海啸研究

2004年苏门答腊海啸之前

中国地震海啸的研究始于1976年唐山大地震之后（震中位于沿海，见图1）。人们对自然灾害的安全意识大大增强，中国地震与海洋学者开始研究中国的地震海啸问题。1977年《地震战线》（现今《地震》的前身）上刊发了署名海地的文章“地震海啸”。文章提出了对我国产生影响的海啸源区以及我国海啸防灾的重点海区。1982年国家海洋局情报所的李成发表了“地震海啸的研究”一文， 指出我国海区不易发生海啸，当时的国家地震局也采纳了这个结论。而事实上，从1904年至1968年大约350个震级大于7.0的地震发生在太平洋西北部，其中33个，接近10%的地震发生在我国沿海，不过仅仅只有2个地震产生了海啸，引起的海啸波高也较低。

1986年国家地震局组织编写的《地震对策》一书，全面论述了地震海啸的危害、成因机制、产生的条件及中国地震海啸的可能性，并讨论了地震海啸的对策。1986年周庆海与夏威夷大学的William M. Adams在《Science of Tsunami Hazards》上发表了一篇文章，是我国首次在国际性杂志上发表的关于海啸研究的文章，从历史海啸地震与我国主要地震带的地质、地球物理学特征角度分析，指出我国海区不易发生海啸，但存在发生海啸的可能性。1987年中国地震局编制了中国海域和邻区海域地震烈度区划图，研究成果表明菲律宾西边海域，主要是马尼拉海沟、巴士海峡海域、台湾岛南边海域和东边海域是发生IX度和IX度以上地震的海域，即有发生7级以上地震可能性的海域，是今后可能发生海啸的海域。1988年周庆海等通过历史海啸数据，结合我国海区大陆架的地质、地震特征，给出了我国沿海地区海啸危险性的相对水平，台湾东部、大陆架沿岸、渤海沿岸的相对危险程度之比为16：4：1。1992，郭增建等在《未来灾害学》一书中对中国的近海地震海啸作了研究，提出近海岸如发生强震后就易于发生近海海啸，而近海海啸作为一种新的致灾海啸类型应予以关注。

我国在1983年加入国际海啸警报系统中心，国家海洋局负责我国的海啸预警报业务。1994年叶琳、王喜年等说明了我国当时海啸预警的作业方式；20世纪90年代后期，国家海洋局组织开发了太平洋海啸资料数据库、太平洋海啸传播数值预报模式和越洋局部地震海啸数值预报模式， 并在广东大亚湾、浙江秦山和三门、江苏连云港、福建惠安5 个核电站的环境评价中得到了应用[50]。90年代国内还陆续发表了其他一些文章，主要是对我国沿海发生海啸的可能性进行评价，一些较前沿性的方向基本没有开展，例如海啸预警、海啸数值计算方法等。

在那个年代海啸的知识还没有完全被认知，大多数的观点都认为中国沿海发生地震海啸的概率极低。直至2014年12月26日印度洋海啸之后公众才意识到海啸的危害性，新一轮海啸防灾减灾研究在我国迅速开展，取得了较多成果，主要研究集中在以下几方面：

2. 历史海啸目录

世界上很多国家和地区都已经编译了历史海啸目录，尤其关注大海啸事件的发生与其影响区域。海啸目录可用于分析本地区不同等级的海啸复发周期。中国最早的海啸事件可从古文籍中追溯至3000以前。建立海啸目录需要收集一些基本信息，包括海啸发生位置、时间、地震震级、最大波高、伤亡人数及破坏影响。然而，由于古文献记载并不全面，而且不同文献记载也有所差异，不同的学者采用不同的历史数据编译了不同的海啸目录。

图1. 我国历史海啸发生位置以及影响我国沿海的潜在海啸源

最早的工作由陆人骥于1984年收集整理了公元前47年至1978年我国发生的灾害性海潮历史资料，其中可能为海啸事件的共有227个。然而，Chau并不认同该观点，认为与地震有关的海啸事件仅4个，由气象原因引起的海啸事件仅1个，其余222个事件的产生原因不明。Mak和Chan(2007)编译了南海的历史海啸事件，认为仅2个事件可判断为确信的海啸事件，其他之前虽被视为海啸事件，但都不十分可靠，尽管有些还有大量人员的伤亡报告。Lau等人基于已经发布的15个全球或区域历史海啸数据库，编译了南中国海东北地区的历史海啸数据库，包含1076年至2009年发生的205个事件。通过可信度分析，识别了58个海啸事件，其中23个证实为确信的事件、3个为极可能的、6个为可能的，18个为疑似的、8个为不可信的。上述两个目录仅关注我国南海地区，Ren等人编译了我国整个沿海的海啸历史目录。他们对前人已整理的历史海啸事件，联合已出版的《中国历史强震目录(公元前23世纪—公元1911年)》和《中国近代地震目录（公元1912年—1990年 MS ≥ 4.7）》进行重新核定，证实了过去2000年共有25个由地震引发的海啸事件。不过，尽管地震与海潮发生的时间能够对应，仍然有事件存在争议，例如1668年发生的郯城8.5级地震（见图1），震中在陆地，但一些研究表明这次大地震引起的海啸波对朝鲜半岛产生了影响。

