量化2025年Mw8.8堪察加地震中 tsunamigenic factors（海啸致灾因子）对海啸的影响

《Ocean Modelling》：Quantifying the effects of tsunamigenic factors during the 2025 Mw 8.8 Kamchatka earthquake

　　

研究人员研究了海啸致灾因子（tsunamigenic factors）——包括地下介质模型、水平海底运动（horizontal seafloor motion）及破裂运动学（rupture kinematics）——对2025年7月堪察加Mw8.8地震海啸源表征及海啸特征的影响。首先比较了美国地质调查局（USGS）三个有限断层模型（V3、V4、V5）的滑动分布，其中V3吻合最好，最大滑动量约14.5 m，位于30 km深度。基于V3，研究人员通过逐步纳入分层地球模型（layered Earth model，考虑弹性性质随深度变化）、水平海底运动和运动学破裂过程，精细化构建海啸初始场。结果表明：相比均匀半空间模型，分层地球模型使东西向（EW）水平位移增加0.8 m、南北向（NS）增加0.4 m，结合近源陡坡地形使海面隆起额外增加1.2 m（增幅32%）；破裂运动学沿破裂传播方向放大沿岸波高与能量，相反方向则减弱；该海啸具与断层尺度相关的峰值周期（32–64 min）；模拟显示同震形变的微小差异可导致50%和12%的近岸区域分别出现超过5%和10%的波高偏差。结果表明采用真实且计算高效的海啸源表征对提升海啸灾害评估至关重要，并凸显各致灾因子对海啸高度及传播行为的控制作用，可为全球海啸危险性评价提供指导。

论文解读：量化2025年M_w8.8堪察加地震中海啸致灾因子对海啸的影响（《Ocean Modelling》）

一、研究背景与意义

库页岛—堪察加俯冲带（Kuril-Kamchatka subduction zone）曾发生1952年M_w9.0等特大地震，具备强震与跨洋海啸潜势。2025年7月该带发生M_w8.8地震并触发太平洋范围海啸，近场波高达4–19 m，远场达1.5 m，为检验不同海啸源建模方案对海啸生成及预测的影响提供了难得机会。传统海啸数值模拟常采用均匀弹性半空间模型的垂直同震变形（Okada模型）作为初始场，忽略分层地球结构、水平海底位移对倾斜海底的附加隆起贡献，以及破裂时空传播（运动学效应）。已有研究分别涉及上述因素，但未在同一框架下系统量化其相对重要性。本研究以USGS有限断层模型为基础，构建四级递进复杂度的海啸源模型（M1–M4），定量评估各致灾因子对深海DART（Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis）波形、功率谱及近岸波高的影响，以提升海啸危险性评估精度。

二、主要关键技术方法

研究人员选用USGS发布的三个有限断层滑动模型（Version 3/4/5）中拟合DART波形最优的V3模型（690 km×225 km，最大滑动14.5 m@30 km深度，走向218°，倾角20°，未穿海沟）作为基准震源。建立四级海啸初始场：(M1) 均匀泊松比0.25半空间模型用Okada(1985,1992)计算垂向同震变形；(M2) 在M1基础上改用Litho 1.0一维分层弹性介质，用PSGRN/PSCMP计算同震变形；(M3) 在M2基础上按Tanioka and Satake(1996)公式 u_h=u_x·?H/?x+u_y·?H/?y 叠加水平海底运动对海面隆起的贡献并经Kajiura滤波；(M4) 在M3基础上引入USGS反演的时空破裂传播过程构建运动学海啸源。海啸传播用JAGURS求解球坐标非线性长波方程，曼宁糙率0.025 s/m^1/3，考虑科氏力，GEBCO 15角秒地形，双层嵌套网格（45″与15″），CFL稳定时间步0.5 s，模拟10 h。DART实测数据用UTide包调和分析去除潮汐，重采样至15 s，用几何均值比（Geometric Mean Ratio, K）及均方根误差（RMSE）评价波形拟合，用Welch法做功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）分析。近岸波高取计算域最靠陆侧的湿润点，用公式 D=|M_j?M_i|/M_i×100% 计算模型间差异百分比。

