马尼拉海沟潜在地震海啸对我国华南沿海危险性研究

张 鑫，毛献忠

马尼拉海沟潜在地震海啸对我国华南沿海危险性研究

张 鑫，毛献忠

（清华大学深圳研究生院海洋学部，广东深圳518055）

采用COMCOT模型建立南海多重嵌套网格对马尼拉海沟潜在震源进行数值模拟，评估马尼拉海沟地震海啸对我国华南附近海域的影响。敏感性分析结果表明：马尼拉海沟地震震源深度为33～40 km时，地震引发的海啸危险性最大；在此基础上，设置5种马尼拉海沟潜在地震海啸情景，其中情景二、四和五，其地震震级分别为Mw8.6、Mw8.8和Mw9.0，引发的海啸会严重威胁到我国华南沿海大部分海域，危险等级为III-IV级，有淹没至严重淹没危险。

马尼拉海沟；地震海啸；COMCOT模型；危险性分析

1 引言

海啸是由海底地震、陡岸滑坡或海底火山爆发等引发的海洋动力灾害，其中地震海啸最为常见。近十多年来，海啸事件发生频繁，特别是2004年12月26日印尼苏门答腊9.1级地震和2011年3月11日日本东北部9.0级地震引发的特大海啸，分别造成数以万计的人员伤亡，日本311海啸还引发了核辐射二次灾害。因此，沿海各国纷纷建立或完善海啸预警系统并对重点区域进行海啸风险评估，以减轻海啸灾害对沿海人员生命财产可能造成的损失。

我国拥有1.8×104km的海岸线，沿海有多次遭受海啸袭击的历史记录，除台湾外没有特大海啸发生记录[1]。但是相关研究[2]表明，南海有遭遇特大海啸袭击的可能性，美国地质勘探局（United States Geological Survey，USGS）2006年报告[3]指出马尼拉海沟是全球风险最高的潜在特大地震震源之一。国家海洋局针对马尼拉海沟潜在震源开发了南海定量海啸预警系统[4]。一旦马尼拉海沟发生特大地震，南海可能产生灾难性海啸，我国华南沿海将面临巨大的海啸灾害风险。

本文针对南海潜在的地震情景进行识别，确立威胁性较大的地震情景。采用COMCOT（Cornell Multi-grid Coupled Tsunami model）海啸传播模型建立多重网格嵌套模型，对影响华南沿海地区的潜在震源引发的海啸进行数值模拟，分析和评估华南沿海重点区域的海啸灾害危险性。

2 震源分析

USGS在2006年报告[3]中指出，马尼拉海沟、琉球海沟和苏拉威西岛海沟是有可能引起特大海啸的潜在海底地震震源。马尼拉海沟、琉球海沟和苏拉威西岛海沟分布如图1所示。琉球海沟发生地震引发海啸，海啸波主要传播至太平洋东北方向，主要影响我国东海以及东部沿海地区，由于琉球群岛以及台湾岛以南岛链的阻隔，对我国南海影响较小[5]。苏拉威西岛海沟发生地震引发的海啸则大部分传播到了西里伯斯海，对我国南部沿海不会有直接的影响[6]。相比之下，马尼拉海沟发生地震引发海啸，向西或西北方向传播，将会直接威胁我国南部沿海地区的安全。

图1 中国南部海啸源分布图（A—C是第4部分华南沿海潜在海啸危险性分析对应的分析区域；D是第3部分敏感性分析中设置的第二层网格位置；M1—M6为断层；①—⑤为3.3节敏感性分析的研究点）

中国南海由西北向东南依次为大陆架、中央深海盆地和海沟，平均水深为1 140 m，马尼拉海沟南端的最深处可达5 377 m[7]。马尼拉海沟形成于第三纪中新世，北起台湾南部，南至菲律宾中部，位于亚欧大陆板块和菲律宾板块之间，全长共1 500 km，与引发印尼海啸的亚齐-安达曼逆冲断层相当，亚欧板块在菲律宾板块以下的部分正以80 mm/a的速度下降，至今仍属活跃地震带[8-9]。美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）统计结果显示，1604年和1645年马尼拉海沟发生两次Mw8.0大地震，1904—1968年期间，南海区域发生Mw7.0以上地震350次，有2次引发海啸[10]。Mw8.0地震间隔期为65 a，Mw8.5地震间隔期为205 a，Mw9.0地震间隔期为667 a[11]。在过去100 a里，马尼拉发生地震最大震级为Mw7.6，目前抗震俯冲带占主导地位，活跃俯冲带处于平静期，一旦发生特大地震引发海啸，危害性和2004年印尼苏门答腊海啸相当。

USGS根据断层结构将马尼拉海沟划分为6个易发生地震的断层[3]，各个断层位置见图1，断层参数见表1。研究表明，M1、M2和M3断层断裂发生地震引发的海啸将极大地威胁到华南沿海地区的安全[12]。参考NOAA全球震源数据库系统[13]和美国哈佛大学CMT数据源[14]，在危险性分析方案计算中设计5种计算情景，分别是断层M1、M2、M3、M2+ M3和M1+M2+M3断裂发生地震的情景，各个断层最严重地震情景设置见表2，并采用断层M2地震情景做敏感性分析。

