渤海海域地震海啸灾害概率性风险评估

第41卷 第1期

海 洋 学 报

HaianuebaoygX

,Vol.41No.1Januar019y2

0253-4193.2019.01.006

],):,:/李宏伟,王宗辰,原野,等.渤海海域地震海啸灾害概率性风险评估[海洋学报,J.201941(151-57doi10.3969i.ssn.j

():,:/41151-57doi10.3969i.ssn.0253-4193.2019.01.006j

,W,,[],,LiHonweianonchenYuanYeetal.ProbabilistictsunamihazardassessmentintheBohaiSeaJ.Haianuebao2019ggZgygX

渤海海域地震海啸灾害概率性风险评估

,,,222323232

,,,,,李宏伟1,王宗辰1,原野1,徐志国1,王培涛1,史健宇1,

(;;国家海洋环境预报中心,北京1自然资源部海啸预警中心,北京1自然资源部海洋灾害预报技术1.000812.000813.)研究重点实验室,北京100081

摘要:渤海作为我国地震活动性最为活跃的近海,其地震海啸风险不可忽视。本文应用概率性海啸风险评估方法对渤海周边区域的海啸风险进行评估。根据历史地震目录建立了渤海区域的震级-频率关系,基于蒙特卡洛算法随机生成了一套1最终通过对地震事件的海啸数值模0万年的地震目录,拟及最大波幅的统计分析给出了环渤海区域典型重现期的最大波幅分布以及重点城市的海啸波幅曲线。评估结果表明,渤海地区海啸风险主要集中在渤海湾和莱州湾周边,波幅可达到1辽东湾~3m,地区海啸风险较低。

中图分类号:P731.25

关键词:渤海;海啸;概率性风险评估

文献标志码:A

()文章编号:0253-4193201901-0051-07

]4-5

,域[历史上曾发生过多次强震。一旦该区域内再

1 引言

]1

,害[海啸已经成为威胁全球沿海居民生命财产安全

次发生强震并引发海啸,不排除造成一定程度的人员伤亡和经济损失。

目前,国际上普遍采用确定性和概率性两种评估技术路线来评估某一区域海啸灾害的风险。相比于简单的根据极端地震事件对海啸风险进行评估的确定性海啸风险评估方法,概率性风险评估方法能够给出不同重现期下的海啸风险或不同海啸波幅的年发生概率,方便决策者针对性的做出防灾减灾部署和城市建设规划,近几年在美国、澳大利亚、印尼等地区得

]6-11

。鉴于该区域存在地震海啸风险评估到了应用[

进入2全球发生了多次地震海啸灾1世纪以来,

最严重的自然灾害之一。我国以占陆域面积不到创造着30%的沿海经济带承载着全国半数以上人口,

,超过6海岸带一线聚集着大量的重点工0%的GDP程和人口稠密区,海啸灾害风险不容忽视。因此,对我国沿海地区进行海啸灾害风险评估,对提高我国沿海防灾能力,减少海洋灾害损失,都具有十分重要的意义。

渤海连接华北和东北,地处环渤海经济带的核心部位,邻近京津唐,沿海地区人口稠密、经济发达,在我国经济发展规划布局中占有重要的地位。虽然渤

]2-3

,海区域历史上没有海啸致灾事件的详细记录[但

工作的客观需求,本文将应用基于蒙特卡洛算法的概率性风险评估方法对渤海地区局地海啸的风险进行评估,以期给出不同重现期内渤海周边地区的海啸风险,该结果对于环渤海区域未来的防灾减灾工作将更具有指导性意义。

是渤海作为我国近海海域中地震活动性最强的区

;。收稿日期:修订日期:2018-01-182018-05-10

);)。基金项目:全球变化与海气相互作用专项(国家重点研发计划(GASI-GEOGE-052016YFC1401500

—),:作者简介:李宏伟(男,河北省承德市人,助理研究员,从事地震海啸预警及海啸风险评估研究。E1984-maillihw@nmefc.cn

52海洋学报 41卷

2 渤海区域构造及地震活动性

渤海是我国的内海,与华北平原连成一片,构成一个北东走向的裂谷式盆地。该地区地质构造复杂,整体主要由北东-北北东向,近东西向和北西向3组)。其中,断裂控制(图1北东向的郯庐断裂带是东亚上一系列巨型断裂系中的一条主干断裂带,该断

裂南起长江北岸,经安徽庐江、山东郯城、渤海,过沈阳后分为西支和东支,总体呈S状北北东向延伸,长大大小小的地震活动从未间断过,说明它是处于活动状态的断裂,是一条明显分段、活动程度不等的地震

