海啸俘获波在弯曲海脊上的传播规律

越洋海啸会受大洋海脊的引导以俘获波的形式沿其传播上万千米,其携带的巨大能量会严重影响远场地区、威胁海岸地区的安全。本文基于MIKE21-BW模型,分别模拟0°(直海脊)至90°(直角弯曲海脊)不同弯曲角度海脊上俘获波的传播变形过程,并定量比较其能量分配。结果表明,海脊俘获波传至海脊转弯处,少部分能量会泄露出海脊重新以自由波的形式扩散至整个海域;部分能量会被反射回来形成与初始海啸波相反方向的俘获波沿海脊传播,反射的能量会随着海脊弯曲角度的增加而增加;还有一部分能量继续沿着弯曲的海脊向前传播,其随着海脊弯曲的角度增加而减小。     

基于射线理论的海脊俘获波机制

虽然众多现场实测资料和数值模拟均表明海脊可以俘获海啸波并引导其传播至远场地区，带来严重的灾害，但少有研究阐述其产生机理。本文基于射线理论，推导了指数型海脊上波浪传播轨迹的理论解，并提出了震源位于海脊顶部的海啸被海脊完全俘获的条件。基于该俘获条件进一步给出了海脊对海啸俘获效率的表达式，用以评估海啸中被海脊俘获影响至远场的能量占海啸总能量的比例。     

双曲余弦海脊上海啸俘获波的解析与数值研究

海啸能被大洋海脊引导以俘获波的形式沿其传播上万千米，且因其特殊的运动方式，携带巨大能量影响远场地区的港口，严重威胁海岸安全。本文首先基于线性浅水方程，推导了双曲余弦平方海脊上俘获波的波面解，其为μ阶ν次的连带勒让德函数的第一类解和第二类解的组合。进一步推导出其对应的频散关系，其中对于确定的频率ω，存在无穷多个波数k_y与之对应。采用MIKE21-BW模型，模拟了产生于海脊脊顶处的海啸在理想双曲余弦平方海脊上的传播变形过程。结果表明，小部分能量以自由先驱波进行传播，海啸波的波能大部分被海脊俘获。海脊俘获波沿着海脊方向为行进波，随着海啸波传播时间的增加，波浪在沿着海脊方向的延展范围也逐渐增大，波高逐渐减小、波的个数逐渐增加。俘获波能量主要由不同频率以相同速度传播的具有孤立波特性的波浪成分和能量主要集中在特定频率范围内的波浪成分组成。     

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。     

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。     

南海北部a波和b波的生成与传播特征的数值研究

本文基于真实地形、潮汐的高分辨率三维MITgcm海洋环流模式，对南海北部a波（大振幅波列形式）和b波（孤立子形式）的生成与传播特征进行了数值研究。首先，我们总结和分析了这些波动的生成与传播特征。然后我们计算了吕宋海峡的能量收支。能量的生成在一天内有三个极大值，其中最大值对应a波的生成。吕宋海峡西边界的能通量一天内有两个极大值，较大的那个对应a波的生成而另一个对应b波的生成。我们设计了敏感性试验来探究吕宋海峡东西海脊对a、b波的生成和传播造成的影响。通过对比敏感性实验和标准试验的结果，发现对于a波的生成东海脊必不可少，但西海脊几乎没有影响。西海脊削弱了a波的振幅但未对a波波速造成明显的影响。b波来自于从东海脊生成的扰动信号。西海脊加强了这个扰动信号但减慢了它的传播速度。     

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。     

台阶型海脊俘获波的实验研究

基于物理模型实验研究瞬态冲击波在台阶地形上传播过程,揭示由于反射而在海脊上出现的波浪俘获现象。结果表明:在瞬态波产生区域附近,海脊上所测到的先导波即为最大波,其由泄漏至海脊外的深水波绕射至海脊所致。随着传播距离的增加,由于频散效应的影响,先导波逐渐减小,沿台阶近似直线传播的海脊俘获波和在台阶上曲折传播的海脊俘获波逐渐显现。在距离波浪产生较远区域所测的最大波晚于先导波出现,且这些由俘获波所叠加而成的最大波随着传播距离的增加而呈现出更加复杂的波面过程。     

