【摘要】：海嘯造成的災害與損失并非都與淹沒有關,特別是港口中海嘯誘導的強流會對船只及海事設施產(chǎn)生重要的影響及損害.由于海嘯流觀測數(shù)據(jù)稀缺及海嘯誘導渦流機制的不確定性,過去60年海嘯科學主要集中于對海嘯波特征及淹沒過程的研究與分析,海嘯流模擬及驗證工作開展較少,導致對海嘯流基本特征及其造成災害現(xiàn)象的曲解.開展海嘯誘導的渦流研究及預警服務顯得尤為重要及緊迫.考慮快速海嘯預警需要,綜合對比海嘯誘導渦流的物理框架及模型方法,探索兼顧效率與計算精度的海嘯流模擬方法是本文的核心工作及出發(fā)點.通過分析淺層湍流相干結構(TCS)產(chǎn)生的主要物理耗散機制,確定了考慮2D水平耗散機制的非線性淺水方程可用于海嘯渦流的模擬分析.基于高精、高分辨率有限體積模型Geoclaw建立了三個精細化的港口海嘯流模型,模型分辨率為5m.利用基于海嘯浮標反演的海嘯源模型作為初始條件,模擬分析了日本東北地震海嘯在遠場的海嘯波流特征.海嘯波流特征模擬結果與觀測吻合較好,結果可信.對比發(fā)現(xiàn):波驅(qū)動的自由表面流,小的位相或波幅誤差就會導致大的流速誤差,流的模擬和預報相對波幅來說更具挑戰(zhàn)性.研究了海嘯波流能量在港池中的分布特征,得到:港池入口及防波堤兩端常被強流控制,具有極高的危險性;相對于波幅的空間變化,海嘯流具有更強的空間敏感性;所建立的高分辨率海嘯模型模擬再現(xiàn)了日本海嘯在近場的渦旋結構,給出了與觀測基本一致的渦流特征.最后,引入海嘯流危險等級標準,分析了港口海嘯流危險性等級分布、船只疏散的安全深度及回港的時間周期.針對港口、海灣同時考慮海嘯波流特征的海嘯預警與評估對于港口應急管理者科學決策具有重要意義.
【圖文】：

，２０１１）；通過對幸存者視頻資料反演獲得的氣仙沼市最大海嘯流超過１１ｍ·ｓ－１，最大海嘯高度超過１０ｍ，最大海嘯流出現(xiàn)在首波回撤階段（Ｆｒｉｔｚｅｔａｌ．，２０１２）．同時，海嘯及其誘導的強流還造成了近場２８６１２只船、３１９個碼頭及１７２５港工設施損毀，造成直接經(jīng)濟損失超過１２０億美元（Ｍｕｈａｒｉｅｔａｌ．，２０１５）．地震發(fā)生３０ｍｉｎ后，海嘯襲擊了近場的大洗町港口，海嘯在港池內(nèi)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了數(shù)個巨大渦流結構（見圖１），這些渦流結構一直持續(xù)了數(shù)個小時．數(shù)百米空間尺度渦旋結構形成后，由于中心的低水位，形成負壓造成強大的吸附力，致使附近的船只被捕捉無法逃離；在遠場，美國西海岸幾乎全部港圖１日本東北地震海嘯誘發(fā)的渦流（ａ）福島核電廠附近海嘯誘導的渦旋；（ｂ）茨城縣大洗町碼頭港池內(nèi)海嘯渦旋；（ｃ）日本仙臺機場海嘯激流誘發(fā)的卡門渦街．Ｆｉｇ．１Ｖｏｒｔｅｘｆｌｏｗｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅ２０１１Ｍｗ９．０Ｔｏｈｏｋｕ－ｏｋｉｅａｒｔｈｑｕａｋｅ（ａ）ＳｎａｐｓｈｏｔｏｆｔｓｕｎａｍｉｖｏｒｔｉｃｉｔｙａｔｏｆｆｓｈｏｒｅｏｆＦｕｋｕｓｈｉｍａＰｒｅｆｅｃｔｕｒｅ；（ｂ）Ｔｓｕｎａｍｉ－ｉｎｄｕｃｅｄｖｏｒｔｅｘｆｌｏｗｓｉｎｔｈｅＰｏｒｔｏｆＯａｒａｉ；（ｃ）Ｔｓｕｎａｍｉ－ｉｎｄｕｃｅｄＫａｒｍａｎｖｏｒｔｅｘｓｔｒｅｅｔａｔＳｅｎｄａｉａｉｒｐｏｒｔ．４１６５

）．本文采用Ｗｅｉ等（２０１３）基于海嘯浮標觀測數(shù)據(jù)反演海嘯源作為初始條件進行近場及遠場海嘯渦流特征模擬研究，震源參數(shù)詳見表２．該源的獲得主要基于有限個預先建立的海嘯傳播情景數(shù)據(jù)庫．每一個傳播情景是由單位源（ｕｎｉｔｓｏｕｒｃｅ）激發(fā)，單位源尺度為１００ｋｍ×５０ｋｍ、滑移量為１ｍ，每個情景地震規(guī)模為ＭＷ７．５．傳播情景庫可以實時地抽取任何單位源在水位響應．日本地震海嘯發(fā)生后，通過提取海嘯浮標２１４１８、２１４０１實時觀測數(shù)據(jù)（見圖３）和傳播情景響應函數(shù)，基于反演算法（Ｗｅｉｅｔａｌ．，２００３；Ｔｓｕｓｈｉｍａｅｔａｌ．，２００９；Ｐｅｒｃｉｖａｌｅｔａｌ．，２０１１）估計日本東北地震海嘯滑移量分布（見圖４）．分布特征表明斷層破裂接近４００ｋｍ，近震中最大滑移量約２６ｍ．自１９６３年Ｋａｊｉｕｒａ（１９６３）首次提出可以將靜態(tài)的海底位移轉化為海嘯產(chǎn)生階段自由表面的初始條件，，特別是對地震規(guī)模較大、破裂時間相對較短事件，該假定至今仍在廣泛應用．故在本文研究中同樣采用該假定，并認為海水的不可壓縮性，海底形變到海表位移是瞬態(tài)完成．形變過程的計算通過彈性位錯理論模型（Ｏｋａｄａ，１９８５）完成（見圖４）．海嘯源形變場分布特征表明，最大的水位抬升出現(xiàn)在接近震中及沿著海溝邊緣，而主要的水位下沉區(qū)域則集中分布在下傾角延伸區(qū)．表２基于深海浮標數(shù)據(jù)反演的日本東北地震海嘯單位源參數(shù)信息（Ｗｅｉｅｔａｌ．，２０１３）Ｔａｂｌｅ２Ｔｓｕｎａｍｉｆｏｒｅｃａｓｔｓｏｕｒｃｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｆｒｏｍｄｅｅ

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6 ;[J];;年期

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