王宗辰，史健宇

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心（自然資源部海嘯預(yù)警中心），北京 100081；2.南中國海區(qū)域海嘯預(yù)警中心，北京 100081）

1 引言

據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）測定，2021 年 7 月 29 日 14 時 16 分（北京時，下同），美國阿拉斯加半島以南海域（55.364°N，157.888°W）發(fā)生了Mw8.2（Mw為矩震級）地震，并引發(fā)局地海嘯。地震發(fā)生后6 min，美國國家海嘯預(yù)警中心（U.S. National Tsunami Warning Center，U.S.NTWC）向阿拉斯加半島、阿拉斯加南部和阿留申群島地區(qū)發(fā)布了海嘯預(yù)警提示風(fēng)險，隨后又滾動發(fā)布了7份海嘯消息，震后3 h 15 min取消海嘯預(yù)警。美國夏威夷的太平洋海嘯預(yù)警中心（Pacific Tsunami Warning Center，PTWC）針對此次地震向太平洋海嘯預(yù)警與減災(zāi)系統(tǒng)成員國發(fā)布了海嘯預(yù)警，預(yù)計可能會產(chǎn)生大規(guī)模的災(zāi)害性海嘯，共計發(fā)布了3份海嘯消息，地震發(fā)生1 h 40 min后取消了海嘯預(yù)警。

自然資源部海嘯預(yù)警中心（National Tsunami Warning Center / Ministry of Natural Resources of China，NTWC/MNR）負(fù)責(zé)中國沿岸海嘯預(yù)警和南中國海區(qū)域海嘯預(yù)警。NTWC/MNR 針對此次事件進行了應(yīng)急響應(yīng)，其全球地震監(jiān)測處理系統(tǒng)在震后5 min 自動觸發(fā)，經(jīng)過人機交互分析，確定發(fā)布震級為Mw8.0。根據(jù)海嘯預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)流程，NTWC/MNR啟動海嘯數(shù)值預(yù)報程序。由于在地震發(fā)生的短時間內(nèi)無法獲得此次地震的實際發(fā)震機制，值班員實時分析了該區(qū)域歷史地震震源參數(shù)，給定一組震源機制解（走向角240°/傾角30°/滑動角80°）進行海嘯數(shù)值計算，震后約15 min 得到了太平洋范圍的海嘯傳播時間和最大海嘯波幅預(yù)報結(jié)果。值班員根據(jù)上述定量預(yù)報結(jié)果制作并發(fā)布了首期海嘯信息。預(yù)報結(jié)果表明，此次地震可能會在震源周圍引發(fā)區(qū)域海嘯，但不會對我國沿岸造成影響。震后2 h 8 min，NTWC/MNR發(fā)布了第2期海嘯信息，觀測表明地震已引發(fā)局地水位波動。此后，NTWC/MNR 持續(xù)跟蹤分析事件，在國內(nèi)預(yù)警結(jié)論不變的情況下，停止發(fā)布海嘯消息。

據(jù)美國國家地震信息中心（National Earthquake Information Center，NEIC）數(shù)據(jù)，截至 2021 年 8 月 3日，美國阿拉斯加半島以南海域Mw8.2地震震源區(qū)發(fā)生大量余震，其中M＞4.5（M為震級）的余震有17次，最大震級為Mw6.1。反演的震源機制解表明，此次地震為淺源逆沖斷層機制，由太平洋板塊向北美板塊俯沖所觸發(fā)。研究表明，太平洋板塊向西北方向俯沖到阿拉斯加半島下方，板塊會聚速度約為50～60 mm/a[1-2]。

歷史上，阿拉斯加半島周邊海域強震頻發(fā)，其中最大的為1964 年美國威廉王子灣Mw9.2 地震。此次地震引發(fā)越洋海嘯，共造成124 人喪生。阿拉斯加南部的西沃德鎮(zhèn)在震后產(chǎn)生了滑坡，再次加強了局地海嘯的破壞性，6～8 m 的海嘯淹沒了該鎮(zhèn)；而在遠場，新月城和加利福尼亞都遭到重創(chuàng)，海嘯爬高達到7 m，海嘯還造成夏威夷部分地區(qū)被淹沒[3]。特別需要注意的是，在此次地震震源區(qū)200 km×200 km 的范圍內(nèi)，短短1 a 內(nèi)還發(fā)生過兩起地震海嘯 事 件 ，分 別 是 2020 年 7 月 22 日Mw7.8 地 震（55.072°N，158.596°W）和 2020 年 10 月19 日Mw7.6地震（54.602°N，159.626°W）。前者觀測到的局地最大海嘯波波幅約為24 cm[4-5]，后者的波幅甚至達到70 cm[5]。

