第41卷 第5期
海 洋 学 报
V o l .41,N o .5
2019年5月
H a i y a n g X
u e b a o M a y 2
019孙立宁，于福江，王培涛.2017年9月8日墨西哥沿岸M w 8.2级地震海啸观测数据分析与模拟[J ].海洋学报,2019,41(5):35- 46,d o i :10.3969/j
.i s s n .0253-4193.2019.05.004S u nL i n i n g ,Y uF u j i a n g ,W a n g P e i t a o .N u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d o b s e r v a t i o n a n a l y s i s o fM e x i c o M w 8.2e a r t h q u a k e t s u n a m i o n 8S e p
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t e m b e r ,2017[J ].H a i y a n g X u e b a o ,2019,41(5):35-46,d o i :10.3969/j
.i s s n .0253-4193.2019.05.0042017年9月8日墨西哥沿岸M w 8.2级地震
海啸观测数据分析与模拟
孙立宁1，于福江1,2*，王培涛1,
2
(1.国家海洋环境预报中心，北京100081;2.海洋灾害预报技术研究国家海洋局重点实验室，北京100081
)收稿日期:2018-05-07；修订日期:2018-07-05
㊂基金项目：国家重点研发计划项目(2018Y F C 1407000,2016Y F C 1401500)
㊂作者简介：孙立宁(1993 )，男，河北省沧州市人，主要从事海洋灾害预警技术研究㊂E -m a i l :s 396647854@y e a h .n e t
*通信作者：于福江(1965 )，男，研究员，主要从事海洋灾害应急管理及预警技术研究㊂E -m a i l :y v
f u j i a n g
@163.c o m 摘要:2017年9月8日4时49分(U T C )，墨西哥瓦哈卡州沿岸海域(15.21ʎN ,93.64ʎW )发生M w 8.2级
地震，震源深度30k m ㊂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㊂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㊂本文选用了近场2个D A R T 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㊂基于O k a d a 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M O S T 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㊂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㊂关键词：地震海啸；数值模拟；海啸波
中图分类号:P 731.25
文献标志码:A
文章编号:0253-4193(2019)05-0035-12
1 引言
海啸一般是由海底地震㊁火山喷发㊁海底或海岸滑坡及小行星撞击等因素产生的破坏性波浪㊂地震海啸主要因为由海底形变导致海水自海底至海表的巨大扰动所形成的长周期重力波㊂海啸波抵达近岸时，由于水深变浅，波速变缓，波长变短导致波高迅速
增加，对海岸带产生剧烈的破坏作用[
1
]㊂海啸作为一种突发性且破坏力极强的海洋灾害，近年来受到广泛关注㊂据统计，全球范围内平均每年均有破坏性海啸事件发生，远高于20世纪每6年1次的频率，海啸灾害已造成245622人死亡,129658栋房屋受损,
直接经济损失超过2500亿美元㊂可见海啸已成为世界上最严重的的海洋灾害之一，严重威胁着全球沿海居
民生命财产安全[
1-3
]㊂在经历了2004年印度洋大海啸㊁2010年智利大
海啸㊁2011年日本东北大海啸等重大海啸事件后，各沿海国家逐步提高了应对海啸灾害的关注度，相继建立了适合本区域的海啸预警系统，初步具备了应对越洋海啸和区域海啸的能力，但有效应对近场海啸的能
力仍存在较大不足[
