TSUNAMI SCIENCE RESEARCH LABORATORY

台灣海嘯之研究進展與災害防治之道

吳祚任
國立中央大學水文與海洋科學研究所
tsoren@ncu.edu.tw

摘要

  2011東日本大地震所引發之大規模海嘯,不僅造成日本重大人員傷亡,並引發核電廠氣爆與輻射外洩災害,影響至今。毀滅性海嘯之特色為低發生率與高破壞力之複合型極端災害。其往往結合地震、海嘯與核災。地震方面,海溝破裂長度超出原先預期;海嘯方面,影響範圍過大,工程手段無法完全防治;核災方面,無法立即提出解決方案,導致災情持續惡化。該海嘯事件亦凸顯過去學界研究盲點,特別是對周遭地質環境之瞭解過度自信,以致於低估潛在最大規模地震與海嘯。
台灣位於太平洋火環帶之西緣,地殼變動劇烈,地震頻繁。其主要受菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊交互隱沒,以及菲律賓海板塊西側與呂宋島弧碰撞歐亞大陸邊緣之影響,可引發潛在大規模海溝型海嘯,亦可能造成大型山崩海嘯,此兩類海嘯對台灣之危害不能輕視。由於台灣獨特之地理條件,海嘯對台灣之影響有其特別之處,也因此需要發展適合台灣之海嘯研究能力與海嘯災防策略。
本文將介紹目前台灣海嘯研究之進展,包括海嘯預警、潛在海嘯源解析法、海嘯二維與三維之模擬、歷史海嘯、廟宇海嘯、台灣海嘯石之發現與解析等。並討論台灣目前海嘯災防之進展,並提供未來海嘯防治之道。

ABSTRACT

   The massive tsunami triggered by the 2011 Tohoku Earthquake not only caused casualties in Japan, but also induced gas explosion and radiation leak at three reactors in the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant complex. The radiation problem lasted till now. The devastating tsunami is an extreme disaster featured the low return period and high destructive potential. Usually resulted as a combination of earthquakes, tsunamis, and nuclear disasters. Earthquakes, the rupture length of the trench longer than expected; tsunamis, the affected area is too large to be controlled by engineering methods; nuclear disaster, no immediate solution leading to a worse disaster. The 311 tsunami event also highlighted the blindness of the past research, especially for overconfidence on understanding the geological environment, and resulting in underestimating the largest potential earthquake and tsunami.
Taiwan is located in the western edge of the Pacific Ring of Fire with drastic changes in the crust and frequent earthquakes. The earthquakes mainly caused by the subduction between the Philippine Sea Plate and the Eurasian plate, and the west of the Philippine Sea plate and Luzon arc colliding with the edge of Eurasia plate. It has the potential of generating large trench-type tsunami, and also has the potential of creating large landslide-type tsunami. Both types of tsunamis are dangerous to Taiwan and the potential cannot be ignored. Because of the special geology, the tsunami in Taiwan features the uniqueness on the tsunami hazard mitigation and research technique.
In this study, the progress of the tsunami research in Taiwan will be introduced, such as the tsunami early warning system in Taiwan, an IIA algorithm for finding the potential tsunami sources, 2D and 3D tsunami models, historical tsunami, temple tsunami, tsunami boulders in Taiwan. At the end, the current progress in the tsunami disaster prevention and strategy will be discussed.

  2011年3月11日,東日本大海嘯的災情震撼全球,而後續的核電災變至今仍舊造成揮之不去的陰影。因此面對海嘯潛在的危害,成為許多海權國家要審慎面對的問題。台灣四面環海,天然環境甚至人文環境都與日本類似,台灣自此開始重視海嘯的威脅,也希望透過科學的研究,減少台灣的海嘯災害。

  在311日本海嘯事件後,科技部(當時稱國科會)緊急啟動一應科方案,由筆者擔任主持人,探討台灣潛在大規模海溝型海嘯之威脅。在該計畫中,透過與地震及地質界之學者與專家深入討論,對台灣周圍海溝擬定18個海溝型海嘯源,並針對南北之核電廠,擬定4個斷層型海嘯源(圖1)。該計畫之重點於以台灣現有之海底地質與地形資料為基礎,配合最新之Source-Scaling Relationship訂定地震參數,並採用知名的 COMCOT 海嘯模式,進行高解析度非線性且包含溢淹的情境海嘯模擬,所得之成果包括最大波高、溢淹範圍等重要資訊,可成為海嘯災防之參考重點(圖2)[11][18][20][21][22]。


