越洋海啸波传播数学模型的研究

应用内外解匹配的方法和驻相法推导了柱坐标系下地震引起的水面波动方程的解,即推导了地震海啸波生成与传播的理论方程,并对越洋地震海啸理论方程进行了求解。基于Boussinesq方程出发,建立了二维越洋海啸波传播数学模型,并对越洋海啸进行了数值计算,计算方法采用有限差分方法,差分格式采用交替方向隐格式(Alternating Direction Implicit即ADI方法)。利用越洋海啸计算模式对发生在大洋中的地震海啸进行了模拟,将数值模拟结果与地震海啸波理论方程的计算结果进行了比较,两种计算结果吻合较好。     

局地海啸波传播数学模型的研究

推导了地震海啸波传播的理论方程,并时局地地震海啸情况下的理论方程进行了求解.基于Boussinesq方程出发,建立了二维局地海啸渡传播数学模型;对局地海啸进行了数值计算,计算方法采用有限差分方法.差分格式采用交替方向隐格式,即ADI方法.利用该模型对发生在台湾海峡的一次地震海啸进行了模拟计算.将计算结果与理论方程的计算结果以及实际情况进行了对比.计算结果较好.为局地海啸波传播提供了一种模拟方法.     

基于全球海洋模型GOCTM的海啸传播过程数值模拟——以2004印尼大海啸为例

文中利用在有限体积近海模型FVCOM基础上拓展开发的全球海洋模型GOCTM(Global Ocean Circulation and Tide Model)进行了海啸波传播过程模拟,GOCTM采用全球无结构三角形网格,避免了开边界条件引入带来的误差,利用德国AWI研究所提供的海啸源作为初始水位场,模拟了2004年12月26日苏门答腊-安达曼Mw 9.2地震引发的海啸传播过程。通过模拟结果与印度沿岸潮位站数据以及海啸发生过程观测到的卫星高度计数据进行了对比,发现模拟结果与观测值相近,相关系数最高达0.82,相关性较好。模拟的海啸波到达苏门答腊岛北部的时间与日本的TUNAMI 模型和德国AWI研究所的TsunAWI模型的模拟结果相符,时间相差不到30 min,证明GOCTM全球模型可以较好地对海啸传播过程进行模拟,结果令人满意,希望本工作可以为我国海啸预报和预警提供参考。     

有限断层模型在2015年9月16日智利Mw8.3级地震海啸数值模拟中的应用与评估

2015年9月16日22时54分（当地时间）智利中部近岸发生M_w8.3级地震,震源深度25 km。同时,强震的破裂区长200 km,宽100 km,随之产生了中等强度的越洋海啸。海啸影响了智利沿岸近700 km的区域,局部地区监测到近5 m的海啸波幅和超过13 m的海啸爬坡高度。太平洋区域的40多个海啸浮标及200多个近岸潮位观测站详细记录了此次海啸的越洋传播过程,为详细研究此次海啸近场及远场传播及演化规律提供了珍贵的数据。本文选择有限断层模型和自适应网格海啸数值模型建立了既可以兼顾越洋海啸的计算效率又可以实现近场海啸精细化模拟的高分辨率海啸模型。模拟对比分析了海啸的越洋传播特征,结果表明采用所建立的模型可以较好地再现远场及近场海啸特征,特别是对近场海啸的模拟结果非常理想。表明有限断层可以较好地约束近场、特别是局部区域的破裂特征,可为海啸预警提供更加精确的震源信息,结合高分辨率的海啸数值预报模式实现海啸传播特征的精细化预报。本文结合观测数据与数值模拟结果初步分析了海啸波的频散特征及其对模型结果的影响。同时对观测中典型的海啸波特征进行的简要的总结。谱分析结果表明海啸波的能量主要分布在10~50 min周期域内。这些波特征提取是现行海啸预警信息中未涉及,但又十分重要的预警参数。进一步对这些波动特征的详细研究将为海啸预警信息及预警产品的完善提供技术支撑。     

