三维海底火山海啸数值与物理模型对比研究：TSUNAMI3D模型的验证与应用

本研究针对海底火山喷发引发海啸的复杂动力学问题，利用新型气动火山海啸发生器（VTG）开展实验室实验，并采用TSUNAMI3D三维Navier-Stokes求解器进行数值模拟验证。结果表明模型能准确捕捉低频色散和瞬态非线性特征（相关系数＞84%），为火山海啸灾害评估提供了可靠的数值预测工具。

　　

近年来，海底火山喷发引发的海啸事件频发，如2022年汤加海底火山喷发和2018年印尼喀拉喀托火山崩塌事件，这些灾害事件造成重大人员伤亡和财产损失。与地震海啸相比，火山海啸具有波长较短、色散性强和局部影响显著等特点，其生成机制更为复杂，包括海底爆炸、破火山口塌陷、侧翼崩塌等多种形式。然而，由于火山海啸源区的快速垂向体积扩张和润湿面积变化等特性，传统基于固定几何形态的底床抬升模型难以准确模拟其生成过程，这给灾害预测和防范带来了巨大挑战。

为应对这一难题，研究人员在俄勒冈州立大学Hinsdale波浪研究实验室开发了新型气动火山海啸发生器（Volcanic Tsunami Generator, VTG）。该装置通过八个同步气动活塞驱动直径1.2米的伸缩圆柱，在1秒内可实现最大0.3米的垂向位移，能够有效模拟海底火山的快速抬升过程。本研究选取八个代表性VTG实验案例（水深0.9-1.2米，活塞压力40-145 psi），通过四个波高仪记录自由水面高程数据，为数值模型验证提供高质量实验数据。

在《Applied Ocean Research》发表的这项研究中，研究人员采用TSUNAMI3D三维数值模型进行模拟计算。该模型基于不可压缩Navier-Stokes方程，在交错笛卡尔网格上采用分数步压力投影算法，通过体积分数法（Volume-of-Fluid, VOF）捕捉自由水面运动，并采用FAVOR技术处理复杂地形和障碍物。计算域覆盖44.2米×26.5米的水池，网格分辨率达到水平5厘米、垂向1.25厘米，总计约4400万个网格单元。模型通过动态FAVOR边界条件精确复现实验测量的活塞运动历程，每个16秒的模拟耗时约24小时（使用64线程并行计算）。

材料与方法

研究采用实验与数值模拟相结合的方法。实验室方面，使用VTG装置在严格控制的水深（0.9-1.2米）和压力条件（40-145 psi）下生成海啸波，通过四个电阻式波高仪（WG₄、WG₈、WG₁₆和WG₂₀）记录波形数据，测点布置覆盖近场（1.91米）至远场（19.44米）区域。数值模拟方面，采用TSUNAMI3D求解三维Navier-Stokes方程，通过VOF方法追踪自由水面，使用FAVOR技术处理VTG活塞的动态运动。分析手段包括时域对比（平均绝对误差和相关系数）、频域谱分析和基于小波的相似性分析，全面评估模型性能。

结果与讨论

研究表明TSUNAMI3D能够较好地复现实验观测到的海波特征。在穿透工况（Cases 1-4，水深90厘米）中，模型在远场测点（WG₂₀）的相关系数达到93.56%，但在近场（WG₄）由于水面穿透产生的强非线性和多相流效应，模拟精度有所下降（相关系数87.10%）。在非穿透工况（Cases 5-8，水深120厘米）中，模型表现更为优异，各测点相关系数均超过84%，频域相关系数达91.5%以上。小波分析显示模型能准确捕捉主要低频成分（<1.5 Hz），但对高于2 Hz的瞬态高频成分模拟存在一定偏差。

值得注意的是，模型在近场区域对第二、三个波峰的预测存在系统性偏差，这主要归因于网格分辨率限制和多相流效应未充分模拟。VTG的"高粘度流体"近似表示虽然保证了数值稳定性，但抑制了小尺度涡旋结构和空气卷吸效应，影响了近场波形的精确复现。随着波浪传播，这些高频成分逐渐色散，模型在远场表现出更好的预测能力。

结论与展望

本研究通过系统的实验与数值模拟对比，证实了TSUNAMI3D在模拟火山海啸生成和传播方面的可靠性。模型在远场预测中表现出色（相关系数＞84%， semblance＞0.75），能够准确捕捉低频色散和非线性特征，为火山海啸灾害评估提供了有效的数值工具。研究成果对美国国家海啸灾害减轻计划（National Tsunami Hazard Mitigation Program）等机构完善淹没图和疏散图具有重要支撑作用，有助于提升社区防灾能力和保障生命财产安全。

未来研究将着重改进近场模拟精度，包括采用局部网格加密技术、引入真正的气-水两相流模型，以及扩展参数研究范围（弗劳德数、直径-水深比等）。这些改进将进一步提升模型对复杂火山海啸事件的预测能力，为海岸社区提供更精准的灾害预警和防范措施。