岛屿地貌对滑坡引发的海啸传播及共振的影响：以中国南海西沙群岛为例

《Ocean Modelling》：Island Morphological Influences on Landslide-generated Tsunamis Propagation and Resonance: A Case Study in the Xisha Islands, South China Sea

基于多波束测深数据，采用NHWAVE-FUNWAVE-TVD耦合模型模拟了南海西沙群岛滑坡引发的海啸，通过小波变换和模态分解揭示了能量变异机制及岛礁共振效应，区分了CC1（高频低振幅）与CC2（低频高振幅）波系，量化了折射（|波折射|）与反射（|波反射|）的贡献，为复杂地形海域海啸评估提供新方法。

　　

作者：沈傲、孙启亮、张成、王星星、王青

单位：中国地质大学海洋科学与技术学院，湖北海洋地质资源重点实验室，武汉，430074，湖北，中国

摘要

由海底滑坡引发的海啸对沿海人口和基础设施构成重大威胁。其危害程度与波浪传播过程密切相关，如波浪折射、反射和共振，这些现象可能导致意外的波浪升高和灾难性破坏。因此，全面了解波浪传播及其相关影响因素对于提高海啸预测精度和减轻灾害至关重要。在本研究中，基于从多波束测深数据中获得的参数约束，我们利用NHWAVE（非静力波浪模型）和FUNWAVE-TVD（全非线性波浪模型-总变分降维）耦合模型，对南海西沙群岛地区的实际滑坡情景及其引发的海啸进行了建模。通过小波变换和模型分解，我们重点研究了波浪传播过程中的能量变化和波浪相互作用。此外，我们还分析了岛屿共振对海啸波高的影响。研究表明，由滑坡引发的海啸能够在岛屿之间激发波浪共振，从而产生持续的影响。通过分解和分析时间序列数据，我们识别出海啸的两个组成部分：特征组分1（CC1）和特征组分2（CC2）。CC1表现为低振幅、高频率、短周期的波浪；而CC2则由高振幅、低频率、长周期的波浪组成。CC1代表直接由滑坡产生的海啸波；CC2则包括在波浪传播过程中受到折射和反射影响的波浪。本研究利用方差比和皮尔逊相关系数量化了折射和反射效应对海啸传播的贡献。研究结果提供了定量证据，阐明了岛屿地貌如何影响由滑坡引发的海啸的传播。研究表明，海底滑坡引发的海啸对岛屿构成了严重的地质灾害，同时也有助于评估具有复杂地貌区域（如岛屿和海湾）的海啸风险。

引言

海底滑坡在多种地质环境中广泛存在（Tappin等人，2001年；Wang等人，2017年；Sun等人，2018a年），包括海底峡谷（Wang等人，2014年；Chen等人，2016年；Mollison等人，2020年；Chen等人，2020年）、大陆坡（Fyhn等人，2009年）和岛屿（McMurtry等人，2004年；León等人，2017年）。它们被认为是引发海啸的主要因素之一（Harbitz等人，2013年；L?vholt等人，2015年；Takabatake等人，2020年）。这类海啸有可能对生命和基础设施造成灾难性破坏（Grilli等人，2009年；Hornbach等人，2010年），这表明大多数海岸线和岛屿都无法免受潜在海啸灾害的威胁（Tappin等人，2008年；Sun和Leslie，2020年；Tappin和Grilli，2020年）。

海底滑坡引发的海啸具有显著的扩散性和方向性（Enet等人，2007年；Bellotti等人，2008年；Sabeti和Heidarzadeh，2022年），其传播过程非常复杂（Masson等人，2006年；Bellotti和Romano，2017年）。在过去三十年中，人们对其进行了大量研究，主要集中在灾害评估、生成机制以及与海啸事件相关的波浪上升方面（Panizzo和Bellotti，2002年；Leslie和Mann，2016年；Li等人，2019年；Romano等人，2020年，2023年）。先前的研究表明，海岸地貌（如海湾）对海啸的放大作用具有重要影响（Bellotti等人，2012年；Aranguiz等人，2019年）。海啸可能在某些岛屿或港口引发共振，导致水位迅速上升，从而可能造成严重灾害（Bowers，1977年；Briggs等人，1995年；Cortes等人，2017年）。例如，在印度洋海啸事件中，斯里兰卡的科伦坡港内发生了波浪共振，产生了最大高度为3.87米的巨浪，对港口基础设施造成了严重破坏（Pattiaratchi和Wijeratne，2009年）。然而，以往关于共振的研究主要集中在由稳定波浪条件引起的准稳态振荡上。此外，复杂的传播过程以及与海底滑坡引发的海啸相关的短到达时间，给当前的海啸灾害评估和预测带来了挑战。分离波浪的各个组成部分并量化它们的影响（如海啸到达时间、波浪振幅和最大自由表面高度）将有助于我们更好地理解每个海啸组成部分在传播过程中的作用和影响。

