日本东北 M W 9.0地震海啸在港池及邻近区域诱发的涡流危险性计算与评估分析

海啸造成的灾害与损失并非都与淹没有关，特别是港口中海啸诱导的强流会对船只及海事设施产生重要的影响及损害.由于海啸流观测数据稀缺及海啸诱导涡流机制的不确定性，过去60年海啸科学主要集中于对海啸波特征及淹没过程的研究与分析，海啸流模拟及验证工作开展较少，导致对海啸流基本特征及其造成灾害现象的曲解.开展海啸诱导的涡流研究及预警服务显得尤为重要及紧迫.考虑快速海啸预警需要，综合对比海啸诱导涡流的物理框架及模型方法，探索兼顾效率与计算精度的海啸流模拟方法是本文的核心工作及出发点.通过分析浅层湍流相干结构（TCS）产生的主要物理耗散机制，确定了考虑2D水平耗散机制的非线性浅水方程可用于海啸涡流的模拟分析.基于高精、高分辨率有限体积模型Geoclaw建立了三个精细化的港口海啸流模型，模型分辨率为5m.利用基于海啸浮标反演的海啸源模型作为初始条件，模拟分析了日本东北地震海啸在远场的海啸波流特征.海啸波流特征模拟结果与观测吻合较好，结果可信.对比发现：波驱动的自由表面流，小的位相或波幅误差就会导致大的流速误差，流的模拟和预报相对波幅来说更具挑战性.研究了海啸波流能量在港池中的分布特征，得到：港池入口及防波堤两端常被强流控制，具有极高的危险性；相对于波幅的空间变化，海啸流具有更强的空间敏感性；所建立的高分辨率海啸模型模拟再现了日本海啸在近场的涡旋结构，给出了与观测基本一致的涡流特征.最后，引入海啸流危险等级标准，分析了港口海啸流危险性等级分布、船只疏散的安全深度及回港的时间周期.针对港口、海湾同时考虑海啸波流特征的海啸预警与评估对于港口应急管理者科学决策具有重要意义.