基于地震自動速報和COMCOT模式的南海地震監(jiān)測與海嘯模擬平臺開發(fā)

陳建濤 ， 蘇柱金 ， 黃騰浪

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州 510070）

基于地震自動速報和COMCOT模式的南海地震監(jiān)測與海嘯模擬平臺開發(fā)

陳建濤1，2，3， 蘇柱金1，2，3， 黃騰浪1，2，3

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州 510070）

介紹由廣東省地震局開發(fā)的南海地震監(jiān)測與海嘯數(shù)值模擬平臺，該平臺主要由兩部分組成：一是基于國家地震自動速報備份系統(tǒng)的南海地震實時監(jiān)測平臺，全天候?qū)崟r監(jiān)測南海及其周邊地區(qū)進行地震自動速報，如果震級達(dá)到6級以上，平臺發(fā)出聲音報警，并預(yù)留短信接口，可發(fā)布海嘯預(yù)警信息；二是基于COMCOT模式的南海地震海嘯數(shù)值模擬平臺，根據(jù)地震三要素、震源參數(shù)、斷層參數(shù)等，進行數(shù)值模擬海嘯傳播過程，計算海嘯到達(dá)海岸線的時間和浪高，獲得海嘯傳播時程和破壞程度，用于預(yù)判發(fā)布海嘯預(yù)警信息。這兩者之間關(guān)系密切，缺一不可，先有地震，后才引發(fā)海嘯，而海嘯預(yù)警才是最終目的。

地震自動速報；數(shù)值模擬；地震海嘯

0 引言

海嘯是指海洋劇烈擾動產(chǎn)生的波動，它主要由海底地震、海底火山爆發(fā)、海岸或海底山體滑坡、小行星或彗星落人海中、海洋中的核爆炸等原因引起[1]，是一種具有強大破壞力的海浪，是地球上最猛烈的海洋自然災(zāi)害之一。地球上的太平洋、大西洋和印度洋，多次發(fā)生過海嘯，都有重大災(zāi)難性海嘯的記錄，2011年3月11號日本9.0級地震，引發(fā)了巨大的地震次生災(zāi)害海嘯，造成了日本極大的破壞和人員傷亡，社會影響極其嚴(yán)重和廣泛，甚至影響了全球，并且還出現(xiàn)了嚴(yán)重的核電站事故。

南海是我國大陸最大的邊緣海[2]，海域廣闊浩瀚，形成了半封閉的邊緣海，面積約350萬km2。海水較深、地形復(fù)雜，南海平均水深1 100多米，馬尼拉海溝南端的最深處達(dá)5 300多米，是國際上公認(rèn)具有發(fā)生破壞性地震海嘯的條件[3]，而南海沿海國家和地區(qū)人口密度大，是集中了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)等的重要經(jīng)濟地區(qū)，一旦遭受海嘯襲擊，無疑將威脅海南、廣東、福建、臺灣沿海。在這樣的背景之下，開發(fā)南海地震實時監(jiān)測平臺和海嘯數(shù)值模擬平臺[4]，是非常緊迫和必需的，具有十分重要的社會意義和科學(xué)意義。根據(jù)廣東省防震減災(zāi) “十一五”南海地震海嘯觀測網(wǎng)及地震海嘯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)工程項目，保障人民生命財產(chǎn)，有效減少地震海嘯災(zāi)害的目的，落實防震減災(zāi)基本政策，本文詳細(xì)介紹由廣東省地震局開發(fā)的南海海嘯監(jiān)測與數(shù)值模擬平臺。

1 南海地震實時監(jiān)測平臺

地震海嘯是由地震引發(fā)的，因此先有地震，后才引發(fā)海嘯。獲得地震三要素僅需幾分鐘，而由地震引發(fā)的海嘯，特別是跨洋海嘯需要傳播若干小時才到沿海，使得地震三要素速報具有重大的海嘯預(yù)警應(yīng)用意義。利用已有的多年地震監(jiān)測成果產(chǎn)品，開發(fā)能實時偵聽地震自動速報信息交互服務(wù)器的內(nèi)核和界面平臺，并根據(jù)震級、監(jiān)測位置等策略進行判斷和快速反應(yīng)。

