CN114966854A - 一种单层非静压地震海啸预警系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单层非静压地震海啸预警系统和方法，该系统包括：海啸预警数据库模块，用于存储海啸预警数据库；项目模块，用于接收地震输入信息，并在海啸预警数据库中查询比对是否存在相似的预存地震信息，在没有查询比对到相似的预存地震信息时，调用输入处理模块、执行模块、输出处理模块和结果分析模块；所述输入处理模块，用于根据输入的地震信息进行计算，并构建输入文件；所述执行模块，用于启动具备动态底边界的单层非静压自由表面流模型进行计算；所述输出处理模块，用于模型计算结束后，提取并暂存计算结果；所述结果分析模块，用于根据输出处理模块的计算结果，绘制图片及动画，该系统可以为即时的地震海啸预警提供快速有效的参考。

Description

一种单层非静压地震海啸预警系统和方法
技术领域
本发明涉及地震海啸预测领域，具体涉及一种单层非静压地震海啸预警系统和方法。
背景技术
海啸作为世界十大自然灾害之一，具有极强的破坏力。海啸波是一种重力波，其形成的原因一般为大陆板块相互挤压，使得海底发生形变，进而导致海表面发生巨大的抬升或塌陷。水面变形在重力作用下向周围传播则形成海啸波。海啸波的波长较长，可以达到几百甚至上千公里，且在深水中的传播速度也十分之大。尽管海啸波在深水中传播时波高不大，但当其向岸边传播时，由于浅水效应，海啸波波高则迅速增大，形成几米甚至几十米的“水墙”，对近海作业的海工结构物，停靠港口的船舶等具有极大的摧毁作用；同时海水冲破防波堤大量涌入沿海城市中心，剥夺人民的生命，也给国家造成严重的经济损失。从地质构造条件上看，我国位于环太平洋地震带的边缘，具备发生地震的地质构造条件；从地理位置上看，我国东侧为冲绳海槽和琉球海沟，南海东部为马尼拉海沟，根据2006 年美国地质调查局（United States Geological Survey，简称USGS） 对整个太平洋俯冲带的地震源的潜在危险性评估报告来看，我国海区存在三个风险较高的潜在海啸震源区，分别是琉球俯冲区、马尼拉俯冲区和苏拉威西俯冲区，因而我国存在发生海啸灾害的可能性。因此建立高效准确的地震海啸预警系统及海啸预警数据库，计算海啸波的生成和传播，为后续的危险性分析和灾害预警工作提供支撑，具有重要的理论意义和应用价值。
自2004年印度洋海啸发生后，我国海啸预报中心于次年开发了CTSU(ChinaTsunami Model)。该模型采用球坐标下非线性浅水方程作为模型的控制方程，采用蛙跳格式进行数值求解，引入了数值频散效应。模式的空间分辨率为2'，水平网格采用多重嵌套网格技术。另外还有许多学者利用国际主流的数值模型对我国一些沿海地区进行了海啸危险性分析。但是基于上述模型的海啸预报方法忽略了地震形变过程中对海啸波的影响情况，而是假设地震时间极短，地震形变可以直接作用在海表面，导致预测结果要比实际结果偏高许多。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供了一种单层非静压地震海啸预警系统，包括：海啸预警数据库模块，用于存储海啸预警数据库；项目模块，用于接收地震输入信息，并在海啸预警数据库中查询比对是否存在相似的预存地震信息，在没有查询比对到相似的预存地震信息时，调用输入处理模块、执行模块、输出处理模块和结果分析模块；所述输入处理模块，用于根据输入的地震信息进行计算，并构建输入文件；所述执行模块，用于启动具备动态底边界的单层非静压自由表面流模型进行计算；所述输出处理模块，用于在模型计算结束后，提取并暂存计算结果；所述结果分析模块，用于根据输出处理模块的计算结果，绘制图片及动画。
进一步地，所述项目模块还用于将结果分析模块绘制的图片及动画存储到海啸预警数据库中。
进一步地，还包括预警模块，用于在计算结果达到预警值时，发送预警信号。
进一步地，所述地震输入信息包括断裂带中心经纬度、断裂带长度、断裂带宽度和断裂带滑移量。
进一步地，所述项目模块在查询比对到相似的预存地震信息时，直接将海啸预警数据库中的相似预存地震信息的数据和结果进行提取。
本发明还提供了一种单层非静压地震海啸预警方法，包括以下步骤：
第一步，获取地震输入信息，在海啸预警数据库中查询比对是否存在相似的预存地震信息；
第二步，当第海啸预警数据库中不存在相似的预存地震信息时，根据输入的地震信息进行计算，并构建输入文件；
第三步，启动具备动态底部边界的非静压自由表面流模型进行计算；
第四步，提取并暂存计算结果；
第五步，处理计算后的输出文件，绘制所需图片及动画；
