波产生后可在3～8 h内传至浙江省沿岸，海啸波达1～3 m，最大可达4 m，此时浙江沿岸面临Ⅲ～Ⅳ级海啸风险，达到淹没至严重淹没等级。

COMCOT模型；地震海啸；日本南海海槽；冲绳海槽；琉球海沟；浙江沿海

1 引言

海啸是一种破坏力极强的自然灾害，全球约90%的海啸为地震海啸。2004年12月26日发生在印尼苏门答腊岛西北附近海域9.1级强烈地震，以及2011年3月11日发生在日本本州岛附近海域9.0级地震，引发区域内的特大海啸，造成巨大人员伤亡及财产损失。近年来海啸灾害频繁发生，促使沿海各国加强海啸理论研究，以及改进与完善现有的预警系统，同时对沿海地区潜在的地震海啸风险进行全面的评估。

有关研究表明，我国历史上最早的海啸记录发生在公元前48年，自公元前48年至2004年，我国沿海共发生海啸约60多次［1］；历史文献记录浙江沿海至少有5次遭遇地震海啸的袭击［2］。东海边缘的台湾－琉球－日本一带是地震高发地带，若该岛链某个断层发生强地震，对我国东南沿海潜在的地震海啸风险很大，因此需要对潜在的风险源进行调查和评估，以应对可能的地震海啸事件。

本文采用COMCOT海啸模型建立三重网格模型，在日本311地震海啸事件验证的基础上，对影响浙江沿海主要的潜在区域地震震源进行识别，然后模拟和评估其对浙江沿海的海啸灾害风险。

2 潜在震源分析

按照震源距受灾地的远近，海啸可分为局地海啸、区域海啸和越洋海啸，我国浙江沿海可能会遭到区域海啸和越洋海啸的影响。王培涛等［3］通过数值模拟，评估了10个环太平洋地震带上潜在或历史地震海啸事件对温州瓯江口的影响，计算波幅均小于100 cm。1960年智利9.5级地震大海啸和1964年美国阿拉斯加湾8.4级地震大海啸，在长江口的记录仅有20 cm。因此，本文主要研究区域海啸对浙江沿海的影响，即当中国近海发生强烈地震时，浙江沿海可能面临的灾害性海啸风险。影响浙江沿海的区域海啸源主要有东海大陆架外的冲绳海槽、琉球海沟、日本西南海域的南海海槽以及马尼拉海沟。

日本南海海槽位于日本西南海域，由于菲律宾海板块的北西向运动与其向欧亚板块的强烈俯冲，致使该区域频繁发生强烈地震［4］。海槽由东海、东南海和南海3段组成，一般统称为南海海槽。自公元175年以来，该区域共发生过12次7.5级以上的地震，最新的大地震记录是1944年东南海7.9级地震和1946年南海8级地震。有研究认为日本南海海槽8级地震发生周期约为100～200 a，因此未来该区域发生大地震的概率很高［5］。日本中央防灾委员会在日本东北311海啸过后，重新评估了日本南海海槽地区海啸风险，将其可能面临的最大地震从8.7级升级为9.1级（http：／／www.bousai.go.jp／jishin／nankai／model／index.html）。NOAA将太平洋、大西洋、印度洋已知的和潜在的地震震源分为1 160个单位震源，建立海啸传播数据库，为其SIFT（Short-term Inundation Forecast for Tsunamis）预报模式服务［6］。本文参考该数据库中琉球－九州－日本南海海槽地震带参数，设置了该地区①发生9.1级大地震时的断层（图1）。

