南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)

趙聯(lián)大，于福江，滕駿華（.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京0008；2.國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京0008）

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南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)

趙聯(lián)大1,2，于福江1,2，滕駿華1
（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081；2.國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

摘要：我國(guó)面臨著來(lái)自于馬尼拉海溝、臺(tái)灣島以及琉球海溝等海域可能形成的局地和區(qū)域海嘯風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)警海嘯是一個(gè)難題。2004年印度洋海嘯之后，基于海量數(shù)據(jù)庫(kù)和GIS技術(shù)，國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心開(kāi)發(fā)了南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)，可以對(duì)潛在海嘯進(jìn)行快速定量化的預(yù)警，并利用GIS軟件進(jìn)行預(yù)警結(jié)果可視化。利用該系統(tǒng)對(duì)2006年臺(tái)灣南部地震海嘯進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

關(guān)鍵詞：南海；定量；海嘯；預(yù)警系統(tǒng)

1　引言

海嘯是由地震、火山噴發(fā)等因素引起的海水大規(guī)模波動(dòng)形成的一種大洋長(zhǎng)波。在深海大洋中，海嘯波能夠以時(shí)速500—1000 km的速度傳播。當(dāng)海嘯波移近岸邊淺水區(qū)時(shí)，波速會(huì)減慢，波高陡增，可形成十?dāng)?shù)米或更高的水墻。據(jù)觀測(cè)，大海嘯的波高可達(dá)30 m以上。即使波高只有3—6 m的海嘯，也極具破壞力，可造成嚴(yán)重傷亡[1]。如2004年12月26日印度尼西亞蘇門(mén)答臘島外海發(fā)生9.1級(jí)海底地震[2]，地震引發(fā)了規(guī)模超強(qiáng)的巨大海嘯，襲擊了多個(gè)印度洋沿岸國(guó)家，造成超過(guò)22萬(wàn)人死亡[3]。

印度洋大海嘯給全世界上了一堂生動(dòng)的海嘯災(zāi)害教育課，預(yù)警系統(tǒng)的缺失顯示出海嘯預(yù)警報(bào)的極端重要性和迫切需求。

由于海嘯傳播速度很快，局地海嘯經(jīng)常在地震發(fā)生后很短時(shí)間內(nèi)(通常15—30 min)即到達(dá)海岸線。由于計(jì)算條件的限制，數(shù)值模式完成一次數(shù)值計(jì)算需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。因此，在大氣海洋領(lǐng)域通常采用的利用數(shù)值模式進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算的常規(guī)預(yù)報(bào)方式無(wú)法用于海嘯的實(shí)時(shí)預(yù)警報(bào)。傳統(tǒng)的海嘯預(yù)警報(bào)方法是根據(jù)地震初始參數(shù)并基于預(yù)報(bào)員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性的預(yù)警報(bào)，定量化的預(yù)警報(bào)如到達(dá)沿岸某些地點(diǎn)的準(zhǔn)確的海嘯波幅則難以給出。因此快速且定量化的海嘯預(yù)警報(bào)技術(shù)變得亟需起來(lái)。

20世紀(jì)90年代，日本氣象廳為了滿足快速且定量化海嘯預(yù)警的需求，利用大型計(jì)算機(jī)對(duì)10萬(wàn)個(gè)假想的海嘯個(gè)例進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，開(kāi)發(fā)了基于數(shù)據(jù)庫(kù)的定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)[4]。

我國(guó)沿海處于亞歐板塊和太平洋板塊交界處，琉球群島、臺(tái)灣島、菲律賓群島一線是環(huán)太平洋地震帶的一部分，也是地震和海嘯的多發(fā)地帶。我國(guó)東南沿海面臨著來(lái)自南海馬尼拉海溝、臺(tái)灣島周邊、琉球海溝的潛在局地海嘯的威脅，南海沿岸的風(fēng)險(xiǎn)尤其嚴(yán)重[5]。2004年印度洋大海嘯之后，國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心即著手開(kāi)發(fā)了應(yīng)對(duì)南海及其附近區(qū)域的潛在海嘯威脅的定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)（定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)框架見(jiàn)圖1）。

