基于MOST传播模型的中国边缘海近岸水域海啸强度评估研究

摘要

海啸是造成人员伤亡和经济损失最严重的自然灾害之一。基于Method of Splitting Tsunami(MOST)数值模型的海啸淹没预报系统能够模拟海啸的产生、传播和淹没过程，实时地进行海啸的预报预警工作。多次历史海啸的实测值与数值模拟值的比较结果证明了该模型的有效性和准确性。该预报系统整合了三个关键组分:海啸的实时深海观测、基于深海观测和海啸传播数据库的海啸源反演、高精度淹没模型计算爬坡。本文基于此模型研究了海啸波信号波的实时提取、全球海啸传播数据库的构建及中国边缘海近岸水域海啸振幅强度评估三个问题。
　　海啸事件发生过程中，海啸探测仪DART(R)记录的海面高度信号中包含潮汐信号、海啸波信号和背景噪声，实时预报系统需要在最短的时间内分离出海啸波信号从而反演海啸源，进而数值模拟海啸数值传播及上岸过程。本文采用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)方法解决这个问题，此方法适于分解非线性非平稳信号。首先基于经典EMD方法提出了线性算子EMD(LO-EMD)算法，即在高阶导数空间中给出本征模态函数(Intrinsic Mode Functions，IMFs)的定义并转化为优化问题，利用线性算子表示出IMFs。相比于经典EMD方法，此方法在分辨率、模态混淆及抗噪性问题方面有所改进。将LO-EMD方法应用到从海面高度模拟信号分离海啸波信号问题，相比调和分析等方法，此方法采用较短的数据序列就能够达到较高的分解准确度。
　　分离得到的海啸波信号与海啸传播数据库中的海啸源函数结合反演出海啸源，从而为进一步的海啸上岸数值模拟提供初始和边界条件。目前的海啸传播数据库分别覆盖太平洋、大西洋以及印度洋，模拟的海啸传播时间在24 h～36 h。本文基于MOST海啸传播模型，采用全球地形网格以及不同于构建太平洋海啸传播数据库时采用的边界条件，提出全球海啸传播数据库的构建。通过比较一维、二维数值模型的解析解与数值解验证了边界条件的有效性。以2011年3月11日发生的日本海啸为实例，DART(R)实测值与采用数据库计算得到的结果比较表明:计算网格的更新使得对于远离海啸源的一些DART(R)站及验潮站处初始海啸波数值计算结果有改善，边界条件的改变对于提高后续波的模拟结果有影响。同时模拟结果验证了海啸振幅和传播速度在深海中的传播是线性的;采用新边界条件时，MOST模型的数值耗散更少。
　　收集Global CMT地震目录中对中国沿海存在海啸威胁的历史地震，根据记录的地震参数计算MOST模型的输入参数。采用MOST模型模拟五次有实测海啸记录的历史地震产生的海啸，实测记录与数值模拟结果的比较说明，采用历史地震记录计算的作为MOST模型的输入参数，并据此数值模拟历史海啸，该方法是可行性的。MOST模型与Boussinesq模型的比较结果确定了使用MOST模型模拟历史地震引发的海啸增水时在中国附近海域采用1 arc min的计算网格，并采用50 m水深处的海啸振幅对中国边缘海近岸水域海啸振幅强度进行评估。
　　对中国边缘海近岸水域海啸振幅进行统计分析并计算长期重现值，给出长期重现期下中国沿海容易遭受海啸危害的海域。广义Pareto分布(GPD)的阈值选择方法验证了采用7级及以上的历史地震作为研究对象是合理的。7级及以上历史地震的发生频次采用Poisson分布拟合，历史地震矩震级和离岸海啸振幅的一维概率分布分别采用Poisson-GPD和Poisson-Lognormal分布拟合。在假设2011年3月11日日本海啸的重现期为500年的条件下，计算了中国边缘海近岸水域海啸振幅的长期重现值。当重现期为1000年时，广东省东北部海域、福建省西南部海域、台湾除邻接台湾海峡的海域、浙江省东北部海域和上海市附近海域的离岸海啸振幅超过20 cm;特别当重现期为2500年时，广东省东北部海域、福建省西南部海域及台湾高雄南部和东部海域的离岸海啸振幅达到50 cm。采用Gumbel Copula函数构造地震矩震级和中国边缘海近岸水域海啸振幅的联合概率分布并计算联合重现值。当联合重现期为1000年时，海啸振幅超过20 cm的海域在广东省、福建省、台湾、浙江省与上海市附近海域。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 文献综述

