海啸波数值模拟的研究现状

介绍海啸特点及主要分布状况,对比现在常用的海啸模拟数学模型,并分析数值模拟海啸的研究中存在的问题及研究进展,最后提出对未来进行精确的海啸数值模拟研究的一些展望。     

我国海啸灾害及预警现状与建议

本文给出了海啸定义及其它有关概念与术语,简要给出了我国及全球的海啸灾害.全面介绍了我国海啸监测能力、预警现状、研究成果以及有关国际合作的情况,重点介绍了我国自主研制的海啸数值模式,利用该模式我们模拟了2004年12月26日发生在印度洋大海啸以及假想的发生在我国南海的海啸对周边国家的影响.对海啸预警中存在的问题及未来急需开展的工作,作者也将一一给予阐述.     

南海潜在海啸灾害的模拟

结合南海海域的地形条件、地质构造、地震学特征以及历史地震记录,在回顾总结国内外学者研究的基础上,分析了南海可能引发地震海啸的震源区域,并讨论了在我国南海沿岸发生海啸灾害的潜在可能性。采用目前在国际上广泛使用的COMCOT海啸模式,对马尼拉海沟的潜在地震引发的海啸进行了数值模拟计算,计算中包含了由地震参数到海面初始变形的转换、海啸的深水传播过程以及海啸的浅水传播过程。采用三重嵌套网格,外层网格对应于大范围的深水区域,使用球坐标系下的线性控制方程;第二层网格对应中等范围的较浅水区域,使用球坐标系下的非线性控制方程;第三层网格对应小范围的浅水区域,使用直角坐标系下的非线性控制方程。由模拟计算得到的海啸传时分布、近岸海面升降强度、四个特定点上海面高度随时间变化等的结果表明,我国南海沿岸遭受海啸袭击的可能性是存在的,应进一步对南海海啸进行监测、预警和研究。COMCOT模式性能良好,可用于对南海潜在地震海啸的进一步模拟研究。     

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.     

台湾海峡一次海啸的初步数值模拟

应用一个三维斜压陆架海模式--HAMSOM模式,首先对台湾海峡内的背景潮汐场进行了数值模拟,随后将一个参数化公式作为强迫条件,对1994年发生在海峡内的一次海啸进行模拟,结果与实测数据比较吻合.还分析了海啸波在海峡沿岸的分布情况及其对沿岸区域的影响状况,结果表明该次海啸波动对海峡沿岸区域的影响不大.     

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。     

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。     

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。     

2017年9月8日墨西哥沿岸Mw8.2级地震海啸观测数据分析与模拟

2017年9月8日4时49分（UTC）,墨西哥瓦哈卡州沿岸海域（15.21°N,93.64°W）发生M_w8.2级地震,震源深度30 km。强震在该海域引发海啸,海啸对震源附近数百千米范围内造成了严重影响。位于太平洋上的多个海啸监测网络捕捉到了海啸信号并详细记录了此次海啸的传播过程。本文选用了近场2个DART浮标和6个验潮站的水位数据,通过潮汐调和分析和滤波分离出海啸信号,对近场海啸特征值进行了统计分析,并采用小波变换分析方法进一步分析了海啸的波频特征。基于Okada弹性位错理论断层模型计算得到了强震引发的海底形变分布,并采用MOST海啸模式对本次海啸事件近场传播特征进行了模拟,模拟结果与观测吻合较好。最后,基于实测和模拟结果,详细分析了此次地震海啸的近场分布特征,发现除受海啸源的强度和几何分布特征影响外,近岸海啸波还主要受地形特征控制,在与特定地形相互作用后波幅产生放大效应,会进一步加剧海啸造成的灾害。     

利用高程基准模型实时获取海拔高技术研究

高程信息是时空位置的重要组成部分,实时获取高精度海拔高是测绘导航信息化的关键步骤之一。北斗导航终端能快速高效地测定大地高,结合高精度的数字高程基准模型,可实时获取精密海拔高程。在顾及1985国家高程基准与全球高程基准之间垂直偏差的基础上,基于GOCE+EGM08重力场模型构建了统一到CGCS 2000椭球的区域数字高程基准模型,该模型范围对应北斗区域导航的覆盖范围,即55°S~55°N,55°E~180°E,模型精度优于米级,满足北斗导航终端对海拔高的应用需求;利用实时SQLITE数据库技术,基于该数字高程基准模型构建了北斗导航终端的海拔实时获取系统,实现了任意测点精密海拔高程的实时获取。     