圖1,18個海溝型海嘯源與4個斷層型海嘯源。

  該計畫執行得相當成功,不僅透過大量情境模擬,了解台灣主要之海嘯威脅主要來自花蓮外海(T1)、馬尼拉海溝北段(T2, T3)、以及亞普海溝(T8)等潛在海溝型地震所引發之海嘯,也使核電廠之防海嘯有所依據。也由於此計畫之成功,包括聯合國教科文組織UNESCO,中國、香港、越南、菲律賓等國皆以此研究成果作為海嘯災防之重要參考 [1][3][9][12][16]。

  但該計畫受限於時間因素,僅針對海溝型海嘯加以探討。然而台灣周邊仍存在諸多不同來源之海嘯機制,最明顯之案例為1867年的基隆海嘯事件。該事件所記載之海嘯波高於基隆及金山約為6至7公尺。但海嘯得成因卻撲朔迷離。由先前22個海嘯源所計算出之結果可發現,基隆、金山一帶即便遭受Mw7.8之地震海嘯,其海嘯波高仍僅約3.5m。然而1867年事件之推估海嘯規模約為 Mw7.0,透過數值模擬,該規模最大可能的海嘯僅約0.4公尺,由此可推論,該事件中尚有未知之海嘯生成機制。由於不少文獻提及地震火山噴發,加上基隆與金山外海有不少陡峭地形與火山之分布,以及最新之調查結果亦發現海底崩移 (Storegga Slide)之遺跡,因此海底山崩或海底火山噴發之肇因必須審慎考慮。這也表示台灣北部特殊地構,若僅討論地震誘發之海嘯,會低估潛在的海嘯風險。


圖2,22個海嘯情境模擬之最大波高圖。

  既然知道有另外的海嘯機制存在,接下來的挑戰就是如何找出這些未知的海嘯源。海嘯源的找尋相當重要,例如核電廠要防海嘯,那麼哪個位置的海嘯源對核電廠的影響最大?又如在海岸發現海嘯沉積物或海嘯石,那麼當時的海嘯是從何而來?這類問題很重要,卻很難回答,主要原因是海嘯可能是近源(near-field)也可能是遠域(far-field),由於範圍太廣,若直接進行海底探勘,不僅耗時也太過於昂貴,因此在科技部的補助之下,筆者以水動力的角度進行分析,並發展出海嘯影響強度評估法(Impact Intensity Analysis Method),簡稱IIA法。IIA的特色在於,透過能量分析,直接由研究位置向外找尋可能之海嘯源,並輔以相關的地物、地震、地質等相關資訊,縮小可能之海嘯來源,最後針對有限個數之海嘯情境進行分析。


圖3,以IIA法分析金山之可能海嘯來源以及影響強度。

  所獨創之IIA法,成功解析1867年基隆海嘯之海嘯源。首先,經過IIA法,直接排除位於沖繩海槽南端之情境,也排除來自日本或智利海嘯之可能。在交叉分析後發現,該事件除地震所引發之海嘯外,海底山崩亦為海嘯之主要成因之一,而海底山崩之位置亦透過IIA法予以定位,在盲算之情況下,定位出海底山崩發生位置最有可能位於三貂角之東南外海,介於基隆海谷與棉花峽谷間之基隆陸棚(圖3)。此結果海測結果吻合,顯示IIA 法分析之精確性。

  透過IIA的分析,不僅可迅速掌握核電廠所面臨之潛在海嘯來源,亦可有效找尋歷史海嘯(Historic tsunamis)或古海嘯(Paleo-tsunami)。歷史海嘯泛指有人類記載之海嘯事件。以台灣約400年之文化歷史,比對全球大規模海嘯事件之週期約在500~1000年之事實,台灣大致有機會記錄不到1次之大型海嘯事件。然而,台灣所記錄之海嘯事件次數遠高於此,這也表示台灣遭受海嘯威脅的機率不低,不能因近100年來台灣沒有遭逢重大海嘯事件而掉以輕心!

