本书内容涵盖地震海啸危险性分析原理、模型、方法和应用，包括：海啸与海啸灾害的特征、全球地震海啸源分布、全球海啸灾害概况；潜在地震海啸源界定；地震活动性模型构建；地震海啸生成模式；海啸波传播控制方程；地震海啸数值模拟原理、模型、方法及应用案例；地震海啸危险性分析和不确定性分析原理、方法及应用案例。 本书可供海洋科学、地球科学以及防灾减灾管理领域科研人员和高等学校师生参考。

第1章 绪论
　　本章简要介绍海啸和海啸灾害的特征、全球海啸和海啸灾害概况，以及中国沿海地区历史海啸记录。
　　1.1 海啸与海啸灾害
　　1.1.1 海啸
　　海啸，指位于大洋和近海海域的水体，因受到突发的扰动而偏离了原来的平衡位置，又在重力的作用下趋于向原来的平衡位置恢复，所形成的由生成区向外传播的一类波动。这里所说的突发的扰动被称为海啸成因。海啸成因包括海底地震、海底滑坡、海底火山爆发、陨石和其他外来天体落入海洋。上述这些成因中，海底地震昀为常见，海底滑坡、海底火山爆发多见，陨石和其他外来天体落入海洋罕见。此外，大洋水体中的人为爆破达到一定的强度和规模，也可成为海啸的成因。
　　海啸的英文是“tsunami”，源自日语“津波”，其中的“nami”，日语原意指海浪；其中的“tsu”，日语原意指海湾、港口，“tsu”和“ nami”合起来，译为“海湾中的浪”（wave in the harbor）。目前，英文科学文献中广为采用 tsunami一词表示海啸，通俗大众传媒有时也用以往曾流行过的其他说法，如用“ high tide wave”“seismic sea wave”“seaquake”表示，有时甚至用古代欧洲的说法“ zeebeben”或“ maremoto”表示。
　　规模大或较大的地震海啸，多是由位于大洋和近海海域的俯冲带浅震源地震引起海底突发变形，强烈地冲击大洋和近海海域的水体产生的。
　　在大洋中传播的海啸，可以被视为一系列具有较长波长和较长周期的行波。当海啸传播至浅水区域和近岸低洼区域时，由于局地海底地形的影响，波形会变得陡峭，甚至出现激烈破碎。
　　1.1.2 海啸灾害
　　由于海啸在大洋深水区域长距离传播过程中损耗能量占比很小，所以达到一定规模的海啸，能穿越宽阔的大洋和海域，传至近岸区域，导致灾害发生，甚至造成大量设施损毁和重大人员伤亡。
　　海啸的致灾因素主要有：①海水淹没；②海浪对构筑物和建筑物的冲击；③海水对海岸和近岸地区的冲刷和侵蚀。
　　当人们躲避不及而被困在汹涌的、充满残骸的海啸波浪中时，溺水、身体撞击或其他创伤会导致伤亡。强烈的海啸所引发的洋流可以导致地基的侵蚀、桥梁和海堤的坍塌。海啸波的冲击力和拖曳作用，能移动甚至冲毁房屋，掀翻火车，摧毁框架结构建筑物和其他类型的建筑物。海水中随波漂浮的碎片、船只、汽车和树木，会像失控的抛射物一样，撞向建筑物、码头和其他交通工具，造成损毁和破坏。即便是强度不大的海啸，其所引起的巨浪也可能损毁港湾停泊的船只和港口设施。此外，由海啸导致的石油泄漏或港口受损船舶燃烧、近海储油和炼油设施破裂所引起的火灾，可能造成比海啸直接损失更大的间接损失。海啸造成的污水和化学物质泄漏可能导致严重的环境污染，造成严重的次生灾害。海啸造成的通风设施、排放设施和储存设施的损坏也有引发次生灾害的危险。海啸的袭击可能会引起近岸核电设施的放射性物质泄漏，造成后果极为严重的环境污染（《海啸手册》，2013年，巴黎，联合国教科文组织政府间海洋学委员会）。
　　1.2 全球海啸灾害概况
　　1.2.1 全球各大洋海啸发生率
　　历史上，全球各个大洋均有海啸发生。根据美国国家地球物理数据中心（ NGDC）的统计（《海啸手册》，2013年，巴黎，联合国教科文组织政府间海洋学委员会；丁一汇和朱定真，2013），截至2005年底，历史上有记载的海啸事件，82%发生在太平洋，10%发生在地中海、黑海、红海和东北大西洋，5%发生在加勒比海和西南大西洋，1%发生在印度洋，1%发生在东南大西洋；因为全球90%的海底大地震发生在环太平洋地震带，所以太平洋沿岸是全球地震海啸多发区。
