海啸引发严重沙丘侵蚀的数值模拟研究：以2011年日本东北地方太平洋近海地震海啸对Hachinohe市Osuka海岸的影响为例

《Geomorphology》：Numerical investigation of severe dune erosion induced by a tsunami: A case study of the 2011 Tohoku-oki tsunami on Osuka coast, Hachinohe, Japan

本研究针对海啸侵蚀过程量化研究不足的问题，通过数值模拟方法，深入探究了2011年日本东北地方太平洋近海地震海啸在Osuka海岸诱发严重沙丘侵蚀的动态机制。研究发现，海啸回流（return flow）而非上溯流（run-up flow）是导致侵蚀的主要动力，局部超临界流（Fr>1）的形成加剧了侵蚀作用，且侵蚀位置受控于海啸前地形特征。该研究为理解古海啸沉积记录、预测未来海啸灾害风险提供了重要的理论依据。

　　

当巨大的海啸席卷海岸时，人们往往关注其带来的洪水淹没和沉积物堆积，但海啸对海岸地形的侵蚀作用同样不容忽视。与广泛研究的海啸沉积物相比，海啸侵蚀过程的研究相对薄弱，这限制了对海岸地貌演变和海啸灾害的全面认识。特别是在2011年日本东北地方太平洋近海地震（Tohoku-oki tsunami）这样的极端事件中，海啸在海岸带造成了显著的侵蚀地貌，例如沙丘上的侵蚀通道（erosional channels）。理解这些侵蚀地貌的形成机制，不仅有助于揭示现代海啸的作用过程，对于解读地质记录中的古海啸事件也至关重要。

为了深入探究海啸侵蚀的动态过程，日本东京大学的Haruki Imura和Kazuhisa Goto教授在《Geomorphology》杂志上发表了一项研究。他们以2011年海啸中受到严重侵蚀的日本Hachinohe市Osuka海岸为案例，开展了高精度的数值模拟，旨在重现海啸流场和沉积物输运过程，从而阐明海啸侵蚀地貌的形成机理。

研究方法概述

本研究采用了嵌套网格技术，将计算区域划分为六个不同分辨率的子域（D1-D6），最精细的网格分辨率达到5米。海啸模拟基于浅水波理论的TUNAMI-N2模型，海啸源模型采用Satake等人（2013）根据波形数据反演得到的模型，以准确重现海啸的生成和传播。沉积物输运模拟则结合了泥沙输运模型（Sediment Transport Model, STM），该模型考虑了推移质（bedload）和悬移质（suspended load）两种输运模式，并引入了坡度效应。关键参数，如沉积物粒径（设定为0.267 mm）、曼宁糙率系数（针对沙床设定为0.030 s m^-1/3）以及泥沙交换速率系数（α=4.0, β=4.4×10^-5）等，均基于前期实验研究和现场颗粒分析结果进行设定。研究利用了海啸前（2007年）和后（2011年）的高精度数字高程模型（DEM）对模拟结果进行了验证。

研究结果

4.1. 海啸与泥沙输运模拟的验证

模拟结果与Hachinohe潮位站的观测数据以及联合调查组测量的海啸爬高高度吻合良好（Aida (1978) 评价指标 K=1.07, κ=1.17）。模拟的淹没范围与卫星和航空影像观测结果（Sekimoto et al., 2013）高度一致。沉积物输运模拟的敏感性分析表明，曼宁系数n=0.030 s m^-1/3时，模拟的侵蚀体积（3.3 × 10⁴ m³）与基于地形变化观测估算的体积（3 × 10⁴ m³, Imura et al., 2024）最为接近。模拟的沉积物体积（4.7 × 10³ m³）和空间分布（沙丘后侧厚，向内陆变薄）也与实地测量结果（6.1 × 10³ m³）在量级和趋势上一致，证明了模型的可靠性。

4.2. 海啸淹没过程

模拟显示，海啸波浪多次袭击Osuka海岸，但前两个波浪是主要的。第一个大波浪在震后约60分钟到达，虽然越过了沙丘，但未能达到最大淹没界限，其带来的海水滞留在沙丘后方的低地形成水洼。第二个更大的波浪在震后约120分钟到达，完全淹没了沙丘后方的低地。随后的波浪未能再次越过沙丘。模拟成功再现了第二个波浪的上溯（run-up）和回流（return flow）过程。