本文梳理了NTWC/MNR 針對此次海嘯事件的應(yīng)急響應(yīng)過程和美國海嘯預(yù)警機構(gòu)發(fā)布的海嘯預(yù)警產(chǎn)品；對比分析了海嘯預(yù)警產(chǎn)品的內(nèi)容；定性評價了針對此次海嘯事件不同機構(gòu)的海嘯預(yù)警水平。除此之外，本文還簡要介紹了全球海嘯預(yù)警服務(wù)體系，并根據(jù)我國的潛在需求提出了一些思考和建議。

2 地震監(jiān)測

NTWC/MNR 依 托 SeisComP3（Seismological Communication Processor 3，SP3）和 Antelope 兩套軟件建立了全球海底強震監(jiān)測系統(tǒng)[6-7]。兩套軟件能夠?qū)崟r獲取自然資源部自建的28 個中國沿海寬頻地震臺、中國地震臺網(wǎng)所屬的54個華南寬頻地震臺以及超過550 個全球共享地震臺站實時波形數(shù)據(jù)。此次地震發(fā)生后，兩套軟件均穩(wěn)定產(chǎn)出了地震基本參數(shù)，并在接收到更多地震波形數(shù)據(jù)后，不斷滾動更新地震參數(shù)。

地震發(fā)生約3 min 后，SP3 軟件根據(jù)關(guān)聯(lián)到的8個臺站的波形數(shù)據(jù)計算得到此次地震的綜合震級為M7.5；震后約 5 min，SP3 根據(jù)關(guān)聯(lián)到的 17 個臺站的波形數(shù)據(jù)計算得到Mwp（矩震級）為8.0～8.1，之后結(jié)果趨于穩(wěn)定。Antelope 軟件在震后7 min 得到Mwp為8.1，10 min 后將震級更新并穩(wěn)定在Mwp8.0。USGS 在震后 4 min 發(fā)布震級為ML7.2（ML為地方震級），后修訂為ML7.3，震后約18 min 將震級更新為Mww8.2（Mww為USGS 發(fā)布的矩震級）。另外，在震后約10 min，歐洲地中海地震中心（European Mediterranean Seismological Center，EMSC）發(fā)布震級為Mw8.0（見圖1）。

圖1 阿拉斯加半島Mw8.2地震震級測定時間線Fig.1 Timeline of the estimated magnitude of the Mw8.2 Alaska Peninsula earthquake

震后初期的震級結(jié)果與穩(wěn)定后的震級結(jié)果差距較大，這是因為在震后短時間內(nèi)，快速測定的震級結(jié)果主要為Mb（體波震級）和ML，兩者的優(yōu)勢周期均為1 s，對于周期更長的波段能量不敏感，面對大地震時均存在震級飽和現(xiàn)象（飽和震級分別為6.5和7.0）。當(dāng)接收到更多的地震波形后，對于淺源中強震，可采用面波震級Ms表示，其依賴的波形周期為3～25 s，該震級不適用于深震震級的測定。對于海嘯預(yù)警而言，Mw或者Mwp更加適用，兩者能夠從能量的角度反映震源特征，但是，震級計算所需要的時間往往更長。

除了最重要的震級之外，震中位置和深度也是海嘯預(yù)警分析的重要參數(shù)。震后10 min，不同機構(gòu)根據(jù)各自的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)發(fā)布了地震的基本參數(shù)（見表1）。從表中可以看到，除了USGS發(fā)布的ML明顯偏低之外，其他機構(gòu)發(fā)布的地震位置和深度的結(jié)果差異不大。究其原因，ML的測定通常采用0.1～3.0 s的短周期S震相，僅適用于震中距小于1 000 km的中小地震的震級測定，存在震級飽和現(xiàn)象，不適用于中強震的震級測定。

表1 不同機構(gòu)震后10 min地震基本參數(shù)發(fā)布情況Tab.1 Preliminary earthquake parameters issued by different agencies 10 minutes after the earthquake

3 海嘯預(yù)警分析

3.1 預(yù)警發(fā)布

NTWC/MNR、U.S. NTWC 和 PTWC 的海嘯預(yù)警產(chǎn)品的發(fā)布情況見表2。從首期產(chǎn)品的發(fā)布時間上看，U.S.NTWC 體現(xiàn)了非常強的局地地震監(jiān)測和海嘯預(yù)警水平；相對而言，NTWC/MNR 的首期產(chǎn)品延時偏高，但是考慮其中文產(chǎn)品的服務(wù)對象僅限于國內(nèi)沿海市縣，10 min級別的延遲無實質(zhì)影響。