第六步，根据计算结果，分析地震海啸传播至近岸后的易受危害地区；
进一步地，还包括记录并储存所有数据及结果，拓展海啸预警数据库。
进一步地，所述第六步还包括：当计算结果达到预警值时，对易受危害地区发送预警信号。
进一步地，所述地震输入信息包括断裂带中心经纬度、断裂带长度、断裂带宽度和断裂带滑移量。
进一步地，绘制所需图片及动画包括：绘制确定海域内海啸的发生、传播及近岸过程，绘制海域内任意位置的水位变化情况，和绘制近海海岸的海啸最高爬高水位。
基于本发明的具备动态底边界的单层非静压自由表面流的地震海啸预警系统和方法，可用于地震海啸的模拟预测工作，一方面，海啸预警数据库可以为即时的地震海啸案例提供快速，有效的参考；另一方面，地震海啸预警系统可以即时更新数据库的数据信息，为未来地震海啸的应对及防范提供更准确的参考依据。本发明的地震海啸预警系统通过不同模块在功能上相互独立，规模适当，层次及关系分明。模块化的设计方案确保了不同模块内部高耦合，外部低耦合的特征。同时也提高了整个系统的灵活性和可拓展性，预测结果更加高效准确。
附图说明
以下，通过示例的方式示出本发明的示例性实施例的附图，各附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或相似的元素。附图中：
图1为本发明的地震海啸预警系统的模块图；
图2为本发明的地震海啸预警系统流程图；
图3为本发明的单层非静压自由表面流模型设置示意图。
具体实施方式
在本发明中，术语“和/或”旨在涵盖所列元素的所有可能组合和子组合，包括单独列出的元素中的任何一个、任何子组合或所有元素，而不必排除其他元素。除非另有说明，否则术语“第一”、“第二”等用于描述各种元素而不意图限定这些元素的位置关系、时序关系或重要性关系，这种术语只是用于区分一个元素与另一个元素。除非另有说明，否则术语“前、后、上、下、左、右”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不能理解为对本发明的保护范围的限制。
图1示出了本发明的地震海啸预警系统的各个模块，本发明构建的地震海啸预警系统主要包括6个模块，分别为：海啸预警数据库模块、项目模块、输入处理模块、执行模块、输出处理模块和分析模块。以下对所述6个模块做详细介绍。
（一）海啸预警数据库模块
海啸预警数据库模块负责增加，删除，修改和查询海啸模拟项目的所有结果。其主要功能如下：
1）比对查询数据库中的海啸模拟项目；
在向系统中输入地震信息后，系统首先会将地震信息传给海啸预警数据库模块，该模块将根据该信息与历史海啸模拟项目相比较，寻找相接近的项目，并将其所存入的数据及结果输出。若不存在相似项目，则输出0。
2）添加新的海啸模拟项目数据及结果；
若对于输入的地震信息，数据库中不存在相似项目，则会通过系统模拟计算获得结果。该结果作为新的项目信息，会被添加到海啸预警数据库模块中。其中，添加的项目信息包括：地震信息，运行时间长度与间隔，海平面变化情况，近海岸漫摊情况及相应图片和动画。
3）修改指定海啸模拟项目数据及结果；
对于一些历史模拟项目数据及结果，可能存在需要更新调整的地方，则通过该功能实现。
4）删除指定海啸模拟项目数据及结果；
对于一些历史模拟项目数据及结果，可能需要删除，则通过该功能实现。
（二）项目模块
项目模块，负责构建一次地震海啸过程，控制整个系统的运行逻辑。其主要功能如下：
1）接收输入信息，并在海啸预警数据库中查询；
项目模块首先接收地震输入信息及系统运行相关信息，根据地震信息，在海啸预警数据库中进行对比，若存在相似项目，则项目模块直接将数据库中的相似项目的数据和结果进行提取。
2）调用输入处理模块，执行模块，输出处理模块和结果分析模块
若数据库中不存在相似项目，则需要对输入的地震信息所产生的地震海啸过程进行计算。此时项目模块将开始构建输入处理模块，执行模块，输出处理模块和分析模块，供后续计算使用。
3）启动运行地震海啸计算
若数据库中不存在相似项目，在项目模块构建完成后，将按顺序启动输入模块，执行模块，输出处理模块和分析模块进行计算，之后将计算后的项目数据及结果存储到海啸预警数据库中；当地震海啸过程计算完成后，项目模块负责将输出处理模块中的计算结果，以及分析模块中的图片及动画存储到海啸预警数据库中。
（三）输入处理模块
输入处理模块，负责向系统输入地震信息和站点信息，并构建输入文件。其主要功能如下：
（1）输入地震信息，输入的地震信息包括：断裂带中心经纬度、断裂带长度和宽度，和断裂带滑移量。
（2）输入站点信息，站点信息负责记录指定位置的计算结果，由此可以实现个性化应用。站点信息包括：站点经纬度。
