南海定量海啸预警系统

赵联大，于福江，滕骏华（.国家海洋环境预报中心，北京0008；2.国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京0008）



南海定量海啸预警系统

赵联大1,2，于福江1,2，滕骏华1
（1.国家海洋环境预报中心，北京100081；2.国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京100081）

摘要：我国面临着来自于马尼拉海沟、台湾岛以及琉球海沟等海域可能形成的局地和区域海啸风险，及时、准确地预警海啸是一个难题。2004年印度洋海啸之后，基于海量数据库和GIS技术，国家海洋环境预报中心开发了南海定量海啸预警系统，可以对潜在海啸进行快速定量化的预警，并利用GIS软件进行预警结果可视化。利用该系统对2006年台湾南部地震海啸进行模拟预报，预报结果与实测结果基本吻合。

关键词：南海；定量；海啸；预警系统

1　引言

海啸是由地震、火山喷发等因素引起的海水大规模波动形成的一种大洋长波。在深海大洋中，海啸波能够以时速500—1000 km的速度传播。当海啸波移近岸边浅水区时，波速会减慢，波高陡增，可形成十数米或更高的水墙。据观测，大海啸的波高可达30 m以上。即使波高只有3—6 m的海啸，也极具破坏力，可造成严重伤亡[1]。如2004年12月26日印度尼西亚苏门答腊岛外海发生9.1级海底地震[2]，地震引发了规模超强的巨大海啸，袭击了多个印度洋沿岸国家，造成超过22万人死亡[3]。

印度洋大海啸给全世界上了一堂生动的海啸灾害教育课，预警系统的缺失显示出海啸预警报的极端重要性和迫切需求。

由于海啸传播速度很快，局地海啸经常在地震发生后很短时间内(通常15—30 min)即到达海岸线。由于计算条件的限制，数值模式完成一次数值计算需要相当长的时间。因此，在大气海洋领域通常采用的利用数值模式进行实时计算的常规预报方式无法用于海啸的实时预警报。传统的海啸预警报方法是根据地震初始参数并基于预报员的经验进行定性的预警报，定量化的预警报如到达沿岸某些地点的准确的海啸波幅则难以给出。因此快速且定量化的海啸预警报技术变得亟需起来。

20世纪90年代，日本气象厅为了满足快速且定量化海啸预警的需求，利用大型计算机对10万个假想的海啸个例进行了数值计算，开发了基于数据库的定量海啸预警系统[4]。

我国沿海处于亚欧板块和太平洋板块交界处，琉球群岛、台湾岛、菲律宾群岛一线是环太平洋地震带的一部分，也是地震和海啸的多发地带。我国东南沿海面临着来自南海马尼拉海沟、台湾岛周边、琉球海沟的潜在局地海啸的威胁，南海沿岸的风险尤其严重[5]。2004年印度洋大海啸之后，国家海洋环境预报中心即着手开发了应对南海及其附近区域的潜在海啸威胁的定量海啸预警系统（定量海啸预警系统框架见图1）。

2　南海定量海啸预警系统开发

南海定量海啸预警系统的开发分为以下几个部分：首先确定预警区域及影响该区域的潜在地震海啸源；然后划分地震海啸单位源，确定每个单位源的相关参数；选择成熟、可靠的地震海啸数值模式；针对每个地震海啸单位源在不同震源参数情况下的情景进行计算；建立数据库，所有计算结果存储于数据库中；开发人机交互软件。

2.1地震海啸源

根据历史地震海啸灾害数据和大量的数值模拟结果，我国南海沿岸的海啸风险最大，影响南海沿岸域的主要地震海啸源主要分布在琉球海沟、台湾岛周边以及南海马尼拉海沟。国家海洋环境预报中心确定了南海定量海啸预警系统的预警覆盖区域为北纬10—32°，东经105—130°，预警岸段为自长江口以南的整个中国东南沿海，其中南海沿岸是预警重点。

针对这些潜在地震海啸源区，国家海洋环境预报中心划分了235个地震海啸单位源，每个单位源空间间隔为0.5°。参考当地的地质构造，每个单位源分别确定出固定的震源经纬度、断层走向角、倾斜角、滑动角。针对每个单位源（图2b），国家海洋环境预报中心分别考虑不同震级（图2a）和震源深度的情景，其中震级划分为6.5、7.0、7.5、8.0、8.5共5种，震源深度划分为0 km、20 km、40 km、60 km、80 km、100 km共6种，所以每个单位源设定有30种情景。