2　南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)分為以下幾個(gè)部分：首先確定預(yù)警區(qū)域及影響該區(qū)域的潛在地震海嘯源；然后劃分地震海嘯單位源，確定每個(gè)單位源的相關(guān)參數(shù)；選擇成熟、可靠的地震海嘯數(shù)值模式；針對(duì)每個(gè)地震海嘯單位源在不同震源參數(shù)情況下的情景進(jìn)行計(jì)算；建立數(shù)據(jù)庫(kù)，所有計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中；開(kāi)發(fā)人機(jī)交互軟件。

2.1地震海嘯源

根據(jù)歷史地震海嘯災(zāi)害數(shù)據(jù)和大量的數(shù)值模擬結(jié)果，我國(guó)南海沿岸的海嘯風(fēng)險(xiǎn)最大，影響南海沿岸域的主要地震海嘯源主要分布在琉球海溝、臺(tái)灣島周邊以及南海馬尼拉海溝。國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心確定了南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警覆蓋區(qū)域?yàn)楸本?0—32°，東經(jīng)105—130°，預(yù)警岸段為自長(zhǎng)江口以南的整個(gè)中國(guó)東南沿海，其中南海沿岸是預(yù)警重點(diǎn)。

針對(duì)這些潛在地震海嘯源區(qū)，國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心劃分了235個(gè)地震海嘯單位源，每個(gè)單位源空間間隔為0.5°。參考當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造，每個(gè)單位源分別確定出固定的震源經(jīng)緯度、斷層走向角、傾斜角、滑動(dòng)角。針對(duì)每個(gè)單位源（圖2b），國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心分別考慮不同震級(jí)（圖2a）和震源深度的情景，其中震級(jí)劃分為6.5、7.0、7.5、8.0、8.5共5種，震源深度劃分為0 km、20 km、40 km、60 km、80 km、100 km共6種，所以每個(gè)單位源設(shè)定有30種情景。

圖1　南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)框架

圖2　潛在地震海嘯源區(qū)和劃分好的單位源

2.2數(shù)值模式

國(guó)內(nèi)外成熟的海嘯數(shù)值模式有多種，如國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心使用的CTSU[6]、日本氣象廳使用的TUNAMI[7]、美國(guó)Cornell大學(xué)開(kāi)發(fā)的COMCOT[8]。由于幾種模式各自具有不同特點(diǎn)，利用上述模式針對(duì)同一個(gè)假想海嘯事件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。由計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CTSU模型與日本TUNAMI-N2模式、美國(guó)的COMCOT模式的計(jì)算結(jié)果（尤其是第一個(gè)海嘯波）基本一致（見(jiàn)圖3），但CTSU模式的計(jì)算速度要比其他國(guó)外模式快許多。由于南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)包含了大量的海嘯情景，需要進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，因此在構(gòu)建南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)過(guò)程中，國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心采用了自主開(kāi)發(fā)的計(jì)算效率較高的CTSU數(shù)值模式。

圖3　CTSU、COMCOT和Tunami-N2數(shù)值模式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

CTSU模式基于淺水方程，分別建立了球面坐標(biāo)和直角坐標(biāo)控制方程。CTSU模式的控制方程組為：

方程組（1）為球面坐標(biāo)方程組，方程組（2）為直角坐標(biāo)方程組。式中，ζ為水面高度；h為靜止水深；H為總水深；g為重力加速度；ρ為水的密度；R為地球半徑；f為科氏力；τx、τy分別為x、y方向上的摩擦力；P、Q為x、y方向上的體積通量；φ和ψ分別為經(jīng)度、緯度。CTSU采用半隱式差分格式求解控制方程。該模式具有計(jì)算速度快，支持并行計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。

構(gòu)建本系統(tǒng)過(guò)程中，CTSU模式的計(jì)算范圍即為定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警覆蓋區(qū)域范圍，即北緯10—32°，東經(jīng)105—130°；模式采用單層網(wǎng)格，網(wǎng)格距大小為1′（見(jiàn)圖4）。

圖4　計(jì)算范圍和網(wǎng)格

2.3數(shù)據(jù)庫(kù)