4
]㊂主要因为近场海啸留给预警系统响应的时间有限，另一方面的原因在于近场海啸与海岸地形间存在着复杂的相互作用关系，增加了预报难度㊂近年来，随着现代观测技术和海啸数值模式
模拟能力的提高，对海啸在近岸传播的特征也不断有新的发现，于福江等[5]通过谱分析和小波分析方法发现海啸初波激发的海湾或港口内的局地振荡叠加在原始波形上，往往会使水位大幅升高;O m i r a等[6]通过对智利沿岸的3起地震海啸事件的对比得出海啸
在近岸的传播明显受到智利大陆架的影响；张金凤[7]通过对不同地震源产生的海啸波在近岸产生的共
振响应分析，认为海啸波与近岸的共振响应不仅与近岸复杂地形有关，而且与海啸波传播到近岸时的波浪入射方向有关；潘文亮等[8]通过分析2010年智利和2011年日本海啸在中国近岸传播的海啸波形，发现近岸海啸波相比于深海，能量衰减的更慢，持续时间更长，能量分布更集中;D a o和T k a l i c h[9]基于数值模拟，以2004年印度洋海啸事件为案例进行了关于天文潮㊁底摩擦和频散效应等因素的敏感性实验，研究中发现，海啸在浅水传播过程中底摩擦起到了非常重要的作用，海啸波与海岸的相互作用需要得到更多的关注;Y a m a z a k i等[10]利用有限断层模型很好地模拟了2011年日本东北地震海啸近场传播特征及陆架共振效应㊂以上研究对于认识海啸在近岸的传播特征和能量分布规律起到了推动作用㊂
2017年9月8日墨西哥M w8.2级地震的震源位于墨西哥近海区域，地震发生后引发的海啸对墨西哥西海岸区域造成了灾害性的影响㊂通过对近岸验潮站水位数据的初步分析，发现此次海啸事件中部分验潮站的海啸波幅明显受到近岸地形的影响，需要进行进一步的分析和探讨㊂因此，研究分析此次墨西哥地震海啸事件，有助于进一步揭示海啸在近岸的传播规律以及近岸地区海啸波与地形的相互作用规律，具有一定的科学意义㊂
本文基于近场深水D A R T(D e e p-o c e a nA s s e s s m e n t a n dR e p o r t i n g o fT s u n a m i s)浮标与近岸验潮站的观测数据，统计分析了海啸波在近岸的波浪特征，并采用小波变换进一步分析了海啸波的时频特征㊂同时采用M O S T海啸模型模拟重现了海啸在近场的传播演变过程㊂基于实测与
模拟结果，详细分析了此次地震海啸的近场分布特征，初步解释了空间上邻近的区域对同一海啸事件的响应差异的原因㊂基于港湾共振理论，重点研究分析了港湾内海啸长期振荡特征及海啸波的放大效应，对可能的共振周期进行了估算㊂22017年9月8日墨西哥M w8.2级地震海啸事件概述四氧化锰
2017年9月8日4时49分(U T C)，墨西哥瓦哈卡州沿岸近海海域(15.21ʎN,93.64ʎW)发生M w8.2级地震，震源深度为30k m，震中位置距离墨西哥西海岸50k m，震后监测到余震700余次，最强余震达6级以上㊂根据历史资料统计，本次墨西哥地震是自1995年10月9日强震以及1985年9月21日地震后，墨西哥沿岸遭受的最严重的的地震，此次地震诱发了海啸㊂
墨西哥M w8.2级地震发生在太平洋东部的可可斯板块(C o c o s)与北美板块交界的附近，可可斯板块以大约72~81m m/a的速度向东北方向俯冲，俯冲速度由南至北逐渐减小并俯冲至北美板块之下㊂俯冲的结果导致了该区域强烈的地震活动以及一系列活跃的火山链，该区域的中源地震大多发生在可可斯板块300k m深的位置㊂自1900年以来，该区域内发生过多次中源深度的中强震事件，包括1915年9月7日发生于萨尔瓦多的7.4级地震以及1950年10月5日发生于哥斯达黎加的7.5级地震㊂区域内历史最大地震事件为1932年6月3日发生在墨西哥的8.1级地震，震后当月在该区域又分别发生了1次7.7级和1次7.8级强震㊂
据监测资料显示，墨西哥地震引发的海啸在震中附近产生了较为严重的影响，其中墨西哥H u a t u l c
o 站在地震发生12分钟后最早监测到海啸波，墨西哥南部C h j a p a s站监测到最大海啸波高为1.75m㊂地震发生后的10余小时里，墨西哥㊁东南太平洋马克萨斯岛以及萨摩亚岛等地先后监测到海啸波，最大波高超过1m，最小仅有几厘米㊂从R a mír e z-H e r r e r a 等[11]对震后受灾最严重的恰帕斯州实地考察结果来看，本次海啸在恰帕斯州最大爬高为3m，最大淹没距离为190m㊂