三、研究结果

3.1 Reference model for tsunami generation（海啸生成的参考模型选择）

研究人员分别用M1+USGS V3/V4/V5进行海啸模拟并与5个DART站观测比对，V3对最近DART 21416的波形拟合最佳（拟合精度最高），V4低估振幅约一半，V5高估约一倍。故选定USGS V3为后续所有分析的参考滑动模型。

3.2 Effects of tsunami source modelling approaches on coseismic surface deformation（海啸源建模方法对同震地表变形的影响）

对比M1与M2发现：分层地球模型较均匀半空间仅使垂向同震位移最大增约0.1 m（2%），但使EW向水平位移最大增0.8 m（约35%）、NS向增0.4 m（约129%），归因于低倾角（～20°）巨型逆冲断层及浅部沉积层低刚度。在此基础上，M3计入水平海底运动耦合近源陡坡使最大海面隆起较M1、M2分别再增～1.3 m与1.2 m（增幅约35%与32%），说明水平海底运动效应对海啸初始场的贡献大于分层地球结构本身。Kajiura滤波仅使M3初始海面最大变幅降0.2 m（4%），DART平均振幅变幅1.4%，波形几乎不变，证实水平运动贡献为真效应。M4（运动学破裂）与M3同量静态变形，但时空演化使破裂末期隆起范围略宽、>3 m等值线面积略窄。

3.3 Effects on open-ocean and nearshore tsunami characteristics（对远海及近岸海啸特征的影响）

Directivity of tsunami in open ocean（远海海啸的方向性）：M1–M3瞬时源中，M3因含水平海底运动在所有DART方向上波高与谱能量最高。对比M3与M4：沿破裂传播方向（NE→SW，DART 21416/21418/21419）M4使最大振幅增+10%、+12%、+12%，谱能量增+3%、+10%、+6%；反方向（DART 21415/21414）M4使振幅减?23%、?22%，谱能量减?19%、?15%，显示破裂运动学具明显方向性放大/抑制效应。各模型海啸峰值周期呈断层尺度依赖性：沿断层宽度方向（DART 21416/21415/21414）主峰周期约43 min与32 min，沿断层长度方向（DART 21418/21419）主峰周期约64 min。

Significant variation in coastal tsunami heights（近岸波高的显著变化）：模拟最大近岸波高达15–16 m，与灾后调查相符。虽近岸波受局部地形强烈调制，但源的差异仍产生可观影响——M4相较M1/M2/M3分别使超5%波高差异占海岸线比例达52.94%、41.18%、54.90%，超10%差异占11.76%、7.84%、11.76%。M4因初始隆起中心向SW偏移，致53°N–52°N段波高低估、52°N–51°N段波高高估，体现破裂运动学对近岸分布的影响。

四、讨论与结论（翻译自Conclusion）

本研究基于USGS有限断层模型系统评估四种常用海啸致灾建模方案对2025年堪察加M_w8.8地震海啸特征的影响，主要结论如下：

(1) 相比常用的均匀地球模型，分层地球模型使垂向同震变形微增（～0.1 m，2%），却显著增大水平位移（EW 0.8 m，NS 0.4 m），说明分层结构主要影响同震变形的水平分量而非垂向分量。

(2) 水平海底运动耦合近源及近海沟陡坡地形使有效海面隆起增～1.2 m（较M1/M2增31%–32%），此增强源于水平海底运动本身而非地球模型选择（分层vs半空间），表明水平运动在海啸生成中的作用大于地下介质模型。

(3) 与静态源相比，纳入破裂运动学沿破裂方向放大海啸能量、反向减弱；2025年堪察加事件海啸峰值周期为32–64 min。

(4) 近岸模拟显示不同海啸源表征导致55%和12%的近岸区域分别出现超5%和超10%的波高差异。

综上，海啸生成对海啸源的表征方式敏感，特别是破裂运动学与水平海底运动的纳入可改变沿岸振幅、能量分布及近岸影响，因此采用真实且计算高效的海啸源表征是深化科学认知与改进海啸灾害评估的关键。