2024年能登半岛地震近岸海啸传播机制与边缘波生成动力学研究

本综述深入探讨了2024年能登半岛地震引发的近岸海啸（Nearshore tsunami）传播特性，重点分析了由海岸断层（coastal faults）产生的地震隆起（seismic uplift）对海啸行为的影响。研究结合数值模拟与波能通量（wave energy flux）分析，揭示了边缘波（edge wave）的生成机制及其在复杂海底地形中的传播路径，为近场海啸灾害评估与沿海基础设施韧性设计提供了关键科学依据。

　　

2. 研究区域与方法

2.1 能登半岛地形特征

能登半岛位于日本本州岛中部，毗邻日本海，其东部与北部-西部海岸的地形及风浪特征存在显著差异。东部海岸面向富山湾，大陆架狭窄且坡度陡峭，水深较大；而北部-西部海岸则拥有宽阔的大陆架，坡度平缓，水深较浅，100米等深线距岸约10-15公里。2024年能登半岛地震期间，沿西北至北部海岸发生了约100公里长的断层变形，其中半岛西北部的Minazuki和Kaiso地区记录了最大4米的地面隆起。

海啸导致半岛沿岸约190公顷地区发生淹没灾害，灾情最严重的区域位于东部海岸的珠洲市和能登町。根据震后海啸淹没和爬高调查，东部海岸最大海啸高度为5.4米，北部和西部海岸为5米。北部-西部海岸冬季受西北方向的高波浪影响显著，因此平均防波堤高度（4.6米）高于东部海岸（2.6米），这对海啸的防护能力产生了重要影响。轮岛地区的潮差较小，约为0.4米。

2.2 海啸数值模拟

研究采用开源JAGURS数值模型（版本0600）模拟能登半岛附近日本海的海啸传播和淹没过程。模型基于笛卡尔坐标系中的非线性长波方程，采用包含五个分辨率级别的嵌套正交网格系统进行计算。海底地形数据来源于日本海洋数据中心的JODC500数据集、日本海事协会的M7000数字海图以及日本海上保安厅的海图。陆地高程数据基于日本国土地理院（GSI）提供的10米网格高程数据集。

曼宁粗糙度系数统一设置为0.025 s m^?1/3，与以往海啸模拟研究一致。采用国土地理院有限断层模型（2024年2月29日更新）作为海啸源，该模型包含三个矩形断层段（S1-S3），基于全球导航卫星系统（GNSS）观测和干涉合成孔径雷达（InSAR）分析数据构建。初始海啸水位采用Okada半无限均匀弹性体模型计算，并考虑了海底坡度水平位移对海啸激发的影响。模拟从地震发生（2024年1月1日16:10:22.5 JST）开始，持续4小时，计算时间间隔设为0.1秒以满足Courant-Friedrichs-Lewy条件。

2.3 观测数据

研究使用了多种观测和调查数据集验证海啸模拟的适用性并讨论源区海啸行为：(1)2024年能登半岛地震海啸研究组的震后调查海啸高度；(2)国土交通省北开开发部提供的轮岛港川田川河口附近的视频 footage；(3)根据视频估计的轮岛港水位变化；(4)轮岛港近海浪站（NOWPHAS）记录的水位变化；(5)志贺发电站记录的水位变化。考虑到地震引起的地面变形，对部分观测水位进行了校正。

2.4 波能通量计算

波能通量分析为了解海啸源产生的波传播提供了有效手段。波能通量（E_x, E_y）在笛卡尔坐标系中定义为E_x = ρhu(gζ + 1/2(u² + v²))和E_y = ρhv(gζ + 1/2(u² + v²))，其中u为x方向速度，v为y方向速度，ζ为水位，h为水深，g为重力加速度，ρ为海水密度。波能通量大小E定义为E = √(E_x² + E_y²)。为改善可视化效果，使用离散5分钟数据的最大能量而非数值模拟所有步长的最大能量，并采用对数尺度描绘波能通量大小。还定义了给定断面波能通量的时间积分I_Ex = ∫E_xdt和I_Ey = ∫E_ydt，分别对正负方向进行时间积分。

3. 能登半岛周围海啸传播

3.1 波能通量路径与强度

最大波能通量空间分布揭示了海啸传播路径和从海啸源区传输到周围海岸的波能量。波能从三个不同的源段（S1-S3）发射，由于大陆架海底地形对波折射和反射的主导影响，海啸以环绕半岛的方式传播。Hegurajima岛附近观察到显著的波能集中，该岛位于半岛以北约50公里处。

