[发明专利]一种基于概率方法的南海海啸危险性预测方法

摘要

一种基于概率方法的南海海啸危险性预测方法，对于没有足够历史海啸观测记录的地区，只能采用基于数值模拟的分析方法来评价该地区的海啸危险性。概率性海啸危险性分析是通过充分借鉴地震危险性分析的方法和思路，并从数值模拟的角度提出概率性海啸危险性分析的方法。数值计算采用COMCOT海啸模型，使用多层大中小网格嵌套的方法计算海啸从远海传至近海。以风险区域最高的马尼拉海沟海啸源区为例计算地震引发海啸对南海海域的影响，给出该海域某场点波面升高对应的年累积频率、超越概率和重现期。所以本发明可以给出特定地点在特定时间段内波高超过特定数值的海啸的发生概率，即基于概率方法的海啸危险性预测方法。

主权项

一种基于概率方法的南海海啸危险性预测方法，该方法有以下具体步骤：1)确定南海潜在的海啸源区。根据南海板块地质情况、历年海啸记录、南海水深情况等划分潜在海啸源区。结合地形条件、地质构造条件等，马尼拉海沟被认为是南海风险最高的区域；2)基于概率方法，通过统计南海历史海啸记录，给出相关地震参数。基于概率方法，通过历年来南海海啸地震的记录数据，统计出潜在海啸源区的古登堡‑里克特震级‑频度关系。因此，可得到马尼拉海沟海啸源区的不同震级的累积频率分布；3)给出南海区域产生地震的样本。根据马尼拉海沟海啸源区的不同震级的累积频率分布的关系，在马尼拉沟海啸源区内空间上均匀的产生地震。低震级可以由单一断层作为震源，而高震级地震均由组合断层作为震源。高震级地震均由组合断层作为震源，组合的规律是组合断层长度在日本规范和Papazachos B.C.回归公式计算的两者之间；4)通过数学模型计算海啸传播到近岸的波高。在潜在海啸源区内，对每个地震事件运用海啸数值模式计算沿岸波高值；5)计算马尼拉海沟海啸源区的累积频率。以特定波高值为界，针对潜在海啸源区内地震事件进行数值模拟的结果，统计超过特定波高个数，给出该场点波高的累积频率；6)计算马尼拉海沟海啸源区的超越概率和重现期。通过指定场点的波高对应的累积频率可以得到相对应的超越概率和重现期，最后给出海啸波高对应的超越概率曲线，即给出特定场点在特定时间段内波高超过特定数值的海啸的发生概率。2根据权利要求1所述的一种基于概率方法的海啸危险性预测方法，该方法有以下具体步骤：1)确定南海潜在的海啸源区。根据南海板块地质情况、历年海啸记录、南海水深情况等划分潜在海啸源区。结合地形条件、地质构造条件等，马尼拉海沟被认为是南海风险最高的区域；2)基于概率方法，通过统计南海历史海啸记录，给出相关地震参数。基于概率方法，通过历年来南海海啸地震的记录数据，统计出潜在海啸源区的古登堡‑里克特震级‑频度关系，然后给出相关参数β、b值等。因此，可得到马尼拉海沟海啸源区的不同震级的累积频率分布为：$F\left(M\right)={\left(\frac{M_t}{M}\right)}^{\mathrm{\β}}\·e^{\frac{M_t-M}{M_c}}---\left(1\right)$式中，M_c和M_t分别为震级上限和震级下限；3)给出南海区域产生地震的样本。根据马尼拉海沟海啸源区的不同震级的累积频率分布的关系，在马尼拉沟海啸源区内空间上均匀的产生地震，震级范围在M_t与M_c之间。低震级可以由单一断层作为震源，而高震级地震均由组合断层作为震源。高震级地震均由组合断层作为震源，组合的规律是组合断层长度在日本规范和Papazachos B.C.回归公式计算的两者之间；4)通过数学模型计算海啸传播到近岸的波高。在马尼拉海沟海啸源区内，对于每一个地震事件给出由经验公式计算的断层面参数，例如断层面长度、宽度、深度、滑移量等参数。基于以上参数，通过COMCOT海啸模型计算每个地震事件产生的沿岸波高值，或者给出指定场点K个沿岸波高值。COMCOT海啸模型可以计算从海啸产生到海啸传播至近岸这一过程。为了考虑到计算的精度以及效率，该海啸模型采用了网格嵌套方法。海啸波在大洋传播时，如果计算区域较大，可以用球面坐标下的线性浅水方程来模拟，公式如下：式中，η代表水面高度，是纬度和经度，R是地球半径，g是重力加速度，h是水深。(P,Q)表示在x和y方向上的体积通量，他们是速度和水深的乘积，也就是P＝hu，Q＝hv。表示的是瞬时海底运动，可以用在计算滑坡引起的海啸。f代表科氏力系数式中，Ω是地球转速。当计算区域较小时，应该采用笛卡尔坐标下的浅水方程。