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。     

日本南海海沟潜在地震海啸对中国东部沿海影响的数值模拟研究

2011-03-11日本东北部地震海啸发生后,围绕日本南海海沟发生潜在9级地震的可能性也进一步增大。采用高精度高分辨率有限体积浅水波数值模型GeoClaw对日本东北大地震海啸的产生、传播过程进行数值模拟研究,模拟结果对比海上浮标观测数据及中国东部沿海验潮站记录数据可知首波波峰偏差小于10%,表明模型GeoClaw可以很好地模拟海啸在大洋中及东海大陆架的传播过程。利用模型GeoClaw对日本南海海沟9级地震断层模型进行海啸数值模拟研究。研究表明,地震引发的海啸波能量巨大,同时向各个方向传播。地震发生5h后海啸波到达中国东部福建沿海地区,进而影响浙江、上海、江苏等沿海地区,海啸波高可达到1 m以上。鉴于日本南海海沟大地震发生的历史性规律及对中国东部沿海地区造成的潜在灾害,需要对其进行相应的数值模拟研究。     

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。     

2014年4月2日智利海啸数值模拟与分析

北京时间2014年4月2日智利北部近海发生8.2级地震。地震引发了海啸,南美智利、秘鲁等国沿岸的多个海洋站监测到了明显的海啸波动。文章利用国家海洋环境预报中心开发的CTSU海啸数值模式对这次智利海啸事件进行了数值模拟。模拟结果显示距离震源最近的智利北部受灾严重,秘鲁以及智利南部等海域的海啸波相对较小。沿海站点的第一波海啸波的数值模拟曲线与实测曲线基本吻合。由于数值模型的理想化和近岸水深地形数据分辨率不够,后续海啸波部分模拟结果与实测值存在一定误差。     

基于全和谐型浅水方程的有限体积海啸数值模型开发与应用

数值模拟作为海啸预报的主要研究方法在海啸预警中起着关键作用。本文采用Godunov格式的有限体积方法,使用MUSCL-Hancock格式,并利用HLLC Riemann近似求解器计算单元界面上的流体通量,建立了球坐标系下二阶精度的海啸数值模型。模型所基于的全和谐型浅水方程保证了数值的稳定性,而地形重构方法实现了干湿边界的精准模拟。本文模拟了2015年9月16日智利M_w8.3级地震海啸,通过与智利近岸14个测站和环太平洋20个DART浮标实测数据比较,验证了模型对实际越洋海啸模拟预报的能力。     

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。     

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...     

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。     

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。     

2016年全球地震海啸监测预警与数值模拟研究

回顾了国家海洋环境预报中心(国家海洋局海啸预警中心)2016年全球地震海啸监测预警的总体状况, 并基于震源生成模型和海啸传播数值模型的计算结果详细介绍了几次主要海啸事件及其影响特性。2016年全年国家海洋环境预报中心总共对全球6.5级(中国近海5.5级)以上海底地震响应了45次,发布海啸信息81期, 没有发生对我国有明显影响的海啸。结合精细化的数值模拟结果和浮标监测数据,重点介绍了苏门达腊7.8级地震海啸、厄瓜多尔7.8级地震海啸、新西兰7.1级和7.8级地震海啸, 以及所罗门7.8级地震海啸的波动特征和传播规律, 模拟结果与实测海啸波符合较好。针对厄瓜多尔7.8级地震海啸事件, 本文比较分析了均匀断层模型和多源有限断层模型对模拟结果的影响; 针对新西兰7.1级地震海啸, 探讨了色散效应对海啸波在大水深、远距离传播过程的影响规律。     

The Moneron Tsunami of September 5, 1971, and Its Manifestation on the Sakhalin Island Coast: Numerical Simulation Results

Observation data on the September 5, 1971, earthquake that occurred near the Moneron Island (Sakhalin) have been analyzed and a numerical simulation of the tsunami induced by this earthquake is conducted. The tsunami source identified in this study indicates that the observational data are in good agreement with the results of calculations performed on the basis of shallow-water equations.     

Numerical assessment of tsunami attack on a rubble mound breakwater using OpenFOAM®

A numerical assessment study of tsunami attack on the rubble mound breakwater of Haydarpasa Port, located at the southern entrance of the Istanbul Bosphorus Strait in the Sea of Marmara, Turkey, is carried out in this study using a Volume-Averaged Reynolds-Averaged Navier-Stokes solver, IHFOAM, developed in OpenFOAM^® environment. The numerical model is calibrated with and validated against the data from solitary wave and tsunami overflow experiments representing tsunami attack. Furthermore, attack of a potential tsunami near Haydarpasa Port is simulated to investigate effects of a more realistic tsunami that cannot be generated in a wave flume with the present state of the art technology. Discussions on practical engineering applications of this type of numerical modeling studies are given focusing on pressure distributions around the crown-wall of the rubble mound breakwater, and the forces acting on the single stone located behind the crown-wall at the rear side of the breakwater. Numerical modeling of stability/failure mechanism of the overall cross-section is studied throughout the paper.The present study shows that hydrodynamics along the wave flume and over the breakwater can be simulated properly for both solitary wave and tsunami overflow experiments. Stability of the overall cross-section can only be simulated qualitatively for solitary wave cases; on the other hand, the effect of the time elapsed during tsunami overflow cannot be reflected in the simulations using the present numerical tool. However, the stability of the overall cross-section under tsunami overflow is assessed by evaluating forces acting on the rear side armor unit supporting the crown-wall of the rubble mound breakwater as a practical engineering application in the present paper. Furthermore, two non-dimensional parameters are derived to discuss the stability of this armor unit; and thus, the stability condition of the overall cross-section. Approximate threshold values for these non-dimensional parameters are presented comparing experimental and numerical results as a starting point for engineers in practice. Finally, investigations on the solitary wave and tsunami overflow experiments/simulations are extended to the potential tsunami simulation in the scope of both representation of a realistic tsunami in a wave flume and stability of the rubble mound breakwater.     

Initial attack of large-scaled tsunami on ship motions and mooring loads

In this paper, we propose a numerical simulation procedure of moored ship motions due to initial attack of large-scaled tsunamis and investigate the effects on the motions and mooring loads. The effect of methodology on selection of tsunami wave components and of the drag forces are then considered by using the numerical simulation method, applying to several case studies for LNG-carrier. Large ship motions and excessive mooring loads beyond the safe working loads are induced by the resonant tsunami wave components in the sway and surge motions and drag forces.     

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.     

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。     

Field measurements and numerical simulations of the 2004 tsunami impact on the south coast of Sri Lanka

This paper examines the factors that have contributed to the significant spatial variability of the impact of the December 2004 tsunami in the southern province of Sri Lanka. Documented observations of the evidence left behind by the 2004 tsunami together with numerical simulation of tsunami propagation have been utilized for this purpose. The field data examined in the present analysis comprise the maximum water levels, the horizontal inundation distances and the number of housing and other buildings damaged as a result of the 2004 tsunami whilst the numerical results considered include the distribution of the amplitude of the tsunami. The present model results confirm that source directivity controls the distribution of tsunami amplitudes farther offshore whilst large-scale bathymetric features significantly influence the tsunami propagating over the shelf. Our analyses of field data also show the dominant influence of coastal geomorphology and topography on the extent of tsunami inundation.