根据全球地震震源机制解目录(G C M T)和美国地质调查局(U S G S)公布的震源机制解(表1)可知，本次地震机制为典型的高角度正断层性质，两机构反演的震源机制解大致相同㊂反演结果如图1所示，地震破裂方向为北西向，破裂长度大约为200k m，宽约50k m㊂
3数据处理及分析
在本次海啸事件中，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，为研究此次海啸的传播特征提供了珍贵的数据㊂D A R T浮标布放在深海，水位记录仪放置在海底平坦处，用于实时监测水位变化㊂本文选取了来自
63海洋学报41卷
美国国家海洋大气局国家浮标数据中心(N O A A ,
N D B C )(h t t p ://w w w .n d b c .n o a a .g
o v /)的D A R T 浮标数据和联合国教科文组织政府间海洋学委员会(I O C -
U N E S C O )网站(h t t p ://w w w .i o c -s e a l e v e l m o n i t o r i n g .o r g
/)提供的近岸海洋台站的水位数据㊂常规状态下,D A R T 回传的观测数据采样间隔为15m i n ，发生海啸事件时回传频率提高为1m i n 或15s
，本文中对数据进行差值处理，统一调整至1m i n 采样率；近岸海洋台站的采样周期为1m i n ㊂其中D A R T -43413站点记录的海啸最大波幅为7c m ，为D A R T 浮标记录的本次海啸最大波幅；墨西哥南部的C h j a p a s 站记录的最大海啸波幅为1.75m ,
usb转音频为本次海啸在近岸被记录到的最大波幅㊂图2为选取站点的地理信息㊂表1 地震断层节面参数压延加工
T a b .1 N o d a l p
l a n e p a r a m e t e r s o f s e i s m i c f a u l t s 序号
机构
节面Ⅰ
节面Ⅱ走向/(ʎ
)倾角/(ʎ)滑动角/(ʎ)走向/(ʎ)倾角/(ʎ)滑动角/(ʎ)M w
矩心位置
磨具制造纬度经度深度/k m 1G C M T 14813-8332077-928.215.34ʎN 94.62ʎW 502
U S G S
164
20
-61
314
73
-100
8.2
15.02ʎN
93.90ʎW
47
注:G C M T 为全球地震震源机制解目录,U S G S 为美国地质调查局
㊂
图1 震源位置及震源机制(五角星位置为震源区域)F i g .1 H y p
o c e n t e r l o c a t i o n a n d f o c a lm e c h a n i s m (ʀr e p
r e n s t t h e s e i s m i c s o u r c e )3.1 海啸波提取
在近岸站点观测到的水位时间序列中，除了海啸引起的水位变化，还有其他的波动成分㊂其中潮汐是主要的组成部分，除此之外还包括气象因素㊁过往船只等引起的水位扰动㊂为了在水位信号中更准确地
分离出海啸波，本文首先根据对应站点9月份水位数据进行调和分析，分离出潮汐，然后对余下的信号采用巴特沃斯滤波器进行带通滤波，从而得到较为纯净的海啸波信号㊂图3为各站点的海啸波信号，表2为提取的海啸波信号的特征值㊂
7
35期 孙立宁等:2017年9月8日墨西哥沿岸M w 8.2级地震海啸观测数据分析与模拟
图2 水深分布及站点地理信息图
F i g .2 B a t h y m e t r y a
n d l o c a t i o n o f s t a t i o n铁氟龙押出机
s 图3 海啸波信号
F i g
.3 T s u n a m iw a v e f o r m 83海洋学报 41卷
从海啸波信号及其特征值中可以看出，在深海, D A R T-43413站点最早观测到了海啸的传播，海啸传播时间为1h8m i n，且该站点7c m的最大波幅为海啸在深海观测到的最大波幅；相比于D A R T-43413站,D A R T-32411站距离海啸源更远，在海啸传播1h 48m i n后观测到海啸波，最大波幅为3c m㊂在近岸区域,H u a t u l c o站最早观测到海啸波，海啸传播时间为24m i n；近岸观测到的最大波幅站点为C h i a p a s站，最大波幅为1.75m㊂