图1 潜在震源断层分布图Fig.1 Distribution of fault plane segments of potential sources

琉球海沟俯冲带是欧亚板块与菲律宾板块的板块边界，菲律宾板块整体向北西向移动，俯冲插入亚洲板块之下，使得琉球岛弧隆起，琉球海沟形成，海沟长1 500 km，南自台湾岛，北至九州帛琉海岭，海沟南段较深，最大深度7 507 m［7］。地质学和地球物理学数据［8］显示琉球群岛南部的冲绳海槽正以50 mm／a的速度向175°方向扩张。加上欧亚板块和菲律宾板块以80～85 mm／a的速度靠拢，所以在南琉球岛弧地区与菲律宾板块靠拢的速度可达125 mm／a。根据台湾地区的历史记录，在过去几百年，台湾东北带发生了至少10次7.0级以上地震，最大的一次是1920年7月5日的一次7.7级地震［9］。参考NOAA全球震源数据库［6］，在琉球地带（②－⑥）选择了5个震源，震级设置为8.0级。Hsu等［8］研究了台湾岛东面与那国岛之间的琉球俯冲地带发生浅源地震的可能性和规模，结合台湾地区的GPS数据和琉球地区历史地震数据，研究推测可能发生7.0～8.7级浅源地震的地区，位于台湾岛东部至加瓜海脊之间。因此，在琉球海沟俯冲南段（⑧）设置了8.7级地震的断层。

冲绳海槽为大陆边缘张裂形成的半深海弧后盆地，其构造发育主要受控于欧亚板块与菲律宾海板块之间俯冲活动。海槽的断裂系统一组平行于海槽走向，另一组相交于俯冲构造带走向，海槽的断裂系统决定了其东西分带，南北分块的构造地貌特征［10］。海槽南部水深在1 000～2 000 m，南部边缘地形起伏不平；中部地形较为平坦，水深约1 000～2 000 m；北部水深在500～1 000 m之间。冲绳海槽的地形、水深条件符合海啸发生的要求，且具有强烈的断裂构造活动、高热流值，是会威胁到我国东南沿海的潜在震源区［11］。参考上海地震局的研究［12］，冲绳海槽⑦设置地震震级为8.0级的断层。

马尼拉海沟位于台南至菲律宾地震带西带，平均水深为4 800～4 900 m，最深达5 377 m。海底地形复杂，与海沟平行还有呈SN向的海岭分布。因其水深和海底地形起伏较大，具备产生地震海啸条件。马尼拉海沟断堑带是受正断层控制的断堑槽地，该区域强震活动频繁［13］。2006年，美国地质调查局（USGC）对整个太平洋俯冲带的地震源的潜在危险性进行了评估，认为马尼拉海沟是南海风险最高的区域［14］，未来若该区域发生大地震，有可能引发大规模的海啸，并对我国东南沿海诸省以及港澳地区产生影响。参考NOAA全球震源数据库［6］，将马尼拉俯冲区⑨分为18个长100 km宽50 km的单位震源，总震级为9.0级。

根据以上分析，针对浙江沿海面临的主要海啸风险共设计了9组（①－⑨）研究方案，其震源位置和断层分布见图1。

3 模型建立与验证

2011年3月11日，在日本本州岛仙台港以东130 km处发生了9.0级地震，引发的海啸袭击了日本本州东北大部分沿海城市，海啸造成2万多人死亡和失踪。我国台湾、福建、浙江、江苏等地的沿海验潮站也监测到了海啸波，国家海洋局发布了海啸蓝色预警。本次海啸事件监测数据完备，为海啸模型的建立和验证提供翔实的资料。

3.1 COMCOT模式简介

COMCOT海啸模式是美国Cornell大学Philip Liu开发的，该模型基于线性和非线性浅水长波方程，采用多层网格嵌套分别模拟海啸在深海和浅海中的传播。根据海啸传播特性以及海域实际情况，可调整计算区域和网格大小，以及选择线性或非线性控制方程，从而兼顾计算精度和效率。模式的控制方程及算法详见文献［15］。

模型通过输入地震断层参数，由Okada［16］弹性断层模型计算得到震后海底表面变形，据此作为海啸初始波高。地震断层参数包括断层长度（L）、宽度（W）、震源深度（H）、震中经纬度（location）、走向角（strike）、滑移角（slip）、倾角（dip）、错移量（D）。在深海，控制方程选用球坐标下线性长波方程，在近岸，控制方程选用球坐标下非线性长波方程。