图1中列出了上述3个海啸目录以及NGDC/WDC数据库的事件位置。NGDC/WDC收录了公元前2000年至今全球所有历史海啸事件及海啸爬高记录。可以看出，这几个目录很不一致，未来应考虑由权威研究机构对他们进行集成评估，建立一套统一的、可信的我国历史海啸目录。

图2 广东海丰县沿岸疑似海啸沉积物地质剖面

另外，通过古海啸研究也可以识别历史大海啸的发生，对历史海啸目录提供科学佐证。大海啸通常引起大范围的洪水淹没，洪水深入内陆，形成特有的地质沉积特征。近年来，这方面工作在我国也陆续开展。石峰等人为了调查渤海海域历史地震引发海啸的可能性，对烟台、蓬莱、龙口、莱州和潍坊等地海岸进行地质调查，并未发现海啸堆积物。Sun等人通过调查西沙群岛中东岛的地质沉积物发现，在湖相沉积物中发现有砂层，其地球化学特征表明在1024年左右发生了一次突发的沉积事件，另外调查还发现厚厚的珊瑚和贝壳化石侵入内陆200米，足以说明这一年代发生过大的海啸或风暴潮事件，这正好与历史文献中记载的1076年发生的海潮事件相对应，这一事件在图1所示的4个历史海啸目录中都有收录。这一调查结果尽管需要更多的科学证据进行证实，但也提醒人们南中国海的海啸危险性需要提供重视。本文作者曾经协同广东省地震局、中国地震局地质研究所的地质学家对广州沿海进行海啸沉积物现场调查，在海丰县距海岸线约3.8公里处，发现淤泥质粘土层中间夹杂着贝壳及细沙（如图2所示），需要对这一夹层进行微生物测定以判断其年代和物质属性，判断其是否由海啸波携带上岸。

海啸数值模拟及应用

国家海洋环境预报中心是国内较早进行海啸模拟计算研究的机构，最早于1980年就开始研究海啸数值模型，开发了相应模拟程序，并用于沿海核电场址的海啸危险性评估。2004年印度洋海啸发生后，预报中心于次年开发了CTSU(China Tsunami Model)。这模型采用球坐标下非线性浅水方程作为模型的控制方程，采用蛙跳格式进行数值求解，引入了数值频散效应。模式的空间分辨率为2'，水平网格采用多重嵌套网格技术。该模型已经开发基于OPENMP的并行版本，并于2009 年实现业务化运行。随着海啸研究的推进，越来越多的学者开始关注海啸模拟原理及计算方法的改进。

我国多位学者已经利用国际主流的数值模型对我国一些沿海地区进行了海啸危险性分析。潘文亮等利用COMCOT对我国东南海域发生设定地震海啸进行模拟，结果表明当南海发生8级地震的时候，在我国东南沿海20m水深处产生0.3-0.5m的海啸，当发生9级地震时，海啸波高达到3m。温艳玲等利用COMCOT对冲绳海沟8.5级地震进行了海啸模拟，结果显示地震在震中产生海啸波高达4.3m，4小时之后，海啸传到我国浙江省，在近海产生2.0m的海啸波，8小时后海啸传到上海。Dao等利用TUNAMI-N2-NUS模型模拟了我国南海多个地震场景，发现最坏情况下，广东省近海海啸波高最高可达8m。于福江等采用GeoClaw模拟了2010年智利海啸，研究了其对我国沿海的影响。

这些算例很好地表明现有的数值模型能很好的满足我国海啸防灾减灾研究的需求，但是，我们还是希望我国研究人员能开发出一个拥有我国知识产权的、开放的、精确的的数值模型。

海啸预警系统

自1994年我国在南海验潮站监测到海啸开始，建设我国海啸预警系统即被提上日程。2004年印度洋大海啸发生后，温瑞智等建议结合我国现有的地震台网和海啸模拟程序建设我国的海啸预警系统。Liu等考虑马尼拉海沟的潜在海啸风险，提出建立南海海啸预警系统的构想。基于海量数据库和GIS技术，国家海洋环境预报中心开发了南海定量海啸预警系统，可以对潜在海啸进行快速定量化的预警，并利用GIS软件进行预警结果可视化。利用该系统对2006年台湾南部地震海啸进行模拟预报，预报结果与实测结果基本吻合。2010年，广东省地震局依托我国地震台网建立了南海区域海啸预警系统。一旦南海海域发生地震，地震台网监测到的地震数据很快传回监测中心并根据数值模拟结果发布相应海啸预警。这一系统主要面向广东省和海南省。