从图3中可以看到,S a l i n a C r u z和H u a t u l c o两站海啸波震荡的持续时间要明显长于其他近岸站点，其原因在于这两个站点处于半封闭海湾地形中，海啸波传播到海湾中会受到地形的影响，产生反射或共振使得海啸波的持续时间变长㊂海湾地形与海啸波的相互作用同样对海啸波周期产生影响,H u a t u l c o站海啸波显著周期为12m i n，为近岸站点中的最小值㊂
在近岸与海啸源距离较近的4个站点(L a z a r o C a r d e n a s㊁S a l i n aC r u z㊁H u a t u l c o㊁P u e r t oA n g e l)，都是最早监测到负的水位信号，这与海啸初始场增水方向远离海岸线㊁减水方向面向
海岸线的特征相一致，表明近岸海啸首波受到海啸源初始场的控制㊂在近岸站点中,S a l i n aC r u z与H u a t u l c o两站位于海湾中，这种特殊的海岸地形使得这两站具有相对较大的海啸最大波幅和较小的海啸波动周期㊂从地理空间分布来看,H u a t u l c o与P u e r t oA n g e l两站距离十分近(相距仅41k m)，两站也几乎在同一时间观测到了海啸波的信号(前后相差3m i n)，但是两站的观测信息在最大波幅和海啸波信号显著周期上都存在明显差别, H u a t u l c o站的最大波幅要明显大于P u e r t oA n g e l站，并且海啸波具有更短的周期㊂造成这种差异的原因与海啸本身关系不大，主要是由于两站所处位置的地形差异㊂H u a t u l c o站处于明显的海湾地形之中，这种特殊的地形使得海啸波在传播至海湾内时发生了反射㊁形成驻波，产生共振，使得海啸波幅变大㊂两站的差异也说明了海啸波在近岸的传播过程中，除了受到海啸波初始场的影响外，近岸地形特征起到了更为重要的作用㊂
表2各站点海啸波主要信息
T a b.2T h e i n f o r m a t i o n o f s t a t i o n s a n d t s u n a m i c h a r a c t e r i s t i c s
站点位置到达时间(U T C)传播时间最大波幅/m显著周期/m i n D A R T-4341310.842ʎN,100.137ʎW5:581h8m i n0.0730,60 D A R T-324114.995ʎN,90.850ʎW6:381h48m i n0.0326
L a z a r oC a r d e n a s17.940ʎN,102.178ʎW6:461h56m i n0.2060
S a l i n aC r u z16.168ʎN,95.197ʎW6:001h10m i n0.9120,60 H u a t u l c o15.750ʎN,96.117ʎW5:1424m i n0.7110,20 P u e r t oA n g e l15.667ʎN,96.492ʎW5:1727m i n0.2220,60 A c a j u t l a13.574ʎN,89.838ʎW15:3710h47m i n0.5040
L aL i b e r t a d13.485ʎN,89.319ʎW11:326h42m i n0.3774
C h i a p a s14.697ʎN,92.411ʎW9:494h59m i n1.7532注:C h i a p a s站海啸波特征值为P T W C报告给出,I O C网站中无该站点水位数据㊂
3.2小波分析
为了进一步探究近岸地形特征在海啸波近岸传播过程中的影响，本文采用小波分析方法来分析近岸站点海啸波的时频特征㊂
小波变换具有多分辨率分析的特点，并且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力㊂小波变换通过将时间序列分解到时间频率域内，从而得到时间序列的显著的波动模式，即周期变化动态，以及周期变化动态的时间格局[12]㊂小波分析将信号分解成一系列小波函数的叠加，而这些小波都是由一个母小波函数经过平移与尺度伸缩得来的，用这种不规则的小波函数可以逼近那些非稳态信号中尖锐变化的部分，也可以去逼近离散不连续具有局部特性的信号，从而更为真实地反应原信号在某一时间尺度上的变化㊂本文采用
高瓦纸93
5期孙立宁等:2017年9月8日墨西哥沿岸M w8.2级地震海啸观测数据分析与模拟
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