海啸预警:比较快但是还不够
作者: 来源:新浪科技 日期: 2011-03-18
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  作者: 南方周末记者 黄永明
  正在研发中的海啸预报系统发挥了作用,但没有快到足以帮助生活在仙台海岸的居民。

    美国国家海洋和大气管理局(NOAA)海啸研究中心的科学家认为,他们对此次日本海啸做了非常准确的预报
  “这是我们的建模预测系统自运行以来经历的最大的事件之一。”美国国家海洋和大气管理局(NOAA)海啸研究中心首席科学家瓦西里·季托夫(Vasily Titov)说。
  3月11日,日本东北部海域发生大地震后40分钟,季托夫小组在美国西雅图得到了系统对海啸情况的预报。尽管发布的海啸预警没有快到足以帮助生活在仙台海岸线的居民,但它又一次测试了正在研究中的“下一代海啸预报系统”。“初步的评估显示预报达到了非常高的准确性。”季托夫说,“它对做出美国海岸线的疏散决定提供了帮助。”伴随9.0级罕见强震产生的海啸穿越大洋,掀翻了美国一些港口的船只。
  季托夫小组研制的系统已经在太平洋海啸预警中心和阿拉斯加海啸预警中心测试运行。这两个预警中心与日本和澳大利亚的预警中心构成了目前世界上最主要的几个海啸预警中心。
  地震发生时,海底地面会出现错动,地震波同时在固体地球和海水中传播。地震压缩波在固体地球中传播的速度达到每秒钟6千米以上,远远快于水中的传播速度。地震因而很快就会被全球地震台网记录下来。对于大地震,监测人员能够在3到5分钟的时间里确定地震的位置、大小和产生机制。
  这些信息的确定是预报海啸的前提,但并不是每一次海底地震都会引发海啸。地震时海底地面的错动有可能是水平方向的,也有可能是垂直方向的,只有垂直方向的错动才容易引发海啸。
  在遇到7级以上大地震的情况下,预警中心的工作人员会根据经验,即以前附近发生的地震是否激发了海啸,以及海上浮标的实测数据,对海啸的大小做出预报。
  印尼地震之后
  1960年5月22日,智利发生9.5级大地震,引起了25米高的海啸,把智利港口中的船抛向内陆1千米的地方。海啸越过太平洋到达17000千米外的日本,在那里杀死了大约140人。这次惨剧促使太平洋沿岸的国家从1960年代开始合作建立海啸预警系统。此时已经存在的美国太平洋海啸预警中心始建于1949年,是因为1946年4月1日的阿拉斯加海啸在夏威夷造成165人死亡。
  海啸预警的基本原理非常简单,即利用地震波在固体地球中和海啸波传播的速度差。相比起在固体地球中的速度,海啸波的传播速度只有每秒钟几百米。如果震中离海岸足够远,地震专家和海啸预警专家便会有足够的时间进行数据的收集和演算。在海啸到达前,这种计算是持续进行的,并根据观察数据不断修正。 NOAA的海啸预警中心的基本原则是,在海啸到达夏威夷和美国本土前三小时必须做出预报。
  2004年12月,大地震引发的印尼海啸夺去十几个国家至少22万人的生命。这样大规模的海啸在当地人的记忆中是完全不曾出现过的。实际上,历史上距离印尼海啸最近的一次特大海啸可能发生在公元1300-1400年之间。地质学家在艰难的野外考察中找到了上一次被海啸冲刷过的沙子,从而确定了这个时间。这可能表明,印度洋上此种规模的海啸每600-700年才发生一次。
  印尼海啸发生的时候,印度洋还没有海啸预警系统。在那之后,日本气象厅和位于夏威夷的太平洋海啸预警中心开始对印度洋的海啸进行预警。
  美国国家地震信息中心(NEIC)也很快更换了他们使用了25年的电脑系统。新的系统通过卫星获取分布全球的475个地震台站的监测信息,能够在 12到13分钟内确定一次地震的强度和位置。而在2004年印尼地震之前,这一过程大约需要一个小时。“为什么说现在的预警系统要比2004年有很大的提高呢?因为美国和很多国家加强了海啸预警的观测。”NOAA海啸研究中心韦勇博士说,“在环太平洋、印度洋和大西洋都布有海啸浮标。现在一共有51个。”
