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日本东北M_W9.0地震海啸在港池及邻近区域诱发的涡流危险性计算与评估分析

发布时间:2019-12-05 21:33
【摘要】:海啸造成的灾害与损失并非都与淹没有关,特别是港口中海啸诱导的强流会对船只及海事设施产生重要的影响及损害.由于海啸流观测数据稀缺及海啸诱导涡流机制的不确定性,过去60年海啸科学主要集中于对海啸波特征及淹没过程的研究与分析,海啸流模拟及验证工作开展较少,导致对海啸流基本特征及其造成灾害现象的曲解.开展海啸诱导的涡流研究及预警服务显得尤为重要及紧迫.考虑快速海啸预警需要,综合对比海啸诱导涡流的物理框架及模型方法,探索兼顾效率与计算精度的海啸流模拟方法是本文的核心工作及出发点.通过分析浅层湍流相干结构(TCS)产生的主要物理耗散机制,确定了考虑2D水平耗散机制的非线性浅水方程可用于海啸涡流的模拟分析.基于高精、高分辨率有限体积模型Geoclaw建立了三个精细化的港口海啸流模型,模型分辨率为5m.利用基于海啸浮标反演的海啸源模型作为初始条件,模拟分析了日本东北地震海啸在远场的海啸波流特征.海啸波流特征模拟结果与观测吻合较好,结果可信.对比发现:波驱动的自由表面流,小的位相或波幅误差就会导致大的流速误差,流的模拟和预报相对波幅来说更具挑战性.研究了海啸波流能量在港池中的分布特征,得到:港池入口及防波堤两端常被强流控制,具有极高的危险性;相对于波幅的空间变化,海啸流具有更强的空间敏感性;所建立的高分辨率海啸模型模拟再现了日本海啸在近场的涡旋结构,给出了与观测基本一致的涡流特征.最后,引入海啸流危险等级标准,分析了港口海啸流危险性等级分布、船只疏散的安全深度及回港的时间周期.针对港口、海湾同时考虑海啸波流特征的海啸预警与评估对于港口应急管理者科学决策具有重要意义.
【图文】:

海啸,涡旋,日本,港池


,2011);通过对幸存者视频资料反演获得的气仙沼市最大海啸流超过11m·s-1,最大海啸高度超过10m,最大海啸流出现在首波回撤阶段(Fritzetal.,2012).同时,海啸及其诱导的强流还造成了近场28612只船、319个码头及1725港工设施损毁,造成直接经济损失超过120亿美元(Muharietal.,2015).地震发生30min后,海啸袭击了近场的大洗町港口,海啸在港池内及其邻近区域产生了数个巨大涡流结构(见图1),这些涡流结构一直持续了数个小时.数百米空间尺度涡旋结构形成后,由于中心的低水位,形成负压造成强大的吸附力,致使附近的船只被捕捉无法逃离;在远场,美国西海岸几乎全部港图1日本东北地震海啸诱发的涡流(a)福岛核电厂附近海啸诱导的涡旋;(b)茨城县大洗町码头港池内海啸涡旋;(c)日本仙台机场海啸激流诱发的卡门涡街.Fig.1Vortexflowsinducedbythe2011Mw9.0Tohoku-okiearthquake(a)SnapshotoftsunamivorticityatoffshoreofFukushimaPrefecture;(b)Tsunami-inducedvortexflowsinthePortofOarai;(c)Tsunami-inducedKarmanvortexstreetatSendaiairport.4165

海啸,滑移量,日本


).本文采用Wei等(2013)基于海啸浮标观测数据反演海啸源作为初始条件进行近场及远场海啸涡流特征模拟研究,震源参数详见表2.该源的获得主要基于有限个预先建立的海啸传播情景数据库.每一个传播情景是由单位源(unitsource)激发,单位源尺度为100km×50km、滑移量为1m,每个情景地震规模为MW7.5.传播情景库可以实时地抽取任何单位源在水位响应.日本地震海啸发生后,通过提取海啸浮标21418、21401实时观测数据(见图3)和传播情景响应函数,基于反演算法(Weietal.,2003;Tsushimaetal.,2009;Percivaletal.,2011)估计日本东北地震海啸滑移量分布(见图4).分布特征表明断层破裂接近400km,近震中最大滑移量约26m.自1963年Kajiura(1963)首次提出可以将静态的海底位移转化为海啸产生阶段自由表面的初始条件,,特别是对地震规模较大、破裂时间相对较短事件,该假定至今仍在广泛应用.故在本文研究中同样采用该假定,并认为海水的不可压缩性,海底形变到海表位移是瞬态完成.形变过程的计算通过弹性位错理论模型(Okada,1985)完成(见图4).海啸源形变场分布特征表明,最大的水位抬升出现在接近震中及沿着海沟边缘,而主要的水位下沉区域则集中分布在下倾角延伸区.表2基于深海浮标数据反演的日本东北地震海啸单位源参数信息(Weietal.,2013)Table2Tsunamiforecastsourceconstrainedfromdee

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