　　1.2.2 海啸类别的划分
　　依照海啸受袭地与海啸源距离的远近，或依据海啸波由海啸源传至受袭地所需时间的长短，可将海啸划分为三个类别：①局地海啸（local tsunami）；②区域海啸（regional tsunami）；③越洋海啸（ teletsunami or distant tsunami）。
　　（1）局地海啸：源自附近海啸源的海啸，受袭击地区与海啸源的距离在100km以内，海啸波由海啸源传播至受袭击地区所需时间小于1h。这类海啸通常由地震引起，也可由海底滑坡或海底火山喷发引起。历史上，90%的海啸伤亡是局地海啸造成的。
　　（2）区域海啸：在特定地理区具有破坏性的海啸，一般海啸受袭击距离海啸源1000km以内，或海啸从海啸源传播至受袭击地区的时间在1～3h内。这类海啸偶尔也会对该地区以外的地区造成非常有限的局部破坏和影响。
　　（3）越洋海啸：来自较远的海啸源的海啸，一般受海啸袭击地区与海啸源的距离超过1000km，或海啸传播至受袭击地区的时间超过3h。这类海啸通常是昀初在海啸源区附近造成大规模破坏的局地海啸，然后海啸继续穿越整个海洋盆地，其能量足以对距离震源1000多千米的海岸造成额外的伤亡和破坏。历史上所有的越洋海啸都是大地震引起的，与区域海啸相比，发生频率较低，但危害更大。
　　大多数破坏性海啸可归类为局地性的或区域性的。许多与海啸有关的人员伤亡和相当大的财产损失也来自这些海啸。历史上，90%的海啸伤亡是局地海啸和区域海啸造成的。仅1975～2012年，全球就发生39次局地海啸或区域海啸，造成26万人死亡，财产损失数十亿美元；其中26个发生在太平洋及其邻近海域（表1.1～表1.3，《海啸手册》，2013年，巴黎，联合国教科文组织政府间海洋学委员会）。
　　1.2.3 历史海啸灾害统计
　　若按海啸成因考察，在历史上发生的各类海啸中，地震海啸占比昀大，导致人员伤亡昀多，造成的损失昀严重。海啸资料统计显示，自20世纪末上溯2000年，有史料可查的海啸1422次，其中地震海啸达1171次，占总次数的82.3%；各类海啸导致死亡总人数为462597人，其中死于地震海啸的总计390929人，占死亡总人数的84.5%；如果将2004年的印度尼西亚苏门答腊地震海啸导致的约280000人死亡和失踪人数统计在内，则至2004年底，地震海啸导致死亡和失踪的总人数增至近690000人，在各类海啸中占比将增至90.6%（Dengler，2002）。
　　进入21世纪以来，全球已发生了两次巨大的越洋地震海啸，分别是2004年印度尼西亚苏门答腊地震海啸和2011年日本东北地区地震海啸。这两次大海啸都造成了重大的人员伤亡和经济损失以及难以消除的环境污染和破坏。
　　2004年12月26日，印度尼西亚苏门答腊北部以西近海的海底发生 Mw9.1特大地震，这是自1889年人类第一次用现代地震仪记录到远震信号以来，所记录到的震级排行第三大地震。这次地震触发了印度洋特大海啸，海啸波在一些近岸地区高达10m以上，其中的印度尼西亚班达亚齐海岸海啸波高达24m，爬高达30m。这次特大海啸袭击了印度洋沿岸的印度尼西亚、斯里兰卡、印度、泰国、孟加拉国、马尔代夫、毛里求斯等10余个沿海国家或岛国。海啸袭击过的地区，大量建筑物和基础设施被毁。据地震海啸发生不久后联合国的不完全统计，即已有超过23万人在这次特大地震及由其触发的大海啸灾难中丧生或失踪，1126900人顿失家园，受灾国的经济损失极其惨重、难以计数。这是全世界近200多年来造成死伤昀惨重的海啸灾害。
