2021年7月29日阿拉斯加半岛海域MW8.2地震海啸预警分析

2022-11-07王宗辰史健宇

海洋预报 2022年5期

王宗辰，史健宇

（1.国家海洋环境预报中心（自然资源部海啸预警中心），北京 100081；2.南中国海区域海啸预警中心，北京 100081）

1 引言

据美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）测定，2021 年 7 月 29 日 14 时 16 分（北京时，下同），美国阿拉斯加半岛以南海域（55.364°N，157.888°W）发生了Mw8.2（Mw为矩震级）地震，并引发局地海啸。地震发生后6 min，美国国家海啸预警中心（U.S. National Tsunami Warning Center，U.S.NTWC）向阿拉斯加半岛、阿拉斯加南部和阿留申群岛地区发布了海啸预警提示风险，随后又滚动发布了7份海啸消息，震后3 h 15 min取消海啸预警。美国夏威夷的太平洋海啸预警中心（Pacific Tsunami Warning Center，PTWC）针对此次地震向太平洋海啸预警与减灾系统成员国发布了海啸预警，预计可能会产生大规模的灾害性海啸，共计发布了3份海啸消息，地震发生1 h 40 min后取消了海啸预警。

自然资源部海啸预警中心（National Tsunami Warning Center / Ministry of Natural Resources of China，NTWC/MNR）负责中国沿岸海啸预警和南中国海区域海啸预警。NTWC/MNR 针对此次事件进行了应急响应，其全球地震监测处理系统在震后5 min 自动触发，经过人机交互分析，确定发布震级为Mw8.0。根据海啸预警标准流程，NTWC/MNR启动海啸数值预报程序。由于在地震发生的短时间内无法获得此次地震的实际发震机制，值班员实时分析了该区域历史地震震源参数，给定一组震源机制解（走向角240°/倾角30°/滑动角80°）进行海啸数值计算，震后约15 min 得到了太平洋范围的海啸传播时间和最大海啸波幅预报结果。值班员根据上述定量预报结果制作并发布了首期海啸信息。预报结果表明，此次地震可能会在震源周围引发区域海啸，但不会对我国沿岸造成影响。震后2 h 8 min，NTWC/MNR发布了第2期海啸信息，观测表明地震已引发局地水位波动。此后，NTWC/MNR 持续跟踪分析事件，在国内预警结论不变的情况下，停止发布海啸消息。

据美国国家地震信息中心（National Earthquake Information Center，NEIC）数据，截至 2021 年 8 月 3日，美国阿拉斯加半岛以南海域Mw8.2地震震源区发生大量余震，其中M＞4.5（M为震级）的余震有17次，最大震级为Mw6.1。反演的震源机制解表明，此次地震为浅源逆冲断层机制，由太平洋板块向北美板块俯冲所触发。研究表明，太平洋板块向西北方向俯冲到阿拉斯加半岛下方，板块会聚速度约为50～60 mm/a[1-2]。

历史上，阿拉斯加半岛周边海域强震频发，其中最大的为1964 年美国威廉王子湾Mw9.2 地震。此次地震引发越洋海啸，共造成124 人丧生。阿拉斯加南部的西沃德镇在震后产生了滑坡，再次加强了局地海啸的破坏性，6～8 m 的海啸淹没了该镇；而在远场，新月城和加利福尼亚都遭到重创，海啸爬高达到7 m，海啸还造成夏威夷部分地区被淹没[3]。特别需要注意的是，在此次地震震源区200 km×200 km 的范围内，短短1 a 内还发生过两起地震海啸事件，分别是 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）。前者观测到的局地最大海啸波波幅约为24 cm[4-5]，后者的波幅甚至达到70 cm[5]。

本文梳理了NTWC/MNR 针对此次海啸事件的应急响应过程和美国海啸预警机构发布的海啸预警产品；对比分析了海啸预警产品的内容；定性评价了针对此次海啸事件不同机构的海啸预警水平。除此之外，本文还简要介绍了全球海啸预警服务体系，并根据我国的潜在需求提出了一些思考和建议。

