海啸研究

北京时间2011年3月11日13时46分日本东北部海域发生大规模地震。日本气象厅（JMA)将此次地震定名为“平成23年（2011 年）东北地方太平洋冲地震”（The 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake）。地震引发的巨大海啸袭击了环太平洋沿海大部分国家和地区，造成巨大人员伤亡和财产损失。另外，由海啸间接引起的福岛第一核电站核泄漏事故对于环境的破坏无法估计。据世界银行估计，地震和海啸造成的经济损失约为1220亿美元至2350亿美元之间，而日本政府估计的数字则达到了3090亿美元。日本首相菅直人对此称：“这是日本自二战结束65年以来最为悲伤和困难的时刻”。

1. 地震信息

地震发生于UTC时间14:46:23，震中位于北纬38.322°、东经142.369°，震源深度为32公里(USGS)。震中距最近的仙台市约130km，距首都东京约373千米。震级通过多次修订最终确定为Mw9.0级，日本气象厅(JMA)速报震级为M7.9，分别于16:00和17:30更新为M8.4和M8.8，最终于次日正式敲定为M9.0。美国地质调查局(USGS)同样同多次发布和修订确定为9.0级，分别发布7.9级、8.1级、8.8级、8.9级、9.0级。除了东北地方之外，东京所在的关东地方于地震发生时的有感晃动时间长达5分钟之久。

此次地震是日本有史以来遭受的最大规模地震，是世界上有地震记录以来第五大地震。地震释放了1.9±0.5×1017焦耳能量，相当于93200亿吨TNT炸药、6亿颗广岛原子弹爆炸产生的能量。地震造成日本本州岛向东北移动了2.4m，地轴偏移了25cm，由此加速了地球自转速度，使白天缩短了1.8μs。地震 造成了长约500km、宽约200km的破裂带，破裂时间长达2分钟之久。

图2 各市县烈度分布(JMA)

此次地震造成最大地震烈度达到了罕见的7度（JMA最大震测烈度），位于宫城地区栗原市，从岩手至茨城广大沿海地区都达到了6+或6-烈度，如图2所示。 日本强震动台网K-NET和KiK-NET在本次地震中获得大量的观测数据，分别有273组和73组，且震后3天可通过NIED的主页公开下载，台站分布如图3所示。

图3 获取强震记录的K-NET和KK-NET台站分布

这些记录中最大峰值加速度达到了2.7g左右，台站位于栗原市月舘町（编号MYG004），如图4所示，台站NS方向记录的峰值为2699gal，为本次地震记录到的最大水平向峰值加速度值，同样其竖向地震动峰值1879gal也为最大。

图4 MYG004台主震记录加速度时程

主震之后，产生了成千上万的余震，M>6.0的余震就达60多次。图5给出了震后一星期内M>5余震分布情况。 值得注意的是，主震后40分钟内发生了3次M>7级地震，这三次余震对于海啸波的持续时间和强大破坏了无疑是起到了推动作用。

图5 主震后一星期内余震分布(JMA)

(a.破裂区域内M>5主余震分布情况；b.图(a)所示地震时-空分布情况；c.每小时震测烈度大于4的地震数量)

2. 海啸信息

地震引发的巨大海啸袭击了环太平洋沿海大部分国家和地区，造成巨大人员伤亡和财产损失。海啸波于震后15分钟抵达日本沿岸，并在随后数小时内袭击海岸区。据日本警察厅统计，截止2011年4月28日，地震和海啸共造成日本14564人死亡、11356人失踪以及5314人不同程度受伤，接近20万栋建筑物受损，其中绝大部分由海啸造成，为日本二战后伤亡最惨重的自然灾害。灾情尤以东北地方岩手县陆前高田市、宫城县气仙沼市、南三陆町和福岛县南相马市最为严重，NHK新闻形容是次灾难是对东北三县“毁灭性打击”。日本东京大学地震研究所科学调查组在岩手县宫古市田老地区发现，在离海岸约200米的山坡上，有被海水冲过来的木材。在木材跟前，还有被海啸冲过来的消防车和船只。测量木材到达地点的高度后，海啸冲至陆地的最高点被确定为37.9米，为目前为此确定的此次海啸最大爬坡高度，在日本海啸记录历史上，仅次于1896年三陆地震引起的海啸在岩手县大船渡市38.2米的爬高高度。据NGDC（美国地球物理数据中心）的全球历史海啸数据库，此次海啸共引起>20m的爬高7处、10~20m的爬高14处、5~10m的爬高21处，如图6所示。值得注意的是，核泄漏的福岛第一核电站海啸波高达12m，远远大于其海啸风险评估的最大高度6m，造成备用发电设备浸水而无法正常工作，引起了核危机。