（3）写入断层与站点输入文件，模块自动将功能1）和2）中的输入信息进行整理，按照一定格式构造输入文件，例如，输入文件可以为txt文件，其中每一行表示一个断裂带信息，信息按照断裂带中心经纬度、断裂带长度和宽度，和断裂带滑移量顺序记录。
（4）写入地形输入文件，模块自动将1）和2）中的输入信息进行分析，选定所需模拟的地形范围，构造地形输入文件。
（四）执行模块
执行模块，负责启动具备动态底边界的单层非静压自由表面流模型进行计算。其主要功能如下：
（1）设置计算节点及核数，模块自动识别电脑或集群空闲节点及可用核数，并将所有可用核全部使用，除此之外用户也可以指定所用节点及所用核数。
（2）编写并执行编译脚本，对于每一次运行模型，执行模块会将之前的编译结果进行删除，并重新编译，以保证不受历史结果的影响。
（3）编写并执行任务启动脚本，模型计算依托PBS（Protable Batch System）作业管理系统，执行模块负责设置编写相关脚本，并启动该任务进行计算。
通过输入信息的断裂带中心经纬度、断裂带长度和宽度、断裂带滑移量，计算海底形变的情况，得到地震后海底地形的变化情况。然后将海底地形的变化作为已知条件，计算海表面高度随着海底变化的情况，如：海表面高度，海水水平流速等。
图3示出了单层非静压自由表面流的模型设置，其中x为空间坐标系中的水平方 向，z为空间坐标系的垂直方向，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
为海表面高度；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为海底变化，单层非静压自由表面流选 用如下控制方程进行计算（为方便展示，选用一维情况进行讨论）：
Figure 944927DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure DEST_PATH_IMAGE005
分别为水平与竖直方向上的流速；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为海表面高度；
Figure 799751DEST_PATH_IMAGE002
为海底变化；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为 非静压项，根据模型假设，海表面非静压为0，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为重力加速度项，取值为 9.81m/s2。上表面边界条件为自由表面边界条件，底部为可变海床，边界条件如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure DEST_PATH_IMAGE012
分别表示海表面和海底的垂向速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure DEST_PATH_IMAGE014
分别表示海表面和海 底的水平速度。分别对公式（1）-（3）沿海底到海表面进行积分，即可得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure 894002DEST_PATH_IMAGE017
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为海底非静压项。对（6）-（8）做线性处理如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示水深。将线性变换（9）-（12）代入到（6）-（8）中，并将部分非 线性项移到等号右侧，则可得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
Figure DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE023
Figure DEST_PATH_IMAGE024
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure DEST_PATH_IMAGE026
分别表示水平和垂直方向的非线性项，基于（14）-（16）进行数值求 解。
数值计算选用显示格式计算，将（14）-（16）离散成如下格式：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