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。     

畸形波传播速度实验和数值模拟研究

畸形波的传播速度是其最重要的特征参数之一。研究畸形波的传播速度有助于深入和全面了解畸形波的生成机理及其演化过程,另外还可以用于畸形波的预报。针对现有关于畸形波传播速度计算方法(高阶Stokes波理论近似估算,Hilbert变换和两固定点的距离除以畸形波的波峰经过两点所用时间)的不准确性和局限性,使用32个测点描述畸形波波峰沿波浪水槽的运动轨迹,再用回归分析法估算波峰运动轨迹与时间的相关关系,从而计算出畸形波的传播速度。基于288组物理模拟畸形波和364组数值模拟畸形波传播速度的计算结果,使用回归分析方法得出了畸形波传播速度的半经验半理论计算公式,同时还分析了畸形波传播速度的强非线性特征。     

基于类海啸波型的岛礁水动力特性数值模拟研究

基于非静压单相流模型NHWAVE建立了高精度二维数值波浪水槽,采用日本2011年实测真实海啸波型系统研究了海啸波在岛礁上传播变形的规律,并且分析了波高、礁坪淹没水深和礁前斜坡坡度等因素对孤立波和真实海啸传播变形的影响。结果表明,相比孤立波,类海啸波的波长明显大于孤立波波长,在测点处引起的水面变化持续时间更长,同等波高情况下真实海啸波型比孤立波能够携带更多的能量,与岛礁的相互作用也更为复杂,在礁坪上形成的淹没水深约为孤立波的两倍。礁前斜坡坡度和礁坪淹没水深均对类海啸波的反射和透射系数有显著影响。随着礁前斜坡坡度的增加,反射系数和透射系数均逐渐增加。随着礁坪淹没水深的增加,反射系数逐渐减小,而透射系数逐渐增大。但是,反射系数和透射系数均随着入射波高的增加而逐渐减小。     

珊瑚岛礁海岸多尺度波流运动特性研究新进展

珊瑚岛礁海岸波流动力复杂、地貌形态特殊、工程响应未知, 波浪传播变形和波生环流对建筑物安全、地形地貌演变、防灾减灾和生态环境保护都有重要影响。本文从大范围大洋海脊导波与岛礁波浪俘获、中等尺度的礁坪-潟湖-裂口系统波流特性、建筑物前沿的局部波流特性及工程响应等三种不同空间尺度上综述了波流运动特性研究的新进展, 主要包括深水大范围的海脊波浪引导与岛礁波浪俘获的理论解析、礁坪-潟湖-裂口系统整体物理模型实验、基于大水槽实验的建筑物影响下波流演化过程及越浪量和波浪力计算方法, 并提出亟需深入研究的重点内容。     

温州瓯江口浅滩地区越洋海啸影响评估计算

日本“3·11”地震海啸事件发生后,为了避免灾难重演,各滨海国家在加强海啸基础理论研究、改进海啸预警系统的同时,还应对沿海重大工程及重点保障目标进行地震海啸灾害风险排查及再评估工作;对在建的重大基础设施和社会经济功能区划应进行全面的地震海啸安全论证.在此背景下,该文首先概括总结了我国东南沿海的地震海啸风险及历史海啸事件时空分布,简要介绍了越洋海啸传播特征.海啸源选取基于潜在可能最大海啸,选取环太平洋地震带上的潜在地震海啸源,进行温州瓯江口地区越洋海啸影响评估计算.海啸数值计算模型采用美国康奈尔大学的COMCOT模型,利用该模型对2010年智利海啸、2011年日本海啸进行了近场、远场模拟验证,计算结果与观测数据吻合良好,模型可信.应用联合国教科文组织政府间海洋学委员会(UNESCO/IOC)太平洋海啸预警系统的海啸危险性等级标准,结合评估计算结果,对瓯江口浅滩地区海啸危险性进行等级划分,获得了该地区的海啸危险性初步评估结果.结果表明:在所选的10个潜在或历史海啸源产生的越洋海啸对研究区域的影响均小于100 cm,此规模的海啸不易对该地区造成灾害性影响.研究结果对于指导该地区的海啸灾害风险评估及风险排查具有一定的参考价值.     

