中国海啸

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危险性分析
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概率性危险性分析
海啸危险性图

危险性分析概述

自古以来,海啸就如悬在世界沿海地区头上的达摩克利斯之剑,历史上有记载的海啸多达2500次,其中95%由地震引发,海啸带着巨大的能量冲向陆地,给沿海地区带来巨大的灾难。2004年印度洋海啸和2011年日本海啸,极大的推动了海啸的研究,人们愈发的重视海啸带来的灾害以及沿海地区的海啸危险性,经过学者多年的研究,海啸危险性研究已经取得长足的进展,但由于相关研究起步较晚,加之海啸产生和传播过程较为复杂,其中涉及参数范围之广,作用之复杂,使得海啸危险性在一些方面与地震危险性计算相比,仍有不足。

沿海地区大城市较多,人口,资金密集,在东南沿海,还分布着许多重要的基础设施,如洋山港,杭州湾大桥,珠港澳大桥,还有一些在建或运营中的核电站,2011年日本福岛给了我们很大的警示:沿海地区对海啸设防极为重要。近几年,智利沿岸地震引发的海啸对沿海地区造成了一定的损害。已有的事故和未来发展,都需要我们提高对我国沿海地区海啸危险性的重视。现在已经有一些地方在做本地区的海啸危险性分析,但我们需要一个更广泛的区域性的海啸危险性分析,为我国沿海的城市规划,基础建设选址做一个基础支持。近几年我国逐步开展了海啸危险性分析相关研究工作,其他国家学者对于南中国海的海啸危险性也进行过深入研究,给出了相关的分析结果,表明我国沿海有遭受海啸袭击的风险。

尽管海啸相关记录时间很早,但海啸相关研究起步较晚。海啸危险性分析方法大体分为经验公式法,确定性分析方法和现在主流的PTHA。

最初的海啸危险性分析是从经验中总结出来的,在日本,夏威夷这些水文记录比较丰富的地区,学者研究发现在足够长的时间范围内,海啸波高服从一定的规律,根据水文记录中统计总结出当地海啸波高的频率分布。Papadopoulos根据海啸的历史记录,给出了地中海可能的海啸强度。Leonard统计了加拿大Tofino观测站的波高记录,并给出了拟合曲线。

这种经验公式法的关键在于水文记录的完整性和准确性,因为在早期甚至是近代,并不是所有地区都有水位和潮涌测量仪器,并且早期的海水波高的记录考历史文献,不是非常准确,并且受人主观影响较大,很容易造成大型海啸和小型海啸记录的缺失。因为其对水文记录的依赖性,对于水文记录少的地方,并不适用,所以这一方法并推广开来。历史上,我国沿海有水文记录的地区并不多,而且在相关的记录中一直没有把海啸独立准确的表达出来,从中甄别出的海啸事件并不多,这种办法在我国并不适用。

Downes曾利用海啸数据做出过海啸波高的衰减函数,但是由于海啸数据的缺失,没有被学者采用。也有学者利用简单的震源参数提出海啸计算公式,如Corner基于地震点源和恒定水深给出海啸传播公式,但这些都不能很好的模拟真实情况。后来,随着流体力学和计算机的发展,学者开发出了多个适用于复杂地震情况和地形的海啸的数值模拟方法,利用数值模拟程序,可以模拟整个海啸的产生,传播,并记录在多个场点的海啸波高,多位学者利用海啸事件进行了验证。相比水文记录和衰减公式,更加利于计算和推广。

海啸模拟程序大大推动了海啸危险性分析的进展,学者开始利用模拟程序进行海啸危险性确定性分析,确定性分析主要通过历史地震资料和地质调查,利用该地区可能发生,历史上发生过的大地震,通过设定海底变形和数值模拟,算得该地震在海岸造成的海啸波高。确定性分析方法由于步骤简略,计算快,曾被不少学者用来计算相关地区海啸危险性。任叶飞对我国东部沿海可能遭受的海啸风险做了确定性分析,Okal对秘鲁沿海历史上六次大的地震进行了模拟,给出pisco地区可能遭受的海啸风险, Heidarzadeh对印度洋西北地区,Witter, R C对卡斯卡底断裂对班登的影响分别做了确定性分析。确定性海啸分析关注与最坏的情形,或是最可能发生的情形,尽管这样的计算对沿海居民的疏散很有帮助,但是考虑不到各个波高的发生概率,这是远远不够的。所以,学者又在概率地震危险性分析的基础上,提出PTHA。传统的PTHA,把震级范围分档,然后通过震中随机采样,计算出每一档地震情况下的波高超越概率。

Lin and Tung首次提出借鉴地震危险性分析方法提出PTHA之后,被很多学者应用于全球各地区的海啸危险性研究,许多学者根据这一思路,计算了各地的海啸危险性, 图 1给出了全球已经进行了海啸危险性研究的区域。

2004年苏门答腊海啸发生后,我国面临的海啸风险引起了人们的关注,多位学者对我国面临的海啸危险进行了分析,温瑞智根据我国的地震潜源特点和潜源参数,提出了我国地震海啸危险性分析的主要步骤。杨智博针对我国面临的海啸潜源,利用Monte Carlo对震级和震中随机取样,改进了传统的PTHA。

经过学者多年的研究,海啸危险性研究方法已逐渐成熟,但对比地震危险性研究,海啸危险性分析仍有不足。需要针对海啸的特点,研究出更高效,准确的海啸危险性分析方法。

图1.海啸危险性分析区域