植被斜坡岸滩海啸波消减数值模拟研究

An explicit one-dimensional model based on the shallow water equations(SWEs) was established in this work to simulate tsunami wave propagation on a vegetated beach. This model adopted the finite-volume method(FVM)for maintaining the mass balance of these equations. The resistance force caused by vegetation was taken into account as a source term in the momentum equation. The Harten–Lax–van Leer(HLL) approximate Riemann solver was applied to evaluate the interface fluxes for tracing the wet/dry transition boundary. This proposed model was used to simulate solitary wave run-up and long-periodic wave propagation on a sloping beach. The calibration process suitably compared the calculated results with the measured data. The tsunami waves were also simulated to discuss the water depth, tsunami force, as well as the current speed in absence of and in presence of forest domain. The results indicated that forest growth at the beach reduced wave energy loss caused by tsunamis. A series of sensitivity analyses were conducted with respect to variable parameters(such as vegetation densities, wave heights, wave periods, bed resistance, and beach slopes) to identify important influences on mitigating tsunami damage on coastal forest beach.     

越洋海啸的数值模拟及其对我国的影响分析

简要介绍了地震海啸产生的物理机制、海啸波在大洋中的传播特性以及海啸所具有的超强破坏力可能引发的巨大灾害;概述了全球地震海啸发生的频率和太平洋区域历史海啸的时空分布;整理分析了我国沿海发生海啸的频次和空间分布。针对越洋海啸传播的特点,采用基于波浪追逐原理和自适应网格加密技术的海啸数值模型对1960智利海啸进行了数值模拟,将模拟的结果与历史记录进行了对比,验证了模型的可靠性。通过对数值模拟结果的分析,初步讨论了我国沿海地区越洋海啸的危险性,并定量阐述了越洋海啸对我国各海区的影响。     

基于震级上限估计的渤海海啸危险性与共振特征研究

根据渤海区域地质断层特征和历史地震活动规律,分析得出渤海内潜在最大震级上限为8.1级,并对该海啸源可能的两组震源机制分别进行了数值模拟。模拟结果显示：渤海局部区域海啸波幅最大可达 1.5 m,最大流速可达2.8~3.0 m/s,具备造成灾害损失的风险。在该海啸源情景下,渤海海盆内易激发长期的水位自由振荡,部分区域水位振荡可持续 20 h以上,振荡波幅的大小与海啸首波波幅相当或更大。基于快速傅里叶变换方法对海啸波进行频谱分析,部分长周期频谱成分满足区域固有共振特征。因此,渤海内一旦发生海啸,不仅要关注海啸首波可能造成的灾害性影响,还要密切关注海啸首波到达后,可能产生的长时间、长周期的海啸波共振以及往复式海啸流造成的影响。     

基于数值模拟的渤海海域地震海啸危险性定量化研究

根据地震海啸产生的条件,结合渤海海域的地形特征、地质构造、地震学特征和历史地震及海啸记录对渤海海域潜在的地震海啸进行了数值模拟研究。分析了渤海可能引发地震海啸的震源区域,讨论了渤海发生海啸灾害的可能性。文中通过数值模拟再现了渤海历史上几次规模较大的地震事件可能引发的海啸情景,研究分析了可能的地震海啸在渤海及周边海域的传播过程及波动特征.地震海啸传播模型采用基于四叉树原理的自适应网格加密技术,有效解决了局部分辨率与计算效率之间的矛盾。数值计算包括地震海啸产生及传播过程。利用该模型对渤海潜在的地震海啸进行了数值计算,基于数值计算结果定量阐述了渤海海域潜在地震海啸对渤海局部岸段及北黄海沿岸的影响,给出了渤海可能地震海啸危险性划分;研究结果将为我国海啸危险性分析和海啸预警技术研究工作提供技术支持。     