1.1 目標(biāo)

基于國家地震自動速報備份系統(tǒng)（以下簡稱地震自動速報系統(tǒng)），開發(fā)南海地震實時監(jiān)測平臺（以下簡稱南海監(jiān)測平臺），專門針對南海海域，組成虛擬地震監(jiān)測臺網(wǎng)，24 h不間斷、自動、實時的監(jiān)測南海及其周邊的海洋大地震，快速測定地震三要素。如果地震發(fā)生在南海劃定范圍內(nèi)，震級達(dá)到6級或更大，系統(tǒng)發(fā)出聲音報警；開發(fā)預(yù)留短信接口，能夠根據(jù)實際策略進行海嘯預(yù)警發(fā)布，比如震級超過7.5級，向有關(guān)部門發(fā)布海嘯預(yù)警信息。

1.2 核心技術(shù)

南海監(jiān)測平臺的開發(fā)是基于和依賴于國家地震自動速報備份系統(tǒng)進行的，該系統(tǒng)于2009年7月底開始正式運行[5]，接收了國內(nèi)外1 000多個地震臺站的實時數(shù)據(jù)流，其中國內(nèi)實時數(shù)據(jù)測震臺為800多個，IRIS實時數(shù)據(jù)服務(wù)器上獲取的全球地震臺站200多個。該系統(tǒng)能比較準(zhǔn)確、快速、可靠地自動測定國內(nèi)M 4.0級以上，國外M 5.0級以上的地震參數(shù)。一般在地震觸發(fā)后1 min給出初步結(jié)果，可能只有震中經(jīng)緯度而沒有震級，隨著檢測到的震相信息越來越多，在地震觸發(fā)3 min后能給出可靠結(jié)果，地震觸發(fā)大于3 min后系統(tǒng)能自動不斷地修正定位結(jié)果，最終給出準(zhǔn)確的自動處理結(jié)果，為地震海嘯監(jiān)測預(yù)警平臺提供準(zhǔn)確的地震 “三要素”結(jié)果，作為南海監(jiān)測平臺的結(jié)果來源和依賴基礎(chǔ)。

使用Java語言進行平臺內(nèi)核開發(fā)，后臺內(nèi)核實時偵聽地震自動速報系統(tǒng)的JBOSS信息交互服務(wù)器[6]，僅進行偵聽信息因此絲毫不影響自動速報系統(tǒng)運行。對南海劃定范圍內(nèi)感興趣的地震進行捕捉、判斷、推送等，地震發(fā)生在預(yù)設(shè)劃定的南海范圍內(nèi)，震級達(dá)到要求（默認(rèn)6.0級以上），平臺就發(fā)出聲音報警。如圖1所示，后臺實時監(jiān)控地震自動速報JBOSS服務(wù)器，不在感興趣范圍內(nèi)的地震不進行處理。同時內(nèi)核還具備短信發(fā)送接口和測試功能，主要用于預(yù)留發(fā)手機短信、演示演練以及測試系統(tǒng)運行是否正常。

圖1 南海地震實時監(jiān)測后臺運行界面Fig.1 Real time earthquake monitoring interface of the South China Sea