  台灣西南沿海,特別是從台南到高雄,再延伸到屏東一帶,歷史上曾有數次海嘯事件的記載,例如1661台南海嘯、1781之屏東東港海嘯、及1782 之台南大海嘯等。由於台灣獨特的歷史背景,先民早年來台開墾,大多是不識字的「羅漢腳」,即便有海嘯事件,若死傷沒有嚴重到驚動朝廷,跟本沒機會被記載,更遑論明末清初的禁海令,將山東至廣東沿海居民內遷30至50哩,使得即便有海嘯事件,也很難影響民眾,或列入史籍中。然而,台灣獨特的陰廟與廟宇文化,卻有可能補足這缺口。在海嘯事件後,若有大量死亡,依台灣習俗,會將屍骨收集,並蓋陰廟,或海邊廟宇因為海嘯侵襲而搬遷或重建。一旦有廟宇,就有機會找到事件的蛛絲馬跡。

  透過科技部的補助,筆者訪查分析約800多間寺廟,並發現不少寺廟有海嘯相關等記載,部分可直接認定為海嘯,部分為風暴潮。以筆者研究團隊所找到的1894東港海嘯為例,本案例相當特殊,並未記載於官方文獻上,而是記載於四座廟宇的碑文上。本案例發生於西元1894年,於屏東東港大鵬灣北部。目前在該地四座宮廟(東隆宮、鎮海宮、嘉蓮宮、南隆宮)之廟誌、碑文、甚至於廟宇天花板上皆有一致的海嘯記載,事件可信度相當高(圖4)。


圖4 鎮海宮外觀(左),以及鎮海宮天花板之海嘯記載(右)

  另一個案例則是1624風暴潮事件。該事件位於嘉義之布袋好美里魍港太聖宮(圖5),此事件也最讓筆者印象深刻。西元1624年,荷蘭人曾在魍港口岸築青峰闕砲台,而期間太聖宮遭逢颱風海嘯(過去風暴潮亦稱海嘯)沖毀,而荷蘭士兵迎媽祖神像入青峰闕砲台祭祀。這段歷史是否真實已難以考證,然而颱風洪水之記錄仍可作為科學研究之參考。這次訪查中,太聖宮蔡隆德先生熱情向筆者介紹這段歷史,並將四百多年之媽祖神像取下交付筆者仔細研究,讓筆者相當感動,也給筆者重要動力,繼續為台歷史宮廟海嘯盡一份心力(圖6)。


圖5,嘉義布袋好美里魍港太聖宮外貌(左),太聖宮蔡隆德先生(右,著藍色衣服者),背景為有400多年之媽祖神像相片。


圖6, 400多年之媽祖神像本尊(左)。蔡隆德先生展示過去媽祖肉身做藥引所挖出之碗狀凹痕(中)。碑文上所寄載青峰闕之事蹟。

  透過IIA分析,並搭配COMCOT,以多重潮狀網格求解含溢淹之非線性球座標淺水波方程式,成功還原許多歷史海嘯事件。而當海嘯逼近岸邊,甚至衝擊上岸,進而對核電廠或結構物造成損害時,海嘯的研究將進入災防與工程的範疇。所求解的方程式也從淺水波方程式,轉變為三維含碎波自由液面之Navier-Stokes方程式。能夠同步求解大尺度之海嘯與小尺度之結構物衝擊的研究團隊在國際間相當少。若還要考慮海底山崩的邊坡滑動以及結構物周圍的局部沖刷,那麼大約只有台灣能夠直接求解 [1] [3] [4] [6] [7] [9][10] [13][14] [15][17] [19]。這也使美國知名的海嘯學者如Prof. Costas Synolakis 與 NOAA 的 Dr. Eddie Bernard 海嘯前輩對台灣的海嘯研究成果感到驚奇。Dr. Eddie Bernard 甚至還指名單獨與筆者研究團隊討論。

  除此之外還有兩個有趣的台灣海嘯分析,其一是1661鹿耳門水漲事件,該事件與台灣起源有關,最曲折有趣,精彩萬分。其二是屏東九鵬與蘭嶼的海嘯石,海嘯石的發現代表過去曾有大規模之海嘯事件,分析上需要特殊的三維移動固體法與三維沖刷坑的計算,該案例讓筆者在數值招式上發揮得很過癮。但限於篇幅,此部分保留至大會時再解說。

