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。     

基于GPU加速的Boussinesq类波浪传播变形数值模型

Boussinesq波浪模型是一类相位解析模型,在时域内求解需要较高的空间和时间分辨率以保证计算精度。为提高计算效率,有必要针对该类模型开展并行算法的研究。与传统的中央处理器(CPU)相比,图形处理器(GPU)有大量的运算器,可显著提高计算效率。基于统一计算设备架构CUDA C语言和图形处理器,实现了Boussinesq模型的并行运算。将本模型的计算结果同CPU数值模拟结果和解析解相比较,发现得到的结果基本一致。同时也比较了CPU端与GPU端的计算效率,结果表明,GPU数值模型的计算效率有明显提升,并且伴随数值网格的增多,提升效果更为明显。     

海啸数值预报模型研究进展

总结海啸预报模型的研究进展,重点分析了当今主要海啸数值预报模型的不同特点,如美国NOAA海啸研究中心应用的MOST模型、美国康奈尔大学的COMCOT模型、特拉华大学的FUNWAVE/GEOWAVE、日本的TUNAMI系列预报模型以及中国的CTSU海啸数值模型等系统,最后总结指出了海啸数值模型的发展方向和目前亟待解决的关键技术问题。     

基于海啸单位源数据库的南中国海区域海啸数值预报方法

基于全球俯冲带板片模型Slab 2.0将马尼拉海沟划分为80个海啸单位源,构建了海啸单位源数据库,建立了基于单位源数据库方法预报海啸的业务化流程。经过与现有海啸数值模型计算结果的比对,单位源数据库预报的最大海啸波幅平均预报一致性可以达到88%,能够满足业务化需求。     

三维自由面流动模拟中GPU并行计算技术

MPS(Moving Particle Semi-implicit)法能够有效地处理溃坝、晃荡等自由面大变形流动问题。在三维MPS方法中,粒子数量的急剧增加会导致其计算效率的降低并限制其在大规模流动问题中的应用。基于自主开发的MPS求解器MLParticleSJTU,本文对求解过程中耗时最多的邻居粒子搜寻和泊松方程求解两个模块采用了GPU并行加速,详细探讨了CPU+GPU策略。以三维晃荡和三维溃坝这两种典型的自由面大变形流动为例,比较了CPU+GPU相对于MLParticle-SJTU串行求解时的加速情况,结果表明CPU+GPU在邻居粒子和泊松方程这两个模块中的加速比最高能达到十倍左右。此外,采用CPU+GPU并行能够较准确地模拟溃坝、晃荡等自由面大变形问题。     

东海海啸反问题预报模式研究——以日本“3·11”海啸为例

采用COMCOT数值模式,将日本东海岸划分为18个单位震源,建立了日本东海岸海啸数据库并用非负约束的最小二乘法建立反问题预报模式。将本模式应用于日本"3·11"海啸,计算所得的海啸初始水位有10 m的抬高与3 m的降低,与前人研究结果基本一致,预报的浮标水位与实测资料符合良好。对比浙江省近岸潮位站实测海啸波高,预报值与实测值偏差较大。若采用反问题反演的震源,通过COMCOT非线性模式求解近岸水位,可以大幅提高预报精度。     

天文潮与海啸耦合数学模型研究——以东中国海温州湾为例

在COMCOT海啸数学模型中加入潮汐边界条件,建立了东中国海天文潮与海啸耦合数学模型。在琉球海沟内侧设计震级为7.6级的海底地震,根据地震板块的错动方向不同,设计正波先行与负波先行两种海啸波,通过调整海啸波发生时间,使海啸波波峰遭遇温州湾天文高潮位。将天文潮与海啸耦合模型计算结果与线性叠加计算结果进行比较,结果表明:无论正波先行还是负波先行,天文潮与海啸耦合计算相比线性叠加的结果,海啸波的到达时间均有所提前;而从海啸波波高来看,线性叠加的计算结果则比耦合计算结果偏高。     

海啸灾害数值预报技术研究现状

海啸数值预报技术在海啸预警、防灾减灾工作及海啸物理机制研究工作中都具有举足轻重的作用,特别是在海啸预警及海啸防灾减灾工作中扮演着重要的角色.根据海啸产生及海啸波传播的特征,分别总结了海啸源产生数值模型、海啸传播和淹没模型的研究现状,重点介绍了当前主流地震海啸数值预报模型数值预报技术的发展、预警系统建设及应用现状.旨在为...     

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.     

