互动科普

海啸

Frank I. Gonzalez

海啸的可怕爆发不能减少，但从十年来的大量灾难中获得的经验教训——跟踪这些杀人浪涛的一种新方法——将有助于挽救人们的生命。

十二分钟前太阳落山了，落日的余辉渐渐在巴布亚新几内亚北部海岸逝去。1998年7月17日又是一个宁静的星期五，Sissano、Arop、Warapu和其他小村庄的男人、女人和孩子都被吸引到了Sissano湖和俾斯麦海之间的宁静沙嘴上。然而，在地球的深处也就是在远离毫无防备的村民的木屋的下方巨大的力量多年来已使支撑岩石发生了变形眼下，在几分钟之内，这种被束缚着的能量猛烈爆发，形成了7.1级地震。下午六点四十九分，主震震动了以Sissano湖为中心的30千米海岸线，并突然使近岸洋底发生变形。通常情况下平静的海洋表面相应向上涌起从而产生了可怕的海啸。

退役军官John Sanawe住在Arop沙洲的东南端，在海啸中幸免于难后来他向巴布亚新几内亚大学的Hugh Davies讲述了自己的故事。就在离海岸仅仅20千米发生震动的主震后，Sanawe看到海洋在地平线之上涌起随后垂直掀起约30米高的浪涛。意外的声音——开始像遥远的雷鸣，随后又像很近的直升机轰鸣——随后他看见海洋慢慢退到正常低水位标志之下，而怪声逐渐消失大约沉寂四五分钟之后他听到了一种像喷气飞机低空飞行的隆隆轰鸣声。Sanawe看到第一次海啸波涛约有3、4米高。他试图跑回家中但波涛追上了他。第二次波涛更大将树子夷为平地，Sanawe被抛出1千米远摔入湖中陆地沿岸的美洲红树丛中。

别的村民就没有Sanawe这样幸运了，有些人被刮过Sissano湖，被折断的美洲红树枝刺住，许多人还被碎片严重击伤。至少有30幸存者的受伤四肢因腐烂而失去。在成水中生活的鳄鱼和野狗于救援者赶到之前吃掉了死者，因此难于得出精确的死亡数字。目前看来，此次海啸死了2200多人，其中包括230多个儿童。在主震发生后l5分钟之内袭来的高达l5米的浪涛夺去了许多毫无察觉的沿岸居民的生命。在懂得海啸危害的少数村民中，那些被困于沙洲者完全是由于没有安全之处可逃。

诸如袭击巴布亚新几内亚那样的海啸是世界上最猛烈的波浪。科罗拉多博尔德国家地球物理数据中心的James F Lander、Patricia A Lockridge及其同事以及俄罗斯新西伯利亚海啸实验室的Viacheslave K Gusiakm及其助手开发出了揭示海啸发生之历史模式的大型数据库。大多数海啸发生于太平洋，其中86％是太平洋地区海下地震的产物，太平洋地区构造板块的猛烈碰撞形成了高度的地震俯冲带。

自1990年以来，10次海啸总共已经夺去了4000多人的生命。据报道，这10年间全世界总计发生海啸82次——大大高于历史上10年平均水平57次这一数字，并认为海啸增加是由于全球通信的改善，高死亡数部分原因是沿岸人口的增多。我们西雅图全国海洋和大气管理局太平洋海洋环境实验室同仁建立了电子邮件网络，以作为世界各地的研究人员相互帮助，进行更快更准的海啸调查之途径。1992年尼加拉瓜海啸发生之后不久，这一现被国际海啸信息中心管理的公告牌就促进了海啸科学家之间的交流。

过去，类似于尼加拉瓜和巴布亚新几内亚灾难的事件给夏威夷和阿拉斯加造成了劫难，但长久以来，大多数海啸研究人员都相信美国西海岸相对而言不会遭遇极具毁灭性的海啸。现在新证据表明，地震每隔300至700年就会在卡斯凯迪亚俯冲带产生：大规模的海啸。这是太平洋西北海岸外的一个地带，在这一地带支撑着太平洋部分地区的一个地壳板块俯冲到北美洲的下面。1992年4月俯冲带南端的7.1级地震在加利福尼亚开普门多西诺附近引发了小规模的海啸，这就是前述特殊威胁的明显迹象。这一事件成了在危险的海啸爆发之前起动首次全国系统预防工作的紧急号召。太平海洋环境实验室在此项工作中发挥了关键的研究和协调作用。

