一种受生物启发的多自主水下航行器包围跟踪方法：自适应循环神经元与受生物启发的经验回放机制

《Ocean Engineering》：A bio-inspired multiple autonomous underwater vehicle encirclement tracking method: Adaptive recurrent neuron and bio-inspired experience replay mechanism

地震引发东地中海海啸，通过场调和数值模拟确定海底滑坡源参数（20×14 km，体积0.163 km3，初始振幅±1.0 m）。研究揭示了滑坡源方向对海啸波幅的影响，并证实滑坡是地震后唯一能解释观测数据的机制。该成果为优化地中海海啸预警系统提供依据，强调需纳入非典型滑坡源场景。

　　2023年2月6日，土耳其东南部发生了一次由里氏7.8级和7.5级地震组成的地震序列，造成了广泛的结构破坏和人员伤亡。这次地震不仅对当地产生了严重影响，还引发了一场令人意外的海啸，尽管其破裂发生在陆地，但海啸却出现在东地中海区域。本研究通过整合现场调查、海平面数据分析和数值模拟，探讨了这场海啸的来源机制，提出了海底滑坡可能是引发海啸的根源。我们估计了海啸源的位置、尺寸和方向，并发现海底滑坡的假设能够很好地解释观测到的海啸波浪数据。此外，我们的分析还表明，海啸对海底滑坡方向的敏感性较强，而初始幅度与最大海平面响应之间存在几乎线性的关系。这些发现对于改进现有的海啸预警系统具有重要意义，有助于更好地评估非地震源的海啸风险，提高灾害缓解能力，并为该地区的海底调查提供指导。

地震发生在土耳其哈兰省帕扎尔奇克（37.226°N 37.014°E）和埃尔比斯坦（38.011°N 37.196°E）地区，这两个震中距离较近，间隔仅8小时7分钟，这在历史上较为罕见。地震造成了严重的后果，影响了11个省份，导致超过5万人员死亡，经济损失估计达到1036亿美元。尽管该地区在仪器记录的时期内没有发生过大规模地震，但其历史上地震活动频繁，由于大量活跃断层的存在，该地区具有很高的地震风险。此次地震序列发生在三个主要板块——安纳托利亚、阿拉伯和非洲板块——交汇的三联结处，其中存在一个地震间隙，据估计已经积累至少500年的构造应力。

从板块构造角度来看，该地区受到这些板块活动的控制，主要表现为走滑断层的活动。东安纳托利亚断裂带（EAFZ）和死海断裂带（DSFZ）是该地区最大的两个活动断裂带，长度分别约为450至700公里，包含多个断层段，并且历史上多次发生破坏性地震。美国地质调查局（USGS）将帕扎尔奇克地震的震源位置定为37.226°N 37.014°E，位于EAFZ以南约30公里，而埃尔比斯坦地震的震源位于卡达克断层附近，距离EAFZ约50公里。这些地震发生在构造应力长期积累的地震间隙区域，凸显了该地区南部部分EAFZ的高地震潜力。

USGS的矩张量和震源机制解表明，帕扎尔奇克地震发生在近于垂直的走滑断层上，该断层为左走滑（沿着东北-西南走向），并且地震破裂涉及五个断层段（包括EAFZ的三个段落和DSFZ的两个段落）。观测到的断层破裂长度约为350公里，最大和平均地表位移分别为7.3米和3.0米。地震的震源深度较浅，USGS估计为10公里，AFAD则为8.6公里，这与该地区在5至20公里深度之间的显著地震活动一致。

另一个值得注意的问题是，帕扎尔奇克地震引发了东地中海地区的一场意外海啸。虽然海啸规模较小，但它向伊斯肯德伦湾、塞浦路斯和土耳其东南沿海传播，并在五个邻近的潮汐观测站被明显记录。土耳其地震与海啸预警中心（KOERI）作为北东南地中海海啸预警系统（NEAMTWS）的国家服务提供者，于地震后15分钟发布了第一次海啸警报，这一警报在需要时对疏散具有重要意义。随后在大约94分钟和179分钟后，又发布了两次后续警报，包括阿鲁兹（伊斯肯德伦）、埃尔德米尔（梅尔辛）和加齐马加萨（法马古斯塔）的观测海平面数据。最终的警报信息在大约9小时后发布，基于可用的潮汐观测数据。这次海啸事件被视为对早期预警系统、决策矩阵和海啸警报信息的评估和验证机会，例如探讨决策矩阵的潜在改进或结合其他方法，如数值模拟或概率海啸预测。