表2 不同機構(gòu)海嘯預(yù)警產(chǎn)品發(fā)布情況Tab.2 Tsunami warning products issued by different agencies

然而，如果局地范圍內(nèi)存在我國相關(guān)利益單位或者設(shè)備設(shè)施，NTWC/MNR 應(yīng)該進一步縮短首期產(chǎn)品的發(fā)布延遲；而且，預(yù)警產(chǎn)品的發(fā)布頻次也應(yīng)該根據(jù)地震參數(shù)和預(yù)警結(jié)論的變化以及海嘯監(jiān)測信息的獲取進行及時更新。

3.2 海嘯數(shù)值預(yù)報

震后10 min，NTWC/MNR 在確定了基本的地震參數(shù)后，按照標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)流程，分析了阿拉斯加半島歷史地震震源機制的統(tǒng)計結(jié)果，并結(jié)合經(jīng)驗估算了一組震源機制角（見表3中P1）。震源破裂尺度采用了BLASER等[8]推導(dǎo)的俯沖型定標(biāo)律公式進行估算，然后，啟動海嘯傳播時間和海嘯波幅計算[9]，前者計算耗時約15 s，后者耗時約90 s。預(yù)報結(jié)果顯示，海嘯最快將在震后約45 min 抵達阿拉斯加半島沿岸，局地最大波幅約為1 m。中國城市岸段波幅均在30 cm以下。

表3 海嘯數(shù)值預(yù)報采用的地震震源參數(shù)和反演結(jié)果對照表Tab.3 Comparison table of focal parameters adopted by tsunami numerical forecasting and inversion results

震后約20 min，實時值守的震源機制反演系統(tǒng)[10]產(chǎn)出一組兩個節(jié)面震源機制解（見表3 中P2）。從表中可以看出，預(yù)報員對于震源機制解的前期估算抓住了傾滑錯動的主要震源特征。系統(tǒng)利用反演震源機制第一個節(jié)面的結(jié)果重新計算了海嘯波幅，并將震源周邊的6個驗潮站編譯成了預(yù)報點（具體位置見表4）。

表4 和圖2 為海嘯數(shù)值預(yù)報結(jié)果，從中我們可以看到，King Cove 和Alitak Bay 兩個站位的預(yù)報結(jié)果較觀測偏大較多，其他4 個站位的預(yù)報結(jié)果與實測均比較接近。這是因為，業(yè)務(wù)化海嘯數(shù)值預(yù)報模型的空間分辨率只有5 arc-min，無法精細(xì)地模擬由復(fù)雜岸線和水深導(dǎo)致的海嘯波非線性效應(yīng)和局地震蕩，而從離岸（offshore）到近岸（coast）的計算采用了一維海嘯波在緩變水深條件下的經(jīng)驗換算公式[9]。考慮到海嘯波幅預(yù)報模型的耗時僅需要90 s，這樣的初步結(jié)果是可以接受的。

圖2 海嘯傳播時間和最大海嘯波幅數(shù)值計算結(jié)果Fig.2 Numerical results of the tsunami estimated arrival time and maximum amplitude

3.3 海嘯監(jiān)測和預(yù)警取消

NTWC/MNR 能夠通過全球電信系統(tǒng)（Global Telecommunication System，GTS）獲取全球共享的準(zhǔn)實時潮位站和浮標(biāo)數(shù)據(jù)。應(yīng)急過程中，預(yù)報員對驗潮站周邊的4 個共享驗潮站進行了持續(xù)監(jiān)測，另外，還跟蹤監(jiān)測了美國業(yè)務(wù)化海洋產(chǎn)品服務(wù)中心網(wǎng)（網(wǎng)址：https://tidesandcurrents.noaa.gov/tsunami/）準(zhǔn)實時更新的震源周邊其他2 個驗潮站，具體站位信息見表4。

表4 震源周邊6個驗潮站位置、最大波幅預(yù)報和觀測結(jié)果Tab.4 The location，forecasted and measured maximum wave amplitude at six tidal gauges near the earthquake source