Simulation of Gravity Currents Using VOF Model

By the Volume of Fluid (VOF) rnultiphase flow model two-dimensional gravity currents with three phases including air are numerically simulated in this article. The necessity of consideration of turbulence effect for high Reynolds numbers is demonstrated quantitatively by LES (the Large Eddy Simulation) turbulence model. The gravity currents are simulated for h ≠ H as well as h= H, where h is the depth of the gravity current before the release and H is the depth of the in-truded fluid. Uprising of swell occurs when a current flows horizontally into another lighter one for h ≠ H. The problems under what condition the uprising of swell occurs and how long it takes are considered in this article. All the simulated results are in reasonable agreement with the experimental results available.     

Propagation Mechanisms of Incident Tsunami Wave in Jiangsu Coastal Area,Caused by Eastern Japan Earthquake on March 11,2011

At 13:46 on March 11, 2011(Beijing time), an earthquake of Mw=9.0 occurred in Japan. By comparing the tsunami data from Guanhekou marine station with other tsunami wave observation gathered from southeast coastal area of China, it was evident that, only in Guanhekou, the position of the maximum wave height appeared in the middle part rather than in the front of the tsunami wave train. A numerical model of tsunami propagation based on 2-D nonlinear shallow water equations was built to study the impact range and main causes of the special tsunami waveform discovered in Jiangsu coastal area. The results showed that nearly three-quarters of the Jiangsu coastal area, mainly comprised the part north of the radial sand ridges, reached its maximum tsunami wave height in the middle part of the wave train. The main cause of the special waveform was the special underwater topography condition of the Yellow Sea and the East China Sea area, which influenced the tsunami propagation and waveform significantly. Although land boundary reflection brought an effect on the position of the maximum wave height to a certain extent, as the limits of the incident waveform and distances between the observation points and shore, it was not the dominant influence factor of the special waveform. Coriolis force's impact on the tsunami waves was so weak that it was not the main cause for the special phenomenon in Jiangsu coastal area. The study reminds us that the most destructive wave might not appear in the first one in tsunami wave train.     

波浪沿斜面传播过程的数值模拟

精确模拟非线性波沿斜面传播过程非常困难,为此论文从势函数的边界积分方程出发,建立了一种时域内二维波浪模拟的数值模型,主要用来模拟完全非线性波浪的传播变形过程。论文的数值模型使用高阶二维边界元方法,采用可调节时间步长的基于二阶显式泰勒展开的混合欧拉-拉格郎日时间步进来求解带自由表面的线性或完全非线性波浪传播问题。在计算区域一端造出线性或非线性的周期性波浪,另一端采用消除反射波的人工粘性吸收边界。通过与现有理论比较证明了论文数值方法所得结果是准确可靠的。     

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.     

空间信息系统原理(三)数字高程模型及其数据结构

简要介绍了DTM的提出和应用情况,并对数字地面模型(DTM)、数字高程模型(DEM或DHM)、数字地形模型(DGM)等三个概念进行了论述,说明了它们的区别和联系,详细论述了离散点、不规则三角形、等高线、断面线和规则格网等几种数字高程模型的数据结构,并对不同数据结构的数字地面模型的特征进行了比较。     

Simulation of Horizontal-Two-Dimension Focused Waves Using A Two-Layer Boussinesq-Type Model

Accurate simulation of the horizontal-two-dimension(H2D) focused wave group in deep water requires high accuracy of a numerical model. The two-layer Boussinesq-type model(Liu and Fang, 2016; Liu et al., 2018) with the highest spatial derivative of 2 has high accuracy in both linear and nonlinear properties. Based on the further development of the velocity equations(Liu et al., 2023), the H2D numerical model for water waves is established with the prediction-correction-iteration model in the fini...     

抛泥扩散淤积计算模式初步研究

本模式将抛泥扩散淤积分三步进行:(1)流场采用平面二维欧拉场;(2)用有限个质点代表"污水团",采用拉格郎日法计算质点漂移;(3)用恰当的泥沙公式模拟每个质点泥沙落淤。以此三种模式的组合描述抛泥扩散淤积状况。本模式可以给出"污水团"扩散漂移过程,模拟泥沙淤积范围和淤积厚度。通过对长江口北槽拟选倾倒区抛泥淤积模拟计算,结果与示踪沙现场试验状况基本吻合,说明本方法对抛泥淤积计算是一种值得深入研究的可行方法。     

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…