  除海嘯科研發展之外,本文另一重點在於海嘯災害防治,以及針對災海防治所需要發展之科學與科技。本議題在2016年科技部海嘯災害白皮書之擬定時,已召集海嘯、地質、地震、海嘯考古、海岸工程、災害防治等專家學者集思廣益,擬定出一系列未來十年之科研目標。本文僅摘要海嘯部分之重點,希望透過第四屆海洋與臺灣研討會,將結論重點引議,以期獲得更大之回響。

  海嘯災害防治於未來之科研目標,在於了解台灣潛在海嘯威脅,使民眾清楚了解海嘯天災,以降低海嘯對台灣社會帶來之衝擊與傷害。而在核電等敏感設施方面,希望發揮學界力量,以科學為基礎,透過清楚掌握對台灣海嘯與地質條件之手段,訂定設施之耐海嘯標準,以期減少社會之摩擦與對立。然而欲達上述之目標,其背後需要大量之人力與經費之投入,因此建議增加現階段相關海嘯研究,並規劃未來十年海嘯災害防治科技之重點基礎科技研究:

一.海嘯歷史紀錄、認知與教育

  1. 研究與模擬重現歷史海嘯事件,包括台灣周圍與國際其他地區,以深入了解影響海嘯之因子。
  2. 調查與研究侵台之歷史海嘯與古海嘯,並藉由掌握未來海嘯潛勢。歷史海嘯與古海嘯之重建重點在於海嘯源之推估,並尋求過去侵襲台灣之證據。包括海嘯溢淹所留下之海嘯沉積物以及近海湖泊之海水入侵記錄等。
  3. 廟宇之歷史海嘯記錄蒐集與歸納。由於台灣近百年來未受大規模海嘯侵害,因此民眾對海嘯威脅鬆懈。探究歷史可發現,台灣在短短350年間,就有為數不少之海嘯記錄,然而這些海嘯記載多不完整,且部分誇大渲染,加以早期先民來台開墾,多未識字,即便遭逢海嘯事故,亦不容易書寫記錄。加以明末清初之禁海令,導致大陸沿海居民內遷30至50哩,無法得知是否有海嘯事件。因此位於台灣沿海之廟宇或石碑上記載之海嘯傷亡或遷廟紀錄,成為不可多得之考察事證,而考察結果將有助於了解台灣海嘯潛在來源與重現期。
  4. 海嘯石分析與事件還原。台灣近年來屢屢發現疑似海嘯石之大型珊瑚礁石。若其為海嘯力所致,則表該地區曾受大規模海嘯侵襲,亦代表未來潛在再度受到海嘯攻擊之可能。因此透過地質與水動力學之分析了解可能之成因刻不容緩。在水動力模擬方面,需更進一步發展移動固體法之技術因應。
  5. 海嘯石周圍沖刷坑與海嘯石原有尺寸之關係。所發現之海嘯石中,部分海嘯石周圍有明顯之沖刷坑,有沖刷坑之海嘯石通常呈現破碎狀態,也容易造成低估該海嘯事件之威力,因此沖刷坑大小與海嘯石原有尺寸之關聯性亟待建立。
  6. 增加海岸地區海嘯遺跡調查,確認過去海嘯發生位置,海嘯有重複發生的特性(因地質結構關係),建立正確的海嘯位置記錄,才能有效的進行海嘯防災準備。

二.海嘯形成機制和傳播水動力

  1. 海嘯動力學之精進。包括長波與中長波之傳播理論、布氏定理、海嘯上溯過程、海岸植生消能、海岸潛堤消能、海底泥灘消能等理論、數值模型、水工模型之發展。
  2. 建立完整海嘯數值模擬技術。海嘯具有低重現期與高危險性之特性,因此在科研方面相當仰賴數值模擬。然而海嘯傳抵近岸時所演變之碎波行為相當複雜,需發展更先進與快速之數值模擬技術因應。
  3. 海嘯波溯昇與溯降之動力分析。海嘯波之最大破壞過程在近岸之溯昇與溯降,然而由於此階段過程複雜,至今仍須科學探討。特別是溯降過程,其影響結構物如何被海嘯破壞並捲回海中。