图1　南海定量海啸预警系统框架

图2　潜在地震海啸源区和划分好的单位源

2.2数值模式

国内外成熟的海啸数值模式有多种，如国家海洋环境预报中心使用的CTSU[6]、日本气象厅使用的TUNAMI[7]、美国Cornell大学开发的COMCOT[8]。由于几种模式各自具有不同特点，利用上述模式针对同一个假想海啸事件进行数值计算，对计算的结果进行对比分析。由计算结果对比发现，CTSU模型与日本TUNAMI-N2模式、美国的COMCOT模式的计算结果（尤其是第一个海啸波）基本一致（见图3），但CTSU模式的计算速度要比其他国外模式快许多。由于南海定量海啸预警系统包含了大量的海啸情景，需要进行大量的数值计算，因此在构建南海定量海啸预警系统过程中，国家海洋环境预报中心采用了自主开发的计算效率较高的CTSU数值模式。

图3　CTSU、COMCOT和Tunami-N2数值模式计算结果对比

CTSU模式基于浅水方程，分别建立了球面坐标和直角坐标控制方程。CTSU模式的控制方程组为：

方程组（1）为球面坐标方程组，方程组（2）为直角坐标方程组。式中，ζ为水面高度；h为静止水深；H为总水深；g为重力加速度；ρ为水的密度；R为地球半径；f为科氏力；τx、τy分别为x、y方向上的摩擦力；P、Q为x、y方向上的体积通量；φ和ψ分别为经度、纬度。CTSU采用半隐式差分格式求解控制方程。该模式具有计算速度快，支持并行计算等优点。

构建本系统过程中，CTSU模式的计算范围即为定量海啸预警系统的预警覆盖区域范围，即北纬10—32°，东经105—130°；模式采用单层网格，网格距大小为1′（见图4）。

图4　计算范围和网格

2.3数据库

国家海洋环境预报中心利用运行在大型计算机上的CTSU海啸数值模式对235个潜在海啸源的7050（235×30）个情景进行计算。每个海啸数值模拟将会模拟海啸发生10 h的情形。海啸模拟的输入文件包括可执行文件、参数控制文件、水深文件、沿岸点的经纬度等。海啸模拟输出文件包括每隔10 min的模拟区域水位值、全时间序列全区域的海啸最大波高分布值、全时间序列全区域的海啸传播时间分布值、沿岸点的海啸波值。

由于每次海啸数值模拟其输出结果文件所占空间很大，约1.5 G，所有7050个海啸数值模拟将会占有约10.6 T的空间。如此大的数据量很难输入数据库。即使所有数据能够输入数据库，也无法保证数据库能在短时间内完成查询、插值、输出等工作。因此，项目组将海啸预警最重要的海啸波幅和海啸到达时间输入数据库，其余的海啸波传播过程数据将不再被输入数据库。

南海定量海啸预警系统的数据库采用Oracle数据库。海啸预警数据量较大，采用人工方式显然不合适，一般采用记录交换文件方式，将相关的数据批量地自动更新到数据库系统之中。数据库包含有海啸预警信息主表、海啸预警岸段网格信息表、海啸预警岸段信息表、重点城市海啸预警信息表。为提高数据库访问效率，本数据库采用表分区技术，在超大型数据库（VLDB）中将大表及其索引通过分区的形式分割为若干较小、可管理的小块，每一分区可进一步划分为更小的子分区，以达到快速地在线查询要求。

系统输入参数只有3个，即震中位置（X,Y）、震级和震源深度，要求系统输出岸段上每个点的到达时间和高度。根据震中位置（X,Y）检索数据库中的海啸单位源与之匹配。如果能够检索得到，则立刻将该单位源情景结果调用出来。如果不能准确匹配，则选择临近的4个海啸单位源，将4个海啸源通过反距离插值分解为单个源的求解，在计算单个源时，根据线性插值方法进行震级、震源深度等维数分解，进而获得相应的预警结果（见图5）。

图5　海啸源检索示意图

2.4人机交互显示和发布

南海定量海啸预警系统采用GIS技术进行预警信息的查询和显示（见图6a）。当地震发生后，根据及时获得的地震信息，预报员分别输入地震发生时间、震源经纬度位置、震源深度、震级等参数，系统迅速进行查询和检索，随后系统会生成并在显示界面显示出震源信息、我国东南沿海不同岸段的第一波海啸波高和到达时间、沿海重点城市的第一波海啸波高和到达时间等产品。不同岸段和城市会以不同的颜色框来区分不同的危险等级。预报员还可通过鼠标点击查看沿海岸段任意格点的海啸波预警报信息。整个输入、查询、检索、显示、输出过程可以在1 min内完成。