表1 马尼拉海沟断层参数

表2 马尼拉海沟地震情景设置

3 海啸计算模型及敏感性分析

COMCOT模型是美国康奈尔大学Liu PL-F开发的基于浅水长波方程的海啸数值计算模型，能够有效模拟海啸发生、传播、淹没等全过程[15]。该模式可选择在球面坐标或笛卡尔直角坐标系下求解线性或非线性长波方程，并可设置多重嵌套网格，同时兼顾计算精度和计算效率。模型经过实验数据的验证[16]，并且多次用于模拟海啸事件[17-18]。

3.1 模型建立

模型计算区域为100°～130°E、0°～30°N，包括南海大部分海域、台湾海峡以及部分东海海域，如图1所示，网格精度为2′，主要模拟海啸的发生以及在深海线性传播过程。在陆架区范围设置第二重网格，采用非线性模型，主要模拟海啸从线性到非线性过渡过程；在近岸采用更加精细的第三重网格，采用非线性模式。三重嵌套网格计算范围和参数见表3。海底地形数据来自美国NOAA的ETOPO1、ETOPO2数据（来自http://www.gebco.Net.）以及GEBCO[19]，近岸地形资料参考海图。

为了评估我国华南地区重点区域遭受海啸袭击的危险性，采用表2列出的5种最严重的地震情景，通过模拟分析华南沿岸遭受海啸袭击的危险性，华南沿海重点区域分布见图2。

由于地震震源深度对初始海啸波的能量影响很大，可通过对模型参数的敏感性分析来考察震源参数对模拟结果的影响。

3.2 震源深度敏感性分析

NOAA地震统计历史资料[20]显示，近100 a内马尼拉海沟发生的地震，其中有两次震源深度为50 km和107 km，其余震源深度都在10～33 km之间。因此有必要考察不同震源深度对初始海啸波的影响，震源深度分别设置为10、20、33、40和50 km，通过模型计算确定最严重的地震情景。

由于近岸水深较浅，非线性效应很强，设置第二重网格D，范围为116.4°～118.0°E、21.8°～23.4°N，空间步长为1′，采用非线性模型进行模拟。并以情景二（断层M2发生Mw8.6地震）为例，在主震方向上选取5个点进行计算结果的对比。5个点分别选在深水区、大陆坡、陆架前、陆架后100 m以内及近岸各一个，经度、纬度以及水深见表4，分析在不同水深条件下震源深度对模拟结果的影响。震源深度为10、20和33 km的地震情景在5个点计算海啸过程见图3。计算获得不同震源深度下最大波幅见表5。

表3 各层网格设置信息

图2 研究区域内沿岸城市分布

表4 选取研究点信息

图3 不同震源深度海啸模拟过程（①—⑤为表4所列的研究点）

由图可知，在震级相同的条件下，震源深度不同，海啸波到达时间基本一致，但海啸波幅却不同，尤其是首波。表5可知，震源深度对引发海啸的强度至关重要，在一定深度范围内，震源深度越深，引发的海啸能量越大，但超过某个范围，引发海啸的强度会越来越小，深源地震很难引发海啸。在①、②和③处，当震源深度为33 km时，海啸波幅最大；在④和⑤处，震源深度为40 km时，海啸波幅略大于震源深度33 km的结果。因此，引发海啸最大波幅的震源深度在33～40 km之间，结合马尼拉海沟海啸历史资料，在危险性分析中将震源深度确定为33 km。

表5 不同震源深度模拟海啸波首波信息

表6 海啸威胁性等级分类标准

4 华南沿海潜在海啸危险性分析

国际上通常根据渡边伟夫海啸等级表来判别某次海啸的级别以及发生的可信度，我国则是参考太平洋海啸预报中心发布的海啸威胁性等级标准对海啸威胁性进行分类[23]（见表6）。以下根据海啸威胁性等级标准对马尼拉潜在震源5种情景引发的海啸进行危险性分析。

4.1 情景一：M1断层Mw8.2地震

当马尼拉断层M1发生Mw8.2地震时，引发的海啸在区域内最大波幅分布见图4。海啸主能量集中在西北方向，直接危害到珠江口、汕尾以及汕头等附近海域。海啸波传至东沙群岛区域，和岛屿相互作用，海啸波幅超过1.5 m。之后海啸继续向西北传播，由于香港南部存在众多岛屿，海啸和海岛相互作用，在珠江口西侧波幅在1.0～1.5 m，海啸危险等级为III级。与之相比，汕尾与汕头附近海域较少岛屿存在，该海域遭遇的海啸波幅在1.5 m以上，部分海域海啸波幅可达2 m，海啸危险等级为III级。海啸向东北方向传播波幅减弱，在南澳县和东山县附近海域海啸波幅为1 m以上，海啸危险等级为III级。海南不在主传播方向上，海啸抵达海南东部附近海域波幅在0.3～0.5 m左右，海啸影响较小。