1.3 界面與功能

監(jiān)測平臺使用Java語言進行GUI設(shè)計，簡潔大方，界面包括南海邊界圖、地震位置圖形顯示、地震目錄列表、地震信息詳細(xì)文本顯示，功能按鈕等。主要負(fù)責(zé)對有可能引發(fā)海嘯的地震進行速報和報警，此平臺是全自動化、全天候?qū)崟r的，監(jiān)測速報范圍為南海海域6級以上海洋地震；具有聲音報警功能，并開發(fā)短信發(fā)送接口，作為預(yù)留功能，在成果推廣使用時候，僅需購買短信群發(fā)器，在按照國家政策和權(quán)限的情況下，就能夠?qū)崿F(xiàn)地震海嘯預(yù)警信息的發(fā)送功能。界面如圖2所示，左邊列表是在此范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)生的歷史地震；右邊地圖是歷史地震分布圖和南海海域地震監(jiān)測范圍，此外，平臺還有高級設(shè)置、發(fā)送短信、假設(shè)地震海嘯模擬等功能。

圖2 南海地震實時監(jiān)測平臺界面（粗線為地震監(jiān)測范圍）Fig.2 Real time earthquake monitoring platform of the South China Sea （Thick line is the range of seismic monitor）

2 南海地震海嘯數(shù)值模擬平臺

由于目前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展還不能事先預(yù)測海嘯的發(fā)生，只能依據(jù)海底地震記錄和監(jiān)測地震附近的潮位變化來確定是否有海嘯發(fā)生，一旦確定后可迅速給出海嘯源的位置、強度，通過海嘯傳播數(shù)值預(yù)報模式計算出海嘯到達(dá)受影響海域的時間和強度，并估算出它的破壞力，在海嘯到達(dá)之前告知受影響的國家和地區(qū)，做出應(yīng)對海嘯災(zāi)害的措施，這就是海嘯預(yù)警[7]。

2.1 目標(biāo)

開發(fā)南海地震海嘯數(shù)值模擬計算平臺（以下簡稱南海模擬平臺），通過輸入地震三要素和震源機制，主要包括震位置，地震矩震級、震源深度、地震類型、斷裂大小、斷層滑動位移等參數(shù)，使用南海海底地形數(shù)據(jù)，即南海海洋海水深度精細(xì)數(shù)據(jù)和南海沿海陸地海岸線數(shù)據(jù)等，通過海嘯數(shù)值模擬進行計算海嘯到達(dá)受影響地區(qū)海岸的時間和強度，估算出其破壞程度，每個模擬過程都生成數(shù)據(jù)文件和圖件，作為是否發(fā)布地震海嘯預(yù)警信息的預(yù)判和研究。

2.2 使用模式

南海模擬平臺內(nèi)核使用海嘯數(shù)值模式COMCOT來模擬海嘯傳播，COMCOT全稱為Comell Multigrid Coupled Tsunami model，是康奈爾大學(xué)研制的海嘯數(shù)值模擬軟件[8]，采用有限差分?jǐn)?shù)值方法求解淺水方程，能夠模擬海嘯從產(chǎn)生、傳播到海岸爬高的全過程。本平臺所采取的1.6版本是由Philip L.-F.Liu研究小組于2006年修改完成，對程序結(jié)構(gòu)作了許多重大改進，采用了Fortran90語言。COMCOT已成功地用于很多歷史海嘯事件的模擬，包括1960年智利海嘯、1986年和2002年臺灣花蓮2次海嘯、2003年阿爾及利亞海嘯以及2004年和2005年印度洋海嘯等，被證明是有效的數(shù)值模式。由于COMCOT是很成熟的方法了，在這里就不需要論述和驗證該方法的正確性，只需要應(yīng)用該方法作為南海模擬平臺的內(nèi)核后臺進行數(shù)值模擬。

2.3 核心技術(shù)

（1）使用Matlab語言進行界面設(shè)計、計算內(nèi)核開發(fā)、接口開發(fā)等；界面設(shè)計包括圖形展示區(qū)、菜單區(qū)、功能鍵區(qū)、參數(shù)輸入界面等。

（2）選擇國際上通用的、經(jīng)過多次實踐的、成熟的、可靠的COMCOT海嘯數(shù)值模擬模型；使用可靠的分辨率為2分的南海海域海水深度（地形）數(shù)據(jù)庫。

