基于GIS的海啸预警信息系统集成框架_孙美仙

0 引言
海啸是指海洋中剧烈地扰动产生的波动 , 它主要 由海底地震 、 海底火山爆发 、 海岸或海底山体滑坡 、小 行星或 彗星 落 人 海中 、海洋 中 的 核爆 炸 等 原 因 引 起[ 1] 。 海啸波是海洋中迅速传播的一种长周 期重力 波 , 当传至大陆架后 , 携带着巨大能量冲击岸边或港 湾 , 常给沿海地区造成严重的生命财产损失 。 全球各 大洋均有海啸发生 , 而太平洋沿岸是全球海啸的多发 区 。 我国历史上曾有多次地震海啸发生
2 2 xH ξ+τ =0 ( 2) x ρ [ 11]
。 日本气象厅于 1941 年开始建立了
海啸预警系统 , 1999 年 , 该厅将插值数值模式应用到 海啸预警系统之中 , 开始发布定量的海啸预警信息 , 包括海啸第一波到达的时间和高度[ 5] 。 其他国家 , 如 俄罗斯 、 葡萄牙 、 意大利 、澳大利亚等也都有各自的海 啸预警系统[ 3 , 6] 。 国际海啸信息中心成立于 1965 年 , 主要任务是组织国际间的海啸观测和信息交流 。 国 际海啸预警系统一般是把参与国家的地震监测网络 的各种地震信息全部汇总 , 然后分析判断其规模和破 坏性 , 并在 第一时间向有关 成员国传达 相关分析 结 果 , 一旦海啸形成 , 该系统分布在海洋上的数个水文 监测站还会及时更新海啸信息
1 Hale Waihona Puke Baidu海啸数值模型
1. 1 海啸数值预报简介 自从建立了地震观测台网以后 , 1 mi n 内就可以 大致确定在海洋中哪个地方发生了多强的地震 , 而海 啸波传到海岸带地区则需要一段时间 , 这就为海啸预 警提供了时间上的可能性 。 海啸的传播速度只跟水 深有关 , 是重力加速度和水深乘积的平方根[ 7] , 如果 以南中国海平均水深为 1 200 m 来估算 , 海啸传播速 度约达 390 km / h , 也就是说如果在距离我国大陆海 岸上千公里远的南海发生地震 , 大约有 3 h 的宝贵时 间来进行减灾行动 。 在此其间要精确计算出哪些海 岸受到影响 , 海啸几时到达等关键性的决策信息 , 在 此基础上发布海啸预警报 , 很显然 , 完成海啸数值模 型是一项非常重要工作内容 。 海啸数值模型是目前新一代海啸预警系统建设 的基础 , 对于计算海啸对海岸带所产生的影响是不可 或缺的 。 目前世界上业务化运行的海啸数值模型主 要有日本东北大学的 T UNAMI 模式[ 8] 、 美国康奈尔
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大学 的 COMCOT 模 式[ 9] 、美 国 国 家 海 洋 大 气 局 ( NOAA ) 的 MOST 模式[ 10] 、 中国国家海洋环境预报 中心的 C TS U 模式和美国夏威夷大学的地震海啸数 值模式等 。 其中日本东北 大学的 T UNAM I 模式根 据不同的模 拟情形分为 5 个不同模 式 , 它们 分别是 T UNAM I-N1 、 T UNAMI-N2 、 T UNAM I-N3 、 T UNAM I-F1 和 T UNAM I-F 2 , 前三个模式 用于模拟局 地海啸 , 后两个模式用于模拟大洋海啸 。 由于 T UNAM I 模式开发较早 、 简单易懂 、 运行方便等优点 , 在 20 世纪 90 年代 , 该模式就被联合国教科文组织政府 间海洋学委员会( UNESCO / IOC ) 推荐给各国海啸预 警部 门 使用 。 美 国 NOAA 的 M OST 数 值 模式 是 NOAA 海啸研究中心业务化的应用模式 , 模式的源 代码和可执行程序不对外公开 。 美国康奈尔大学的 COMCOT 数值模式为土木与环境工程系 P hilip Liu 研究组开发 , 其模式为模块化设计 , 考虑因素全面 , 网 格设计灵活 , 能模拟海啸的各个阶段 ; 因其具有显著 的优点 , COM COT 模式被许多国家的研究和业务部 门采用 。 