海啸的物理学

要了解海啸，将它们同风产生的浪或潮区别开来是最有益的微风吹过海洋，泛起相对较短的波浪，相应产生的水流仅限于浅层水体：例如，水肺潜水员能够很容易潜到足够深处从而发现静静的水体，猛烈的大风能够存辽阔的海洋卷起高度30米以上的海浪，但就是这样的狂风也不能撼动深处的水。

潮汐每天席卷全球两次，它产生的海流能深入海洋底部——就跟海啸一样。然而，与真正的潮汐波浪不同，海啸并非由月亮或太阳的引力引起，它由海下地震推动所产生，或在很少情况下，由火山爆发、陨星撞击、或水下滑坡所产生海啸波浪在深海的速度能够超过每小时700千米，可轻松地与波音747飞机保持同步。虽然速度快，但在深水中海啸并不危险，低于几米的一次单个波浪在开阔的海洋中其长度可超过750千米，这种作用产生的海表倾斜如此之细微，以致这种波浪通常在深水中不经意间就过去了。事实上，日语词“tsunami”(海啸)按字面译义就是“海港波浪”，也许就是因为海啸能够静悄悄地不知不觉地通过海洋，然而如果出乎意料地在浅水中它会达到灾难性的高度。

猛烈的海啸还能到达非常远的地方：能将毁灭性的能量从其源头传到数千千米之外。海岸夏威夷因其处于海中央，极易遭到这种席卷整个太平洋的海啸的袭击。自1895年以来，12次灾害性海啸袭击了夏威夷在最惨重的海啸事件中，源于几乎达3700千米外的阿拉斯加阿留申群岛的杀人波浪于1946年在夏威夷夺去了159人的生命，来自如此遥远的海啸都能够出乎意料地造成灾难。那么源自本处的海啸——例如去年的巴布亚新几内亚灾难——就特别具有毁灭性。Lander估计，全部遇难者的90％以上都在海啸爆发源200千米左右的范围内。一个极端例子，据认为1883年印度尼西亚巽他海峡喀拉喀托火山的灾难性爆发引起的海啸夺去了120千米范围内3万多人的生命，那次火山爆发引起的海浪有12层楼那么高。

不管源自何处，海啸都要经历三个部分交叉却又有显著差异的物理过程：由某种搅动水体的力产生海啸，然后海啸从爆发源附近的深海处传到浅海岸地区，最后淹没陆地在这些过程中，人们对传播阶段了解最多，然而产生过程和淹没过程却难于进行计算机模拟。在预测未来远源海啸将会袭击何处以及指导灾难调查和营救过程中，精确的模拟都是非常重要的，其重点必须放在可能会遭到最严重袭击的地区。

海啸的产生是这样一个过程：海底造山运动(如沿着断层运动)重构海表面的形状，使之形成海啸，模型建造者假设，海表面的这种变化同海底的变化是一致的，但海底运动的直接观测还从未获得过(也许永远也得不到)。相反，研究人员利用了理想化的地震模型：他们假定地壳板块沿着地球内部简单的长方形表面相互滑动。即使如此，预测海啸的最初高度也至少需要10个描述性参数，其中包括想象表面每边的滑动程度及其长度和宽度。当模型建造者在地震后纷纷指导海啸调查队时，只有假定的断层表面的方向以及地震的位置、强度和深度能仅仅根据地震资料获得解释，其他的所有参数都必须进行估计。因此，最先的模拟经常低估淹没的程度有时低估5至10倍。

淹没的低估能表明韧始的海啸高度也被低估了，因为单一(平面)断层模型将地震能量分散于过大的区域地震资料分析不能分辨任何短于地震波本身的能量分布模式，地震波能传播几百千米远。但是海啸袭击陆地很久之后，模型建造者能够根据上岸记录和其它的地震资料倒推去，从而准确确定海啸的初始高度。例如，数月的余震最近揭示了集中到比原先单一表面断层模型所推测的区域要小得多的区域内的地震能量模式。当地震能量集中于较小区域时，海底的垂直运动以及初始海啸高度就要大些只有经过数月的辛勤工作，才能获得满意的模拟。但是，符合真实灾难情形的每一模拟都改进了科学家做出更好预报的能力。