（3）整合多種學(xué)科技術(shù)，包括地震三要素、震源參數(shù)、斷層參數(shù)、海浪波起始高、爬高、回落、傳播、邊界條件等海洋流體學(xué)參數(shù)。

（4）多種產(chǎn)出，包括2D和3D海嘯傳播過程演示、海嘯傳播時程、海岸線海嘯最大浪高和到時、虛擬浮標(biāo)浪高時程等。

2.4 界面與功能

南海模擬平臺包括海嘯的生成模擬，海嘯的傳播模擬，海嘯在海岸的影響破壞模擬等，能滿足局地和越洋海嘯等多種情況下的計算，有海浪波起始高、爬高、回落、底摩擦和移動邊界條件等初始輸入設(shè)定。

（1）主界面。南海模擬平臺主要是對地震海嘯進行數(shù)值模擬，提供海嘯到達(dá)沿海邊岸的預(yù)測時間和預(yù)測浪高等地震海嘯預(yù)警服務(wù)。此平臺采用國際先進的數(shù)值模擬模型和數(shù)字化海底地形資料，平臺主界面地圖為南海海洋地形圖，藍(lán)色代表海洋，藍(lán)色越深，代表海洋越深，在馬尼拉海溝附近，海水深度可達(dá)4 000 m以上，完全具備發(fā)生大海嘯的海洋背景和地質(zhì)背景。此平臺具有地震海嘯數(shù)值模擬、地震輸入、震源機制計算、震源機制顯示、2D和3D海嘯模擬數(shù)字化動畫過程、海嘯傳播時程、整個海域海嘯浪高、虛擬浮標(biāo)時程等地震海嘯預(yù)警功能。主界面如圖3所示，本文只對平臺界面和功能進行講解，而不對模擬結(jié)果進行描述和解釋。

（2）初始參數(shù)。通過模擬平臺輸入地震位置，地震矩震級、震源深度、地震類型、斷裂大小、斷層滑動位移等參數(shù)，使用南海海域范圍分辨率為2分的海水深度數(shù)據(jù)，本文假設(shè)（這個假設(shè)來源于Philip L.-F.Liu對南海地震海嘯災(zāi)害預(yù)測研究的例子，以下所有圖例均是于這個假設(shè)為基礎(chǔ)）在南海馬尼拉海溝經(jīng)緯度為119.3°E、17.0°N處發(fā)生8.0級地震，震源深度15 km，斷層破裂長度240 km，寬度35 km，錯距4.45 m。平臺具有參數(shù)輸入界面，如圖4所示，設(shè)置好參數(shù)后運行數(shù)值模擬，程序立即調(diào)用COMCOT進行計算和保存結(jié)果，平臺僅需要運行數(shù)值模擬一次。在數(shù)值模擬過程中，讀入的海底地形數(shù)據(jù)字節(jié)量為100多M，地形越精細(xì)和范圍越大，其數(shù)據(jù)字節(jié)量越大，計算越慢。模擬平臺根據(jù)設(shè)置的時間間隔，多次漸進疊加計算整個南海海域的數(shù)值模擬情況，直到所設(shè)定的模擬時長結(jié)束，一次完整模擬過程產(chǎn)出上幾百個的數(shù)據(jù)文件和圖形文件，文件總字節(jié)量為1個多G。

圖3 南海地震海嘯數(shù)值模擬平臺主界面Fig.3 Main interface of the seismic tsunami numerical simulation for the South China Sea

圖4 數(shù)值模擬平臺模式參數(shù)設(shè)置界面Fig.4 Model parameter setting interface of the simulation platform

（3）模擬傳播過程。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，讀取結(jié)果文件數(shù)據(jù)信息，動態(tài)繪制地震海嘯傳播過程。平臺具有2D和3D地震海嘯模擬傳播過程動態(tài)演示界面和功能，可以直觀的查看整個海嘯傳播過程，動態(tài)界面如圖5所示。