  海上浮标由海底的铁链牵住,对于4000米的水深,位于海底的测压仪器能够测量出小于1厘米的海啸幅度。仪器将数据传给浮标,后者将数据发送给卫星,卫星再把数据传给预警中心。
  2007年9月,苏门答腊地区接连发生8.4级和7.9级地震。一组科学家从珊瑚遗迹中发现,地震所发生的地区在1350年前后、1600年前后和 1797到1833年间,曾经出现过多次大地震。这些地震的发生不但具有周期性,而且还有一个特点:一个周期中,后发的地震会更强。他们因而担心,2007年的地震只是一个开端,生活在苏门答腊群岛上的孩子和年轻人很有可能在此生经历一次致命的海啸。这次海啸可能由一场8.8级地震引起,并波及阿曼、肯尼亚、马达加斯加和南非。
  2008年11月,在印尼海啸发生四年之后,由德国和印尼合作建设的海啸早期预警系统在雅加达启动,以期避免类似的悲剧。
  人往高处走
  值得注意的是,预警系统对于离海岸太近的海啸是不起作用的。
  2006年7月发生在爪哇的一场地震就挑战了海啸预警的极限。海啸在地震发生30分钟后就到达了,没有给人类留出任何预警和撤离的时间。而且由于风引起的海浪较大,让海岸上的警戒人员没有从这些浪花中识别出海啸到来的先兆,以至于这次海啸夺走了爪哇岛上600人的生命。
  2009年9月29日,一场8.3级地震引发的海啸造成南太平洋萨摩亚群岛上超过100人死亡。尽管海啸预警系统运转良好,但由于地震发生的位置距离萨摩亚太近,留给人们的反应时间过短,预警并没有挽救这些生命。
  对于这次日本地震来说,“其他的地方预警还是很成功的,比如夏威夷、美国西海岸等地。日本本土靠近海岸的地方由于距离震中太近了,所以这种预警的效果还是有限的。日本先进的防震技术、海啸预警系统及地震和海啸的公共教育大大减小了伤亡,但灾害还是很大。”美国伊利诺伊大学的地震学家宋晓东说。“如果距离太近的话,所谓的预警发布其实都没有太大的意义。”韦勇说,“你在海边感受到了地震,就不要呆在原地,而要尽量往高处走,往内陆走,就对了。”“往高处走”的原则看起来像是废话,但其实并不是废话。2010年智利大地震的时候,澳大利亚的预警中心及时发布了预警,称海啸会在早上8点30分到达悉尼。预警经过媒体发布后起到的效果却是,许多人到海边不顾阻拦地跳下去游泳。可见,发布预警是一回事,预警带来的公众反应是另一回事。
  仍需经验判断
  英文中的“海啸”(tsunami)一词是源自日语的。
  日本的岛基本上分布在南北和北东向的一个线状条带上,形成岛弧。这个岛弧沿着俯冲带后方分布,整个岛弧的形状跟欧亚板块与太平洋板块碰撞的边界是相吻合的。这使得海啸成了日本历史的一部分。
  根据记载,1707年,一次地震引发的海啸曾造成日本3万人死亡。1896年发生在日本本州岛的海啸高达30米,摧毁了280千米长的海岸线,造成 27000多人死亡。1933年发生在日本三陆的海啸造成近三千人死亡。1993年发生在日本奥尻岛的海啸,浪高5到30米,造成两百多人死亡。“据我所知(日本)上一次最具破坏力的海啸发生在1896年。”宋晓东对南方周末记者说。
  1896年6月15日,日本近海发生8.5级地震。据记载,出海20英里的渔民们没有注意到从船下经过的海浪,因为那个时候它的高度只有15英寸。第二天回到三陆港口的时候,他们对正在等待他们的景象毫无心理准备。碎片和尸体飘满了海面。海啸摧毁了9000间房屋。
  这次地震造成的海啸在太平洋也被观测到,夏威夷有房屋被冲走,美国加利福尼亚也有小幅度的海啸。
  这次惨痛的大海啸刺激日本开始对海啸进行研究。不过,即便到了21世纪,海啸预警也仍然存在明显的问题。
