基于海底壓力測(cè)量的海嘯預(yù)警方法研究

賈立雙，任 煒，李家軍，馮志濤，商紅梅

（國(guó)家海洋技術(shù)中心,天津 300112）

基于海底壓力測(cè)量的海嘯預(yù)警方法研究

賈立雙，任 煒，李家軍，馮志濤，商紅梅

（國(guó)家海洋技術(shù)中心,天津 300112）

海嘯是一種具有極大破壞力的海洋災(zāi)害，及時(shí)準(zhǔn)確的海嘯預(yù)報(bào)可大幅降低人民生財(cái)產(chǎn)損失。文中介紹了一種新的海嘯災(zāi)害預(yù)警方法。該方法針對(duì)海嘯預(yù)警需求，分析海嘯波和海洋中的其他波動(dòng)特性，以海底高精度壓力測(cè)量為核心并消除噪聲信號(hào)影響，可實(shí)現(xiàn)深海遠(yuǎn)距離海嘯實(shí)時(shí)預(yù)警。以該方法為基礎(chǔ)研制的海嘯監(jiān)測(cè)儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并識(shí)別海嘯波，從根本上降低海嘯預(yù)警誤報(bào)、漏報(bào)的概率，提高海嘯預(yù)警系統(tǒng)的性能，及時(shí)為決策者提供信息，有效降低海嘯災(zāi)害帶來(lái)的損失。

海嘯；預(yù)警；壓力測(cè)量；潮波

海嘯是一種具有極大破壞力的海洋災(zāi)害。海底強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，震波動(dòng)力可能引起海水劇烈起伏形成巨浪，巨浪抵達(dá)海岸、沿沒(méi)沿海地帶的災(zāi)害，即為海嘯。海嘯來(lái)臨時(shí)，巨浪大量吞噬生命，港口設(shè)施、建筑也毀于一旦；海嘯過(guò)后，城市可能被夷為平地，海灘上更是一片狼藉?，F(xiàn)有科技水平還不能阻止地震、海嘯這類(lèi)災(zāi)害的發(fā)生。但是，海嘯波從其發(fā)源地傳播到海岸邊往往需要一段時(shí)間（發(fā)源地緊鄰海岸的例外），如果能在海嘯波傳播過(guò)程中即加以識(shí)別并發(fā)出預(yù)警，將可及時(shí)疏散民眾、降低沿海地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)損失，這正是海嘯預(yù)警的初衷。

1 海嘯預(yù)警系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2004年印度洋地震海嘯致使約16.4萬(wàn)人死亡，損失難以估量。海嘯地區(qū)慘狀震撼全世界，促使各國(guó)積極研究和建立海嘯防御機(jī)制，以期將海嘯災(zāi)害造成的損失降到最低。迄今為止，美國(guó)、意大利、日本、印度、印度尼西亞、澳大利亞、智利等多個(gè)國(guó)家已開(kāi)展海嘯預(yù)警業(yè)務(wù)。其中，美國(guó)海嘯預(yù)警系統(tǒng)建成時(shí)間最早，經(jīng)驗(yàn)最為豐富。

美國(guó)最先于1948年在夏威夷建成“地震海嘯預(yù)警系統(tǒng)”，太平洋海嘯警報(bào)中心、西海岸和阿拉斯加海嘯警報(bào)中心相繼建成。通過(guò)監(jiān)測(cè)海底地震，預(yù)警中心能夠迅速判斷海嘯發(fā)生的可能性并向受影響地區(qū)發(fā)布預(yù)警。為了能盡早監(jiān)測(cè)到海嘯波數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)發(fā)布準(zhǔn)確的海嘯預(yù)警信息，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）于1986年即啟動(dòng)了海嘯浮標(biāo)研制，1996年開(kāi)始正式布放和應(yīng)用海嘯浮標(biāo)。

我國(guó)在20世紀(jì)80年代即加入太平洋海嘯預(yù)警系統(tǒng)，此后對(duì)海嘯進(jìn)行了大量研究。20世紀(jì)90年代至今，先后研發(fā)了越洋海嘯數(shù)值模式、海嘯傳播時(shí)間模式。2004年發(fā)生的印度洋海嘯，促使我國(guó)啟動(dòng)針對(duì)南海及其周邊海域的海嘯預(yù)警能力建設(shè)，通過(guò)國(guó)家項(xiàng)目支持，建成了基于數(shù)據(jù)庫(kù)和GIS技術(shù)的南海定量海嘯預(yù)警系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對(duì)2006年臺(tái)灣南部地震海嘯進(jìn)行模擬預(yù)報(bào),預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