地中海地区历史上经历过各种强度的海啸，这些海啸由不同的源机制引起。历史记录和海啸目录显示，在过去的3500年中，东地中海，包括爱琴海，至少有90次海啸事件。更具体地说，Yolsal等人（2007）记录了从公元前1365年到公元1900年在利万特盆地发生的24次海啸事件，其中包括一些局部强烈的海啸事件，其生成机制尚不明确，可能与陆上地震有关。他们指出，大多数与地震活动相关的海啸没有远距离传播，这可能归因于显著的海浪衰减，这是滑坡引发海啸的典型特征。Altinok等人（2011）也确定了至少五次与滑坡相关的历史海啸事件，例如115年12月、859年12月、1114年11月、1404年2月和1408年12月的海啸事件。这些发现强调了考虑非典型海啸源（如滑坡）的重要性，这些源可能对地区构成重大威胁。

2023年2月6日的东地中海海啸是一个近期的非典型事件，其源机制仍不明确。USGS的有限断层解表明，断层破裂并未延伸至海中，地震震中距离最近的海岸线超过90公里。虽然一些震后地震发生在EAFZ的西南端附近，但它们不太可能产生可观测的海啸波浪。Heidarzadeh等人（2023）和Hu等人（2023）的研究得出结论，Mw 7.8帕扎尔奇克地震本身无法解释观测到的海啸波浪，因此提出了滑坡可能作为海啸的来源。尽管两者的结论在滑坡源的位置和大小上存在分歧，但他们的研究都采用了基于潮汐观测数据的海啸射线追踪方法来探索这一可能性，并提出了滑坡源的假设。然而，由于受限的潮汐观测记录，这些分析中存在固有的不确定性。结果还受到模型参数的影响，如所采用的水深和网格分辨率。

本研究通过分析五个潮汐观测站的数据，包括之前研究中未涉及的加齐马加萨（法马古斯塔）和吉尔内（基里尼亚）两个新的观测站，探讨了这场东地中海海啸的潜在海底滑坡源。为了识别源区，我们首先提出了一种新的、简单而高效的算法，利用解析解来估算海啸传播速度。同时，我们还应用了反向海啸传播建模，这是一种比海啸射线追踪更精细的技术，通过将点源置于潮汐观测站的位置进行模拟。随后，我们通过正向海啸建模，根据模拟结果与观测数据的比较，进一步精确定位滑坡源。此外，我们还展示了在伊斯肯德伦湾海岸线进行的现场调查结果，包括目击者对异常水运动的描述以及对沿海结构的总体影响。通过结合扩展的潮汐观测记录、多种源识别方法和现场观察，我们旨在对滑坡源的大小和位置做出更精确的约束。同时，我们还记录了对海洋基础设施的影响，强调了关键教训。我们的研究结果提供了三个关键领域的深刻见解：i）不仅由于地震，该地区的海啸风险潜力；ii）在地震后规划海底调查的指导；iii）对海啸早期预警系统的改进，特别是识别和整合非典型海啸源。这些结果突显了在东地中海进行海啸风险评估和缓解的综合方法的重要性。

在进行现场调查时，我们沿着伊斯肯德伦湾的海岸线进行了两次调查。第一次调查是在地震后五天，即2023年2月11日至12日，旨在收集易逝数据。第二次调查则更为全面，重点记录了海洋基础设施的损坏情况。在这两次调查中，我们评估了沿海结构的总体损坏情况，并在七个不同的地点收集了详细的渔业港口数据。此外，我们还与当地渔民进行了访谈，以记录地震后异常水运动的目击描述。调查地点和相关细节的总结见表1。值得注意的是，第二次现场调查是在美国土木工程师协会（ASCE）的侦察团队合作下进行的，该团队主要从海洋结构和地质工程的角度关注港口和码头的损害情况，其观察结果总结在Jaradat等人（2024）的研究中。