2010 年智利和2011 年日本地震海啸在我国东南沿岸诱导的波流特征及危险性分析

本文基于有限断层模型和OKADA 位错模型计算海表变形场作为初始条件，利用MOST 海啸数值模型模拟分析了2010年智利和2011 年日本地震海啸在我国东南沿海地区的海啸传播特征，海啸波模拟结果与观测数据吻合较好。重点研究分析了沈家门港口海域的海啸波流特征及其诱导的涡旋结构。研究结果表明：尽管两次事件的海啸源位置及破裂特征完全不同，但海啸波流在我国东南沿岸的分布特征大致相似；另外相对于海啸波幅而言，港湾中海啸流具有更强的空间差异性，港口入口、岬角地形处和岛屿间水道中往往会有强流存在。尽管这两次越洋海啸均未能在我国东南沿海引发淹没情形，但通过数值计算发现局部均存在超过3 m/s 以上的强流，因此进行海啸预警及风险管理时应综合考虑海啸波流的影响。     

An integrated numerical method for simulation of drifted objects trajectory under real-world tsunami waves

The present study focused on tracing tsunami-drifted objects under a real tsunami based on an integrated numerical method. Instead of a solitary wave that is much shorter and steeper than real-world tsunami waves, an extra-long tsunami wave is represented here in a nearshore region using a new approach. To this end, propagation of a seismic tsunami from the source to the nearshore region was simulated using two-dimensional depth-averaged equations. When the waves reached the target coastal area, the time series of the free surface of the tsunami was approximated by a theoretical relation based on a combination of several solitons, which were then used to solve the linearized trajectory equation of the wave-maker to generate the intended time series of the tsunami wave. Finally, in a nearshore model, the movement of drifted bodies under the generated tsunami wave was simulated based on the smoothed-particle hydrodynamics (SPH) method. In order to verify the accuracy of the proposed method in tracing the drifted bodies under a real tsunami, the giant fish-oil tank, which was transported about 300 m during the 2011 Tohoku tsunami of Japan, was selected as the benchmark. The results demonstrate that the time series of the long tsunami wave was successfully generated by the piston wave-maker in the GPU-based SPH model, and the proposed approach can be regarded as a suitable alternative for reproduction of a real tsunami. The results also showed that the simulated fish-oil tank properly followed the estimated trajectory in Ishinomaki but it was transported more than the reported distance, which was expected due to absence of a holding connection between the tank and the ground in the SPH model. It should be emphasized that this study is one of the first studies on three-dimensional tracing of a tsunami-drifted body during a real event, and the tracing can be more accurate in further simulations by applying higher-resolution topography data and faster computation systems that help include more details in the nearshore model.     

海啸波对近岸岛礁影响的数值模拟研究

基于Okada有限断层模型和非线性浅水波方程,结合高精度嵌套网格建立了越洋（中国近海）-局部-近岸岛礁的海啸生成与传播的数值模型。以三亚凤凰岛为例,首先针对2011日本地震海啸,模拟分析了海啸波沿中国沿海大陆架的传播特征及对凤凰岛的影响规律。在取得验证结果的基础上,进一步讨论了中国近海的马尼拉海沟和琉球海沟的潜在海啸源,以及环太平洋的21个潜在特大越洋海啸对凤凰岛的影响特征。依据海啸波在抵达凤凰岛的波浪特征,结合傅里叶频谱分析方法,探索了近岸岛礁对海啸波的放大效应。结果表明,中国近海一般震级的海啸和特大越洋海啸对凤凰岛存在一定影响,最大波幅接近1 m,传播时间从3 h到27 h不等。受三亚东南半岛的影响,琉球海沟激发的海啸和越洋海啸在凤凰岛的放大效应相对于马尼拉海沟较小,其频率集中在0.8×10-4~2×10-4 Hz。马尼拉海沟产生的海啸波在凤凰岛产生了较为显著的放大效应,对于凤凰岛是值得关注的高风险海啸源。     