目前，我國(guó)的海嘯預(yù)警以地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和海嘯預(yù)警模式相結(jié)合為主。由于缺乏海嘯波實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，存在誤報(bào)、漏報(bào)的可能，其后果可能非常嚴(yán)重。例如：誤報(bào)引發(fā)的撤離可導(dǎo)致數(shù)千萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)致使民眾受傷甚至死亡；誤報(bào)還將削弱預(yù)警的可信性，對(duì)公眾信心的打擊更是難以估量；而漏報(bào)則可能直接導(dǎo)致災(zāi)難性后果。存在誤報(bào)和漏報(bào)的原因有三：一是海嘯有多種成因，海底地震并非唯一因素；二是海底地震發(fā)生并不一定引起海嘯；三是海底地震引發(fā)的海嘯規(guī)模并不完全與地震震級(jí)比例相關(guān)。因此，需要開(kāi)展海嘯波實(shí)時(shí)觀測(cè)，改進(jìn)海嘯預(yù)警方法，大幅提升海嘯預(yù)警準(zhǔn)確性。

2 基于海底壓力測(cè)量的海嘯預(yù)警方法

2.1 基于海底壓力測(cè)量的海嘯預(yù)警方法流程

基于海底壓力測(cè)量開(kāi)展海嘯預(yù)警所需要的核心裝置是布設(shè)在深海海底的裝有高精度壓力傳感器的海嘯監(jiān)測(cè)儀。其功能是采集海底高精度壓力數(shù)據(jù)，利用特定算法識(shí)別海嘯波，生成報(bào)文并傳輸至海面錨系浮標(biāo)，通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送至海嘯預(yù)警中心；該中心也可以通過(guò)衛(wèi)星傳送指令給海面浮標(biāo)，并由其使用聲通信機(jī)將指令轉(zhuǎn)發(fā)給海嘯監(jiān)測(cè)儀，改變海嘯監(jiān)測(cè)儀工作模式。

海嘯監(jiān)測(cè)儀的工作模式有兩種：（1）常規(guī)模式，海嘯監(jiān)測(cè)儀測(cè)量海底壓力數(shù)據(jù)并進(jìn)行判定和識(shí)別，未發(fā)現(xiàn)海嘯波信息時(shí)以常規(guī)頻率發(fā)送壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)海面浮標(biāo)傳送至地面預(yù)警中心；（2）事件模式，發(fā)現(xiàn)并判定海嘯波信息時(shí)，生成并發(fā)送海嘯預(yù)警信息，同時(shí)加密發(fā)送壓力數(shù)據(jù)。

將海嘯監(jiān)測(cè)儀預(yù)先布放在主要的海嘯傳播路徑上，利用高精度壓力傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)識(shí)別判定海嘯波的方法，是海嘯預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分。然而，海水的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)通常是天文潮、風(fēng)浪、涌浪和海流等多種形式運(yùn)動(dòng)的合成，如何從水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)中識(shí)別并抽取海嘯波分量，就成為基于海底壓力測(cè)量的海嘯預(yù)警方法的技術(shù)難點(diǎn)。

2.2 基于海底壓力測(cè)量的海嘯預(yù)警方法原理

海嘯以波的形式在水中傳播，如圖1所示。通常，海嘯波在深海中形成時(shí)波長(zhǎng)很長(zhǎng)（可達(dá)幾百千米）、波高很?。◣资迕谆蚋。?、周期從幾分鐘至2 h、傳播速度很快（達(dá)幾百千米/小時(shí)）。當(dāng)海嘯波傳播到近岸淺水區(qū)時(shí)，受海岸地形影響，其波速減小、波高驟增、波長(zhǎng)減小。因此，可對(duì)沿岸地區(qū)生命財(cái)產(chǎn)安全形成致命威脅的海嘯，在深海區(qū)域傳播時(shí)引起的海平面變化往往并不大。