同时，南海定量海啸预警系统还可以通过Google Map API来实现预警信息的显示和发布（图6b）。系统生成产品时自动产生xml文件，通过Javascript编程，将代码写入html文件，实现预警信息的网络发布。

图6　岸段预报结果的GIS显示和城市预报结果在Google Map上的显示

3　南海定量海啸预警系统应用

2009年，南海定量海啸预警系统开发完成并在国家海洋环境预报中心投入业务化运行。自运行后至今，本系统所覆盖的预警范围内没有发生过真实的地震海啸事件，所以没有经过实际海啸灾害预警的检测。但2006年12月26日，位于本地区的台湾南部发生地震海啸事件，国家海洋环境预报中心利用本系统对这一事件进行了模拟检验。

2006年12月26日20时26分，台湾南部发生7.0级地震[9]，地震震断了我国与欧美连接的海底光缆，造成互联网传输中断了1个多月。地震还引发了轻微的海啸波，国家海洋局崇武和东山验潮站分别测得了轻微的海啸波。国家海洋环境预报中心利用南海定量海啸预警系统进行了后报。在输入地震发生时间、震中位置、震级、震源深度等参数后，海啸预警系统在20 s左右时间即输出了预警结果。结果表明预报传播时间和波高与实测基本一致。

表1　崇武和东山验潮站的海啸实测与后报波高对比

4　结论

为了有效应对南海海啸的威胁，实现快速发布海啸预警报，国家海洋环境预报中心开发了南海定量海啸预警系统。该系统涉及了南海马尼拉海沟、台湾岛周边、琉球海沟等潜在海啸源，预警区域覆盖了我国长江口以南的整个中国沿海。通过对每个潜在海啸单位源进行不同震级和震源深度等不同情景的计算，获得海量数值计算结果，系统利用Oracle数据库对计算结果进行存储和管理，利用GIS软件进行显示和输出。南海定量海啸预警系统可以在输入震源参数1min内显示并输出预警报结果。利用该系统对2006年12月26日台湾岛地震海啸进行后报，结果表明该系统预报结果与实测结果基本一致。南海定量海啸预警系统使国内首次具备了海啸定量化预报的能力。

参考文献：

[1] UNESCO/IOC, Tsunami Glossary. Intergovernmental Oceanographic Commission Technical Series 85[K]. 2008.

[2] USGS, http: //earthquake. usgs. gov/earthquakes/eqinthenews/2004/ us2004slav/.

[3] NGDC/NOAA, http://www.ngdc.noaa.gov/hazard/tsu.shtml.

[4]于福江,吴玮,赵联大.基于数值预报技术的日本新一代海啸预警系统[J].国际地震动态, 2005(1): 19-22.

[5]赵联大,于福江,王培涛.我国的海啸风险与预警[C].//国家综合防灾减灾与可持续发展论坛文集,北京:气象出版社, 2012: 370-376.

[6]于福江,叶琳,王喜年. 1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸的数值模拟[J].海洋学报, 2001, 23(6): 32-39.

[7] IUGG/IOC. Time Project: Numerical Method of Tsunami Simulation With The Leap-Frog Scheme[K]. 1997.

[8] Cornell University, http://ceeserver.cee.cornell.edu/pll-group/comcot.htm.

[9] USGS, http://comcat.cr.usgs.gov/earthquakes/eventpage/centennial 20061226122622.

SCS quantitative tsunami warning system

ZHAO Lian-da1,2, YU Fu-jiang1,2, TENG Jun-hua1
（1. National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081 China；2. Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting, Beijing 100081 China）

Abstract：The main tsunami risk for China comes from Manila Trench, Taiwan Island and Ryukyu Trench, which may generate local and regional tsunamis. It is very difficult to forecast tsunami timely and accurately, because tsunami generates suddenly and propagates quickly. After the 2004 Indian Ocean tsunami, National Marine Environmental Forecasting Center (NMEFC) develops SCS quantitative tsunami warning system with massive database and GIS technology. Quantitative tsunami warning products could be produced quickly by the system, and visualized with GIS. Hind-cast results of 26thDec 2006 Taiwan tsunami from the system show a good agreement with measurements in coastal tide gauges.

Key words：The South China Sea（SCS）; quantitative; tsunami; warning system

作者简介：赵联大（1980-），男，高级工程师，硕士研究生，主要从事海啸预警报及数值模式研究。E-mail：zld@nmefc.gov.cn

基金项目：国家海洋局海洋公益性行业科研专项（201405026）；国家科技支撑计划（2006BAC03B02）

收稿日期：2014-05-08

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.02.001

中图分类号：P731.25

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2015）02-0001-06