图4 情景一海啸最大波幅分布

图5 情景二海啸最大波幅分布

4.2 情景二：M2断层Mw8.6地震

当马尼拉断层M2发生Mw8.6地震时，引发海啸后在区域内最大波幅分布见图5。该情景下引发的海啸传至东沙群岛附近海域后，向北主要传向汕尾至汕头附近海域，海啸波幅在5 m以上，海啸危险等级为IV级，有严重淹没的危险。海啸向东北传播至南澳县和东山县附近海域，海啸能量有所减弱，波幅在2～3 m，海啸危险等级为III—IV级。海啸向西北传播至珠江口，在珠江口东部海区波幅2～4 m，西部海域波幅为2～3 m，珠江口海啸危险等级为III—IV级。海啸往西传至海南附近海域，波幅在1～2 m，海啸危险等级为II—III级。

4.3 情景三：M3断层Mw7.9地震

当马尼拉断层M3发生Mw7.9地震时，引发海啸后在区域内最大波幅分布见图6。海啸主传播方向为越南东海岸，海啸在深海传播波幅在0.3 m左右。海啸向北传播至我国华南沿海海啸波幅一般在0.3 m以下，局部海域0.3～0.5 m，说明情境三地震海啸对我国华南沿海影响较小。

4.4 情景四：M2+M3断层Mw8.8地震

图6 情景三海啸最大波幅分布

图7 情景四海啸最大波幅分布

图8 情景五海啸最大波幅分布

当马尼拉断层M2和M3同时断裂发生Mw8.8地震时，引发海啸后在区域内最大波幅分布见图7。此情景相当于断层M2和M3同时发生Mw8.5和Mw8.7地震，引发的海啸主能量集中在越南东部海岸、我国珠江口以及汕头附近海域。海啸波幅在珠江口附近海域3～5 m，海啸风险等级为IV级。汕尾与汕头附近海域，海啸波幅为3～4 m，海啸危险等级为IV级。海啸向东北传播至南澳县和东山县附近海域，波幅在2～3 m，海啸危险等级为III级。海啸传至珠江口以西至海南附近海域波幅为2～4 m，海啸危险等级为III—IV级。对比情景二，情景四总震级较高，但在汕尾、汕头附近海域危险性不如情景二，在珠江口及其西侧海域海啸风险高于情景二。主要原因是情景二断层M2断裂时震级大，该断层产生的海啸能量更大，汕尾及以北附近海域在海啸主能量的传播方向上，因此在该区域海啸危险性更大；断层M3引发海啸主要影响区域为珠江口及以西区域，在其影响下，情景四引发的海啸风险在该区域风险高于情景二。

4.5 情景五：M1+M2+M3断层Mw9.0地震

当马尼拉断层M1、M2和M3同时断裂发生Mw9.0地震时，引发海啸后在区域内最大波幅分布见图8。在该情景下，引发的海啸能量主要集中在M3断层，海啸到达珠江口后，波幅在2～4 m，海啸危险等级为III—IV级。海啸到达汕尾至汕头附近海域波幅在3～5 m，危险等级为IV级，有严重淹没的危险。向北到达南澳县、东山县附近海域，海啸波幅为2～3 m，危险等级为III级。向西北传至珠江口西侧至海南附近海域，波幅2～4 m，海啸危险等级为III—IV级。

5 结论

（1）采用COMCOT模型建立以马尼拉海沟为震源的南海海啸多重网格嵌套模型，对模型震源深度进行敏感性分析。计算结果表明：随着地震震源深度的增加，引发的海啸能量呈现先增大后减小趋势，危险性最大地震海啸情景震源深度在33～40 km之间；

（2）在震源识别的基础上，确定5种马尼拉海沟地震情景，其中情景二、四和五，地震震级分别为Mw8.6、Mw8.8和Mw9.0，其引发的海啸会严重威胁到我国华南沿海大部分海域，危险等级为III—IV级，有淹没至严重淹没危险。

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Impact of potential tsunami from Manila Trench along the South China coast

ZHANG Xin，MAO Xian-zhong
（Division of Ocean Science and Technology,Graduate School at Shenzhen,Tsinghua University,Shenzhen 518055 China）

Multiple nested grid was applied using COMCOT model to simulate the hypothetical tsunamis triggered by Manila Trench in the South China Sea,and their impacts along the South China coast were assessed. Sensitivity analysis shows that the focal depth of the worst earthquake tsunami scenario is about 33～40 km.Five earthquake scenarios along the Manila Trench were simulated.Scenarios 2、4 and 5,with the magnitude of Mw8.6、Mw8.8 and Mw9.0,respectively,may reach III to IV tsunami hazard level on the South China coast,causing inundation or serious inundation hazard.

Manila Trench;earthquake tsunami;COMCOT model;hazard analysis

P731.25；P738.4

A

1003-0239（2017）02-0043-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.02.006

2016-04-05；

2016-05-19

国家自然科学基金（41176001）；深圳市科技项目（GJHS20120702112942334）。

张鑫（1992-），男，硕士在读，从事海啸预报方法和风险评估研究。E-mail:924704633@qq.com