河北省海啸灾害风险评估和区划研究

基于康奈尔多电网耦合海啸模型（COMCOT）数值模式建立研究区海啸数值模型,利用模型对6个地震海啸源情景场进行模拟计算,通过对各海啸源下数值模拟结果的综合分析,确定研究区海啸灾害危险性分布;根据土地利用类型数据资料确定研究区承灾体脆弱性分布;通过危险性、脆弱性评估成果,综合确定研究区海啸灾害风险性评估和区划成果。结果表明：河北省遭受海啸灾害风险最高等级为Ⅱ级,主要分布在唐山市和秦皇岛市沿海区域;沧州市沿海区域海啸灾害风险等级较小,为Ⅲ级和Ⅳ级。     

浙江沿海潜在区域地震海啸风险分析

采用COMCOT海啸模型建立三重网格模型模拟了2011年3月11日日本东北部9.0级地震引发的海啸发生、发展以及在我国东南沿海传播过程。震源附近浮标站以及浙江沿海的潮位站实测资料验证结果显示,大部分监测站首波到达时间和海啸波的计算值相差在15%以内,表明模型可较好的模拟海啸在计算域内的传播过程。研究表明日本南海海槽、冲绳海槽以及琉球海沟南部是影响浙江沿海主要的区域潜在震源,通过情景计算分别模拟3个潜在震源9.1级、8.0级和8.7级地震引发的海啸对浙江沿海的海啸风险,计算结果表明,海啸波产生后可在3~8h内传至浙江省沿岸,海啸波达1~3m,最大可达4m,此时浙江沿岸面临Ⅲ~Ⅳ级海啸风险,达到淹没至严重淹没等级。     

深圳海域潮汐海啸波耦合数值研究

以COMCOT海啸模式和TPXO7.1全球潮汐模式为基础,采用三层嵌套网格,建立了南海海啸与潮汐耦合计算模型,分析深圳海域海啸和潮汐相互作用。潮汐计算结果与实测数据吻合较好,高、低潮位平均误差小于15 cm,20 cm;在潮汐验证的基础上,以马尼拉海沟潜在地震海啸源为案例,进行8.0,9.0级地震海啸与潮汐耦合情景模拟计算,计算结果表明,9级地震海啸在深圳海域外海波高为140~150 cm,如先行波为正波发生在高潮时将产生异常高潮位,负波发生在低潮时将产生异常低潮位,线性叠加计算结果偏大,在25.0 cm之内,到达时间差异小于6 min。     

Assessment of tsunami hazard for coastal areas of Shandong Province,China

Shandong province is located on the east coast of China and has a coastline of about 3100 km. There are only a few tsunami events recorded in the history of Shandong Province, but the tsunami hazard assessment is still necessary as the rapid economic development and increasing population of this area. The objective of this study was to evaluate the potential danger posed by tsunamis for Shandong Province. The numerical simulation method was adopted to assess the tsunami hazard for coastal areas of Shandong Province. The Cornell multi-grid coupled tsunami numerical model (COMCOT) was used and its efficacy was verified by comparison with three historical tsunami events. The simulated maximum tsunami wave height agreed well with the observational data. Based on previous studies and statistical analyses, multiple earthquake scenarios in eight seismic zones were designed, the magnitudes of which were set as the potential maximum values. Then, the tsunamis they induced were simulated using the COMCOT model to investigate their impact on the coastal areas of Shandong Province. The numerical results showed that the maximum tsunami wave height, which was caused by the earthquake scenario located in the sea area of the Mariana Islands, could reach up to 1.39 m off the eastern coast of Weihai city. The tsunamis from the seismic zones of the Bohai Sea, Okinawa Trough, and Manila Trench could also reach heights of >1 m in some areas, meaning that earthquakes in these zones should not be ignored. The inundation hazard was distributed primarily in some northern coastal areas near Yantai and southeastern coastal areas of Shandong Peninsula. When considering both the magnitude and arrival time of tsunamis, it is suggested that greater attention be paid to earthquakes that occur in the Bohai Sea. In conclusion, the tsunami hazard facing the coastal area of Shandong Province is not very serious; however, disasters could occur if such events coincided with spring tides or other extreme oceanic conditions. The results of this study will be useful for the design of coastal engineering projects and the establishment of a tsunami warning system for Shandong Province.     

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。     

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.     

从2011 海啸演习看中国海啸危害

2011 年11 月, 联合国教科文组织政府间海洋学委员会(IOC/UNESCO)发起了代号为“Exercise Pacific Wave 11”的跨国海啸演习, 演习区域为整个太平洋海区。中国应邀参加了本次演习, 演习在我国海域地震带上假设了两个震源, 分别位于琉球海沟和马尼拉海沟。为了评估这两个潜在海啸对我国的影响, 本文采用数值模拟的方式, 对其进行了计算。计算结果表明: 这两处震源所引发的海啸均能对我国造成灾害性影响, 受影响严重的省市有江苏、上海、浙江、福建、广东和海南等; 从传播时间图上看, 若发生大海啸, 海啸波将在5 h 内, 陆续影响沿海各省市; 相比琉球海沟, 马尼拉海沟震源产生的海啸会更快到达我国沿岸。