1．2．1 海啸过程数值模型研究

1．2．2 基于MOST模型的海啸预警系统

1．2．3 海啸波观测信号提取

1．2．4 海啸传播数据库

1．2．5 海啸灾害概率评估

1．3 研究内容

2 EMD分解及其在海啸波信号提取中的应用

2．1 引言

2．2 经典EMD方法

2．3 基于高阶导数空间的EMD方法

2．3．1 高阶导数空间IMF的定义

2．3．2 利用线性算子提取n-IMF

2．3．3 导数空间的阶数对分解结果的影响

2．3．4 基于导数空间的自适应分解算法

2．3．5 采用模拟数据评价算法

2．4 实时海啸波信号与潮汐信号的分离

2．4．1 构造DART模拟数据

2．4．2 LO-EMD方法分解模拟信号

2．5 本章小结

3 MOST模型及全球海啸传播数据库构建

3．1 引言

3．2 MOST模型简介

3．3 全球海啸数据库

3．4 数值模型验证

3．4．1 一维数值模型

3．4．2 二维数值模型

3．5 基于2011年3月11日日本海啸的验证

3．5．1 基于地形数据与边界条件更新的传播数据库改进

3．5．2 深海中海啸传播线性水动力验证

3．5．3 海啸能量衰减

3．5．4 采用全球海啸传播数据库的淹没模型结果

3．6 海啸单源对中国沿岸离岸海啸的影响

3．7 结论

4 历史地震及其海啸数值模拟

4．1 引言

4．2 历史地震诱发海啸的数值模拟

4．2．1 海啸数值模拟所需参数计算

4．2．2 计算参数验证

4．3 历史海啸验证

4．3．1 2013年10月25曰Honshu海啸

4．3．2 2012年12月7日Honshu海啸

4．3．3 2011年3月11日Tohoku海啸

4．3．4 2010年2月27日Chile海啸

4．3．5 2009年9月29日Samoa海啸

4．4 中国沿海计算网格精度选择

4．5 MOST模型数值模拟历史地震海啸

4．6 本章小结

5 中国边缘海近岸水域海啸振幅强度一维概率分析

5．1 引言

5．2 一维概率模型

5．2．1 Poisson分布

5．2．2 复合极值分布

5．2．3 广义Pareto分布

5．2．4 广义极值分布

5．2．5 对数正态分布

5．2．6 Weibull分布

5．3 特大值处理

5．4 重现期定义及重现值计算

5．5 拟合分布的统计检验

5．6 历史地震震级的一维统计分析

5．6．1 阈值选择验证

5．6．2 历史地震发生频次统计分布

5．6．3 历史地震矩震级的原始分布

5．6．4 历史地震震级的Poisson复合分布

5．7 中国边缘海近岸水域海啸振幅的一维统计分析

5．7．1 香港地区海啸振幅的统计分布

5．7．2 中国沿岸海啸振幅的重现值

5．8 本章小结

6 地震矩震级和海啸振幅联合统计分析

6．1 引言

6．2 Copula函数构造联合分布模型

6．2．1 二元Copula函数

6．2．2 Copula二维模型的构造

6．2．3 常用的二元Copula函数

6．3 分布拟合的统计检验

6．3．1 离差平方和

6．3．2 x2检验

6．4 地震矩震级和海啸振幅的联合分布

6．4．1 香港地区分析

6．4．2 中国沿岸分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

攻博期间发表及完成的学术论文