2 地震监测

NTWC/MNR 依托 SeisComP3（Seismological Communication Processor 3，SP3）和 Antelope 两套软件建立了全球海底强震监测系统[6-7]。两套软件能够实时获取自然资源部自建的28 个中国沿海宽频地震台、中国地震台网所属的54个华南宽频地震台以及超过550 个全球共享地震台站实时波形数据。此次地震发生后，两套软件均稳定产出了地震基本参数，并在接收到更多地震波形数据后，不断滚动更新地震参数。

地震发生约3 min 后，SP3 软件根据关联到的8个台站的波形数据计算得到此次地震的综合震级为M7.5；震后约 5 min，SP3 根据关联到的 17 个台站的波形数据计算得到Mwp（矩震级）为8.0～8.1，之后结果趋于稳定。Antelope 软件在震后7 min 得到Mwp为8.1，10 min 后将震级更新并稳定在Mwp8.0。USGS 在震后 4 min 发布震级为ML7.2（ML为地方震级），后修订为ML7.3，震后约18 min 将震级更新为Mww8.2（Mww为USGS 发布的矩震级）。另外，在震后约10 min，欧洲地中海地震中心（European Mediterranean Seismological Center，EMSC）发布震级为Mw8.0（见图1）。

图1 阿拉斯加半岛Mw8.2地震震级测定时间线Fig.1 Timeline of the estimated magnitude of the Mw8.2 Alaska Peninsula earthquake

震后初期的震级结果与稳定后的震级结果差距较大，这是因为在震后短时间内，快速测定的震级结果主要为Mb（体波震级）和ML，两者的优势周期均为1 s，对于周期更长的波段能量不敏感，面对大地震时均存在震级饱和现象（饱和震级分别为6.5和7.0）。当接收到更多的地震波形后，对于浅源中强震，可采用面波震级Ms表示，其依赖的波形周期为3～25 s，该震级不适用于深震震级的测定。对于海啸预警而言，Mw或者Mwp更加适用，两者能够从能量的角度反映震源特征，但是，震级计算所需要的时间往往更长。

除了最重要的震级之外，震中位置和深度也是海啸预警分析的重要参数。震后10 min，不同机构根据各自的数据和系统发布了地震的基本参数（见表1）。从表中可以看到，除了USGS发布的ML明显偏低之外，其他机构发布的地震位置和深度的结果差异不大。究其原因，ML的测定通常采用0.1～3.0 s的短周期S震相，仅适用于震中距小于1 000 km的中小地震的震级测定，存在震级饱和现象，不适用于中强震的震级测定。

表1 不同机构震后10 min地震基本参数发布情况Tab.1 Preliminary earthquake parameters issued by different agencies 10 minutes after the earthquake

3 海啸预警分析

3.1 预警发布

NTWC/MNR、U.S. NTWC 和 PTWC 的海啸预警产品的发布情况见表2。从首期产品的发布时间上看，U.S.NTWC 体现了非常强的局地地震监测和海啸预警水平；相对而言，NTWC/MNR 的首期产品延时偏高，但是考虑其中文产品的服务对象仅限于国内沿海市县，10 min级别的延迟无实质影响。

表2 不同机构海啸预警产品发布情况Tab.2 Tsunami warning products issued by different agencies

然而，如果局地范围内存在我国相关利益单位或者设备设施，NTWC/MNR 应该进一步缩短首期产品的发布延迟；而且，预警产品的发布频次也应该根据地震参数和预警结论的变化以及海啸监测信息的获取进行及时更新。

3.2 海啸数值预报

震后10 min，NTWC/MNR 在确定了基本的地震参数后，按照标准业务流程，分析了阿拉斯加半岛历史地震震源机制的统计结果，并结合经验估算了一组震源机制角（见表3中P1）。震源破裂尺度采用了BLASER等[8]推导的俯冲型定标律公式进行估算，然后，启动海啸传播时间和海啸波幅计算[9]，前者计算耗时约15 s，后者耗时约90 s。预报结果显示，海啸最快将在震后约45 min 抵达阿拉斯加半岛沿岸，局地最大波幅约为1 m。中国城市岸段波幅均在30 cm以下。

表3 海啸数值预报采用的地震震源参数和反演结果对照表Tab.3 Comparison table of focal parameters adopted by tsunami numerical forecasting and inversion results