公式如下：$\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂t}+(\frac{\∂P}{\∂x}+\frac{\∂Q}{\∂y})=-\frac{\∂h}{\∂t}---\left(6\right)$$\frac{\∂P}{\∂t}+\mathrm{gh}\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂x}-\mathrm{fQ}=0---\left(7\right)$$\frac{\∂Q}{\∂t}+\mathrm{gh}\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂y}+\mathrm{fP}=0---\left(8\right)$当海啸传到大陆架，接近海岸时，球面坐标下的非线性浅水方程如下：笛卡尔坐标下的非线性浅水方程：$\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂t}+(\frac{\∂P}{\∂x}+\frac{\∂Q}{\∂y})=-\frac{\∂h}{\∂t}---\left(12\right)$$\frac{\∂P}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{P^2}{H}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{\mathrm{PQ}}{H}\right)+\mathrm{gH}\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂x}+F_x=0---\left(13\right)$$\frac{\∂Q}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{\mathrm{PQ}}{H}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{Q^2}{H}\right)+\mathrm{gH}\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂y}+F_y=0---\left(14\right)$式中，H是总水深，H＝η+h。F_x和F_y分别表示x和y方向上的底摩擦，可以通过曼宁公式计算：$F_x=\frac{g{n}^2}{H^{7/3}}P{(P^2+Q^2)}^{1/2}---\left(15\right)$$F_y=\frac{g{n}^2}{H^{7/3}}Q{(P^2+Q^2)}^{1/2}---\left(16\right)$式中，n是曼宁系数。COMCOT采用显式蛙跳有限差分数值方法。水面高度和体积通量(P,Q)在时间和空间上交错排列。球面坐标下，显式蛙跳有限差分格式的浅水方程可以表示为：笛卡尔坐标下，可以表示为：$\frac{{\mathrm{\η}}_{i,j}^{n+1/2}-{\mathrm{\η}}_{i,j}^{n-1/2}}{\mathrm{Vt}}+\frac{P_{i+1/2,j}^n-P_{i-1/2,j}^n}{\mathrm{Vx}}+\frac{Q_{i,j+1/2}^n-Q_{i,j-1/2}^n}{\mathrm{Vy}}=-\frac{h_{i,j}^{n+1/2}-h_{i,j}^{n-1/2}}{\mathrm{Vt}}---\left(20\right)$$\frac{P_{i+1/2,j}^{n+1}-P_{i+1/2,j}^n}{\mathrm{Vt}}+g{h}_{i+1/2,j}\frac{{\mathrm{\η}}_{i+1,j}^{n+1/2}-{\mathrm{\η}}_{i,j}^{n+1/2}}{\mathrm{Vx}}=0---\left(21\right)$$\frac{Q_{i,j+1/2}^{n+1}-Q_{i,j+1/2}^n}{\mathrm{Vt}}+g{h}_{i,j+1/2}\frac{{\mathrm{\η}}_{i,j+1}^{n+1/2}-{\mathrm{\η}}_{i,j}^{n+1/2}}{\mathrm{Vy}}=0---\left(22\right)$5)计算马尼拉海沟海啸源区的累积频率。通过计算海啸源区内地震事件，以某一场点波高值h_u为界，统计超过波高值h_u的个数为k，该场点波高h_u的累积频率为：6)计算马尼拉海沟海啸源区的超越概率和重现期。指定场点T年波高h_u的超越概率可表示为：那么，波高h_u的重现期可由下式计算：最后给出海啸波高对应的超越概率曲线。