基于监督学习的概率海啸风险评估方法，考虑非平稳海平面上升和多源破裂情况：以巴厘岛登巴萨市为例

本研究针对印尼巴厘岛德帕萨地区，构建了基于监督学习的概率潮汐风险评估框架，整合了断层破裂源、海平面上升及地震震级的不确定性分析。通过Gaussian Process Regression（GPR）代理模型加速潮汐传播模拟，结合蒙特卡洛仿真量化了不同时间跨度的经济损失风险。结果表明，海平面上升显著加剧了低海拔沿海区域的损失，尤其在能量较低的断层破裂场景中，SLR使百年一遇经济损失增加达19%（如场景D）。该方法为高分辨率、多源断层破裂的潮汐风险评估提供了高效解决方案。

　　
本研究聚焦于印度尼西亚巴厘岛德帕萨市（Denpasar）的潮汐风险评估，旨在通过整合地震源不确定性、海平面上升影响及结构脆弱性分析，构建首个结合气候变化的概率潮汐风险评估框架。该研究突破传统方法在处理多源断层破裂场景和非 stationary海平面上升效应时的局限性，采用高斯过程回归（GPR）作为代理模型，显著提升计算效率，同时通过蒙特卡洛模拟量化风险的不确定性。

### 一、研究背景与核心问题
印度尼西亚作为全球最活跃的潮汐灾害区域之一，近25年已发生6次重大潮汐事件（1998-2023年），造成数千人伤亡和数百亿美元经济损失。传统潮汐风险评估多依赖确定性模型，存在以下缺陷：
1. **海平面上升的非 stationary效应**：气候变化导致未来海平面持续上升，传统静态模型难以准确预测淹没深度变化
2. **断层破裂源的复杂性**：巴厘岛周边存在 Java-Megathrust（主断层带）和Flores Back-Arc Thrust（次级断层带）等多源破裂场景，需建立综合评估体系
3. **结构脆弱性数据缺失**：此前研究多依赖分类指标（如建筑材质），缺乏基于物理参数的损伤概率模型

### 二、方法论创新
研究提出三级递进式评估框架：
1. **多源地震风险建模**：
- 整合USGS历史地震目录（1928-2025年），构建包含4个主要破裂源的"事件树"模型
- 通过Guttenberg-Richter定律建立地震发生频率与震级分布关系，特别针对 Java-Megathrust区域（最长断层带约1000km）设置震级上限8.7（基于地质构造分析）
- 采用逻辑树方法分配各断层破裂概率权重（Java-Megathrust权重23.7% vs Flores Back-Arc 20.2%）

2. **海平面上升动态评估**：
- 引入CMIP5气候模型（19种情景）与冰川-冰盖融化模型（11组数据），建立包含区域海平面、冰川消融、冰盖融化的三维概率分布
- 通过蒙特卡洛模拟实现百年尺度（至2100年）海平面上升情景（0-1.2m等距变化）的联合概率分析

3. **潮汐传播-淹没深度智能预测**：
- 开发五级嵌套网格模型（分辨率11km→29m），整合GEBCO bathymetry（15"分辨率）与DEMNAS地形数据（8.3m）
- 采用Delft3D水动力模型进行200余种组合场景的数值模拟（涵盖8.0-8.7级地震与0-1.2m海平面上升）
- 通过GPR回归模型建立震级（Mw6.0-8.7）与海平面上升（0-1.2m）对淹没深度的非线性关系映射

### 三、关键发现与风险特征
1. **空间风险异质性显著**：
- 研究区域呈现"双峰"风险格局：近岸区域（距海岸50m）受海平面上升影响系数达0.8，内陆区域（300m）仅0.3
- 典型案例：南德帕萨（Sanur）低洼地带在8.7级地震+1.2m海平面上升时，最大淹没深度达3.2m（较基准情景增加62%）
- 特殊地貌影响：Serangan岛因潮汐折射效应，其风险指数较理论值高37%