]12

。活动带[

达24郯庐断裂带及其附近两侧,00km。从古至今,

不同颜色表示不同的震源深度,大小表示震级,红色五角星表示海啸曲线的输出点,红色边框为潜在海啸源区域,,Dethofhistoricalearthuakeisidentifiedbolorthemanitudeisidentifiedbizewhiletheoututpointsofpqycgysp

tsunamicurvesareidentifiedbedstars.Poloninredindicatesthepotentialtsunamireionyrygg

Fi.1 DistributionoffaultsandhistoricalearthuakesintheBohaiSeagq

图1 渤海主要断层及历史地震分布

渤海成为中 在郯庐断裂与燕渤断裂带的影响下,

国近海海域中地震活动性最强的区域。渤海及周边的历史地震分布如图1所示,区域内的地震以70km以内的浅源地震为主,震级总体较强,地震活动性在空间上分布呈明显的不均匀性,渤海内部地震主要集南部和北部的地震7级以上的强震。相比中部而言,活动性较低,总体上南部地震活动性高于北部。图1中所示的部分历史地震事件的震源机制解来源于哈佛大学全球震源机制解数据库,由于震源机制解目录,时间较短(渤海内部没有震源机制解1976-2018年)信息,但其周边区域的36条震源机制解表明该区域的断层活动性质以走滑为主,这主要是由于渤海受中在两大断裂带的交汇处,历史上该区域发生过4次

3 海啸概率风险评估方法

[]

[]

NWW向挤压应力场控制造成的4。

13

于1中nell968年从地震概率性风险评估(PSHA)延伸得出的,该方法借鉴了地震危险性方法的定义,

概率性海啸风险评估方法(是由CPTHA)or-

即对于某一给定的海滨地区,求出将来若干年内一定海啸波幅值的超越概率。本文应用概率性海啸风险评估方法分析局地海啸源对渤海及周边地区的影响,具体步骤分为如下几个方面。

3.1 潜在海啸源的划分及地震活动性统计

根据已有的海啸观测信息及海啸数值模拟研究,越洋海啸源和区域海啸源对渤海地区影响较小,渤海

渤海海域地震海啸灾害概率性风险评估1期 李宏伟等:

]14-16

。已有研究海啸威胁主要还是来自局地海啸源[

53

结果表明,一旦海啸波与港口固有周期产生共振,将

]17

,进一步放大海啸的灾害[因此该区域的海啸风险

亦不可忽视。我们根据渤海区域内的历史地震分布

]5

以及前人在该区域地震风险评估相关研究成果[划

分了渤海潜在海啸源区域如图1红色边框所示。

[8]

提出的震级频率关系(来表征。Richter1GR关系)

本研究选用的渐变式震级频率关系(TaeredGR关p

一个区域内的地震活动性可以通过Gutenber和

)),系,是原有G式(更符合物TGR)R关系的完善(1

理意义[19

]达式如下:

。该关系是通过地震矩的形式表现的,表

F(M)=

æMtöβçæèM÷øexpçMt-MöèM÷,(cø1

)M=10

1.5m+C

式(,量,1

其与震级)中M为地震矩,表征了每个地震所释放的(2能)m的关系如式(通常假设目录中地震矩大于2)所示;Mt是地震目录完整的临界地震矩,Mt的地震事件是完整的;Mc是转角地震矩,其确定了曲线末端的分布关系;(Mβ是该分布关系前段的斜率;

为常数)

是地震矩大于M的地震事件发生的累计频率,本研究中取由于渤海内部历史地震事件较少9.0

。,如果仅仅利用这些事件分析其地震活动性难免会产生较大的误差。我们收集了渤海所在的地震地理分区内全球震源机制解目录(动性。选择该目录主要原因是其地震事件记录较为GCMT)用以分析在海啸源区域的地震活准确,且事件震级均为矩震级,方便进行海啸数值模拟,避免了通过经验公式将其他震级形式转为矩震级所引入的误差。

应用最大似然法拟合得到的地震年发生率曲线如图2所示,其中黑色圆点代表震级的重现期。从图中可以看出曲线在高震级区域GCMT目录中对应拟合结果较差,这主要是由于目录时间过短,缺少高震级事件造成的。统计所得β值为球俯冲带的统计值相比很低。转角地震矩0.66,M说明其地震活动性与俯冲带0.37,远远低于全c所对应的转角震级mc为

.6,这与前人[5]