　　2011年3月11日，在日本东北部太平洋海域发生了 Mw9.0地震。此次地震为历史上第五大地震，仅次于1960年智利瓦尔迪维亚9.5级地震、1964年美国阿拉斯加州威廉王子湾9.2级地震、1957年美国阿拉斯加州安德烈亚诺夫群岛9.1级地震、2004年印度尼西亚苏门答腊岛外海域9.1级地震。此次地震引发的巨大海啸对日本东北部岩手县、宫城县、福岛县等地造成毁灭性破坏。据日本警察厅统计，截至2012年3月10日已造成15270人死亡，8499人失踪，数万人受伤，约100000间房屋倒塌。此外，还使位于东京东北约225km的福岛县的福岛第一核电站发生放射性物质泄漏和氢气爆炸，多人受到核辐射伤害，造成附近陆地和海洋的严重污染（陈运泰，2014）。
　　表1.1 1975年以来造成人员死亡的区域和局域海啸
　　表1.2 导致死亡/失踪人数超过2000人的区域和局地海啸
　　表1.3 海啸源距离超过1000km 的越洋海啸造成的死亡

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 海啸与海啸灾害 1
1.1.1 海啸 1
1.1.2 海啸灾害 1
1.2 全球海啸灾害概况 2
1.2.1 全球各大洋海啸发生率 2
1.2.2 海啸类别的划分 2
1.2.3 历史海啸灾害统计 3
1.3 中国沿海地区的历史海啸事件 7
第2章 潜在地震海啸源 9
2.1 地震海啸的生成条件和致灾条件 9
2.1.1 地震海啸的生成条件 9
2.1.2 地震海啸的致灾条件 11
2.2 潜在地震海啸源界定 11
2.2.1 潜在震源的界定 11
2.2.2 潜在地震海啸源的界定 13
2.2.3 俯冲带地震与海啸 13
2.3 全球地震海啸源分布 15
2.3.1 全球三大地震带与海啸多发区 15
2.3.2 位于西北太平洋俯冲带的潜在地震海啸源 17
2.3.3 中国海及其邻域的潜在地震海啸源 18
第3章 地震海啸生成模式 24
3.1 地震海啸生成模式研究进展 24
3.2 弹性位错模型 25
3.2.1 点源模型 25
3.2.2 有限矩形模型 28
3.3 地震海啸生成模式 29
3.3.1 瞬态响应模式 29
3.3.2 潜在地震海啸源参数的赋值 30
第4章 海啸波传播控制方程 33
4.1 海啸传播特征 33
4.1.1 海啸的波速、波高和周期 33
4.1.2 海啸波的能量分布 34
4.1.3 近岸区海啸波的形状 34
4.2 海水运动方程 34
4.2.1 动量方程 35
4.2.2 连续方程 37
4.2.3 海水运动方程的求解 39
4.3 海啸波传播动力学 40
4.3.1 常密度不可压缩流体的数学描述 40
4.3.2 浅水长波控制方程及其边界条件 46
4.4 海啸传播的非频散浅水长波控制方程 50
4.4.1 用于深水区域的线性浅水方程 50
4.4.2 用于浅水区域的非线性浅水方程 51
4.4.3 频散浅水理论的应用简介 51
第5章 地震海啸数值模拟 52
5.1 地震海啸数值模拟研究 52
5.2 常用海啸数值模型 54
5.2.1 MOST模型 54
5.2.2 GeoClaw模型 55
5.2.3 COMCOT模型 56
5.2.4 TUNAMI模型 57
5.2.5 CTSU模型 58
5.3 常用海啸数值模型应用案例 59
5.3.1 MOST模型应用案例：2011年日本东北地区海啸 59
5.3.2 GeoClaw模型应用案例：2010年智利大海啸 63
5.3.3 COMCOT模型应用案例：2011年日本东北地区海啸 67
5.3.4 TUNAMI模型应用案例：2010年智利大海啸 72
5.3.5 CTSU模型应用案例：2014年智利海啸 76
第6章 潜在地震海啸源地震活动性模型 81
6.1 潜在地震海啸源地震活动性分析 81
6.2 基于双截断的震级-频度关系的地震活动模型 83
6.2.1 震级-频度关系 83
6.2.2 双截断的震级-频度关系 83
6.2.3 潜在震源区地震年平均发生率 84
6.3 地震活动性广义极值模型 84
6.3.1 广义极值分布 84
6.3.2 震级重现水平和震级上限的*大似然估计 87
6.4 地震活动性广义帕累托模型 89
6.4.1 广义帕累托分布 89