根据祝会兵 等 的总结 , 最常用的海啸数 值计算方法包括有限差分法 ( FDM ) 、有限元法以及 边界积分法 , 主要控制方程有线性和非线性浅水长波 方程 、 Boussi nesq 方程 、 完全非线性势流理论和 Navier-St okes 方程 , 众多研究表明 , 这些方法在各自的适 应范围内 , 都可以用于业务化预报 。 此外 , 还有其它一些专门的海啸数值模式或通用 的水动力模式被用于海啸数值模拟 , 但在业务化方面 对它们的应用则比较少 。 1. 2 CTSU 海啸数值模型 本文采用的模型为国家海洋环境预报中心自主 开发的 海啸数 值模式 ( CT SU ) , 该 模式基 于浅 水方 程 , 分别建立了球面坐标和直角坐标控制方程 。 CTSU 模式的控制方程组为 ξ 1 P + ( cos φ Q) =0 + t R co s φ ψ φ P + gh ξ- f Q = 0 t R cos φ ψ Q + gh ξ+ f P = 0 t R φ ξ + P + Q =0 t x y P + P + PQ + gH t x H y H
x y
针对同一个假想海啸事件进行了 4 个案例的数 值模拟对 比分 析 , 结 果发 现 , C TS U 模 型与 日 本的 T UNAM I-N2 模式 、 美国的 COMCO T 模式的计算结 果基本一致 , 但 C T SU 模 型的计算速度 要快于以上 国外的两个模式 。 图 1 为其中 1 个模拟的对比分析 结果 。
第 27 卷 第 4 期 2 0 09 年 12 月
海 洋 学 研 究
JOURNAL OF MARINE SCIENCES
V o l. 27 No . 4 Dec . , 2 0 0 9
文章编号 : 1001-909X( 2009) 04-0108-09
基于 GIS 的海啸预警信息系统集成框架
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海啸预警是一项复杂的系统工程 , 涉及地震源探 测、 地震级确定 、海啸数 值计算 、海啸预 警发布等 环 节 , 各项工作都需要紧密衔接 , 因此 , 建立海啸预警集 成系统十分重要 。 本文介绍的海啸预警系统 , 将地理 信息系统可视化信息表达 、多源空间信息管理 、地理 空间分析等功能集成于一体 , 构建海啸预警平台 , 预 先将可能存在的各种假想海啸源 , 按照引发海啸的级 别不同 , 将数模计算结果存贮于数据库之中 , 并基于 GIS 网格建立快速内插索引 , 达到了快速分析海啸预 警的目的 。
C T SU 模式采用半隐式差分格式求解控制方程 。 该 模式具有计算速度快 , 支持并行计算等优点 。
图 1 海啸数值模式 CT S U 与其它模式模拟结果的对比分析示意图 Fig . 1 T he com par ative analy sis of CT SU tsunami numerical model w ith o ther mode s
( 1)
Q+ PQ + Q +gH ξ+τ yH =0 t x H y H y ρ 方程组( 1) 为球面坐标方程组 ; 方程组( 2) 为直角
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海 洋 学 研 究
27 卷 4 期
坐标方程 。 式中 : ξ 为水面高度 ; h 为静止水深 ; H 为 总水深 ; g 为重力加速度 ; ρ 为水的密度 ; R 为地球半 径; f 为科氏力 ; τ、τ 分别为 x 、y 方向的摩擦力 ; P、 Q 为 x 、y 方向的体积通 量 ; φ 、ψ 分别为 经度 、纬度 。
收稿日期 : 2009-07 -07 项 目 : “ 十一五” 国家科技支撑计划课题资助项目( 2006BA C03B02)
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仪器记录的海啸有 3 次 , 但均未发生明显的海啸灾害 。 2004 年的印度洋大海啸造成 20 余万人死亡 , 此 次海啸成为震惊世界的大事件 , 引起了国际社会对海 啸灾害的广泛关注 。 海啸提前预警是当前最为有效 的减灾手段 , 因此 , 海啸预警系统的建立是十分重要 的 。 目前 , 许 多国家已经 建立了相 应的海啸 预警系 统 , 并且已经展现出其功效 。 在美国 , 海啸预警主要 由 NOAA 负责 , 包括组织有关的海啸监测和科研工 作 , 制定海啸减灾计划 ; 美国有两个预警中心 , 即太平 洋海啸预警中心和西海岸-阿拉斯 加海啸预警中心 ,