震后约20 min，实时值守的震源机制反演系统[10]产出一组两个节面震源机制解（见表3 中P2）。从表中可以看出，预报员对于震源机制解的前期估算抓住了倾滑错动的主要震源特征。系统利用反演震源机制第一个节面的结果重新计算了海啸波幅，并将震源周边的6个验潮站编译成了预报点（具体位置见表4）。

表4 和图2 为海啸数值预报结果，从中我们可以看到，King Cove 和Alitak Bay 两个站位的预报结果较观测偏大较多，其他4 个站位的预报结果与实测均比较接近。这是因为，业务化海啸数值预报模型的空间分辨率只有5 arc-min，无法精细地模拟由复杂岸线和水深导致的海啸波非线性效应和局地震荡，而从离岸（offshore）到近岸（coast）的计算采用了一维海啸波在缓变水深条件下的经验换算公式[9]。考虑到海啸波幅预报模型的耗时仅需要90 s，这样的初步结果是可以接受的。

图2 海啸传播时间和最大海啸波幅数值计算结果Fig.2 Numerical results of the tsunami estimated arrival time and maximum amplitude

3.3 海啸监测和预警取消

NTWC/MNR 能够通过全球电信系统（Global Telecommunication System，GTS）获取全球共享的准实时潮位站和浮标数据。应急过程中，预报员对验潮站周边的4 个共享验潮站进行了持续监测，另外，还跟踪监测了美国业务化海洋产品服务中心网（网址：https://tidesandcurrents.noaa.gov/tsunami/）准实时更新的震源周边其他2 个验潮站，具体站位信息见表4。

表4 震源周边6个验潮站位置、最大波幅预报和观测结果Tab.4 The location，forecasted and measured maximum wave amplitude at six tidal gauges near the earthquake source

我们截取地震发生之后约18 h的逐分钟水位数据，经过质量控制，利用样条插值算法对缺测数据进行补齐后，再采用2～60 min的带通滤波器对水位数据进行处理，最终得到海啸波动序列（见图3）。从图中可以看到，此次海啸事件的最大波幅是Sand Point验潮站监测到的51 cm，出现在该站的第4个波峰位置，前3个波峰的最大波幅约为15 cm，其他5个站位也存在类似情况。这种情况直接导致在海啸最大波幅还未抵达观测站位的时候，U.S.NTWC 便取消了对阿拉斯加和阿留申群岛区域的海啸预警。海啸最大波幅晚于首波出现的案例不胜枚举，其原因非常复杂，包括海啸波的反射、折射以及港湾共振等。

图3 震中周边验潮站逐分钟水位观测和海啸波序列Fig.3 Sea-level observations and recorded tsunami time-series with one minute interval at the tidal gauges near the source

4 海啸预警服务全球化

目前，在联合国教科文组织海洋学委员会的统一协调组织下，全球已经建成了4 个区域级海啸预警与减灾系统，分别覆盖太平洋区域、印度洋区域、北大西洋和地中海区域以及加勒比海区域。各区域海啸预警与减灾系统在政府间协调组议定的框架内运作，当区域内可能发生海啸灾害时，由对应责任区的海啸预警中心发布海啸预警指导产品至域内成员国。但是，域外国家无法在第一时间收到海啸预警产品或消息。以本次海啸事件为例，即便是太平洋海啸预警与减灾系统（我国于1986 年加入）的海啸预警指导产品的发布期数也远小于U.S.NTWC 发往受影响区域的产品期数。随着国家利益在全球的拓展，我国应该加快及时的全球化海啸预警服务的建设步伐。

现阶段，NTWC/MNR 联合了中国地震局和中国气象局，已经具备了全球地震和海啸监测能力[6-7]。该中心除了承担我国城市岸段的海啸预警业务，还承担了南中国海区域及周边海域海啸预警产品的发布职责[11-12]（来源：https://scstac.oceanguide.org.cn/），同时，还建立了印度洋海啸预警系统[13]（来源：http://www.oceanguide.org.cn/HesseRoadIndex/Tsunami）。下一步，我们建议 NTWC/MNR 将海啸数值预报能力拓展至大西洋、地中海以及加勒比海区域，并进一步加强震源的监测解析能力以及海啸预警分析手段。