  尽管现在已经大量运用了海上浮标等实测手段,目前在海啸预警的实际操作中,专家根据经验进行人工判断仍然是不可缺少的。“在没有结合海啸浮标和数值模拟的海啸预警系统里,会包含很多经验判断,所以会出现比较错误的预报。”韦勇说,“在海啸预报当中,有两种情况要做得准确。一种是大海啸来了,你要预测它是不是确实能强到造成灾害。再一个是,它如果很小,你预测说它很大,然后做了疏散,也会造成很多的经济损失。”
  2006年11月15日晚8点14分,一次8.1级地震发生在日本北部的千岛群岛。15分钟后,日本气象厅发出海啸预警,称海啸最高可达2米,要求某些地区的居民疏散。
  几乎在同一时间,太平洋海啸预警中心也报出这一地震,他们给出的震级是7.7,并称可能会有海啸发生,尽管当时并没有任何实测数据支持这一判断。45分钟后,震级被修订为8.1级。
  即便是在日本这样一个地震多发的国家,8.1级地震也是不多见的。晚8时30分,地方政府开始组织居民疏散,一些火车也停了下来。有1800名居民被要求撤离,另有13万人被建议向高处移动。但是当海啸在一个多小时后到达时,人们发现它最高也只有几十厘米而已。
  还有提升空间
  科学家们正在想尽各种办法加强对海啸的监测和预报。
  一些科学家发现,即便海啸只有几厘米高,它所造成的大气震动都可以传播到300千米高的电离层。在一次海啸中,数百平方千米的海面上下起伏,这种起伏会引起大气的震动。大气的震动会随着高度的增加而放大。在三百多千米的高度上,波高会被放大一万倍。当波到达电离层时,它会改变那里自由电子的密度,这种改变是能够被GPS卫星所探测到的。这让他们开始考虑利用这一原理用GPS卫星监测海啸的传播过程,但这方面的研究工作与实际应用之间还有很遥远的距离。
  自2004年印尼海啸之后,接近实时的海啸预报模型被发展出来。隶属于欧盟的联合研究中心(JRC)正在研究一种全球海啸建模系统,它基于事先计算好的全球海啸场景以及接近实时的计算,能够在地震生成的海啸发生20分钟内发出预警。
  2010年智利8.8级地震后,这一系统在30分钟内就通过手机短信和电子邮件把海啸警报发给了一万名用户。这套系统精确预测到了智利城市康塞普西翁的海啸高度。
  葡萄牙气象研究所也在测试一套新的早期预警系统。这套系统有望在日后用于联合国教科文组织政府间海洋学委员会设立的东北大西洋区域中心。
  2009年7月15日,新西兰发生7.8级地震,正在俄罗斯参加国际海啸研讨会的季托夫立即使用自己正在开发的海啸预警系统对可能产生的海啸进行了模拟。模拟的结果显示,海啸并不会对新西兰或澳大利亚构成威胁。后来的实际情况也确实如此。他在第二天向与会的数十名地震学界同行展示了他的结果。
  “在数次事件中,这套预报系统都被证明是非常准确的。我们现在会用它来评估这次大海啸。”季托夫对南方周末记者说,“我们相信我们已经研发出了精度和鲁棒性(robustness,指系统在遭遇干扰下的稳定性)都得到证明的预报系统。现在就差把它完全运转起来了。”
  这套系统所提供的预报不但包含海啸的高度、到达时间,甚至还包括海啸淹没情况的模拟图。
  “这套系统全部基于数模和实测资料,是利用海啸发生时的实测资料来做一个反演。所有的预报都是基于海啸浮标的实测、数模和反演。”韦勇介绍说,它将不再需要那么多的经验判断,“当这套系统全部自动流程化,将来只需要有人坐在机器旁边,然后摁一下按钮就完全出来了。”
  在宋晓东看来,印尼海啸之后人们主要做了两件事情。第一件是,世界地震台网相互的交流更加密切。第二件是,海啸预警利用现代信息,在预警系统上有非常大的进步。
  尽管如此,“各国之间的地震信息交流和台网之间的交流做得仍然不够。海啸、地震不光能够影响一个国家,还可以影响一个很大区域的。大部分的信息中心都是各个国家自己做的事情,那么从国际的角度上来说,到目前来说我认为做得还很不够。”宋晓东说。
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