2. **海平面上升的放大效应**：
- 对低能量场景（如Flores Back-Arc断层7.5级地震）的淹没深度增幅达45%，对高能量场景（Java主断层8.7级）增幅仅12%
- 时间维度效应：百年尺度风险放大因子（SLR Factor）在50年周期时为1.08，至250年周期增至1.21
- 损失敏感性曲线显示：10年返期经济损失增幅为8%，但至1000年返期时增幅达48%

3. **结构脆弱性量化突破**：
- 引入建筑单元损失率（ULR）矩阵，建立"材性-层数-建造年代"三维脆弱性模型
- 发现传统分类法（如HAZUS建筑类型分类）在评估木结构建筑时存在18%的误差率，新模型通过结构参数细分使精度提升至92%
- 典型案例：8.7级地震下，钢筋混凝土结构（占比60%）损失率是木结构的3.2倍

### 四、应用价值与实施路径
1. **决策支持系统构建**：
- 开发包含4类断层源（Java主断层、Bali次级断层等）、3种海平面情景（基准/中/高）、6类建筑类型的风险矩阵数据库
- 建立动态更新机制，整合USGS实时地震监测数据与IPCC海平面上升预测模型

2. **风险管理策略优化**：
- 提出"分级响应阈值"：当预期损失>5%时启动社区预警，>15%时实施强制疏散
- 演化成本效益分析模型，发现每降低1%的百年返期损失，需投入约120亿美元（按当前币值）

3. **区域发展启示**：
- 确认南德帕萨（Sanur）和西塞兰加岛（Serangan）为高风险核心区（脆弱性指数>0.85）
- 提出基于"海平面上升临界值"（PSLV）的空间规划指标：
- PLSV<0.5m：维持现状防灾标准
- 0.5m≤PLSV<1.0m：实施建筑抬升工程（成本效益比1:4.3）
- PLSV≥1.0m：强制区域人口迁移（可行性研究需3-5年）

### 五、局限性与未来方向
1. **模型不确定性来源**：
- 断层破裂几何参数（长度/宽度）的统计分布存在20%-35%的置信区间偏差
- 海平面上升的物理过程模型（如Arctic放大效应）尚未完全验证

2. **扩展应用建议**：
- 开发移动端预警APP，集成Google Earth Engine实时数据
- 构建韧性指数（CDI）评估体系，纳入经济恢复力（ER）与生态服务能力（ES）
- 研究潮汐与风暴潮的耦合效应，特别是季风期（10-4月）的叠加风险

3. **数据基础建设需求**：
- 建立全国性建筑资产数据库（目标精度达95%）
- 开发高分辨率（5m）海平面上升影响模拟系统
- 构建包含12万+建筑单元的3D暴露模型（当前研究仅覆盖德帕萨市约3.6万建筑）

### 六、政策建议与实施路线图
1. **短期（1-3年）**：
- 在Java主断层带周边（德帕萨、登巴萨）部署60处自动潮汐监测站
- 建立省级建筑单元损失数据库（优先覆盖人口>5万的沿海城镇）

2. **中期（3-10年）**：
- 开发国家级潮汐风险评估平台（含动态海平面情景模块）
- 制定《海岸带韧性建设指南》，明确不同SLR情景下的建筑规范

3. **长期（10-30年）**：
- 构建太平洋环状断层带（PRMB）跨区域风险评估联盟
- 实施重点区域"海绵城市"改造工程（优先处理地下水位<5m区域）

本研究为东南亚地区潮汐灾害管理提供了可复制的方法论框架，其核心创新在于将机器学习技术与灾害地质学深度融合，建立"物理模型-数据驱动"的双轨评估体系。后续研究需重点关注多源地震耦合效应、城市地下管网系统的非线性响应以及社区韧性提升机制，这将是实现灾害风险管理的根本性突破。