4.3. 泥沙输运与地形变化过程

模拟结果清晰地再现了海啸引起的地形变化。分析表明，第一个波浪对侵蚀地貌的形成贡献甚微。显著的地形变化主要发生在第二个波浪期间。第二个波浪的上溯流阶段（至震后约118分钟）引起了相对均匀的、平行于海岸线的沙丘顶部侵蚀，侵蚀量约为0.7 × 10⁴ m³。而第二个波浪的回流阶段（约118分钟至129分钟）则导致了局部的、垂直于海岸线的强烈侵蚀，形成了更深的侵蚀通道，侵蚀量达到2.7 × 10⁴ m³，是上溯流阶段的数倍。地形剖面（图8）显示，模拟的侵蚀位置和形态与震后观测数据高度吻合。

5. 讨论

5.1. 严重侵蚀地貌形成于回流过程

时间序列分析（图9）表明，在第二个波浪的上溯流阶段，点P（侵蚀通道位置）的高程下降有限（约50厘米）。而显著的高程下降（超过2米）发生在回流阶段。侵蚀量的对比进一步证实，Osuka海岸的沙丘和海滩侵蚀主要由第二个波浪的回流主导。这与Imura等人（2024）关于该区域侵蚀量远大于沉积量的发现一致，因为回流更有效地将泥沙向海输送。

5.2. 侵蚀过程中的海啸行为

上溯流引起的侵蚀表现为广泛的、片状的溢流侵蚀（sheet-flow）。而回流侵蚀则更为集中和强烈。模拟揭示了一个关键的物理过程：在回流过程中，形成了“侵蚀前锋”（erosion front）。这个前锋的特点是水流浅、流速快，弗劳德数（Froude number, Fr）超过1，即形成超临界流（supercritical flow）。超临界流从沙丘顶部向下冲刷时，产生的剪切力巨大，侵蚀能力极强（图10）。这种侵蚀前锋在回流过程中会反复形成并向海推进，导致阶梯状的高程下降（图9a）。虽然上溯流阶段也出现了短暂的超临界流，但其持续时间短且流向更高处，流速相对较慢，因此侵蚀作用远不如回流。

5.3. 侵蚀地貌在特定位置形成的原因

模拟成功再现了侵蚀通道在海啸前地形较低的位置出现（图11）。这表明侵蚀位置主要由海啸前的地形决定。在回流初期，水流在较宽的范围内越过沙丘。随着水位下降，回流逐渐汇集到沙丘上原本地势较低洼的区域。水流的汇集导致流速加快，形成超临界流，从而引发强烈且持续的侵蚀，使得侵蚀地貌在特定位置自我增强式地发展。这种侵蚀模式对应于Konno (1961) 描述的“线状流”（linear-flow）。与Sendai平原等宽阔低洼地区的海啸侵蚀不同，Osuka海岸相对陡峭的坡度促进了水流的快速汇集和返回，从而更容易形成高弗劳德数驱动的线状流侵蚀。Imura等人（2024）指出侵蚀位置与流向海岸的小河流位置相近，地下水流可能通过影响沙丘沉积物的固结程度和沙丘高度，间接预置了这些易于汇流的低洼地带。

结论与意义

本研究通过高精度数值模拟，成功再现了2011年东北地方太平洋近海地震海啸在Osuka海岸形成侵蚀地貌的时空过程。研究得出以下核心结论：

1. 1.
   海啸侵蚀主要由回流而非上溯流驱动。
2. 2.
   回流过程中产生的局部超临界流是导致严重侵蚀的关键流体力学机制。
3. 3.
   海啸前的地形特征，特别是微地貌的低洼处，决定了侵蚀发生的位置，回流在此汇集并加剧侵蚀。

这项研究标志着在量化理解海啸侵蚀过程方面取得了重要进展。它不仅深化了对现代海啸灾害机制的认识，其研究方法也为解译地质记录中古海啸事件留下的侵蚀痕迹（如冲刷塘、沙基座等）提供了新的视角和工具。此外，研究指出的侵蚀位置对前期地形的依赖性，为海岸带灾害风险评估和防护工程的针对性布局提供了科学依据，具有重要的实践意义。对海啸侵蚀过程的深入理解，与海啸沉积学研究相辅相成，共同构成了完整的海啸沉积学（tsunami sedimentology）研究框架。