（4）海浪理論預(yù)測。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提取和匯總所感興趣的數(shù)據(jù)和信息，獲得整個南海海域的海嘯傳播理論定量性質(zhì)。平臺具有海嘯到達(dá)沿岸時間預(yù)測、海嘯到達(dá)沿岸海浪高度預(yù)測、虛擬浮標(biāo)浪高時程等功能和產(chǎn)出，產(chǎn)出界面如圖6所示。

圖5 2D（a）和3D（b）地震海嘯模擬傳播過程界面Fig.5 Interface of the 2D (left)and 3D (right)seismic tsunami propagation process

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了所開發(fā)的南海地震監(jiān)測與海嘯數(shù)值模擬平臺，主要由兩部分組成：一是基于國家地震自動速報備份系統(tǒng)的南海地震實時監(jiān)測平臺，二是基于COMCOT模式的南海地震海嘯數(shù)值模擬平臺。這兩者之間關(guān)系密切，缺一不可，先有地震，后才引發(fā)海嘯，而海嘯預(yù)警才是最終目的。首先要通過南海監(jiān)測平臺進行全天候自動監(jiān)測地震，監(jiān)測到南海范圍內(nèi)6級以上地震，觸發(fā)報警，立刻啟動南海模擬平臺，輸入地震三要素和震源參數(shù)等，進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，海嘯到達(dá)受影響地區(qū)海岸的時間和強度，海嘯破壞程度等，用來判斷是否需要進行海嘯預(yù)警。

本研究是在地震監(jiān)測技術(shù)和海嘯數(shù)值模擬理論現(xiàn)有應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，做出的一些開發(fā)和拓展工作，具有一定的亮點和創(chuàng)新點，但同時也有很多不足之處，需要進一步改進和完善，具體如下：

4.1 創(chuàng)新點

（1）地震科技界專門針對于南海大地震實時監(jiān)測和海嘯數(shù)值模擬平臺比較少，屬于地震學(xué)與海洋學(xué)交互融合的創(chuàng)新成果。

（2）使用經(jīng)過多年建設(shè)的地震監(jiān)測成果，即利用已有的比如數(shù)據(jù)流服務(wù)器、自動速報服務(wù)器和信息交互服務(wù)器等進行南海實時地震監(jiān)測，開發(fā)實時偵聽各種服務(wù)器信息的內(nèi)核，根據(jù)震級、監(jiān)測位置等策略進行南海地震監(jiān)測和報警。

圖6 海嘯到達(dá)時間預(yù)測（a）和海岸線浪高預(yù)測（b）界面Fig.6 Interface of the tsunami arrival time prediction （left） and coastal line wave height prediction （right）

（3）優(yōu)化海嘯數(shù)值模擬能力，整合海嘯數(shù)值模擬初始條件輸入、成熟的模式、海底地形數(shù)據(jù)等，統(tǒng)一平臺產(chǎn)出的數(shù)據(jù)和圖件等，使得地震海嘯數(shù)值模擬平臺具備高效、快速、便捷、操作容易，界面潔凈、圖件直觀、數(shù)據(jù)集中顯示等優(yōu)點。

4.2 后續(xù)工作

（1）南海海底地形數(shù)據(jù)的精讀還不夠高，需要更加精細(xì)的地形數(shù)據(jù)，特別是高精度海岸線的地形數(shù)據(jù)，至少需要30 s級別的精度數(shù)據(jù)。

（2）需要預(yù)先做好地震海嘯數(shù)值模擬庫，即在南海海域范圍內(nèi)，分割成一定密度的網(wǎng)格狀，在各網(wǎng)格內(nèi)假設(shè)出現(xiàn)不同震級和震源參數(shù)的地震，然后進行海嘯數(shù)值模擬，保存成海嘯數(shù)值模擬庫。發(fā)生地震時，僅需要震級和震源參數(shù)，就可以提取出海嘯數(shù)值模擬信息，不需要再次進行數(shù)值模擬，節(jié)省計算時間，提高海嘯預(yù)警速度。

（3）兩個平臺是使用不同的編程語言實現(xiàn)的，因此兩平臺之間的相互聯(lián)系和接口協(xié)議需要進一步開發(fā)融合。

[1]包橙瀾.海嘯災(zāi)害及其預(yù)警系統(tǒng)[J].國際地震動態(tài)，2005， 313 （1）： 14-18.