海啸传播时通过水的波动将地震处的地震能量向外传送，就像地面的抖动通过大地传送能量一样。此时浪高相对波长和水深而言很小，这样研究人员就可利用线性波理论，该理论假定浪高本身并不影响波的表面并预测，水越深，波越长则海啸越快。浪速对水深的这种依赖关系意味着由海底的隆起和沟壑引起的折射会改变浪的方向，特别是在其传播到浅水区时尤为如此，特别是浪的前部通常与海岸保持平行，这样它们在以高度集中的能量撞击突出的陆岬之前就能包围它。与此同时，随着水深变浅每一单个波浪必定减缓这样它们开始与其他波浪互相叠合，从而在称为浅水作用的过程中减少它们彼此间的距离。折射和浅水作用将相同的能量聚集于较小的水域中，从而产生出更高的波浪和更快的潮流。

在淹没和波浪爬高这一最后演化阶段，海啸可能像断波、水墙或潮样洪水那样运动，这也许是最难模拟的东西。此时，浪高如此之大，线性(波)理论就不能描述水和海岸线之间复杂的相互关系了。垂直爬高可达数十米，而通常情况下只要高至3米就可造成灾害了。如果没有海岸悬崖或其他陡峭地形的阻挡水平淹没能深入陆地几百米。两种淹没作用都会被俯冲带地震的典型地壳断层增强，这些断层提高了岸边洋底高度而降低了沿岸陆地高度。这种类型的断层在传播海浪时，朝海一面渡峰在前，朝陆地一面波谷在前(这就是海面下降有时先于海啸的原因)不仅近岸沉陷有利于海啸深入内陆，而且，根据俄罗斯国立下诺夫哥罗德大学Raissa Mazova和南加州大学Costas Svnolakis的最新研究，理论预测和实地调查都表明，如果领先波浪的波各先于波峰，则海岸海浪爬高和淹没就会更强烈。

海啸的威胁

只有在沿岸居民认识到海啸的威胁并作出适当反应的情况下，预测海啸可能袭击何处才有助于挽救生命和财产。自1895年以来，所有可靠报道的太平洋海啸有四分之一以上都起源于日本附近。这种情况并不令人惊奇，因为日本危险地位于四大构造板块的碰撞边缘附近。由于意识到海啸的威胁，日本多年来已在海啸减灾方面投入了巨资，包括综合教育与公众参与计划有效警报系统、海岸防护林、防渡堤以及其他海岸预防工程。

1993年7月12日夜晚，日本防御工程经受了一次严峻考验。日本海的一次7.8级地震引发的海啸袭击了奥尻小岛的各个角落。主震五分钟之后，日本气象署在广播电台和电视上发出巨大海啸就要来临的警报那时，10至20米高的海浪已袭击了离震源最近的海岸，夺去了许多没有逃脱者的生命：在该岛南部半岛的一个小渔村Aonae里，1600名镇上居民中的许多人在觉察到主震之后立即逃向高处几分钟后，5至10米高的海啸波浪就毁坏了数百家民用和商用房屋并将其卷入大海之中。200多人在这次灾难中丧生但迅速的反应挽救了更多人的性命。

过去的一个世纪里在日本发生的150次海啸中，约有15％是毁灭性或灾难性的。这一数字比那些没有或只有很少社区教育计划的地方的相应数字好多了例如过去100年中袭击印度尼西亚的34次海啸中，有一半多是毁灭性或灾难性的1992年弗洛雷斯岛海啸(夺去1千多人的生命)之后进行的访问表明大多数沿岸居民没有认识到地震是可能发生海啸的自然警报，并且没有逃向内陆地区。与此类似的是，巴布亚新几内亚居民悲剧性地没有获得警报，使得在去年灾难事件中丧生者的数字多于此种规模海啸的预料死亡数字。1907年发生的大地震显著地降低了现为Sissano Lagoon所在的区域，但是任何由此而引发的海啸规模太小，太久远了没有在社的记忆中留下什么印象。去年地震爆发的时候，有些人实际上涌向海岸去了解破坏情况，从而决定了他们的悲惨命运。