渔业港口似乎具有相似的建造特征，主要包括通过防波堤保护的陆地填海区。这些设施通常包括重力块墙、限制填充和混凝土板，以及由防护层支撑的重力块或石砌冠墙。在这些结构上观察到的典型破坏模式包括混凝土板的裂缝导致板分离、重力块墙和/或冠墙的损坏和旋转，以及填充材料的沉降和防波堤防护层的横向移动。图2展示了在不同地点（Dortyol、Iskenderun、Konacik和Samandag-Cevlik）记录的此类破坏的例子。

在伊斯肯德伦渔业港口的陆上区域和阿塔图尔克大道沿1.5公里的海岸线，由于地震引起的液化现象，发生了显著的地质现象（图3a和b）。这些现象包括近岸沉降、横向扩展和土壤喷出，这些现象在Cetin等人（2024）的详细记录中有所描述。在近岸沉降之后，于2023年2月7日中午左右，观察到显著的水淹没现象，覆盖了一个约1.5公里×0.2公里的区域，向东延伸至港口。这一事件引起了公众和媒体的广泛关注，最初有人猜测可能是海啸。然而，我们的现场调查和与当地居民的交流表明，这种淹没现象最可能是由多种因素共同作用的结果，包括海岸区域的沉降、港口东侧海水向陆地的移动、高潮、与风暴潮有关的海浪波动，以及高降雨量和排水系统不足导致的积水。Medvedeva等人（2023）报告了在阿鲁兹（距伊斯肯德伦约40公里西南）观测到的约20厘米的水位波动，归因于风暴潮期间的次波（infragravity waves）。

在伊斯肯德伦渔业港口和伊斯肯德伦渡轮码头的防波堤和泊位处，也观察到了广泛的沉降现象。这些沉降导致部分防波堤下沉，估计沉降量为1.5至2米，如图4所示。这些损坏需要大量的修复工作以恢复防波堤的功能，其中大部分在2023年2月11日之前完成。地震后，该地区急需人道主义援助和住宿，以安置灾民和救援人员。一家土耳其公司部署了两艘原本用于预期马尔马拉海啸的救生艇，这些救生艇停泊在伊斯肯德伦渔业港口，可容纳多达3000人。为了确保这些救生艇的安全停泊，政府机构在地震后29天内迅速进行了港口区域的疏浚作业，移除了约46000立方米的材料。截至2025年2月，这些救生艇仍在该地区使用，现在作为灾民的登船学校。这一例子突显了救生艇在灾害后作为临时住宿解决方案的潜力。

团队还从七个调查地点收集了海啸特征数据，主要集中在渔业港口。我们专注于识别海啸淹没的证据，如沉积物或水位标记。我们还与当地渔民进行了访谈，以记录地震后异常水运动的任何观察结果。在调查地点中，只有Samandag-Cevlik确认了海啸淹没，沿港口南侧的2公里海岸线延伸，最高淹没距离为65米，由水葫芦沉积物的范围和海岸警卫人员的观察确认。在该地点，海啸涌浪高度达到0.55米。

Karatas渔业港口是其中一个观察到明显水波动的地点。渔民报告称，在地震后大约10至15分钟内，港口内部出现了强烈的水波动和漩涡般的水流，导致一艘24吨渔船的两条系缆断裂。一位渔民在地震期间在自己的船只上，注意到海水突然撤退了约1米，导致他的船只几乎搁浅。此外，渔民还观察到港口入口和内部出现了显著的水位升高，需要进行局部疏浚以恢复足够的水深。