, 建国后有
作者简介 : 孙美仙( 1967 ) , 女 , 浙江兰溪市人 , 工程师 , 主要从事海洋减灾与海岛生态研究 。
孙美仙 等 : 基于 G IS 的海啸预警信息系统集成框架
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海啸的预警系统包括海啸观测系统和实时的数字模 拟分析系统 , 同时还开展某些局部重点岸段的海啸数 值模拟分析
2 海啸预警信息系统的组成
2. 1 系统框架 海啸预警信息系统的总体框架结构如图 4 所示 。 图 4 中的数据层包括数模计算结果文件 、预警模板文 件、 基础地理数据和 Oracle 数据库管理平台 ; 应用层 涵盖了预警分析 、 分析结果的 GIS 可视化处理以及预 警信息的 WEB 发布 ; 表 达层主 要是 GIS 可视化 界 面 , 即应用程序界面及网络客户端 。
孙美仙1 , 丁照东1 , 赵联大2 , 于福江2 , 滕骏华1
( 1. 国家海洋局 第二海洋研究所 , 浙江 杭州 310012 ; 2. 国家海洋环境预报中心 , 北京 100081)
摘 要: 预先利用 CT SU 海啸数值模型模拟出可能存在的各种假想海啸源 。 运用海啸数值计算模型 , 分别就 5 个不同震级( 6. 5 、7 . 0、 7. 5 、8 . 0、 8. 5) 、 6 个不同震源深度 ( 0、 20 、 40 、60 、80 、100 km ) 的 1 400 多个假想海啸源进行海啸数值模拟 , 模拟的时间步长为 1 mi n , 空间网格以 2′ 为间隔 , 模拟区域为 104° ～ 132 ° N 、0 ° ～ 32° E 。 按照引发海啸的级别不同 , 将数模计算结果存贮于数据库之中 , 并在应用时基于 GIS 网格建立快速内插索引 , 自动输出预警信息 , 并在 GIS 界面中提供可视化表达 。 系统采用模板文 件来定义预警分析的范围和内容 。 在海啸预警分析时 , 系统主要使用以下 4 个模板 : ( 1)海啸源网格 模板 , 该模板定义了整个预警场中可能存在的海啸源地理位置和相关属性 ; ( 2)海啸预警网格框架模 板 , 此模板定义了整个海啸预警分析场中最后需要汇总的岸线网格位置 ; ( 3)海啸预警岸段网格模板 , 该模板用来定义预警网格归于哪一个岸段 ; ( 4)海啸预警城市网格模板 , 这个模板可以定义用户最为 关心的重点城市的海啸预警信息 。 系统采用 GIS 界面 , 预警分析操作十分简单 , 系统运算也非常快 , 输入地震的精确位置 、 地震强度以及震源深度 3 个参数后 , 系统将自动执行一系列运算 , 在 1 ～ 2 min 内便可计算出所有海啸预警信息 , 并自动将预警信息在 GIS 界面中显示出来 。 最终以 w eb 网页的形 式向公众发布海啸预警信息 , 达到了快速海啸预警分析的目的 。 网页开发采用 A jax 技术 , 同时借助 Go ogle M aps AP I 函数实现了预警信息的显示与维护 。 网络客户端仅需要 1 个浏览器 , 就可以实现有 关信息的查询 。 系统在海量数据存贮 、 快速查询和分析等方面较好地解决了相关的技术难点 , 它对提 高海啸防灾减灾科学决策能力具有重要意义 。 关键词 : 海啸预警 ; 数据库 ; GIS ; 信息系统 中图分类号 : P 731 . 36 文献标识码 : A
1. 3 CTSU 海啸数值模型的应用示例 2007 年 8 月 15 日秘鲁发生 8 . 0 级地震 , 并引发 地震海啸 。 图 2 为秘鲁海岸地震发生地区位图 , 红叉 为地震中心 , 三角为观测浮标 Dart 32411 位置 。 图 3 为浮标实测与美国 COM COT 模式和中国 CT SU 模 式计算的模拟结果的比较 。 从图 3 可见 , 3 条曲线的 走势基本吻合 。