计算该区域的最大震级在之间的结论吻合。

7.5~8.0

.2 随机地震事件的生成及断层参数的设定

基于上面统计所得到的洛算法在海啸源区域内随机生成了一套TGR关系,应用蒙特卡震目录,震级下限为7级,目录中的地1震0万年的地事件共计

图Fig2.2 渤海区域渐变式震级频率( TaperedGutenber-RichterreTlaGtiRon)

s关系曲线oftheBohaiSea

hipc

urve源区域内随机分布053个,最大震级为。8根据前人统计结果.2级。震中位置在指定的海啸

[20

]震源深度统一设为在海啸数值模拟中15km。

,断层模型计算的海啸初始位

移场(海底形变量)直接关系到海啸模拟结果的准确性,本文将利用基于弹性错位理论的计算初始海面位移。地震事件均为随机生成OKADA模

型[21

],断层模型需要的走向、倾角和滑动角则是结合了震源机制解以及前人的统计结果[3

]分别设均值为55°

、数5°(、2即断层的长25°,标准偏差为、宽和平均滑移量5°的随机序列。断层的几何参)一般都是通过震级-破裂尺度经验公式来确定的,

本研究中选取了前人统计的东北和东亚地区的经验公式[3

]计算得到这些参数(如式(3

)M所示=)3。.821+1.86M=4.134+0.9M=5.34+lg(L·)l·g

l+(g

L(Llg

·(W)d),(3

)式中,M为地震震级;L为断层长度;W)为断层宽度;为断层滑移量。

.3 海啸数值模拟及波幅序列统计

在地震目录和震源参数生成后,应用海啸数值模式对地震目录中的事件进行海啸数值模拟,计算其在评估点上产生的海啸波幅。本研究采用康奈尔大学开发的mimodeClO)vM1C.7O版本作为本文的海啸数值计算模型T(CornellMulti-gridCoup

ledTsuna-,

模型的可靠性和准确性已经得到了验证[

22-23

]。该模FC377d33海洋学报 41卷

型采用了显式的蛙跳格式有限差分方案,在计算精度和效率之间取得了很好的平衡;可针对研究区域和关/球面)注的问题,配置所需坐标系(直角和浅水的方/非线性)。球坐标系下的非线性浅水方程类型(线性程表示如下:

幅都在1m以上。当重现期到20该岸段的00a时,海啸波幅最高可达2.5m左右。造成该区域海啸风险较大主要有两个原因,一方面是该区域距离潜在海啸源区较近,海啸波能量还未耗散就已经到达;另一个方面是海啸源区的假想地震均为郯庐断裂的东北􀆟􀆟ηt+éêê􀆟Pë􀆟􀆟ψ+􀆟􀆟φ(cosφQ)ùúúû=-􀆟􀆟ht,􀆟PRc1osφ+t+

2

Rcgos􀆟æPög􀆟æPQöφ􀆟ψçèH÷ø+R􀆟ψçèH÷ø

+􀆟RgcoHs􀆟φ􀆟ηψ-fQ+Fx=0,􀆟Qt+Rcgos􀆟ægφ􀆟ψçPQöèH÷ø+

gR􀆟􀆟æφçQ2öèH÷ø+RH􀆟􀆟ηφ+fP+Fy=0,(4)式中,η为相对于平均海平面的自由表面位移;φ为纬度;ψ为经度;R为地球半径;h为静水深;H为总水深;P为沿经度单位宽度的通量;Q为沿纬度单位宽

度的通量;f为科氏力系数;g为重力加速度。Fx、y分别为经度和纬度方向的底摩擦力。

海啸数值模拟所需的地形和水深数据来自美国地球物理资料中心(er),分辨率为1arcmiNna。tio在环渤海城市沿岸共选取nalGeophy

sicalDataCen-了528个输出点来评估其所在区域的海啸风险,平均水深为深方程18m7(式).2( 4

,在海啸数值模拟过程中采用了非线性浅水m。由于整个渤海水深相对较浅(平均水))。环渤海区域海啸概率性风险评估结果

经过一系列的数值模拟之后,在每个输出点都生成了一套长度为该波幅目录进行统计即可得到每个输出点不同重现3053个点的最大海啸波幅目录,对期的海啸波幅以及环渤海重点城市的海啸波幅-重现期曲线。

.1 海啸风险分布图

海啸风险分布图主要是描述每个输出点在指定重现期的海啸波幅分布情况,典型重现期(50a

,幅分布如图00a,500a,320所示00a,)当重现期为环渤海城市沿岸的最大海啸波50a时,整个环渤海区域基本没有海啸风险,最大波幅不足重现期超过200a时,

海啸风险变得0.4不m可。忽但当视。00a、500a和2000a的海啸波幅分布情况类似,波幅值随着重现期的增大而明显增加。其中海啸风险最高的岸段为莱州湾东部龙口-莱州段,最大海啸波