在Yumurtalik渔业港口，渔民报告称在地震后约30分钟内，港口内部的水位升高了约1.1米，达到了码头的海拔高度。他们还观察到几艘船只搁浅，这些船只原本停泊在约1.3米的深度，表明了大部分的海水撤退。强烈的水流和漩涡般的运动使多艘船只被拖离泊位，其中一艘名为Oxygen的船只被移动了约100至150米，撞上了防波堤的碎石，造成了损坏并最终沉没。

位于伊斯肯德伦湾更深处的Dortyol、Iskenderun和Konacik渔业港口，没有观察到显著的水位变化或明显的水流。我们的现场观察表明，这些港口主要经历了中等程度的震动和结构损坏，而不是明显的水运动。相比之下，位于海湾西侧的地点，这些地点更暴露于地中海，并且位于海湾之外，经历了显著的水波动和水流，影响了海洋船只，并在Samandag-Cevlik发生了淹没。

为了确定海啸的源区，我们采用了一种简单而有效的算法，该算法基于海啸传播速度的解析解，对海啸的传播时间进行估算。我们首先确定了第一波海啸到达五个潮汐观测站的时间（见表2），然后将计算域中的每个网格点视为可能的滑坡源位置。从每个网格点到潮汐观测站的直线被绘制出来，假设海啸波大致沿这些直线传播。因此，这些直线的长度对应于海啸波传播的距离。这些直线被分为长度为20倍网格大小的小段，每小段的平均水深通过线性插值海水深度数据进行估算。在本计算中，我们使用了简单的相速度（c）关系，即c2 = gd_mean，其中g是重力加速度。虽然这种方法忽略了波分散、地球弹性、水压缩性和密度分层等影响，但这些影响在典型海啸中总体仅占1%左右，因此可以忽略。

为了更精确地估算滑坡源的位置，我们采用了一种简单且广泛使用的反向海啸射线追踪方法，该方法最初由Satake（1988）提出，并被应用于多次海啸事件，包括2023年2月6日的东地中海海啸（Heidarzadeh等人，2023；Hu等人，2023）。基于这一概念，我们在这项研究中采用反向海啸建模，将每个潮汐观测站视为假设的点源。然后，我们使用二维非线性浅水模型对每个点源进行数值模拟，将波浪驱动回实际源区。我们的方法与他们的方法不同，我们对每个点源进行模拟，并根据这些模拟计算出的海啸传播时间等高线来确定源区。

在每个潮汐观测站的点源数值模拟中，我们应用了100米的单一均匀网格。海水深度数据来自EMODnet数字水深（EMODnet，2018），该数据集在欧洲海域的分辨率约为115米。我们通过土耳其海军力量（ONHO）在伊斯肯德伦湾内的某些地点获取了本地高分辨率（约50米）的水深测量数据，这在海湾内较为浅的深度下尤为重要。我们还将水深数据与ASTER GDEM 003（METI/NASA，2019）的30米分辨率地形数据结合使用。

图9展示了我们通过两种步骤方法确定的滑坡源位置，其中所有五个潮汐观测站的海啸传播时间等高线汇聚。我们的结果表明，滑坡源可能位于伊斯肯德伦湾西入口的一个直径约为30公里的区域，大约在阿鲁兹以西50公里和卡拉塔斯以南20公里处。然而，我们应注意到，这种分析仍可能受到水深和网格分辨率以及观测站点源简化的不确定性影响。此外，可用的潮汐观测记录数量也是精确定位估算的重要因素。

为了发展滑坡情景，我们考虑了具有对称双极高斯形初始水位扰动的多种滑坡源情景。这些参数包括扰动极的长度（主轴）和宽度（次轴）、最大初始正负幅值以及源区的方向，即主轴与北方向顺时针测量的角度。最初，我们基于估计的源区尺寸定义了九种主要情景，但通过尝试和错误的过程，我们调整了源区在初始估计区域内的位置，变化了初始幅值，并修改了方向，以实现与观测数据的最佳一致。总共模拟了39种不同情景，所有考虑的情景详情见附录A。