来自不同源段的波重叠形成复杂的传播路径。通过使用单个源段的数值海啸模拟比较各段的传播路径和能量大小发现：段S1产生的波能达到最大值约10³ kW/m，但大部分能量向西北方向释放到远海，对半岛西北部海岸的影响有限；段S2产生的波能最大约10^1.6 kW/m，比其他段小一个数量级，大部分能量也向北释放到远海；段S3产生的波能主要向北和向南传播，部分向南传播的波保持高能量并迅速到达半岛东部海岸，而向富山湾和七尾湾海岸传播的波能比波源低一个数量级以上。

3.2 半岛西海岸波形变换

通过比较模拟高度与震后调查观测海啸高度，验证了数值模拟对半岛西海岸的适用性。在天神崎和户室湾附近观测到海啸高度增加的区域，模拟与观测波高一致，在天神崎西海岸的赤崎附近为3-5米，南湾口附近的福浦港约为3米。户室湾北侧的小岬（猪鼻）附近估计超过4米的海啸，与该地区可能受海啸淹没的区域相符。

志贺发电站附近的水位波形分析用于研究最大波的到达时间和来源。观测最大水位约2米，到达时间约95分钟。使用所有三个波源段的分析准确捕捉了波高和到达时间。通过单独使用各波源（S1-S3）进行海啸模拟比较同一位置的水位波形表明，包括在t=80-130分钟记录的最大波在内的水位变化主要来自段S3产生的波。

4. 地震隆起海岸上的海啸行为

4.1 轮岛港附近海啸行为

使用高清域（D5-1和D5-2）进行数值模拟，估计隆起海岸（特别是北部和西北部海岸）的早期海啸行为和各源段对波形的影响。重点关注位于S2的轮岛港周围沿海地区，港口附近地面隆起，防波堤顶升高约1-1.5米。

通过分析轮岛港川田川河口附近视频图像捕捉的帧，研究波源区（段S2）早期海啸行为。考虑地震前1分钟的水位和约1-1.5米的地面隆起，定性评估各时间点水位。灯塔周围水位在地震后1-3分钟达到最大，在10-11分钟达到最小，4-9分钟为波退阶段，视频中观察到从河口向海流动。

模拟水位和流向显示港口周围水位和流动受海岸地形（包括岬角、浅水区和防波堤）影响呈现复杂的时空变化。地震后短时间内（t=1-2分钟），港口附近水位升高约1米，海岸线附近流动通量最小，而离岸1-2公里区域水位相对较低，向海流动通量超过2 m²/s。随后几分钟（t=3-5分钟），强向海流动扩展到海岸线，岸上水位下降。港内退潮阶段持续到约t=10-12分钟，然后转为涌浪波，导致港口水位在约16-18分钟出现第二个峰值。另一个退潮波发生在约20-22分钟，使港口水位降至低谷。轮岛港内交替的涌浪和退潮波与港口视频中观察到的海啸相位一致。

通过比较包含和不包含地面位移的相同源模型结果，评估地面位移对最大水位的影响。海岸线附近最大水位倾向于高于近海，港口周围被防波堤包围区域水位低于港口西侧岬角。岬角西海岸和港内水位因地面位移而下降，而北海岸水位上升。总体而言，轮岛港周围最大水位下降，地面隆起可能减轻了轮岛港海岸线附近的最大水位，这与该区域未观察到显著海啸淹没损害相符。

4.2 隆起Minazuki海滩的海啸行为

研究经历了显著地面抬升的袋状海滩上的波涌、退潮和海岸线迁移。模拟显示海滩抬升约3.5米，海岸线向海推进约160米，与现场观测的约4米抬升和最大200米海岸线推进一致。

通过展示截面水位、总水深（h+ζ）和向海速度的时空变化以及0.05米总水深处的海岸线位置时间变化，分析波浪行为。初始截面水位分布与截面地面位移一致，第一波使离岸2公里内水位最大升高约2-4米（t=0-2分钟）。第一波初始阶段，岸线1公里内发生弱向陆流动（速度>-1 m/s），但由于水位与地面同步升高，相对于地面的水位增加小于0.4米。随后强向海流动发展，水位开始下降，进入退潮阶段。

强向海流动（>2 m/s）发生在第一波退潮和第二波涌浪期间（t=3-8分钟），总水深很浅的区域。平均震前海岸线附近总水深减少，海岸线在t=6分钟向海移动约200米。第二波涌浪将海岸线推向陆侧，但未恢复到平均震前位置。随后的退潮使海岸线向海移动约300米。第三波后的最大水位约1米（t=8-9分钟）。这些发现与目击者描述一致，证实了初始海啸行为的定性再现。