圖1 海嘯波的傳播

由于海嘯傳播速度很快，為提早發(fā)布海嘯預(yù)警，以贏得更長(zhǎng)的災(zāi)害防御時(shí)間，海嘯監(jiān)測(cè)儀需布放在深海區(qū)的海嘯傳播路徑上（就我國(guó)而言，可能引起地震海嘯的震源區(qū)距離大陸很遠(yuǎn)）。在這些區(qū)域，海水受海嘯波影響而起伏，水面距海底高度隨之變化，這種變化雖然不大，但可由放置于海底的高精度壓力傳感器測(cè)得。這首先是因?yàn)楹[波具有長(zhǎng)波（水深相對(duì)波長(zhǎng)很小，也稱(chēng)為淺水波）屬性。

圖2 淺水波與深水波由海面至海底的傳播

如圖2（a）所示，長(zhǎng)波傳播時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡呈橢圓形，其短軸隨深度減小，直到接觸海底才變?yōu)榱?；而從海面至海底，長(zhǎng)軸則幾乎完全相同。這樣，海嘯波傳播時(shí)，海底附近的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)依然明顯，所引起的水位變化可由海底高精度壓力計(jì)測(cè)得。與之相對(duì)，由風(fēng)引起的波浪屬深水波（圖2（b）），在水面附近水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)比較顯著，其軌跡近似為圓形，隨深度增加波動(dòng)衰減直至靜止。低頻海嘯波可以到達(dá)深海海底而高頻風(fēng)生波無(wú)法到達(dá)，這種現(xiàn)象使深海成為一個(gè)理想的低通濾波器，便于在海底進(jìn)行海嘯波測(cè)量。

另一方面，海嘯監(jiān)測(cè)使用的布放于海底的壓力傳感器具有很高的分辨率和精度（分別高于滿(mǎn)量程的百萬(wàn)分之一和萬(wàn)分之一），如美國(guó)生產(chǎn)的高精度石英壓力傳感器（4 000系列），可以感知到0.6 cm的水位變化所造成的壓力改變。當(dāng)海嘯波在深海傳播所引起的海平面高度變化大于0.6 cm時(shí)即可被海底壓力傳感器所測(cè)到，已可以有效地開(kāi)展海嘯監(jiān)測(cè)。

另外，海嘯監(jiān)測(cè)儀布放于海底，具備安全性好、受氣象環(huán)境和海況影響小、工作環(huán)境穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，可以滿(mǎn)足海嘯監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行需求。

總之，海嘯傳播時(shí)，在海底的壓力測(cè)量信號(hào)中將包含有明顯的海嘯波信號(hào)，只需將其識(shí)別出來(lái)，即可開(kāi)展有效的海嘯監(jiān)測(cè)并發(fā)出預(yù)警，服務(wù)海嘯災(zāi)害防御。

3 海嘯波識(shí)別算法設(shè)計(jì)

基于海底壓力測(cè)量的海嘯波識(shí)別算法的核心任務(wù)是結(jié)合已有觀測(cè)數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量數(shù)據(jù)是否表征海嘯波的到來(lái)。獲取海底壓力測(cè)量數(shù)據(jù)后，海嘯波識(shí)別算法的工作步驟是：（1）濾除測(cè)量信號(hào)中的高頻雜波；（2）計(jì)算潮波數(shù)據(jù)；（3）從壓力測(cè)量數(shù)據(jù)中分離干擾數(shù)據(jù)，判斷所得信號(hào)是否為海嘯波。該算法首先需滿(mǎn)足時(shí)效性要求，同時(shí)為提高在位時(shí)間，必須盡可能降低算法運(yùn)行的資源消耗。

3.1 海底壓力信號(hào)中的主要分量

海洋中的波由多種因素引起，為水質(zhì)點(diǎn)的波動(dòng)提供主要能量的是風(fēng)、猛烈風(fēng)暴、地震以及太陽(yáng)等天體的引力。波高與波周期、各種生成因素之間的關(guān)系如圖3所示。由圖可知，周期在5 min～2 h間的波主要是海嘯波；周期在5 min以下，主要是風(fēng)切波和涌浪等風(fēng)生波；周期在2 h以上，主要是由天體引力等驅(qū)動(dòng)的潮波。

圖3 波高、波周期及其驅(qū)動(dòng)因素

根據(jù)波在海洋中傳播的規(guī)律，長(zhǎng)波（即淺水波）可以傳播到深海海底，而短波則在傳播到海底之前即大幅衰減。風(fēng)生波屬于短波，故其對(duì)海底附近的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)影響微弱；海嘯波和潮波屬于長(zhǎng)波，海底附近的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)主要受海嘯波和潮波影響。