图10展示了所考虑的滑坡情景的初始海面扰动，其中源区位于初始确定的源区（图9）内。该区域的水深特征表明，其相对陡峭的坡度与潜在的海底滑坡区特征一致。因此，在定位滑坡源时，我们旨在将其放置在该陡坡区域，以确保物理上的合理性。这种滑坡引发海啸的建模方法在之前的研究中被广泛使用，包括Okal等人（2009）、Okal和Synolakis（2004、2003）以及Synolakis等人（2002a、2002b）的研究。

所考虑的替代源情景的初始海面扰动长度从11.0公里到20公里不等，宽度则从4.8公里到16公里不等（表3，图10）。初始幅值范围从1米到2米，我们通过设置不同的幅值组合来评估海平面响应对初始幅值变化的敏感性。此外，我们还至少检查了每个滑坡源的三种不同方向，以评估方向对计算海面高度的影响。所估计的情景体积从0.063公里3到0.271公里3不等，如表3所示。

我们使用NAMI DANCE SUITE对滑坡情景进行了数值模拟，该模型是用于解决非线性浅水方程的水动力建模套件，包括科里奥利力和底部摩擦项。它最初是为海啸的生成、传播和淹没而开发的，并已被广泛应用于许多事件和基准问题（Dogan等人，2021a、2021b、2023；Lynett等人，2017）。对于情景模拟，我们使用了一个单一的计算网格，具有均匀的100米分辨率，覆盖了图9中所示的区域。计算域被选择为包括记录海啸事件的所有附近潮汐观测站，范围从32.182077°E到36.258207°E，以及从34.419184°N到37.046690°N。我们对每个模拟进行了4小时的总持续时间，时间步长为0.2秒，以满足Courant–Friedrichs–Lewy（CFL）条件。

NAMI DANCE最初是基于浅水理论为解决海啸而开发的，目前已升级为NAMI DANCE SUITE，使用图形处理单元（GPU）进行高速处理（Yalciner和Zaytsev，2017），还能够解决由于大气扰动（如气象海啸和风暴潮）以及由气旋引起的波浪等长波的传播。NAMI DANCE已被多个基准问题验证，并应用于许多海啸事件和建模研究（Dogan等人，2023；IAEA-TECDOC，2022；Dogan等人，2021a；Velioglu Sogut和Yalciner，2019；Lynett等人，2017）。

模型基于非线性浅水方程，涵盖了海面和底部应力、科里奥利力，并使用海面扰动作为输入，模拟长波的传播、海岸放大和淹没。NAMI DANCE SUITE的控制方程在方程（1a）、（2）、（3）中给出。这些方程通过单个或嵌套域中的矩形结构网格使用一种交错蛙跳数值求解过程进行求解。模型中的边界条件在模型手册中有详细记录（Imamura等人，2006）。

我们展示了对2023年2月6日东地中海海啸的滑坡情景（表3）的建模结果。我们采用了一种迭代的尝试和错误方法，以确定最佳拟合情景，将模拟结果与五个潮汐观测站的海平面观测数据以及我们在Samandag-Cevlik、Karatas和Yumurtalik渔业港口的现场调查结果进行比较。我们的分析表明，SCN9-2情景在所有观测站上都提供了最佳拟合，显示出与观测数据的强一致性，如图11所示。值得注意的是，模型在Gazimagusa（Famagusta）处低估了最大幅值，尽管在所有观测站上，模拟结果与观测数据之间的总体一致性仍然令人满意。该情景还在Karatas渔业港口产生了1.0米的最大海平面，与这些调查地点报告的海平面波动相符。然而，在Yumurtalik渔业港口，模型结果显示最大海平面为0.4米，似乎低估了观测结果。模型结果与测量或观测数据之间的差异可能归因于模型在港口和渔业区域内的局部效应的捕捉能力有限。例如，所使用的水深和地形数据可能缺乏如防波堤等详细结构，这些数据在该研究中不可用。此外，目击者描述的不确定性也可能导致不一致。

