基于海底压力计与实时检测算法的斯特龙博利火山非地震重力驱动海啸预警系统长期性能评估及EEMD多级预警框架

《Natural Hazards》：Early warning system for non-seismic gravity driven tsunamis

　　

重力驱动质量流在火山环境中构成显著的近场灾害，且日益成为受气候驱动边坡失稳影响的沿海区域的重要威胁。尽管其具有破坏潜力，但在自然条件下运行的实时检测系统的定量评估仍然匮乏。本文介绍了目前在意大利斯特龙博利火山运行的海啸早期预警系统的性能与敏感性，该系统基于海底压力计和实时检测算法。16年（2010–2026年）的海平面记录包含63次海啸事件，波高范围0.02至2 m，结果表明系统在海啸起始后不到22 s内发出警报，并在最大振幅到达前数十秒发出警报，且无误报。基于超阈值（Peak-Over-Threshold, POT）统计和极端波浪建模的敏感性分析表明，即使在极端海况条件下，检测能力对于波高低至4 m的海啸仍然有效。为支持区域海啸预警并减少对远距离（>10 km）海岸无淹没影响海啸的警报，研究人员应用了实时集合经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD），该方法成功提取了海啸信号并保留了波形特征。EEMD还分离出与气压波相关的长周期海平面振荡（位于气象海啸频带内），证明了该方法对多类非地震海啸的适用性。本研究首次对火山成因海啸的运行中近场早期预警系统进行了长期定量评估，并提出了一种可推广的多级框架，用于全球沿海环境的滑坡海啸和气象海啸减灾。

**研究背景与意义**

重力驱动的质量流（包括滑坡、火山碎屑密度流和边坡失稳）在火山环境和受气候驱动边坡失稳影响的沿海区域构成显著的近场海啸灾害。近年来，冰川退缩、永久冻土退化和边坡不稳定性增加等因素加剧了这类灾害的风险。2025年阿拉斯加Tracy Arm峡湾滑坡引发的最大爬高481 m的海啸事件表明，重力质量流相关的海啸灾害并非仅限于火山环境，而是日益成为需要快速检测和有效预警策略的全球性风险。火山岛屿的不稳定侧翼是最危险的海啸生成环境之一，质量流入海可在极短时间内引发海啸，对局部和区域造成严重影响。与构造海啸不同，火山成因海啸通常由快速演变的火山过程（如火山碎屑密度流、熔岩三角洲崩塌和 sector failure）触发，其检测和表征尤为困难。在近场环境中，海啸波可在数分钟内到达人口密集的海岸线，因此早期预警系统必须实时运行并能在海啸波形仍在形成过程中发出警报。

斯特龙博利火山位于南第勒尼安海，是此类高风险环境的典型代表。其陡峭且不稳定的Sciara del Fuoco斜坡在地质历史中反复发生侧翼崩塌，体积达10⁵–10⁷ m³，频繁产生入海重力质量流，生成的海啸可在2–3分钟内影响该岛，并在20–30分钟内到达伊奥利亚弧和卡拉布里亚及西西里海岸。2002年12月30日的海啸事件（滑坡体积约10–30×10⁶ m³）表明，斯特龙博利生成的海啸不仅限于近场，还可传播至南第勒尼安海大部分区域，最远影响超过500 km的海岸。2002年事件凸显了为火山环境量身定制的海啸早期预警系统的迫切需求。为此，佛罗伦萨大学实验地球物理实验室（LGS）在Sciara del Fuoco最不稳定区域近海部署了两个弹性信标（PDC和PLB），基于海底压力计和实时检测算法构建了海啸早期预警系统。该系统已连续运行超过七年，提供了在广泛海况条件下评估其长期性能的独特机会。此外，16年高分辨率海平面数据（包含63次火山成因海啸事件，振幅跨越两个数量级以上）为火山海啸预警背景下的检测灵敏度、波形特征和运行可靠性评估提供了前所未有的条件。除近场预警外，将海啸预警能力扩展至更远海岸线也面临挑战，实时海啸振幅的可靠表征对于评估淹没潜力至关重要。EEMD等先进信号分解技术已被证明可显著改善实时海啸波形提取和振幅估计。此外，EEMD方法还可能为气象海啸（由大气强迫引起的长周期海洋波）的检测和表征提供优势。然而，EEMD对火山或重力过程产生的非地震海啸的适用性尚未被系统研究。