[2]楊馬陵，魏柏林.南海海域地震海嘯潛在危險的探析[J].災(zāi)害學(xué)， 2005， 20 （3）： 41-47.

[3] Kirby，S.Tsunami Source Characterization for Western Pacific Subduction Zones[M].2006USGS Tsunami Source Working Group.2005.

[4]陳建濤，葉春明.建立南海地震海嘯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)思[J].華南地震，2010， 30（s1）： 145-152.

[5]吳永權(quán)，黃文輝，康 英，等.國家地震速報備份系統(tǒng)的部署與運行[J].國際地震動態(tài)，2011（12）：21-28.

[6]蘇柱金，黃文輝.基于JOPENS系統(tǒng)的地震速報信息聚合與發(fā)布系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].華南地震，2014，34（4）： 35-40.

[7]Titov VV， FI Gonzalez， EN Bernard， et al.Real-time Tsunami Forecasting：Challenges and Solutions[J].Natural Hazards， 2005， 35 （1）： 41-58.

[8]潘文亮，王盛安.COMCOT數(shù)值模式的介紹和應(yīng)用[J].海洋預(yù)報，2009，26（3）：45-52.

The Development of South China Sea Seismic Monitor and Tsunami Simulate Based on the Automatic Earthquake Location System and COMCOT Mode

CHEN Jiantao1，2，3， SU Zhujin1，2，3， HUANG Tenglang1，2，3
（1.Guangdong Earthquake Agency，Guangzhou 510070， China； 2.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology， CEA，Guangzhou 510070，China；3.Key Laboratory of Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Project， Guangzhou 510070， China）

This paper presents a detailed introduction to the South China Sea earthquake monitor and tsunami numerical simulation platforms developed by Guangdong Earthquake Agency.The platform mainly consists of two parts:the South China Sea earthquake real-time monitoring platform based on the national automatic earthquake location system，obtains the earthquake quick report automatic real-time monitoring of the South China Sea andits surrounding areas,and gives an sound alarm if the magnitude reached 6 above，meanwhile,with setting aside the phone message interface，it can be issued a tsunami warning information;based on COMCOT mode and according to the earthquake three elements， source parameters,and fault parameters， the South China Sea tsunami numerical simulation platform can calculate the numerical simulation of tsunami propagation process，and obtains the tsunami arrival time，wave height of the coastline,the tsunami propagation process and the damage for pre judgment issued a tsunami warning information.The relationship between two platforms above are indispensable，the earthquake first,and then a tsunami，and the tsunami warning is the ultimate goal.

Automatic earthquake location system； Numerical simulation； Seismic tsunami

P315.9

A

1001-8662（2017）03-0055-08

10.13512/j.hndz.2017.03.008

陳建濤，蘇柱金，黃騰浪.基于地震自動速報和COMCOT模式的南海地震監(jiān)測與海嘯模擬平臺開發(fā)[J].華南地震，2017，37（3）：55-62.

[CHEN Jiantao， SU Zhujin， HUANG Tenglang.The Development of South China Sea Seismic Monitor and Tsunami Simulate Based on the Automatic Earthquake Location System and COMCOT Mode[J].South China journal of seismology，2017，37（3）：55-62.]

2017-02-06

廣東省南海地震觀測網(wǎng)絡(luò)及地震海嘯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)工程項目

陳建濤（1982-），男，工程師，主要從事地震觀測研究和臺站運維工作。

E-mail：37539836@qq.com.