由此，在深海海底壓力測(cè)量信號(hào)中，主要的分量為海嘯波和潮波，除此外，還將存在一些由高頻波、海洋動(dòng)物活動(dòng)等引起的環(huán)境雜波。要進(jìn)行海嘯監(jiān)測(cè)和預(yù)警，首先需要從海底壓力測(cè)量信號(hào)中濾除高頻雜波，而后分離出潮波信號(hào)，最終得到海嘯波分量。

3.2 海嘯波識(shí)別計(jì)算

根據(jù)潮汐靜力理論，天文潮可以視為受多個(gè)“假想天體”影響而產(chǎn)生的由許多周期長(zhǎng)短各異的“分潮”疊加而成，每個(gè)分潮的波形都可以由正弦波表征。本算法利用過(guò)去3 h的觀測(cè)壓力值擬合海平面波動(dòng)曲線(xiàn)，通過(guò)外推法預(yù)測(cè)下一個(gè)海平面高度值Hp(t')。

式中：H*表示10 min平均海平面高度；dt= 1 h；t'表示預(yù)報(bào)時(shí)間；系數(shù)w(i)來(lái)自牛頓公式II，w(i)用于向前遞推。

本算法使用已測(cè)壓力值來(lái)計(jì)算預(yù)測(cè)值，然后對(duì)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值做計(jì)算，如果差值大于預(yù)設(shè)值則認(rèn)為有海嘯波發(fā)生，觸發(fā)事件模式。發(fā)生真實(shí)海嘯時(shí)，海嘯波幅值將影響預(yù)測(cè)值，且由于計(jì)算預(yù)測(cè)值使用的測(cè)量值時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)3 h，海嘯波幅值可能長(zhǎng)期影響預(yù)測(cè)值計(jì)算，導(dǎo)致算法做出錯(cuò)誤的判斷，認(rèn)為海嘯還在發(fā)生并處于海嘯事件模式。根據(jù)分析，為減小這種影響，使海嘯儀盡快脫離海嘯事件模式，關(guān)鍵的因素是調(diào)整用于濾除高頻雜波的低通濾波器的截止頻率，截止頻率越高，海嘯波幅值對(duì)預(yù)測(cè)值影響越大。

4 結(jié)論

利用布放于海底的高精度壓力計(jì)來(lái)測(cè)量海水水位，進(jìn)而開(kāi)展海嘯波的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警是可行的。海嘯監(jiān)測(cè)儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并識(shí)別海嘯波，從根本上降低海嘯預(yù)警誤報(bào)、漏報(bào)的概率，提高海嘯預(yù)警系統(tǒng)的性能。引入海底監(jiān)測(cè)儀后，海嘯預(yù)警中心接收來(lái)自海底的高精度壓力數(shù)據(jù)和海嘯預(yù)警信息，結(jié)合地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、驗(yàn)潮站水位數(shù)據(jù)、海嘯預(yù)警數(shù)值模型，可以更加及時(shí)精確地發(fā)布海嘯預(yù)警信息。同時(shí)，該方法還可以應(yīng)用于精細(xì)化風(fēng)暴潮預(yù)警。

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Research on the Method of Tsunami Pre-Warning Based on Deep-Sea Pressure Measurement

JIA Li-Shuang,REN Wei,LI jia-jun,FENG Zhi-tao,SHANG Hong-mei
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

Tsunami is a kind of destructive marine disaster.Effective tsunami prediction in a timely and accurate way can greatly reduce the loss of people's property and lives.A new method for tsunami pre-warning is introduced in this paper.By analyzing the differences between tsunami wave and other waves in the sea,the method uses high-accuracy sea bottom pressure gage as the core technology,and removes the influence of highfrequency noise signals,in order to achieve real-time tsunami wave monitoring over a long distance in deep oceans.The tsunami monitor based on this theory can monitor and identify tsunami waves in a real-time manner, reduce the probability of false alarm and missing report,and improve the capability of the tsunami warning system.Through this method,important information of tsunami wave can be provided for decision-makers,thus effectively reducing the loss caused by tsunami disasters.

tsunami;pre-warning;pressure measurement;tidal wave

P731.36；X834

A

1003-2029（2017）03-0108-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.020

2017-01-02

海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（201205034）

賈立雙（1980-），男，工程師，主要從事海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。E-mail:glsh1980@sina.com