由此可以计算出
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，并进行迭代计算。
（五）输出处理模块
输出处理模块，负责在模型计算结束后，提取并暂存计算结果，其中计算结果包括海表面高度变化，海水水平流速和海水垂直流速。
（六）分析模块
分析模块，负责根据输出处理模块的计算结果，进行绘制，其主要功能如下：
1）绘制确定海域内，海啸的发生、传播及近岸过程；
2）绘制海域内任意位置的水位变化情况；
3）绘制近海海岸的海啸最高爬高水位；
如图2所示，本发明的地震海啸预警系统工作流程如下：
首先，将地震的震源中心坐标及震级作为输入文件输入到系统中，系统根据输入内容，首先对比海啸预警数据库，若数据库存在类似案例，则，直接将相似项目作为参考导出进行结果输出展示；
若无则构建输入文件，系统编译并启动具备动态底部边界的非静压自由表面流模型进行计算；
计算结束后，提取并暂存计算结果；系统处理计算后的输出文件，绘制所需图片及动画，进行结果输出展示；并且根据计算结果，分析地震海啸传播至近岸后的易受危害地区；
可选的，系统记录并储存上述步骤中的所有数据及结果，拓展海啸预警数据库。
单层非静压地震海啸预警系统及海啸预警数据库，可用于地震海啸的模拟预测工作。在应用上，一方面，海啸预警数据库可以为即时的地震海啸案例提供快速，有效的参考；另一方面，地震海啸预警系统可以即时更新数据库的数据信息，为未来地震海啸的应对及防范提供参考依据。本发明的地震海啸预警系统通过不同模块在功能上相互独立，规模适当，层次及关系分明。模块化的设计方案确保了不同模块内部高耦合，外部低耦合的特征。同时也提高了整个系统的灵活性和可拓展性，为实际的应用提供保证。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种单层非静压地震海啸预警系统，其特征在于，包括：
海啸预警数据库模块，用于存储海啸预警数据库；
项目模块，用于接收地震输入信息，并在海啸预警数据库中查询比对是否存在相似的预存地震信息，在没有查询比对到相似的预存地震信息时，调用输入处理模块、执行模块、输出处理模块和结果分析模块；
所述输入处理模块，用于根据输入的地震信息进行计算，并构建输入文件；
所述执行模块，用于启动具备动态底边界的单层非静压自由表面流模型进行计算；
所述输出处理模块，用于在模型计算结束后，提取并暂存计算结果；
所述结果分析模块，用于根据输出处理模块的计算结果，绘制图片及动画。
2.如权利要求1所述的单层非静压地震海啸预警系统，其特征在于，所述项目模块还用于将结果分析模块绘制的图片及动画存储到海啸预警数据库中。
3.如权利要求1所述的单层非静压地震海啸预警系统，其特征在于，还包括预警模块，用于在计算结果达到预警值时，发送预警信号。
4.如权利要求1所述的单层非静压地震海啸预警系统，其特征在于，所述地震输入信息包括断裂带中心经纬度、断裂带长度、断裂带宽度和断裂带滑移量。
5.如权利要求1所述的单层非静压地震海啸预警系统，其特征在于，所述项目模块在查询比对到相似的预存地震信息时，直接将海啸预警数据库中的相似预存地震信息的数据和结果进行提取。
6.一种单层非静压地震海啸预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，获取地震输入信息，在海啸预警数据库中查询比对是否存在相似的预存地震信息；
第二步，当第海啸预警数据库中不存在相似的预存地震信息时，根据输入的地震信息进行计算，并构建输入文件；
第三步，启动具备动态底部边界的非静压自由表面流模型进行计算；
第四步，提取并暂存计算结果；
第五步，处理计算后的输出文件，绘制所需图片及动画；
第六步，根据计算结果，分析地震海啸传播至近岸后的易受危害地区。
7.如权利要求6所述的单层非静压地震海啸预警方法，其特征在于，还包括记录并储存所有数据及结果，拓展海啸预警数据库。
8.如权利要求6所述的单层非静压地震海啸预警方法，其特征在于，所述第六步还包括：当计算结果达到预警值时，对易受危害地区发送预警信号。
9.如权利要求6所述的单层非静压地震海啸预警方法，其特征在于，所述地震输入信息包括断裂带中心经纬度、断裂带长度、断裂带宽度和断裂带滑移量。
10.如权利要求6所述的单层非静压地震海啸预警方法，其特征在于，绘制所需图片及动画包括：绘制确定海域内海啸的发生、传播及近岸过程，绘制海域内任意位置的水位变化情况，和绘制近海海岸的海啸最高爬高水位。
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