3.2 计算区域和监测点

本文采用3层嵌套网格建立海啸传播模型。第一层网格范围为3°～66.5°N，105°～175°E，分辨率为2′，包括东海、台湾海峡、南海、日本及部分西太平洋海域，由于水深较深，忽略海底摩擦力，采用球坐标系线性长波方程。第二层网格范围为21°～34°N，118°～128.5°E，分辨率为0.5′，主要包括东海沿海区域及东海大陆架，采用球坐标系下非线性长波方程，第一层和第二层的地形数据来源于GEBCO提供的地形数据。第三层网格范围为27°～31.5°N，120.5°～122.5°E，主要包括浙江省沿海海域，精度为6″，采用球坐标系下的非线性浅水长波方程，地形数据来源于海图资料。三重网格的计算域、震源附近的浮标站位置以及浙江沿海的验潮站分布见图2。

3.3 震源参数的设置和模型验证

311地震海啸发生后，Tang等［17］利用浮标站在震后1 h之内的监测数据，反演计算了6块长100 km宽50 km的小断层震源参数，并利用这些断层参数作为初始条件，较精确地模拟海啸在日本近场和越洋的传播情况［17—18］。参考文献［17］中断层设置（见表1），作为本文所建海啸模型的输入条件，模拟此次海啸波的产生和发展，以及在我国沿海的传播情况。

图3给出了日本311海啸在大洋和近海的最大波幅分布。由图3看出，此次地震引发的海啸主要向东南方向传播，能量集中传向太平洋。我国沿海不在海啸能量传播的主方向上，且受岛链及东海大陆架的阻挡，海啸传播至我国东南沿海时能量已衰减很多。此次海啸对江苏南部至福建北部、闽南至珠江口沿岸有一定的影响，浙江省沿岸海啸波最大波幅在10～60 cm之间。

图2 三重网格计算域和监测点分布图Fig.2 The three-layer nested computational domain and the locations of observation stations

表1 311日本地震断层参数Tab.1 Fault parameters of Japan 311 Earthquake

图3 311海啸最大波幅分布Fig.3 The maximum amplitude distribution of 311 Earthquake tsunami

图4是模型计算结果和震源附近3个海啸浮标DART观测值的对比图。对比结果显示，海啸首波及之后海啸波变化过程，模型计算和观测序列基本一致；首波在地震后0.5～1.5 h内陆续到达附近的浮标站，到达后约15 min出现第一个波峰，模型计算的第一个完整海啸波与观测值较为吻合，相位误差在2 min以内；21401站和21419站首波峰计算值分别为50.6和41.5 cm，误差小于2 cm；21413站观测值为66 cm，计算值为74 cm，误差12%。验证结果说明模型可较好地模拟311日本地震海啸发生及深海传播过程。

311地震海啸发生后，我国沿海的潮位站都观测到海啸波，图5为沿海坎门、石浦、沈家门、吕四4个近岸验潮站的模拟值与观测值对比，海啸首波到达验潮站的时间及首波波高见表2。计算结果显示，模型计算首波到达验潮站时间与观测值相差在20 min以内，首波波高除沈家门站有较大偏差，在其余几个验潮站的平均误差约为15%。沈家门站周围岛屿较多，网格和地形的精度可能导致误差较大，本文计算结果和王培涛等［19］的接近。计算结果表明，模型模拟的海啸传播时间和波高与观测值基本符合，说明模型能较准确模拟海啸在浙江省沿海海域内的传播过程。

图4 DART浮标观测值和模拟值对比Fig.4 Comparison of simulated results with the measurements of DART buoys

图5 部分验潮站观测值和模拟值对比Fig.5 Comparison of simulated results with the measurements of tide gauges

表2 首波波幅、到达时间的模拟值和验潮站观测值对比Tab.2 Comparison between the observed and simulated arriving time and first wave height at tide gauges