科学家已经从最近的海啸中了解到许多东西，但数世纪前的海啸波浪仍在产生有价值的知识Lander及其同事描述了18世纪早期在阿拉斯加和加勒比以及同一世纪后期在夏威夷和西海岸有首次书面记录时代以来影响美国的200次著名海啸。总的损失估计为5亿美元、470人死亡，主要发生在阿拉斯加和夏威夷。对这些州和西海岸的直接威胁是阿拉斯加阿留申俯冲带。该地区历史上产生海啸的两次灾难性地震促成建立了美国仅有的两个海啸预警中心。据估计，该区域某地在2008年以前发生7.4级或更高等级地震的概率为84％。

另一尚未有书面记录揭示的重大威胁悄然来到华盛顿州、俄勒冈和北加利福尼亚海岸——喀斯喀特俯冲带美国地质调查所Brian F Atwater鉴定出了他认为是被产生于喀斯喀特地震的海啸从华盛顿州海岸向内陆搬运的砂和砾石沉积。最近的事件支持了这种理论。尼加拉瓜海啸向内陆转移砂的数量最为显著，研究人员已在弗洛雷斯、奥尻、巴布亚新几内亚以及其他地方的淹没地区记录到了类似的沉积物。

至少喀斯喀特俯冲带的一部分可能正在逼近地震轮回的末期，最有可能发生地震和毁灭性海啸(参见本刊1996年4期Roy D Hyndman“西北太平洋大地震”一文)。据认为，地震发生的危险可与南加州相提并论——2045年前发生的概率为35％。最后，1992年开普门多西诺地震和海啸是一次明白的警告，喀斯喀特俯冲带可能爆发在数分钟山袭击海岸的本地海啸。

美国的准备工作

紧随开普门多西诺海啸之后，联邦紧急事务管理局(FEMA)和国家海洋与大气管理局(NOAA)立即资助北加利福尼亚的地震方案研究，以及制作该州欧雷卡和克雷森特市海啸淹没地图。因此形成的“全灾害”地阿是美国第一种同类型图，它给出了易受海啸淹没的地区，地震强度液化和山崩的界线。从而，研究人员就能确定一次喀斯喀特俯冲带大地震和海啸的可能影响，大约30万人在海岸地区附近生活或工作并且每年至少还有同样多的人在这些地区旅游。在一次大地震发生几分钟后，本地海啸波浪就可能袭击这些社区，只有很短的时间或根本没有时间来发布正式的警报。此外一次喀斯喀特海啸灾难会给该地造成12.5亿至62.5亿美元的损失，考虑到1993年的奥尻灾难，这还是保守的估计。

对喀斯喀特俯冲带威胁的揭示以及对过去10年海啸灾难的大力报道已促进了考察美国海啸灾害的系统工作，1997年国会拨款230万美元设立了国家海啸减灾计划，阿拉斯加、加利福尼亚、夏威夷、俄勒冈和华盛顿诸州与全国海洋和大气管理局，联邦紧急事务管理局以及美国地质调查所建立伙伴关系，以对付本地和远源海啸的威胁。这种伙伴关系强调三项相互关联的活动洋价对特定海岸区域的威胁，改进海啸及其潜在危险的早期监测，教育公众在海啸爆发时作出恰当的反应。

可利用海啸淹没地图(例如采用最先进计算模型为欧雷卡和克雷森特市设计的那种)对特定海岸地区的海啸威胁进行评价。这些地图为负责确定撤退路线的当地紧急事务计划官员提供了扳为重要的指导。这么多年来，只有夏威夷系统地开发了此类地图，迄今为止，俄勒冈的三个社区得到了地图，另外6份地图正在俄勒冈、华盛顿和加利福尼亚制作之中并已计划为阿拉斯加制作三份地图。

快速可靠地确认存在具有潜在危险性的海啸，对于负责发布警报的官员来说是极为重要的。海岸潮位计已进行了特别改进以测量海啸，地震网的重大改进很快将提供更为迅速和完整的地震性质报告。这些仪器是警报系统所必需的，但地震仪测定地震而不是海啸虽然潮位计能发现接近海岸的海啸，但它们不能测定传向远处海岸的海啸能量，因此自本世纪50年代以来，令人不满意的75％错误警报率就一直盛行于世。这类事件的代价是昂贵的，削弱了警报系统的可信度，并使疏散期间的民众处于危机四伏之中。一次错误警报促成了1986年5月7日檀香山大疏散，使夏威夷在薪金和企业收入损失方面付出了三千多万美元的代价。