图6 海啸波高调查值分布(截止2011年4月25日结果)

美国太平洋海啸警报中心发出警告后，日本、俄罗斯、台湾、夏威夷、美国西岸、墨西哥等地均发生大小不等的海啸。美国阿拉斯加海啸预警中心曾经发布从加利福尼亚州到华盛顿州一带的海啸预警，到达美国西岸一带的海啸高约1至2.4米，至少有5人被海浪卷走，其中有一名摄影者仍然失踪，失踪者被宣布为已死亡；圣塔克鲁兹码头和船只损失约达200万美元、德尔诺特郡首府出现逾2米高巨浪，损坏约35艘船只，多数码头受损；奥勒冈州寇里郡的布鲁金斯港约12艘船沉没；夏威夷州的夏威夷岛有12栋住宅全毁或严重受损；欧胡岛的凯路亚柯纳也造成约100万美元损失；厄瓜多尔的加拉帕戈斯群岛，基础建设遭到破坏；智利北部的塔尔卡瓦诺通报海水倒灌；另外在墨西哥和秘鲁沿海地区也测量到约0.7到1.5米的海啸，并冲毁部分房屋，但未造成伤亡；印度尼西亚巴布亚省的查雅普拉，海啸造成1人死亡，并破坏部分房屋及桥梁。据报道，此次地震引发的海啸水墙高度甚至高于太平洋上的部分岛屿。另外，据我国国家海洋局报道，我国东南沿海的海洋验潮站仅监测到六七十公分高的海啸波，因此此次海啸未对我国造成太大影响。

图7 海啸传播走时分布

3. 海啸造成巨大破坏原因

日本自1933年三陆地震海啸造成3000多人死亡后逐步开展海啸防灾减灾研究，至1999年完成了基于数值预报技术的新一代海啸预警系统，能在大震后3分钟之内发出可靠的预警信息[8]。对于此次海啸预警，日本气象厅（JMA）于地震发生后3分钟，对岩手县、宫城县、福岛县发布大海啸警报(>3m)，并不断更新警报信息，于震后45分，扩大至10个区域发布大海啸警报。可以说日本在海啸研究领域一直处于世界领先地位，另外政府花费了大量人力、财力修筑了绵延数千公里的海堤和防波堤，为何对于这个已从事了近80年海啸防灾减灾研究工作的国家，还未能避免此次巨大的海啸灾难，值得深思与借鉴，为此我们分析了以下几点原因：

(1) 地震释放能量巨大。此次地震震级最后修订为9.0级，是有记录以来世界第五大地震，造成海底约500km×200km区域破裂带。另外，不断的余震也造成能量的不断累积，据JMA统计，主震发生22分、29分、39分钟过后，破裂区内连续发生了M7.4、M7.7、M7.5三次较强余震。主震产生的海啸波还未消退，余震的海啸波接踵而至，相互叠加，一浪胜过一浪，持续数小时；

(2) 地形放大效应。里亚斯型海岸的特殊地形有利于海啸波汇聚与爬坡，具有一定的放大效应。本次海啸受灾较为严重的岩手县和宫城县恰恰具有典型的里亚斯型海岸。岩手县和宫城县多处海啸波高在10m以上，尤以大船渡市24m最高，其典型的“喇叭口型”海湾，海啸波侵入海湾，经过汇聚与反射叠加，涌浪高度显著增加；