渤海海域地震海啸灾害概率性风险评估

渤海作为我国地震活动性最为活跃的近海，其地震海啸风险不可忽视。本文应用概率性海啸风险评估方法对渤海周边区域的海啸风险进行评估。根据历史地震目录建立了渤海区域的震级-频率关系，基于蒙特卡洛算法随机生成了一套10万年的地震目录，最终通过对地震事件的海啸数值模拟及最大波幅的统计分析给出了环渤海区域典型重现期的最大波幅分布以及重点城市的海啸波幅曲线。评估结果表明，渤海地区海啸风险主要集中在渤海湾和莱州湾周边，波幅可达到1~3 m，辽东湾地区海啸风险较低。     

2015年9月16日智利Mw 8.3级地震:海啸波从近场到远场的特征分析

On September 16, 2015, an earthquake with magnitude of M_w 8.3 occurred 46 km offshore from Illapel, Chile,generating a 4.4-m local tsunami measured at Coquimbo. In this study, the characteristics of tsunami are presented by a combination of analysis of observations and numerical simulation based on sources of USGS and NOAA. The records of 16 DART buoys in deep water, ten tidal gauges along coasts of near-field, and ten coastal gauges in the far-field are studied by applying Fourier analyses. The numerical simulation based on nonlinear shallow water equations and nested grids is carried out to provide overall tsunami propagation scenarios, and the results match well with the observations in deep water and but not well in coasts closed to the epicenter. Due to the short distance to the epicenter and the shelf resonance of southern Peru and Chile, the maximum amplitude ranged from 0.1 m to 2 m, except for Coquimbo. In deep water, the maximum amplitude of buoys decayed from9.8 cm to 0.8 cm, suggesting a centimeter-scale Pacific-wide tsunami, while the governing period was 13–17 min and 32 min. Whereas in the far-field coastal region, the tsunami wave amplified to be around 0.2 m to 0.8 m,mostly as a result of run-up effect and resonance from coast reflection. Although the tsunami was relatively moderate in deep water, it still produced non-negligible tsunami hazards in local region and the coasts of farfield.     

一个覆盖太平洋区域的地震海啸波幅预报系统及检验

基于线性长波方程和缓变地形近岸波幅格林公式建立了覆盖整个太平洋区域的准实时地震海啸波幅预报系统。系统利用了GPU并行加速技术，可在90 s之内完成太平洋区域32 h的海啸传播计算和中国沿海城市岸段的波幅特征值预报。筛选了自2006年以来的9次发生在太平洋区域，矩震级（Mw）超过8.0且资料丰富的历史地震海啸事件，对预报系统进行了后报检验。结果表明，线性长波模型能够很好的模拟海啸在大洋中的传播过程；格林公式能够较为准确的估算缓变水深和开阔地形条件下的近岸海啸最大波幅，波幅预警准确率可达80%，基本满足海啸预警需求。以2011年日本Mw9.0地震海啸为例，评估了该系统对中国城市岸段的波幅预警能力，结论基本合理。需要注意的是，利用该系统计算对海啸源特别敏感的近场海啸波幅可能产生较大偏差。提出了若要进一步提高定量海啸波幅预警的准确率，可从以下两个方面加强研究和业务实践:一是采用多数据联合反演方法提升海啸源的精度；二是提高格林公式的适用性，或者构建高效的近岸精细化海啸数值预报系统。     

1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸的数值模拟

建立了一个地震海啸数值模式,模式包含越洋海啸传播部分和近岸海啸变形部分,在越洋海啸传播部分中采用线性浅水方程,使用蛙跃格式求解,并且选择合适的空间步长与时间步长,使差分格式中产生的数值频散与包辛尼斯克方程中的物理频散一致,这样在不影响海啸数值计算精度的前提下,节省了计算机的机时与内存.在近岸海啸变形部分的计算中,考虑了非线性对流项与海底摩擦项.同时该模式采用了多重网格嵌套技术,提高了所关心地区的计算精度.利用这个地震海啸模式模拟了1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸,结果与观测记录较吻合.这个模型已用于我国沿海核电站可能最大地震海啸的数值计算.     