**关键技术方法**

研究人员开展了以下主要工作：（1）利用2010–2026年16年海平面记录和63次海啸事件，量化业务化STA/LTA检测算法的检测灵敏度；（2）采用超阈值（POT）方法结合广义帕累托分布（GPD）分析极端波浪事件并估计重现期；（3）利用实时EEMD技术提取海啸信号并评估其对区域尺度预警的可行性；（4）分析火山碎屑流和重力崩塌生成的海啸波形一致性。数据来源为斯特龙博利火山PDC和PLB两个弹性信标的海底压力计记录（采样率125 Hz），以及LGS的长期海平面监测数据。

**研究结果**

**海况环境定义**：通过POT-GPD框架分析极端波浪事件，选取阈值u=1.2 m，识别460次独立超阈值事件（年均约29次），GPD拟合参数为ξ=-0.09、σ=1.24 m。结果表明极端海况（有效波高H_s>7–8 m，峰值周期可达约13 s）是海啸可检测性的最关键条件。长期平均（LTA）与有效波高呈强线性相关（Pearson R=0.77），关系式为LTA=0.017×H_s?0.007。

**海啸检测算法与灵敏度**：系统检测流程包括去尖峰、潮汐去趋势、低通滤波和STA/LTA触发四个步骤。STA/LTA参数设置为LTA窗口4500 s、STA窗口40 s、检测阈值R_T=20。最小可检测海啸振幅与LTA直接相关（η≈1.57×LTA×R_T）。在极端风暴条件下（H_s≈7.2 m，30年重现期），算法仍能检测约4 m振幅的海啸。在典型海况（LTA≈0.01 m）下，算法可自动触发约0.3 m及以上振幅海啸的警报。

**五年海啸与火山活动记录**：2019–2021年间三次大规模火山碎屑密度流入海生成海啸，STA/LTA算法在波到达后<16 s内检测到所有事件。2022年12月4日首次自动触发警报，海啸波峰-峰值1.5 m，起始后22 s发出警报，最大负峰前9 s。2019年以来共记录63次海啸事件，波形和主导周期（T≈55 s）保持一致，尽管振幅跨越约两个数量级（~0.01 m至~1 m）。波形呈准对称剖面，符合重力驱动质量流生成的Stokes波特征。Froude数（Fr）估计为1.2–1.4，表明源动力学/几何和沿海地形将Fr约束在有限范围内，导致海啸周期相对稳定而振幅取决于入海物质体积。

**海啸预警系统扩展**：实时EEMD成功将海啸信号（IMF 3–6，周期20–200 s）与长周期信号（IMF 8–11，周期300–3000 s）分离。2022年Hunga Tonga火山喷发产生的海洋耦合大气波（OCA）在斯特龙博利记录到振幅约1.5 cm、主导周期约10 min的海平面振荡，EEMD成功提取了该长周期信号。火山成因海啸和长周期事件的归一化均方根偏差（nRMSD）分别为0.4%和0.3%，表明EEMD在保留波形特征的同时有效分离不同主导周期的信号。

**讨论与结论**

长期气象海洋条件分析表明，当前STA/LTA参数（NL=4500 s，NS=40 s，RT=20）即使在罕见风暴条件下仍然有效。斯特龙博利海啸预警的最关键约束是源区与 inhabited 海岸之间的极短传播时间（通常<3分钟）。运行系统能够在海啸信号记录后约22 s内发出警报，在海啸形成后一分钟内发出警报，远早于波浪到达海岸。七年连续运行无虚警进一步证实了STA/LTA方法在精细调谐和稳健预处理支持下的高效性。63次海啸事件的波形相似性和周期稳定性表明，斯特龙博利重力质量流引发海啸的生成机制受源动力学/几何和沿海地形的控制，这些因素施加了 largely 独立于体积的特征时间尺度。STA/LTA在快速近场检测方面表现最优，但其对长期平均的依赖限制了实时振幅估计，而这对于预警更远海岸线至关重要。实时EEMD通过分离相关频带内的海啸信号并保留波形特征，使得在海啸完全形成后评估基于振幅的阈值成为可能，支持选择性和面向影响的区域警报。因此，STA/LTA仍是斯特龙博利近场条件的最优方案，确保即时性和稳健性，而基于EEMD的方法更适合区域尺度减灾。两种方法的整合最大化了本地早期检测能力和更大空间尺度上的振幅判别能力。EEMD框架的额外优势在于能够根据主导频率内容分离和表征与不同非地震海啸源相关的海浪。斯特龙博利独特的长期数据集为在其他沿海环境开发类似多级早期预警系统提供了基准。所提出的框架不仅限于火山成因海啸，还可推广至更广泛的非地震海啸源类别，包括滑坡生成海啸和气象海啸事件。