國內地震海嘯相關研究

海嘯通常是由於地震、火山爆發或海底坍方造成海床發生巨大形變所引發之 重力長波，其中以地震引起的海嘯佔大多數，它的波高雖不是很大，但傳播速度 驚人，可達每秒 150 ~ 215 公尺 (黃煌煇，2005)。海嘯衝擊力量強大，可把淺灘 或海岸處的物體往內陸推移數公里，退水時則可把內陸的物體回刷至較深的海 域。為評估海嘯對沿海地區土地利用之衝擊影響，可依實測海嘯波高與地震規模 及海嘯傳播距離迴歸海嘯規模之經驗公式。然因對臺灣地區有顯著性影響之海嘯 發生次數太少，無法由有限的實測資料來推估海嘯之影響程度。因此，可藉由數 值模擬(Numerical simulation)作為分析海嘯影響之評估工具。海嘯的模擬研究可分 為兩大類：(一)從地震規模、震央位置、斷層傾角及傳播距離等觀點，模擬海嘯在 海域傳播過程之波高及傳播速度時空變化；(二)模擬當海嘯抵達近海區域後，受到 海床地形影響造成之折繞射及淺化效應，以及海嘯溯上(Runup)現象造成之海岸溢 淹情形。海嘯波浪到達海岸後，會上溯一段距離才退回，水到達最高點之高度稱 為溯上高度(Runup height)，圖3-1所示為海嘯波浪到達海岸之變化情形。海嘯溯上 現象的計算相當複雜，牽涉波浪折繞射及極淺淺水波等非線性效應。就評估海嘯 現象對於土地利用規劃之影響而言，海嘯溯上程度為一重要資訊。

圖3-1 海嘯波浪溯上示意圖 資料來源：Eisner, 2001

國內最早進行海嘯數值模擬為1977年，當時為了核能三廠取水口在海嘯來襲 時也能安全取水的設計需要，由臺灣電力公司委託台南水工試驗所進行墾丁海域 之海嘯及颱風水位推算 (台南水工試驗所，1977)，依相關經驗式分析結果顯示，

墾丁海域在外海地震規模7.5時，海嘯高度為4.2公尺，週期為23.4分鐘。1983年及 1985年同樣考量核能四廠地基高度及進水口安全取水之設計要求，由成功大學台 南水工試驗所利用數值模式完成臺灣東北角外海之海嘯規模評估 (歐善惠等，

1983；歐善惠等，1985)，當時評估目的為分析東北角外海發生最大可能海嘯時，

海水最大上升及沉降高度，以決定核能四廠地面標高及冷卻用水取水口之高度。

評估項目包含東北海域最大可能地震規模、地震規模與斷層參數之關係、海嘯傳 播過程及海嘯溯上計算等。為評估可能引起海嘯而影響核能四廠的最大可能地震 規模，該報告將臺灣北部細分為 W、E1、E2、E3及E4等五個地震分區，如圖3-2 所示。劃分原則主要依據臺灣東北部地震分布的不均勻性，將其中三個特別密集 地區劃分為 E1、E2、E3加以評估。五個地震分區中，W區地震引起海嘯的機會甚 微，即使引起海嘯也不至於影響核能四廠，因此予以忽略不計。E1區位於宜蘭東 方海域，其中包含兩類地震群，其一為淺地震群，深部在20公里以內，具有引起 海嘯的潛能，本群以E1S代號稱之；其二為班尼奧夫地震帶上的地震，深度大於60 公里，引起海嘯的潛能極微，本群以E1D代號稱之。E2區位於花蓮陸地及附近海 域，本區大多數地震深度小於40公里，具有引起海嘯的潛能。E3區位於E2區以東 的花蓮外海區域，本區所有地震深度小於40公里，具有引起海嘯的潛能。E4區為 臺灣東北海域扣除E1、E2、E3等三分區後剩餘的區域，其中包含兩類地震群，其 一為淺地震群，深部在40公里以內，具有引起海嘯的潛能，以E4S代號稱之；另一 群為班尼奧夫地震帶上的地震，深度介於40 ~ 220公里，引起海嘯的潛能甚微，本 群以E4D代號稱之。進一步依據斷層長度與地震規模之關係推求四個分區最大地震 規模對應的斷層長度，列如表3-1，表中所示四個分區中最大可能地震斷層長度介 於 46 ~ 300公里。

圖3-2 1901-1983年臺灣東北部陸海域震央分布及地震分區 參考來源：歐善惠等(1985)

表3-1 各分區最大可能地震之斷層長度、垂直位移及斷層走向

地震分區 規模(ML) 斷層長度(公里) 垂直位移(公分) 斷層走向

E1S 7.8 120 450 N 80° E

E2 8.5 300 800 N 70° E

E3 7.7 100 400 N 60° W

E4S 7.2 46

上限50

250

上限400 N 70° E

參考來源：歐善惠等(1985)

海嘯傳播過程模擬計算使用之基本方程式，係將三維流體連續方程式及動量 方程式進行水深積分平均，並忽略柯氏力(Coriolis force)及摩擦效應，推導得二維 淺水長波水流運動方程式。海域震央之斷層垂直錯動會連帶影響水面變化，垂直 變位量 ^ε 可以下式推估：