6.4.2 阈值选择 90
6.4.3 震级重现水平和震级上限的*大似然估计 91
6.5 应用案例：琉球海沟俯冲带震级上限和强震重现水平估计 93
6.5.1 琉球海沟俯冲带及邻域地形地貌、地震地质特征 93
6.5.2 基于广义极值分布的强震危险性估计 94
6.5.3 结语 98
6.6 应用案例：马尼拉海沟俯冲带震级上限和强震重现水平估计 99
6.6.1 马尼拉海沟俯冲带地质构造及地震活动性 99
6.6.2 地震资料预处理 100
6.6.3 震级阈值的选取 100
6.6.4 构建地震活动性广义帕累托模型 101
6.6.5 震级重现水平与震级上限估计 102
6.6.6 结语 103
第7章 地震海啸危险性概率分析的原理与方法 104
7.1 地震海啸危险性概率分析的兴起与发展 104
7.2 海啸危险性分析与地震危险性分析的比较 106
7.3 海啸数值模拟和危险性分析的不确定性 107
7.3.1 不确定性的来源 107
7.3.2 不确定性的分类 108
7.4 地震海啸危险性概率分析的技术路线 109
7.4.1 技术路线：潜在地震海啸源参数取定值 109
7.4.2 技术路线：耦合潜在地震海啸源参数不确定性效应 111
第8章 地震海啸数值模型的不确定性和敏感性分析 115
8.1 不确定性分析和敏感性分析研究进展 115
8.2 不确定性分析和敏感性分析的方法 118
8.2.1 敏感性分析的定义与方法 118
8.2.2 两种全域敏感性分析方法简介 119
8.3 技术路线：一般模型的不确定性分析和敏感性分析 121
8.4 技术路线：地震海啸数值模型的不确定性分析和敏感性分析 122
第9章 地震海啸危险性概率分析案例 124
9.1 中国沿海近岸地区海啸危险性分析研究 124
9.2 案例研究：潜在地震海啸源参数选取定值 126
9.2.1 近岸特定场点的选取 126
9.2.2 潜在地震海啸源的界定 127
9.2.3 潜在地震海啸源参数赋值 127
9.2.4 地震海啸数值模拟 130
9.2.5 近岸场点地震海啸危险性分析 130
9.2.6 结论与讨论 132
9.3 案例研究：耦合潜在地震海啸源参数不确定性效应 133
9.3.1 潜在海啸源参数不确定性分析及赋值 134
9.3.2 近岸场点地震海啸危险性分析 137
9.3.3 结论与讨论 144
第10章 不确定性分析：局域敏感性分析案例 146
10.1 研究内容与方法 146
10.2 模型验证 147
10.3 场点选择 148
10.4 地震海啸数值模拟计算 148
10.5 敏感性分析 151
10.5.1 敏感性分析方法 151
10.5.2 敏感性分析结果 151
10.6 总结与讨论 164
第11章 不确定性分析：全域敏感性分析案例 166
11.1 近岸特定场点和研究区域选取 166
11.2 界定潜在地震海啸源区 167
11.3 地震海啸源参数赋值及不确定性分析 167
11.3.1 潜在地震海啸源参数的赋值 167
11.3.2 震级重现水平、震源深度、断层面滑动角的不确定性分析 168
11.4 地震海啸数值模拟 170
11.4.1模型选取和网格嵌套设置 170
11.4.2 海啸数值模拟试验 171
11.5 敏感性定性分析 173
11.5.1 定性分析 173
11.5.2 定性分析结论 175
11.6 敏感性定量分析 176
11.6.1 定量分析 176
11.6.2 定量分析结论 177
11.7 总结与讨论 178
参考文献 180
附录A 敏感性分析的Morris方法 187
A.1 方法简介 187
A.2 基本效应 187
A.3 敏感性分析指标 189
附录B 基于输出方差分解的敏感性分析方法 191
B.1 方法简介 191
B.2 因子的优先级设置 191
B.3 固定因子设置 191
B.4 E-FAST方法原理 193