值得注意的是，模型参数主要通过尝试和错误确定，因此我们不声称所呈现的滑坡情景准确代表实际的滑坡参数。相反，我们的方法旨在展示，通过使用海底滑坡，可以有效地模拟海啸的生成，并以合理的准确性再现观测到的海啸波浪，这与之前成功模拟的多个事件类似，包括1956年爱琴海的Amorgos事件（Okal等人，2009）、1994年阿拉斯加的Skagway事件（Synolakis等人，2002a）、1998年巴布亚新几内亚的Aitape事件（Synolakis等人，2002b）以及1999年伊兹密尔湾的土耳其事件（Tinti等人，2006；Yalciner等人，2000）。

本研究的结论表明，我们对2023年2月6日东地中海海啸的源进行了全面调查。尽管其震级相对较小，但这一事件提醒我们，该地区存在非地震海啸的潜在风险。我们的分析表明，海底滑坡可能是导致五个可用潮汐观测站记录的海啸波浪的根源。这一假设得到了陆上断层破裂和先前建模工作的支持，这些工作未能解释观测到的海啸幅值。

在伊斯肯德伦湾海岸线的现场调查中，我们观察到了显著的海平面波动和强烈的水流，特别是在海湾的西侧，对海洋船只产生了影响，其中在Samandag-Cevlik、Karatas和Yumurtalik渔业港口的淹没量达到约65米，而Samandag-Cevlik的海啸涌浪高度为0.55米。

为了确定滑坡源的位置，我们提出了一种简单而有效的方法，首先进行广泛估算，然后通过潮汐观测站的点源模拟进行反向海啸传播建模。我们还通过小波和谱分析对五个潮汐观测记录进行了海平面分析，以确定到达时间、最大记录海平面和主导海啸周期。我们的结果表明，潜在的海底滑坡区直径约为30公里，位于伊斯肯德伦湾的西入口，距阿鲁兹以西约50公里，距卡拉塔斯以南约20公里。

我们确定了三个主导海啸周期区间：5.5–20.3分钟、7.4–9.8分钟和20.3–24.4分钟。这些对应于源区的典型长度分别为11.5公里、7.7公里和20公里。基于这些信息，我们开发了一组海底滑坡情景，考虑了高斯形双极水位扰动函数，通过改变源区的尺寸、初始最大幅值和方向来发展这些情景。

我们的数值模拟结果表明，最佳拟合情景SCN9-2具有20公里×14公里的尺寸，最大初始幅值为±1.0米，该情景的估计体积为0.163公里3。我们展示了使用这种海底滑坡能够成功再现观测到的海啸幅值和现场调查的海啸数据，尽管这些参数并不代表实际的滑坡参数。SCN9-2情景的模拟结果与所有潮汐观测站的观测数据之间表现出强烈的关联。此外，该情景成功再现了与调查地点观测一致的海平面变化。模型输出与测量或观测数据之间的微小差异可能是由于模型在港口和渔业区域内的局部效应捕捉能力有限。

我们还展示了，除了源区尺寸外，计算的海平面高度对源区方向的敏感性较高。初始幅值的影响似乎接近线性，其中初始幅值的加倍导致海平面响应的相应增加。我们的提出的滑坡源与潮汐观测记录和现场调查结果相吻合，其中我们看到滑坡源的影响随着距离的增加而减弱，这在距离滑坡区较远的潮汐观测站和现场调查点上有所体现。相反，计算的海啸幅值在Samandag-Cevlik、Yumurtalik和Karatas渔业港口，以及Erdemli和Arsuz潮汐观测站上相对较高。这证实了海底滑坡引发的海啸的一个关键特征，即局部影响更为显著，能量在传播过程中迅速衰减。

本研究的发现对于东地中海的海啸早期预警具有实际意义。目前该地区的预警系统主要针对地震引发的海啸进行检测和建模。通过展示一次相对较小但影响显著的海啸可能是由内陆地震触发的海底滑坡引起的，我们的研究结果突显了将非典型海啸源纳入决策框架的必要性。这可以通过扩展源情景数据库，包含合理的海底滑坡事件，并通过将实时海平面观测与快速数值建模技术（如本研究中提出的首步方法）结合，以在几分钟内检测和表征非地震源。