(3) 边缘波效应。在流体动力学中，当表面重力波沿刚壁边界传播时，受其反射作用，边界处以正弦波方式传播，幅值显著增加。这效应将会使海啸能量盘据在沿岸或岛屿周围。若周围的海底地形是属于平坦的斜坡，那么边缘波效应将可被完美的发挥出来。我们可以清晰发现日本东北海域正好如上所述，具有“漂亮”的斜坡地形，因而海啸波高增加、持续时间增长；

(4) 民众防范意识麻痹。实际上，JMA在震后3分钟即发布了海啸警报，而第一波海啸波在15分钟后才登陆海岸，公众有充足的时间进行逃生与开展防护措施。然而事实并非如此，最典型的例子是仙台机场，约震后1小时才遭受高达12m的海啸波袭击，由于未采取应急措施而造成严重的破坏。自1960年智利Mw9.5级地震在日本产生6-8m的海啸波以来，至今未有如此高的海啸波侵袭日本沿岸；另外对于修筑在沿海的海堤与防波堤充分地信任与依赖。大部分民众对于海啸灾害未有清醒的忧患意识，在警报响起后并没有选择逃生；

(5) 政府低估了海啸强度。首先，对于地震震级的低估，从最初的7.9级经过多次修正才确定为9.0级，直接导致对于海啸波高的低估；其次，在沿海经济规划与重大工程海啸评估过程中，低估了对于未来可能遭受到的最大海啸波高，以福岛核电站为例，海啸风险评估的最大高度为6m，而实际上却达到了12m，如图6所示，造成了意想不到的备用发电设备浸水而无法正常工作，引起了核危机。

4. 我国海啸防灾减灾工作的启示

2004年印度尼西亚海啸之后，海啸防灾减灾成为一项研究的热点，2010年智利地震也引发了较大海啸，造成了一定损失。尽管日本沿海筑有绵延的海堤和防波堤，但此次海啸仍对这个有着丰富海啸防灾减灾研究工作的国家造成了巨大的灾难。针对此次地震，结合我国现有海啸研究工作，获得以下几点启示：

(1) 完善我国海啸防灾体系
从国家法律政策层面看，我国防灾减灾体系仍旧不完善，多是以单一灾种的管理模式呈现。目前地震防震减灾监测预报、震害防御、应急救援构成的三大体系建设已十分完善，但与其它灾种的衔接和关系尚不明朗。这需要中国地震局与海洋局共同携手，成立“复合型灾变”部门，各负其责，加快建设多部门联动的灾害应急协调机制。

(2) 开展沿海海啸危险性评估
地震海啸危险性分析需要建立在对我国沿海地区地震活动规律认识的基础之上，需要对地震活动特点和地震发生地质条件充分的认识。我国的地震危险性分析工作经过几十年的发展已经积累了丰富的研究成果，形成了一套比较完整、科学的评价方法，充分借鉴地震危险性的分析方法和思路，会使地震海啸评价结果更合理可靠。

(3) 沿海工程海啸防御
近来我国沿海地区经济飞速发展，但在沿海的各类经济社会发展规划布局、围填海、重大基础设施的建设过程中，缺乏海洋工程防御内容。必须全面研究具体工程的预防海啸的措施，制定海啸防御建造和基本设施的相关标准，确保沿海工程具有初步防御海啸袭击的能力。

(4) 已有沿海核设施地震与海啸灾害重新评估
必须启动对我国沿海已有核设施地震、海啸灾害防御安全性重新评估工作。在我国《工程场地地震安全性评价技术规范》中仅涉及到 “对可能遭受海啸与湖涌影响的场地，收集历史海啸与湖涌对场地及附近地区的影响”，从本次日本海啸的经验来看，这远远不能满足核设施的安全要求。

(5) 完善海啸监测、警报服务系统
我国在1983年加人国际海啸警报系统中心，国家海洋局目前负责我国的海啸预警报业务。我国“十二五”期间正在规划建设地震预警系统，应该加强地震预警系统和海啸预警系统的技术统一管理，结合地震科学技术，实现我国沿海重要区域的监视观测。日本大地震发生后3分钟，日本气象厅随即发布了海啸警报，在一定程度上减少了损失，值得借鉴。

(6) 加强民众海啸知识宣传
必须大力普及海啸防灾减灾知识，提高民众的海啸防灾避灾意识和能力。