5. 讨论

5.1 海岸断层产生的海啸传播

现场海啸高度调查确定半岛西海岸最高海啸（3-5米）发生在天神崎附近，大多数海啸淹没损害发生在志贺町。数值模拟表明，来自段S1和S3的波到达志贺町海岸，包括天神崎。来自段S1的首波在t=约20分钟到达志贺发电站，最大水位约0.5米，而来自段S3的最大波在t=约95分钟超过2米。因此，西海岸淹没损害的波可能来自东北断层（段S3）而非西北断层（段S1）。

半岛西海岸最大波估计从波源（段S3）向西北传播，绕过半岛东北海岸，经过Hegurajima岛，在西北海岸折射，到达志贺町海岸，传播路径约140-160公里。假设到达时间90-95分钟，平均波速估计90-100 km/h，根据长波理论，平均水深估计70-80米。

基于各断层段产生波的影响和两个断面（T5和T6）时间积分波能通量，建立了以下情景：来自段S1的波能主要在30分钟内向北释放，向南释放很少；而主要来自段S3的相当大向南能量通量在t=1-2小时通过T5，供应到天神崎以西的T6。由于波折射，T6向南波能通量近岸高于离岸，表明来自段S3的波能集中供应到天神崎和户室湾海岸线。

来自段S2的部分波能通过半岛北部至西部近海大陆架影响羽咋市和金泽市之间的沿海地区，而段S2北部海岸中部（轮岛）位于段S1和S3之间，仅接收有限波能。各源波传播路径的共同特征是波能倾向于传输到离源一定距离的海岸而非邻近海岸。2007年能登半岛地震小规模海啸也观察到类似传播行为，这些海啸展示了大陆架沿海区域海岸断层引发近岸海啸的特征之一。

5.2 西海岸边缘波生成

先前研究估计了半岛东侧饭田湾边缘波的产生，并表明由于日本海海啸比推力地震产生的周期更短，局部边缘波可能更为显著。本研究可视化了最大波入射（与海岸线斜交）以及随后从天神崎到户室湾反射后边缘波的产生。除波周期和方向外，估计西海岸地形也是增强边缘波产生的重要因素。

从天神崎向西延伸2-6公里离岸的舌状浅水区（水深<40米），入射外海波在此浅水区汇聚，而从海岸反射的波发散。部分发散反射波折射并沿岸传播，触发和增强边缘波。户室湾南岸反射波传播到湾北部和天神崎，然后绕天神崎西侧形成边缘波。

与边缘波相关的能量通量横向分布体现在t=1-2小时间向北通量的时间积分，天神崎以西T6处向北波能通量在约2公里离岸（水深约40米）达到最大，超过20%的最大能量通量在约6公里离岸（水深<>

5.3 隆起海岸海啸行为与痕迹

轮岛港（位于海啸源区）海啸行为视频和震前条件极为宝贵。地震动期间，港内水面沿防波堤呈现带状抬升和溅射，随后港内出现相当大的垂直水位波动。当前模型难以再现强地震动期间（约40秒）时空复杂地面运动引起的初始海啸行为，但可以再现地面运动发生后的水位波形。轮岛港和近海观察到的独特波形特征被Okada表面变形模型与国土地理院断层模型和海深数据捕捉，表明模型适当考虑了海啸源区地面位移的空间变化。

在经历了显著地面抬升的半岛西北部Minazuki海滩，最大近岸水位由地震动后立即产生的第一波产生，由于水位增加相对于抬升地面水平较小，海堤后方未发生淹没。第二波后，平均海岸线位置因地面抬升向海移动约160米，波高小于地面位移（4米）。后续波最大水位约1.5米，波浪爬升极限集中在平均震前和震后海岸线位置之间。由于第一波期间初始水位增加主要由地面位移引起，从外海到海岸的水流入最少，表明漂流物体堆积（指示海啸水位）不太可能发生。因此，第一波最大水位痕迹在经历了显著地面抬升的半岛西北部海岸保留可能性较小。相比之下，后续波伴有强交替向陆和向海流动，增加了在拓宽抬升海滩上堆积漂流物体的可能性。因此，后续波的水位痕迹更可能在向海扩展的海滩上保留。

现场调查在半岛西北部几个沿海区域（观察