海啸波传播的线性和非线性特征及近海陆架效应影响的数值研究

浅水方程被广泛应用于海啸预警报业务及研究,而针对线性浅水方程与非线性浅水方程在不同海区水深地形条件下的适用范围、计算效率问题是海啸研究人员急需了解的。本文应用基于浅水方程的海啸数值预报模型就海啸波在南海、东海传播的线性、非线性特征以及陆架对其传播之影响进行了数值分析研究。海啸波在深水的传播表征为强线性特征,此时线性系统对海啸波幅的模拟计算具有较高的精度和效率,而弱的非线性特征及弱的色散特征对海啸波幅的预报影响甚微,可以忽略不计。海啸波传播至浅水大陆架后受海底坡度变化、海底粗糙度等因素影响,波动的非线性效应迅速传播、积累,与线性浅水方程计算的海啸波相比表现出较大差异,主要表现为:在南海区,水深小于100m时,海啸波首波以后的系列波动非线性特征比较明显,两者波幅差别较大,但首波波幅的区别不大,因此对于该区域在不考虑海啸爬高的情况下,应用线性系统计算得到的海啸波幅也可满足海啸预警报的要求;在东海区由于陆架影响,海啸波非线性特征明显增强,水深小于100m区域,首波及其后系列波波幅均差异较大,故在该区域必须考虑海啸波非线性作用。本文就底摩擦项对海啸波首波波幅的影响进行了数值对比分析,结果表明:底摩擦作用对海啸波首波波幅影响仅作用于小于100m水深。最后,该文通过敏感性试验,初步分析了陆架宽度及陆架边缘深度对海啸波波幅的影响,得出海啸波经陆架传播共振、变形后,海啸波幅的放大或减小与陆架的宽度及陆架边缘水深有关。     

南海主要岛礁概率海啸风险评估

影响地震海啸的震源参数众多且具有很强的不确定性,充分评估海啸风险需要大量的情景模拟.本文基于建立的概率海啸风险模型,采用一种高效的海啸模拟方法,评估了南海主要岛礁的概率海啸风险.通过对历史地震数据的分析,综合考虑震级、震中位置、震源深度的随机性,形成了百万数量级的潜在地震情景集,并通过叠加近似方法实现了大量地震情景引发...     

Three-Dimensional Numerical Model for Tsunami Propagation Passing Through An Obstacle

1 .Introduction In the present numerical analysis of a tsunami ,atwo-dimensional numerical model based on non-linear shallowwater theoryis mainly used (Aburaya and Imamura ,2002 ;Imamura ,1995 ; Goto andOgawa ,1992) .Thoughthis model representstsunami hei…     

COMCOT数值模式的介绍和应用

介绍了一个成熟的海啸数值模式-COMCOT模式.COMCOT模式是一个能够模拟海啸产生、传播和增水全过程的基于浅水波方程的有限差分模型.模型采用多层网格嵌套,根据海啸在不同区域的传播特点和要求,分别选用不同的分辨率和计算设置,从而兼顾了模式的精度和计算效率.利用此模式模拟了2006年12月26日台湾南部7.2级地震产生海啸波的传播情况,结果与两个潮位站的海啸波监测数据相吻合.     

日本“3·11”海啸引起的乐清湾共振研究

本文基于TELEMAC-2D模型建立太平洋区域海啸传播模型,模拟2011年日本“3·11”海啸事件下海啸波的传播。使用实测数据对该模型进行验证,在模型验证良好的基础上分析日本“3·11”海啸事件对乐清湾的影响。通过频谱分析得到“3·11”海啸激发的乐清湾内240、180和103 min这3个主导模态的幅值及其相位。通过白噪声实验对乐清湾的固有共振特征进行估算,进一步支持了乐清湾在上述3个模态发生共振这一结论。白噪声实验还表明,海啸等海洋灾害发生时会在乐清湾湾顶及湾口处产生较大的增水,该结论对乐清湾内海洋灾害风险防范具有指导意义。