4 浙江沿海的海啸风险分析

根据潜在震源分析，浙江沿海面临主要的风险可能来自东海大陆架外的冲绳－琉球海域、日本西南海域的日本南海海槽以及马尼拉海沟。采用已验证过的模型，对图1中9个假想的地震海啸事件进行情景模拟，模拟地震发生后16 h内海啸在区域内的传播过程。计算结果表明对浙江沿海有显著威胁的地震事件是日本南海海槽①、冲绳海槽⑦及琉球海沟俯冲南段⑧。3个假想海啸事件在浙江沿海多个验潮站的最大波幅计算结果见表3。根据政府间海洋学委员会（IOC）太平洋海啸预警系统海啸危险等级划分标准（表4）对上述3个假想事件对浙江沿海的海啸风险进行分析。

表3 验潮站情景计算最大波幅Tab.3 The maximum amplitude of three scenarios at tide gauges

表4 海啸危险等级划分Tab.4 Tsunami hazard rank criteria

4.1 情景一：日本南海海槽（Mw9.1）

图6是情景一日本南海海槽发生Mw9.1地震海啸后在区域内最大波幅分布。日本南海海槽9.1级地震引发的海啸能量主要传向太平洋海域，我国沿海虽不在主要传播方向上，但海啸波的能量巨大，部分海啸波穿过吐噶喇海峡传至我国沿海，影响范围包括江苏至福建北部，对广东沿海也有轻微的影响。受台湾岛的保护，福建中部受影响较小。

震后海啸5 h首先到达浙江南部，6 h后传至浙江中部，8 h后传至北部。从图6知，整个浙江沿岸均受到较严重的影响，最大海啸波均超过1.0 m，浙江大部分地区面临Ⅲ级淹没风险；中部大部分验潮站的最大波幅超过2.0 m，其中大目涂站达2.6 m，局部地区最大海啸波达4.0 m，面临Ⅳ级严重淹没风险。

图6 情景一海啸最大波幅分布Fig.6 The maximum tsunami amplitude distribution for Scenario 1

4.2 情景二：冲绳海槽中部（Mw8.0）

图8是情景二冲绳海槽中部Mw8.0地震海啸后在区域内最大波幅分布。计算结果表明，江苏南部至福建北部均会受到地震海啸的影响，浙江及江苏北部在海啸能量的主传播方向上，是受影响最大的区域。震后3 h海啸传播至浙江南部，再经约2 h传至浙江中部和北部，其中，中部和南部受到的影响大于北部，浙江中部和南部最大海啸波均在1.0～3.0 m之间，局部地区在3.0 m以上，构成Ⅲ～Ⅳ级淹没风险；北部杭州湾稍低，在0.5～1.0 m之间，局部海域1.0 m以上，构成Ⅱ～Ⅲ级风险。在沿海验潮站中，南部南麓山验潮站最大波幅可达1.8 m，鱼山验潮站达1.6 m。

图7 情景二海啸最大波幅分布Fig.7 The maximum tsunami amplitude distribution for Scenario 2

4.3 情景三：琉球海沟南端（Mw8.7）

图7是情景三琉球海沟南端Mw8.7地震海啸后在区域内最大波幅分布。计算结果表明，震源距离我国沿海较近，海啸迅速袭击台湾岛东部，继续传播至我国东南沿海，影响范围包括台湾岛东、江苏南部至福建北部、福建南部、广东沿海。震后3 h海啸开始传播至浙江南部，再经约2 h传至浙江中部和北部。浙江南部和中部大部分地区，最大海啸波幅在1.2～2.0 m之间，局部地区超过3.0 m，造成Ⅲ～Ⅳ级淹没至严重淹没风险，北部除杭州湾部分地区波幅低于1 m，为Ⅱ级近海风险外，其他地区面临Ⅲ级淹没风险。在南麓山验潮站，最大波幅达3.4 m，可能受附近地形放大效应影响所致，南麓山验潮站附近海域将面临Ⅳ级严重淹没风险。