因而国家海洋与大气管理局正开发具有6个能够跟踪并及时报告海啸深海报告站的网络，该项目是所谓“海啸深海洋价与报告(DART)”。科学家已经完成了原型系统的测试工作，该网络有望在两年内可靠运行，这类警报系统的基本原理非常简单，如果地震发生于阿拉斯加海岸外的海中，而你正躺在夏威夷海滩那么在你和震中之间就正需要一个DT系统，理由如下。

安装在太平洋地各地的地震仪几乎能立即正确指出阿拉斯加大地震的位置。在随后的瞬间复杂的计算机程序能够预测出由此引发的海啸需要多少时间到达夏威夷，即使还没有波浪存在的证据也是如此。几分钟后，分布于海岸的潮位计就能测定海啸。但是只有一种方式能够确认危险的波浪是否向遥远的海岸袭来，那就是将海啸检测仪放在海啸前进的道路上，在广阔的海洋上跟踪它。

从概念上说，这种实时报告网络是很好理解的；然而难以克服的技术和计算挑战至今阻碍着对它的实施。DART系统依赖于海底压力记录仪，过去l0年我和Hugh B Milburn、Alex Nakamura、Eddie N Bernard在太平洋海洋环境实验室改进完善了这种仪器。海啸浪峰通过的时候，海底记录仪就根据压其上之水的额外数量探测出压力的增加。就是在6000米深处，这种灵敏的仪器也能探测出不高于仅仅1厘米的海啸。船舶和风暴引起的波浪不会被它探测出来，因它们的波长短，并且就像潮流一样，其压力的变化不能传播到洋底。1986年，我们在北太平洋底安装了第一批记录仪，从此以后就利用它们来记录海啸。然而，只有取回这些仪器之后，才能获得它们记录的数据。

理想的情况是，当海底记录仪探测到海啸时，通过啁啾声将记录结果传送到海面的轿车大小的浮标上，浮标随后又通过卫星将信息转送给地面站。海面浮标系统、卫星转送技术和海底记录仪已在众多深海站上得到验证，包括沿赤道设置以跟踪厄尔尼诺现象的70个天气浮标阵列，厄尔尼诺海洋现象因其对世界气候的影响而臭名昭著。开发可靠的声波传送系统一直是最大的挑战过去3年间，曾部署了4种原型DART系统，一段时间发挥了作用，随后就失效了。对第二代系统的设计的改良已经改进了海底记录仪和浮标之间的通信。

今后两年内，我们实验室计划在从西阿留申到俄勒冈的北太平洋区域建立5个观测站，并在赤道上建立第6个观测站以监测发生于南美海岸外的海啸。更多的浮标将减少海啸波浪逃过它们探测的可能性，但现有的预算制约了国家海洋与大气管理局能够负担的浮标数。这样详细的计算机模拟就变得极其珍贵了。模拟同浮标测量相结合将提供更为精确的预测，以引导只有几分钟时间决定是否发布警报的官员。

如果人们反应不当，就连最可靠的警报都是没有意义的。因此社区教育也许是国家减灾规划三项任务的最重要环节，每个州都在确定能够在海啸灾难期间向社区紧急事务管理者提供信息和指导的协调员。州际合作对公共安全也极为关键，因为美国公民流动性极大，州与州之间的方法必须协调一致。标准海啸标志已在许多海岸地区设置。

海啸研究人员和紧急反应官员都认为，未来毁灭性的海啸是不可避免的，仅有技术是不能救人性命的。海岸居民必须能够识别可能发生悔啸的信号——如强烈的长时间地面晃动——并且懂得应当立即寻找高处。海岸社区还需要能够极早确定哪些区域可能受到冲击的淹没地图，以便他们能够找到疏散路线。美国正在进行的这项前摄性工作肯定能够为太平洋更广泛的区域改进海啸预报，所有这些努力对避免诸如在巴布亚新几内亚、尼加拉瓜以及其他地方发生的悲剧这一首要目标都是极为必要的。

【冉隆华/译；郭凯声/校】