三.海嘯災害潛勢圖之建立

  1. 探討海嘯潛勢。針對台灣東北部、東部、南部、西南部、西部沿海,分別研究與探討可能之海嘯源與潛在海嘯情境。
  2. 調查並掌握可能發生海底山崩之地點。包括準確計算台灣周邊海域海床坡度變化、調查海底沉積物、估算斜坡上沉積物之穩定度,模擬海床發生崩塌所可能引發之海嘯高度,繪製台灣周邊海域海底山崩海嘯潛勢圖。
  3. 建立完整之海底地形資料庫。海嘯之傳播在海嘯源確定後,主要之影響即為海底地形。因此掌握海底地形,特別是近岸海底地形,為海嘯模擬成功與否之關鍵。

四.海嘯防治工法之精進

  1. 防治海嘯工法之研擬。包括海嘯牆、海堤、海岸植生消能、海嘯逃生塔、訂定建物耐海嘯侵襲之設計規範、研發耐海嘯技術與工法及推動校舍耐海嘯評估與補強計畫。
  2. 核電廠與火力發電廠應重新檢視潛在海嘯威脅、防海嘯能力評估與應變策略。

五.監測與預警系統之建立

  1. 透過海嘯浮標、海嘯海底電纜及與太平洋海嘯預警中心合作等方式,進行海嘯監測。
  2. 研究海域地震活動,並增進海域地震定位與速報能力,掌握海域地震震源機制,以提升海嘯快速模擬之基本能力。
  3. 監測台灣北部海域海底火山活動,並評估噴發量與海嘯能量。
  4. 天然氣水合物不穩定所引發潛在海底山崩之研究。
  5. 建立海嘯速算系統,包括直接速算法與格林函數法,並針對台灣地區發展震源機制解之經驗公式,以在地震發生初期,即可正確掌握海嘯源,以及各海岸之海嘯高度與上溯範圍。
  6. 與太平洋海嘯預警中心緊密聯繫,以迅速掌握遠距海嘯之行為,並結合速算系統,了解遠距海嘯之到時、波高、溢淹深度與範圍。
  7. 以GPS訊號快速推求大規模地震與海嘯對電離層之影響,建立電離層海嘯浮標,以快速監測大範圍海嘯動態。
  8. 建立海嘯溢淹潛勢圖。海嘯最危險之階段在於溯升與溢淹,能正確掌握離岸海嘯波高為基本需求,然而能掌握溢淹範圍與深度則為近年來各國努力的目標。
  9. 機率海嘯與海嘯危害度分析。海嘯屬於低重現期,高破壞力之天然災害,因此了解海嘯發生機率是免除過度恐慌的重要步驟。近年海海嘯機率與危害度分析已有長足之進展,如何將此技術應用與台灣周圍海域為重要課題。
  10. 建立海嘯資料庫與災損評估系統。溢淹範圍與溢淹深度之計算仰賴高解析度之近岸地形,因此事前模擬與資料庫建立是必要手段之一。結合災損評估系統則可達到適度配置救援資源以及行政快速反應之效。
  11. 敏感設施如核電廠之海嘯源掌握,發展海嘯源追蹤系統。在海嘯事件尚未發生之前,即掌握可能之海嘯源,排除不可能之源區。以集中資源監控高風險之源區,並藉此掌握海嘯源位置、震源機制與海嘯生成之關係。
  12. 於5-10年內完成海嘯機率分析及風險潛勢圖,供相關政府部門分層執行,並建議有防災專責單位分層分責。
  13. 以科學方法(例如百年內之發生機率)決定最大海嘯波高之災害預防規劃。

六.國家政策、法規與部會之配合

  1. 中央應明確訂定海嘯災防政策、法令與經費。
  2. 科技部應定期邀請國內外海嘯專家,進行國際海嘯之研討。
  3. 外交部應透過人道與國際關懷,協助東南亞國家建構海嘯預警系統,亦擴大南中國海海嘯預警範圍。
  4. 科技部可就海嘯之科技與力學研發;教育部著重海嘯之科普及防災教育;交通部關注如商港之應變及避難與港區之防災
  5. 行政院應分別針對近域海嘯與遠地海嘯進行災防演練。遠地海嘯對台灣影響較有限,而近域海嘯則有較大的災害可能性,因海嘯抵達海岸地區僅數十分鐘,民眾對海嘯防災的認識與準備需要大力提倡。並在台灣沿岸為海嘯風險區設置明顯的疏散指引標示,辦理海嘯防災演練。未來若有重大海嘯災害發生,可有效減緩海嘯災害。
  6. 教育部應設立海嘯科學與災防教育中心,增進民眾對海嘯科學之認知,且了解海嘯災防之重點。

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