走向,该区域恰好位于海啸传播主能量的路径之上。渤海湾北部的乐亭较高的海啸风险,该区域-秦皇岛附近岸段同样具有

海啸波幅可以达到1.0~150.50m~2左右000。a重现期的最大相对来说,莱州湾东营-莱州段的海啸风险较低,在多个重现期内海啸波幅仅为最大波幅也不超过0.2~0.4个环渤海区域海啸风险最低的岸段0.6mm,2。00辽东湾北部营口附近是整0a重现期时部分岸段的,给定重新期内的最大海啸波幅都不足有海啸风险。

0.2m,可以断定该区域基本没.2 重点城市重现期-海啸波幅曲线

重现期的海啸波幅随重现期的变化关系-海啸波幅曲线描述了某个特定输出点

,本文中选取了、大连、秦皇岛和天津附近4个输出点,分别位于龙口。虽然某个城市的海啸风险很难仅仅通过一个输出点来说明,但是从图重现期而言,各岸段的海啸波幅基本上是连续的3中我们可以看出,对于给定的一个,我们可以通过一个输出点来表现该城市附近输出点的整体变化趋势。输出点的重现期图4所示,从图中可以看出,大连、-海啸波幅曲线如秦皇岛以及天津的海啸曲线斜率较高,说明这小,其中大连西部的海啸风险最低3个区域的海啸风险较,海啸波幅仅为0.3m左右,而秦皇岛和天津在1000a重现期的的海啸波幅接近0.1000a缓,表明其具有较高的海啸风险5m。烟台龙口的海啸曲线较为平,其接近100a的海啸波幅.3m1m。

,而1000a重现期的海啸波幅更是达到了

结论

本文应用概率性海啸风险评估方法,评估了环渤海区域的海啸风险,划分了渤海海域内的潜在海啸源,并根据历史地震事件统计得到的地震,运用COMCOT海啸数值模式对-频率关系生成一套地震目录其中的地震事件进行海啸数值模拟,最终得到了环渤海区域的海啸风险分布图及重点城市的重现期-海啸波幅曲线图,主要结论包含以下几个方面:海啸风险最高的岸段(1

)莱州湾东部龙口,20-莱州岸段为环渤海区域内0a一遇的海啸波幅在1m

4Ft442252渤海海域地震海啸灾害概率性风险评估1期 李宏伟等:55

以上,即发生1m以上海啸灾害的概率约为0.5%。重现期为20海啸波幅可以达到200a时,.5m。

Fi.3 CoastalmaximumwaveamlitudeforsecifiedreturnperiodsintheBohaiSeagpp

图3 不同重现期的海啸风险分布

Fi.4 Tsunamihazardcurvesfor4coastalcitiesg

图4 重点城市的重现期-海啸波幅曲线

()渤海湾北部的乐亭-秦皇岛岸段和西部天津2

该区域5-黄骅岸段海啸风险相对较高,00~2000a

56海洋学报 41卷

重现期的最大海啸波幅可以达到1但.0~1.5m左右,在200a重现期的海啸波幅仅为0.2~0.4m。()辽东湾西部大连附近海啸风险很低,在重现3期为20海啸波幅仅为000a时,.2~0.4m。

()辽东湾北部营口一带基本无海啸风险。4

本文中以不同重现期的海啸波幅为标准来评估

环渤海区域的海啸风险,能给城市沿岸海啸灾害防御及相关工程设计提供科学支撑。然而,本研究中并没有考虑港口与海啸波相互作用可能产生的共振现象。未来有必要进一步考虑围填海和其他海洋工程造成的微地形变化对海啸风险结果的影响。

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exosedtotsunamihazard.ThisstudaimedtoevaluatethetsunamihazardalonthecoastoftheBohaiSeab-pygyu

,sintheprobabilisticmethod.Firstlweestablishedthemanitude-freuencelationshiasedonthehistoricalgygqyrpb,imumwaveamlitudecatalotherobabilistictsunamihazardmasofsecificreturnperiodsalontheBohaiSeapgpppglevelof1-3m.

:;;KeordsBohaiSeatsunamirobabilistictsunamihazardassessmentpyw

,earthuakescatalointhisarea.Thenanearthuakecatalof100000yearswaseneratedthrouhthestochasticqgqgogg

,MonteCarlosimulation.Atlastbasedontsunamisimulationoftheseeventsandthestatisticalresultsofthemax-

:,AbstractAstheonlemi-enclosedinlandseaofChinatheBohaiSeahashiherseismicitlevelandthereforeisysgy

coastsandtsunamihazardcurvesforimortantcitiessurroundintheBohaiSeawerelotted.Theresultsindicatedpgp

,thatartoftheBohaiBaandLaizhouBaavehihertsunamihazardthanLiaodonawithamoderatethreatpyyhggBy