國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心利用運(yùn)行在大型計(jì)算機(jī)上的CTSU海嘯數(shù)值模式對(duì)235個(gè)潛在海嘯源的7050（235×30）個(gè)情景進(jìn)行計(jì)算。每個(gè)海嘯數(shù)值模擬將會(huì)模擬海嘯發(fā)生10 h的情形。海嘯模擬的輸入文件包括可執(zhí)行文件、參數(shù)控制文件、水深文件、沿岸點(diǎn)的經(jīng)緯度等。海嘯模擬輸出文件包括每隔10 min的模擬區(qū)域水位值、全時(shí)間序列全區(qū)域的海嘯最大波高分布值、全時(shí)間序列全區(qū)域的海嘯傳播時(shí)間分布值、沿岸點(diǎn)的海嘯波值。

由于每次海嘯數(shù)值模擬其輸出結(jié)果文件所占空間很大，約1.5 G，所有7050個(gè)海嘯數(shù)值模擬將會(huì)占有約10.6 T的空間。如此大的數(shù)據(jù)量很難輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。即使所有數(shù)據(jù)能夠輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，也無(wú)法保證數(shù)據(jù)庫(kù)能在短時(shí)間內(nèi)完成查詢、插值、輸出等工作。因此，項(xiàng)目組將海嘯預(yù)警最重要的海嘯波幅和海嘯到達(dá)時(shí)間輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，其余的海嘯波傳播過(guò)程數(shù)據(jù)將不再被輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。

南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)。海嘯預(yù)警數(shù)據(jù)量較大，采用人工方式顯然不合適，一般采用記錄交換文件方式，將相關(guān)的數(shù)據(jù)批量地自動(dòng)更新到數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)之中。數(shù)據(jù)庫(kù)包含有海嘯預(yù)警信息主表、海嘯預(yù)警岸段網(wǎng)格信息表、海嘯預(yù)警岸段信息表、重點(diǎn)城市海嘯預(yù)警信息表。為提高數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)效率，本數(shù)據(jù)庫(kù)采用表分區(qū)技術(shù)，在超大型數(shù)據(jù)庫(kù)（VLDB）中將大表及其索引通過(guò)分區(qū)的形式分割為若干較小、可管理的小塊，每一分區(qū)可進(jìn)一步劃分為更小的子分區(qū)，以達(dá)到快速地在線查詢要求。

系統(tǒng)輸入?yún)?shù)只有3個(gè)，即震中位置（X,Y）、震級(jí)和震源深度，要求系統(tǒng)輸出岸段上每個(gè)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間和高度。根據(jù)震中位置（X,Y）檢索數(shù)據(jù)庫(kù)中的海嘯單位源與之匹配。如果能夠檢索得到，則立刻將該單位源情景結(jié)果調(diào)用出來(lái)。如果不能準(zhǔn)確匹配，則選擇臨近的4個(gè)海嘯單位源，將4個(gè)海嘯源通過(guò)反距離插值分解為單個(gè)源的求解，在計(jì)算單個(gè)源時(shí)，根據(jù)線性插值方法進(jìn)行震級(jí)、震源深度等維數(shù)分解，進(jìn)而獲得相應(yīng)的預(yù)警結(jié)果（見(jiàn)圖5）。

圖5　海嘯源檢索示意圖

2.4人機(jī)交互顯示和發(fā)布

南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)采用GIS技術(shù)進(jìn)行預(yù)警信息的查詢和顯示（見(jiàn)圖6a）。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，根據(jù)及時(shí)獲得的地震信息，預(yù)報(bào)員分別輸入地震發(fā)生時(shí)間、震源經(jīng)緯度位置、震源深度、震級(jí)等參數(shù)，系統(tǒng)迅速進(jìn)行查詢和檢索，隨后系統(tǒng)會(huì)生成并在顯示界面顯示出震源信息、我國(guó)東南沿海不同岸段的第一波海嘯波高和到達(dá)時(shí)間、沿海重點(diǎn)城市的第一波海嘯波高和到達(dá)時(shí)間等產(chǎn)品。不同岸段和城市會(huì)以不同的顏色框來(lái)區(qū)分不同的危險(xiǎn)等級(jí)。預(yù)報(bào)員還可通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊查看沿海岸段任意格點(diǎn)的海嘯波預(yù)警報(bào)信息。整個(gè)輸入、查詢、檢索、顯示、輸出過(guò)程可以在1 min內(nèi)完成。