南海西沙群岛拥有200多个岛屿，其中许多岛屿具有重要的经济和科学价值（Xie等人，2019年）。先前的研究在这些岛屿周围发现了大量的海底滑坡，并主要基于测深数据和二维/三维地震数据对这些滑坡特征进行了分析（Wang等人，2018年；Huang等人，2020年）。此外，南海的海啸灾害评估主要集中在大陆海岸线（如西沙群岛周围的大城市），而很少有研究考虑岛屿本身的海啸风险（Liu等人，2007年；Liu等人，2009年；Xie等人，2019年），这些岛屿上的生命和基础设施因此面临巨大风险。

在本文中，我们基于约2100平方公里的多波束测深数据中获得的参数约束（如滑坡面积、长度、宽度和体积），对南海西沙群岛的实际滑坡情景及其引发的海啸进行了建模。首先简要总结了西沙群岛海底滑坡的地质背景，然后使用FUNWAVE-TVD模型进行海啸传播建模，NHWAVE模型用于海啸生成。最后，通过小波变换和模态分解分析了岛屿共振对海啸的影响。我们利用方差比和皮尔逊相关系数量化了折射和反射效应对海啸传播的贡献，特别是在岛屿地貌复杂的区域。这项研究将有助于我们更好地理解由滑坡引发的海啸的传播特性及其对岛屿的影响，从而提高海啸灾害的预测能力和减灾策略。

区域背景

西沙群岛位于南海西北部（Taylor和Hayes，1980年；Wang等人，2020年）。它北邻西沙海槽，东南接中沙群岛（图1a；Wu等人，2009年；Wu和Suppe，2017年；Zhu等人，2017年）。西沙群岛由20多个岛屿和环礁组成（Wang等人，2011年），地形复杂多样，包括岛屿、沙洲、珊瑚礁和淹没的浅滩（Li等人，2024年）。

地球物理数据集

本研究使用的地球物理数据集涵盖了约2100平方公里的多波束测深数据（图1c）。这些数据是2019年使用SeaBeam 2112多波束回声测深仪获取的。SeaBeam 2112的工作主频率为12 kHz，脉冲持续时间为3-20毫秒。由于所获取数据的深度精度超过水深的0.5%，因此多波束测深数据的水平分辨率为约100米。我们基于这些数据对实际滑坡情景进行了建模。

海啸传播过程

为了估计由滑坡引发的海啸波的时间特性，我们在岛屿沿岸布置了10个虚拟测量点（P1 – P10）（图1）。这些虚拟测量点分布在岛屿周围，与滑坡区域的距离在1-20公里之间。它们能够较好地捕捉海啸波的特性和时间序列。靠近海岸的虚拟测量点（P4 – P5、P7 – P8）的平均水深小于50米，这有助于更好地捕捉非线性效应。

波浪能量变化过程及岛屿共振的影响

对穿过岛屿前方和后方的海啸波最大振幅的比较分析表明，振幅在传播过程中逐渐减小（图5）。P1 – P3和P9位于岛屿前方，直接受到海啸波的影响。从时频能量分布图可以看出，在海啸传播的早期阶段，这些测量点的能量较强，主要集中在低频域。

结论

西沙群岛可能曾遭受过严重的海啸事件影响。海底滑坡被认为是引发此类海啸事件的主要潜在机制之一。基于从多波束测深数据中获得的参数约束，我们利用NHWAVE和FUNWAVE-TVD模型对南海西沙群岛的实际滑坡情景及其引发的海啸进行了建模。NHWAVE模型用于模拟海啸波的初始生成。

作者贡献声明

沈傲：概念构思、数据整理、形式分析、研究、软件开发、验证、可视化、初稿撰写。 孙启亮张成王星星王青

资金来源

本研究得到了国家自然科学基金的支持（编号：42222607）。

数据来源

网格化测深数据来自英国海洋数据中心（BODC；https://www.gebco.net/data_and_ products/gridded_bathymetry_data/>）。本研究中使用的数值模型（FUNWAVE-TVD）可通过https://github.com/fengyanshi/FUNWAVE-TVD获取。本研究中的数据可应要求向通讯作者索取。

未引用参考文献

Ali和Prasad，2019年；Yang等人，2018年；Cortés等人，2017年；Enet和Grilli，2007年；Huang等人，2007年；Huang和Cressie，2000年；Huang和Dong，2021年；Lugo-Fernández等人，1994年；Nwogu和Demi-Rbilek，2010年；Panizzo等人，2002年；Rios和Mello，2016年