我們截取地震發(fā)生之后約18 h的逐分鐘水位數(shù)據(jù)，經(jīng)過質(zhì)量控制，利用樣條插值算法對缺測數(shù)據(jù)進行補齊后，再采用2～60 min的帶通濾波器對水位數(shù)據(jù)進行處理，最終得到海嘯波動序列（見圖3）。從圖中可以看到，此次海嘯事件的最大波幅是Sand Point驗潮站監(jiān)測到的51 cm，出現(xiàn)在該站的第4個波峰位置，前3個波峰的最大波幅約為15 cm，其他5個站位也存在類似情況。這種情況直接導(dǎo)致在海嘯最大波幅還未抵達觀測站位的時候，U.S.NTWC 便取消了對阿拉斯加和阿留申群島區(qū)域的海嘯預(yù)警。海嘯最大波幅晚于首波出現(xiàn)的案例不勝枚舉，其原因非常復(fù)雜，包括海嘯波的反射、折射以及港灣共振等。

圖3 震中周邊驗潮站逐分鐘水位觀測和海嘯波序列Fig.3 Sea-level observations and recorded tsunami time-series with one minute interval at the tidal gauges near the source

4 海嘯預(yù)警服務(wù)全球化

目前，在聯(lián)合國教科文組織海洋學(xué)委員會的統(tǒng)一協(xié)調(diào)組織下，全球已經(jīng)建成了4 個區(qū)域級海嘯預(yù)警與減災(zāi)系統(tǒng)，分別覆蓋太平洋區(qū)域、印度洋區(qū)域、北大西洋和地中海區(qū)域以及加勒比海區(qū)域。各區(qū)域海嘯預(yù)警與減災(zāi)系統(tǒng)在政府間協(xié)調(diào)組議定的框架內(nèi)運作，當(dāng)區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生海嘯災(zāi)害時，由對應(yīng)責(zé)任區(qū)的海嘯預(yù)警中心發(fā)布海嘯預(yù)警指導(dǎo)產(chǎn)品至域內(nèi)成員國。但是，域外國家無法在第一時間收到海嘯預(yù)警產(chǎn)品或消息。以本次海嘯事件為例，即便是太平洋海嘯預(yù)警與減災(zāi)系統(tǒng)（我國于1986 年加入）的海嘯預(yù)警指導(dǎo)產(chǎn)品的發(fā)布期數(shù)也遠小于U.S.NTWC 發(fā)往受影響區(qū)域的產(chǎn)品期數(shù)。隨著國家利益在全球的拓展，我國應(yīng)該加快及時的全球化海嘯預(yù)警服務(wù)的建設(shè)步伐。

現(xiàn)階段，NTWC/MNR 聯(lián)合了中國地震局和中國氣象局，已經(jīng)具備了全球地震和海嘯監(jiān)測能力[6-7]。該中心除了承擔(dān)我國城市岸段的海嘯預(yù)警業(yè)務(wù)，還承擔(dān)了南中國海區(qū)域及周邊海域海嘯預(yù)警產(chǎn)品的發(fā)布職責(zé)[11-12]（來源：https://scstac.oceanguide.org.cn/），同時，還建立了印度洋海嘯預(yù)警系統(tǒng)[13]（來源：http://www.oceanguide.org.cn/HesseRoadIndex/Tsunami）。下一步，我們建議 NTWC/MNR 將海嘯數(shù)值預(yù)報能力拓展至大西洋、地中海以及加勒比海區(qū)域，并進一步加強震源的監(jiān)測解析能力以及海嘯預(yù)警分析手段。

5 結(jié)論和建議

NTWC/MNR 針對 2021 年 7 月 29 日 14 時 16 分發(fā)生在阿拉斯加半島海域的地震海嘯事件進行了應(yīng)急響應(yīng)，共發(fā)布了2期海嘯信息。NTWC/MNR在此次海嘯事件的應(yīng)急過程中處置得當(dāng)，體現(xiàn)了較強的全球地震海嘯監(jiān)測和預(yù)警分析能力。

U.S. NTWC 向其責(zé)任區(qū)內(nèi)受影響的阿拉斯加和阿留申群島發(fā)布了7 期海嘯預(yù)警產(chǎn)品提示風(fēng)險，并及時通報了海嘯監(jiān)測情況。然而，該中心在海嘯最大波幅抵達驗潮站前就已經(jīng)取消了海嘯預(yù)警，存在一定程度的安全隱患。

放眼全球，在海洋學(xué)委員會政府間協(xié)調(diào)組框架下，分區(qū)域的海嘯預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)建立。但是，考慮到實際關(guān)切區(qū)域以及預(yù)警信息獲取的及時性和便利性，我國自主化的海嘯監(jiān)測和預(yù)警能力應(yīng)拓展至全球大洋。