2013年，我国建立第一个也是唯一一个国家级海啸预警中心——中国海啸预警中心(CTEWC)。该中心根据我国地震动台网和太平洋海啸预警中心提供的信息，利用CTSU模型，可在震后20分钟内发布海啸预警。海啸发生后。预警中心首先向当地的相关机构发出海啸预警信息，再由地方相关部门向可能受影响的地区发布预警，同时，海啸预警中心网站上也会向公众发布海啸预警信息。

在我国，海啸警报分为I、II、III 和 IV四个等级，为了便于警告识别，采用了不同颜色代表各个级别的警报，分别采用了红色，橙色，黄色和蓝色代表相应的警报级别。其中红色代表海啸波高大于3m，橙色代表海啸波高为2.0m-3.0m，黄色代表海啸波高为1.0-2.0m，蓝色代表海啸波高小于1.0m。2010年智利海啸发生后半个小时，我国海啸预警中心发布信息：我国沿海海啸波高大约为0.2m，并不会造成灾害。这一数据随后被沿海验潮站证实。2011年日本东北大地震发生20分钟后，我国海啸预警中心发布蓝色预警信息，同时通告海啸最早于10小时后抵达上海，波高为0.5m，之后位于舟山的验潮站检测到0.55m的海啸波高。另外，针对小型海啸，预警中心还发布安全信息。2014年，智利海啸发生后，预警中心发布信息：我国沿海不会受影响。之后，也未在我国沿海监测到海啸波。

中国海啸预警中心正在与美国太平洋环境试验室合作在南中国海建立实时的海啸预警系统。为了监测马尼拉海沟可能发生的诱发海啸的地震并提供海啸预警，国家海洋局在南海部署了两个浮标，如果地震产生海啸，在15到30分钟内就可以监测到。另外，浮标还可以传输实时的海浪数据。 国家地震台网有数量众多地震台站，国家海洋局管理着100多个海洋环境监测站，并且能够实时传输数据，我们可以通过地震台网，海啸监测网络的联合应用，进一步提高海啸预警的准确性，经过不断改进，相信不久的将来，海啸预警信息也能和地震信息一样，产出和发布能够实现自动化。

概率海啸危险性分析

随着概率性地震海啸危险性分析方法（PTHA）的逐渐成熟，我国海啸灾害研究工作渐渐从确定性分析过渡到概率性分析，并加入不确定性，敏感性参数影响等方向。PTHA基于原理源于PSHA，其基本步骤为：（1）划分地震带和潜在地震海啸源区；（2）统计地震活动性参数；（3）数值模拟地震海啸随机样本并计算沿岸波高，或统计历史地震海啸波高记录；（4）计算地震海啸波高年累积频率和超越概率。

2007年，温瑞智等人最早给出了地震海啸危险性分析方法和步骤，对珠江三角洲地区进行了基于历史地震海啸记录的地震海啸危险性分析。研究结果显示：珠江三角珠遭受1.0米海啸波袭击的年超越概率为1.5%，遭受10.0米海啸波高的袭击超越概率为0.4%。刘迎春等考虑马尼拉海沟发生潜在地震，对中国南海沿岸地区进行地震海啸危险评估。研究结果显示：汕头场点未来100年内2.0米海啸波高的超越概率为13.34%，波高在1.0米至2.0米之间的超越概率为30.65%；香港场点未来100年内2.0米海啸波高的超越概率为10.12%，波高在1.0米至2.0米之间的超越概率为17.19%；台南场点未来100年2.0米海啸波高的超越为3.44%，波高在1.0米至2.0米之间的超越概率为17.19%。

在方法研究和改进方面，2011年温瑞智等人借鉴我国已成熟的地震危险性分析方法，给出了我国地震海啸危险性概率分析的思路与方法，并对其关键技术问题进行了分析，为我国全面开展地震海啸减灾工作提供了依据。任鲁川等在总结基于数值模拟的地震海啸危险性分析的基本步骤上给出一种可以耦合潜源参数不确定性效应的地震海啸危险性分析方法。

图3.沿海典型场地的海啸危险性曲线

具体工作方面，Ren等人基于我国历史海啸目录和沿海地质构造背景划分了影响我国沿海地区的15个局地潜在海啸源和2个区域海啸源，并对沿海某场点进行PTHA分析，结果显示其100年内海啸波高大于1m的超越概率达到了70%，大于2m的超越概率为20%。他们又分析了东南沿海8个局地潜在海啸源对沿海的影响，根据我国第五代区划图资料计算了这个8个潜源的地震活动性参数，选取台湾海啸和珠江三角洲地区的6个场点，计算不同海啸波高的发生概率和重现期，如图8所示。结果显示，厦门和泉州地区的海啸危险性较高，其100年内发生波高大于1.0m的海啸超越概率接近20%，如果考虑马尼拉海沟的影响，危险性较更高；大亚湾地区的1.0m海啸波高的重现期需要大致60000年。张鹏等在对大亚湾地区进行PTHA计算时考虑了局地海啸源也考虑马尼拉海沟区域海啸源，结果显示1.0m海啸波高的重现期仅2000年。周期缩短30倍，足以表明马尼拉海沟对我国沿海海啸危险性的显著影响。