图8 情景三海啸最大波幅分布Fig.8 The maximum tsunami amplitude distribution for Scenario 3

对比情景二和情景三的计算结果表明，发生地震的断层走向不同，海啸的影响区域也有所不同。若冲绳海槽中部发生地震，海啸的主传播方向在西北方向，浙江沿海正好在海啸能量的主传播方向上，所以海啸影响最大；而琉球海沟南端发生地震，海啸的主传播方向在东北方向，浙江沿海不在海啸主传播方向上。所以，虽然情景二和情景三的地震震级相差很大，但浙江沿海面临的海啸风险相当。

5 结论与建议

（1）本文采用COMCOT海啸模式建立了三重嵌套海啸计算模型，模拟了日本311东北部9.0级地震引发的海啸在区域内的传播过程，对比浮标站及沿海潮位站实测资料，模型计算海啸波误差在15%以内，

表明模型在计算域内结果稳定、可靠，可较好地模拟海啸在计算域内的传播过程。

（2）日本南海海槽、冲绳海槽以及琉球海沟南部是影响浙江沿海主要的潜在区域海啸震源，当这些区域发生强烈地震时会对浙江沿海造成灾害性影响。通过情景计算分别模拟3个潜在震源9.1级、8.0级和8.7级地震引发的海啸对浙江沿海的海啸风险，计算结果表明，海啸波产生后可在3～8 h内传至浙江省沿岸，海啸波高1～3 m，最大可达4 m，浙江沿岸面临Ⅲ至Ⅳ级海啸风险，达到淹没至严重淹没等级。

（3）海啸是最严重的海洋动力灾害之一，科学评估沿海地区海啸灾害风险，特别是最大海啸淹没范围的评估，是今后防灾减灾重点的研究内容。

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Risk analysis of potential regional earthquake tsunami on the coast of Zhejiang Province

Mao Xianzhong1，Zhu Qian1，Wei Yong2

（1.The Division of Ocean Science and Technology，Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China；2.NOAA Center for Tsunami Research，Pacific Marine Environmental Laboratory，NOAA，USA）

A three-layer tsunami model was established utilizing COMCOT numerical model to simulate the generation and propagation of 2011 Tohoku-Oki earthquake tsunami event.The numerical results show that the errors between the computed arrive time and wave height and the observations at the DARTs near earthquake source and the tide gauge stations along Zhejiang coast are less than 15%.Studies show that Japan Nankai Trough，Okinawa Trough and South Ryukyu Trench would be the major potential regional tsunami sources which may threaten Zhejiang coast.Three hypothetical events of the above sources with Mw9.1，Mw8.0 and Mw8.7 earthquakes were stud-ied by the model to assess their impacts on Zhejiang coast.The numerical results show that the tsunami waves generated by three hypothetical events would take 3 to 8 hours to reach the Zhejiang coast area，and the amplitude could vary between 1 and 3 m，with the maximum wave up to 4 m.The simulation indicates that the study area would face the tsunami hazards with levelⅢor levelⅣ，which can cause inundation or serious inundation risk.

COMCOT model；earthquake tsunami；Japan Nankai Trough；Okinawa Trough；Ryukyu Trench；Zhejiang coast

P315.3

A

0253-4193（2015）03-0037-09

毛献忠，祝倩，Wei Yong.浙江沿海潜在区域地震海啸风险分析［J］.海洋学报，2015，37（3）：37－45，

10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.004

Mao Xianzhong，Zhu Qian，Wei Yong.Risk analysis of potential regional earthquake tsunami on the coast of Zhejiang Province［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（3）：37—45，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.004

2014-04-11；

2014-06-11。

国家自然科学基金项目（41176001）；深圳市科技项目（GJHS20120702112942334）；深圳市近海动力环境演变重点实验室（ZDSY20130402163735964）。

毛献忠（1968—），男，浙江省龙游县人，副研究员，从事海啸和风暴潮模拟和预报技术研究。E-mail：maoxz＠sz.tsinghua.edu.cn