同時(shí)，南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)還可以通過(guò)Google Map API來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的顯示和發(fā)布（圖6b）。系統(tǒng)生成產(chǎn)品時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生xml文件，通過(guò)Javascript編程，將代碼寫(xiě)入html文件，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

圖6　岸段預(yù)報(bào)結(jié)果的GIS顯示和城市預(yù)報(bào)結(jié)果在Google Map上的顯示

3　南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

2009年，南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成并在國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行。自運(yùn)行后至今，本系統(tǒng)所覆蓋的預(yù)警范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)生過(guò)真實(shí)的地震海嘯事件，所以沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際海嘯災(zāi)害預(yù)警的檢測(cè)。但2006年12月26日，位于本地區(qū)的臺(tái)灣南部發(fā)生地震海嘯事件，國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心利用本系統(tǒng)對(duì)這一事件進(jìn)行了模擬檢驗(yàn)。

2006年12月26日20時(shí)26分，臺(tái)灣南部發(fā)生7.0級(jí)地震[9]，地震震斷了我國(guó)與歐美連接的海底光纜，造成互聯(lián)網(wǎng)傳輸中斷了1個(gè)多月。地震還引發(fā)了輕微的海嘯波，國(guó)家海洋局崇武和東山驗(yàn)潮站分別測(cè)得了輕微的海嘯波。國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心利用南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了后報(bào)。在輸入地震發(fā)生時(shí)間、震中位置、震級(jí)、震源深度等參數(shù)后，海嘯預(yù)警系統(tǒng)在20 s左右時(shí)間即輸出了預(yù)警結(jié)果。結(jié)果表明預(yù)報(bào)傳播時(shí)間和波高與實(shí)測(cè)基本一致。

表1　崇武和東山驗(yàn)潮站的海嘯實(shí)測(cè)與后報(bào)波高對(duì)比

4　結(jié)論

為了有效應(yīng)對(duì)南海海嘯的威脅，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)布海嘯預(yù)警報(bào)，國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心開(kāi)發(fā)了南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及了南海馬尼拉海溝、臺(tái)灣島周邊、琉球海溝等潛在海嘯源，預(yù)警區(qū)域覆蓋了我國(guó)長(zhǎng)江口以南的整個(gè)中國(guó)沿海。通過(guò)對(duì)每個(gè)潛在海嘯單位源進(jìn)行不同震級(jí)和震源深度等不同情景的計(jì)算，獲得海量數(shù)值計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)利用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，利用GIS軟件進(jìn)行顯示和輸出。南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)可以在輸入震源參數(shù)1min內(nèi)顯示并輸出預(yù)警報(bào)結(jié)果。利用該系統(tǒng)對(duì)2006年12月26日臺(tái)灣島地震海嘯進(jìn)行后報(bào)，結(jié)果表明該系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)使國(guó)內(nèi)首次具備了海嘯定量化預(yù)報(bào)的能力。

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[9] USGS, http://comcat.cr.usgs.gov/earthquakes/eventpage/centennial 20061226122622.

SCS quantitative tsunami warning system

ZHAO Lian-da1,2, YU Fu-jiang1,2, TENG Jun-hua1
（1. National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081 China；2. Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting, Beijing 100081 China）

Abstract：The main tsunami risk for China comes from Manila Trench, Taiwan Island and Ryukyu Trench, which may generate local and regional tsunamis. It is very difficult to forecast tsunami timely and accurately, because tsunami generates suddenly and propagates quickly. After the 2004 Indian Ocean tsunami, National Marine Environmental Forecasting Center (NMEFC) develops SCS quantitative tsunami warning system with massive database and GIS technology. Quantitative tsunami warning products could be produced quickly by the system, and visualized with GIS. Hind-cast results of 26thDec 2006 Taiwan tsunami from the system show a good agreement with measurements in coastal tide gauges.

Key words：The South China Sea（SCS）; quantitative; tsunami; warning system

作者簡(jiǎn)介：趙聯(lián)大（1980-），男，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事海嘯預(yù)警報(bào)及數(shù)值模式研究。E-mail：zld@nmefc.gov.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201405026）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2006BAC03B02）

收稿日期：2014-05-08

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.02.001

中圖分類(lèi)號(hào)：P731.25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2015）02-0001-06