红树林防护溃坝态海啸波冲击集装箱消能试验研究

近年来海啸灾害频繁发生,对海工建筑物造成巨大损失。在以往的海啸事件中,红树林对海啸具有一定的消减作用。基于溃坝原理生成海啸波,进而研究红树林对海啸波消减作用及红树林防护下的海啸冲击集装箱的变迁表征。对闸门处溃坝研究结果表明,溃坝过程包含突然下降、相对稳定、缓慢下降三个阶段,且蓄能水位越高溃坝发生得越剧烈。海啸波冲击搬运集装箱可分为初始冲击、加速、匀速三个阶段,其动力成因包含了冲击力和浮力。红树林消减海啸波的流态表明尾涡重叠产生的紊动水流是消能的主因,合理密植、对称排布、交错排布有利于海啸波能的消减。此外,三角形交错红树林排布、海啸波强度减小、集装箱重度增加、以及海岸坡度增加均有利于减小集装箱的变迁距离。基于试验数据提出了红树林消波系数计算公式,本试验中红树林消波系数范围为0.02至0.42。     

2010年智利和2011年日本海啸在华南沿岸的实测海啸波形和特征

文章根据三亚湾和台山广海湾实测水位数据,分析了2010年智利和2011年日本海啸在中国近岸传播的海啸波形。通过与2个深海海啸观测浮标(DART)观测到的海啸波形对照,采用功率谱分析和小波分析技术,研究远场海啸在中国华南沿岸的海啸波特征和传播规律。在2次事件中,海啸波通过巴士海峡进入中国南海后,大约3~4h到达华南沿岸。地形效应是决定海啸波能量的重要因素,特定周期的海啸波得到选择性增强。海啸波在近岸海湾持续时间长达2~3d,海啸波周期越长,持续时间越久。2次海啸事件均未对我国沿海造成灾害性影响,但是通过海啸波形的对比分析,能够更好地了解南海北部地形对海啸波的响应特征,为防范海啸提供借鉴。     

单一海脊地形对海洋内波生成与传播影响的分析

在海洋内波多发区,海底地形变化是影响海洋内波生成、传播和演化的重要因素。本文基于不可压缩原始N-S方程,在非静压近似条件下,通过建立适应于非线性海洋内波研究的非静压海洋动力学模型,并将其应用于正压潮驱动下的内孤立波生成和传播的数值模拟研究。根据模拟结果,研究了一类单海脊地形拓扑结构变化对内孤立波生成和传播的影响;分析并讨论了地形拓扑结构参数变化与生成的内孤立波传播至特定位置的抵达时间、强度等特征参数之间的变化关系;提出内孤立波生成之前在海脊一侧形成"L-下陷"结构的观点,并揭示了与该观点相合的能量"积聚"和"释放"机制。     

边缘波研究进展

由于折射作用,在波浪近岸传播过程中会出现一种特殊的、沿着岸线传播的波浪,这种波浪被称为边缘波。边缘波平行于岸线传播,其振幅在岸线处最大,在远离岸线的方向,其振幅呈指数型减小,它们的能量基本被限制在离海岸一波长的距离之内,因此边缘波对近岸地区工程、地貌等有着重要影响。本文对边缘波的研究历史、研究进展进行了阐述,主要介绍了以下几个方面:（1）基于不同控制方程、不同地形上的边缘波理论;（2）实际观测到的边缘波特性;（3）物理模型试验中边缘波的造波方式以及观测到的边缘波特性;（4）数值模拟方法在边缘波研究中的应用。最后,展望了边缘波在未来的研究趋势。     

一次北印度洋海啸的数值模拟研究

对2012年4月11日(世界时)发生在北印度洋的一次地震海啸进行了模拟研究,给出了海啸模拟所需地震参数的获取途径,以及海啸波初始场的建立方法,分析了该海啸过程最大波幅分布和海啸波传播波时分布,并与测站实测值进行了对比。结果表明,海啸波的能量传播方向存在不均匀性,能量传播集中方向的波幅较大,具有更强的危害性。     

南海东北部C型内孤立波的观测与分析

基于布放在南海东北部陆坡海域的5套潜标观测到的内孤立波波列数据和孤立波扰动KdV(PKdV)理论,研究内孤立波在趋浅陆架上的传播特征。得出如下结果:1)观测到的内孤立波属于C型内孤立波,即平均重现周期为(23.41±0.31)h。2)内孤立波在西传爬坡过程中,其振幅表现为先增大后减小再增大,与该海域温跃层深度的变化趋势一致;由观测数据和理论计算得到的孤立波振幅增长率(SAGR)数值接近,表明该海域的内孤立波的振幅变化可以采用由孤立波PKdV方程导出的趋浅温跃层理论来描述。3)随着水深变浅,内孤立波传播方向向北偏移,传播速度减小,即在A,B和D站位,传播方向分别为279°,296°和301°,偏转角度达22°;传播速度分别为2.36,2.23和1.47 m/s,减小38%。     

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。