⎪⎩ 結果，表中顯示第二個案之海嘯波高3.52公尺最大，週期為30.7分。

表3-2 計算用之斷層參數

表3-3 鹽寮海嘯波浪計算結果

計算例 項目

一 (E1S)

二 (E4S)

三 (E4S)

四 (E4S)

五 (E4S) 地震規模 7.8 7.2 7.2 7.2 7.2 斷層範圍(km×km) 120×20 50×20 50×20 50×14 50×14

斷層上升高度(m) 4.5 4.0 2.8 2.5 2.5 斷層線至岸邊距離(km) 20 20 20 14 14 斷層方向 W-E S-N S-N WS-NE WS-NE 最高水位(m) 1.01 1.40 0.98 0.79 0.76 最大波高(m) 2.08 3.52 2.46 1.74 1.61 主要週期(min) 38.7 30.7 30.7 31.3 30.0

參考來源：歐善惠等(1985)

表3-4 鹽寮海嘯溯上計算結果

計算例 入射波振幅(m) 主要週期(min) 最大溯上高度(m)

第二個案 1.76 30.7 7.50

第三個案 1.23 30.7 4.55

參考來源：歐善惠等(1985)

圖3-3 第二個案第3波之海嘯溯上波形斷面圖 參考來源：歐善惠等(1985)

楊春生等(1983)利用與上述相同之理論架構，模擬推算1867年臺灣東北方海底 火山引起之地震海嘯傳播過程及東北海岸之海嘯溯上情形。歷史災情紀錄顯示，

該海嘯規模約為m=2 (波高大於4公尺)，由基隆東北方之地震所引起，地震規模大 約7.0。基隆東北方約134公里處有一座海底火山，推測該次海嘯即為海底火山爆發 所造成 (楊春生等，1983)。模擬計算時，海嘯波源設定在基隆東北方N30°E方向之 海底火山。震央地殼變動範圍假設方圓約100平方公里(10公里見方)之範圍，海底 平均上升。震央最大變位量ε^o分別設定10m、20m、30m及50m等四種條件，海底 上升時間假設為10秒。海嘯溯上模擬結果如表3-5所示，表中顯示，三處地點受到 近岸海域地形影響，溯上高度以深澳最大，金山次之，基隆最小。在整個東北海 岸之溯上高度分布，除入射振幅3.5m、週期25min之最大溯上高度發生於深澳外，

其餘最大溯上高度皆發生於金山到野柳間海岸。

表3-5 東北海岸海嘯溯上模擬結果

2.5m 3.0m 3.5m

入射振幅 及週期 地點

25min 30min 35min 25min 30min 35min 25min 30min 35min

金山(m) 7.26 6.66 6.10 8.71 7.98 7.32 10.15 9.31 8.54 基隆(m) 5.90 5.31 4.81 7.10 6.39 5.79 8.30 7.48 6.78 深澳(m) 8.43 7.73 7.06 10.22 9.27 8.48 17.49 11.73 9.89 最大值(m) 10.16 7.99 7.37 12.17 11.03 9.48 17.49 14.52 11.62

參考來源：楊春生等(1983)

許明光等(1992)及陳建宏(1994)以水深積分平均後之二維淺水長波水流運動方 程式，並忽略非線性項、柯氏力及摩擦效應，利用有限差分法建立數值模式並配 合近岸漸細網格系統，模擬1986年花蓮海底地震伴隨之海嘯傳播過程，並與實測 水位紀錄進行比對。該研究應用海嘯波形逆推法，分析1986年花蓮海底地震伴隨 之海嘯紀錄，逆推海嘯發源地之海底變形。研究結果顯示，1986年花蓮海嘯發生 地之東南區海底向上垂直位移約30公分，西北區海底向下垂直位移約120公分。該 研究主要著重在分析海嘯傳播現象與海底斷層形變之互動關係，並未分析海嘯波 浪在海岸地區之溯上現象。

李孟芬(1996)及Ma, Kuo-Fong and Lee, Mon-Feng (1997)同樣以水深積分平均

後之二維淺水長波水流運動方程式，並忽略非線性項、柯氏力及摩擦效應，利用 Coppersmith (1994)提出之經驗統計式，如下式所示：

w

表3-6 臺灣各地區引起災害性海嘯之最小地震規模分布情形

(strike slip)

7.8(Ⅰ) 7.9(Ⅱ)

參考來源：Ma, Kuo-Fong and Lee, Mon-Feng (1997)

綜合上述相關研究成果，在海嘯波浪傳播過程之模擬計算方面，主要係使用 推算數值模式，模式並考慮到分散效應(dispersion effects)及海床摩擦(bottom friction)之影響，近岸水陸交界地區則以移動邊界(moving boundary)方式處理海嘯 溯上過程之前鋒移動。圖3-4為本模式模擬1986年花蓮外海地震引發海嘯，在臺灣

圖3-4 臺灣東部海岸之海嘯溯上高度分布 參考來源：張國棟等(1999)

圖3-5 花蓮海岸之海嘯溯上高度細部分布 參考來源：張國棟等(1999)