海嘯的模擬
94/10/13
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黃煌煇｜
成功大學副校長
印尼外海在2004年12月26日早上8點59分，發生規模9的地震，不久就陸續傳出海嘯（tsunami）侵襲南亞海域及島嶼，甚至波及非洲東岸的索馬利亞、坦尚尼亞與肯亞等地區，造成前所未見的傷亡。截至2005年2月22日的調查統計，已有305,276人罹難及失蹤，透過電視呈現的景象，簡直是人間煉獄，慘不忍睹。
由於人類紀錄中未曾碰到如此巨大的海嘯破壞，一般人也無法想像海嘯來襲的威力，以至於毫無警覺性，當海嘯登陸時驚惶失措，不知因應，才會造成如此慘痛的傷亡。也因為如此，才會引起世界各國的重視，而引發一波海嘯研究的熱潮。
海嘯的生成與威力
海嘯是屬於周期4分鐘以上，由於地震、火山爆發或海底坍方所引發的重力長波。它的波高雖不是很大，但傳播速度驚人，可達每秒150～215公尺，幾乎與噴射客機同樣快速。海嘯貫穿力強大，可把淺灘或岸線處的物體（包括人畜、斷木、甚至車子）往內陸推移數公里，退水時則可把陸上的行人或物件回刷至較深的水域，威力驚人，因此頗受研究長波的學者重視。
美國西北大學地質學家司坦因（Stein）與歐卡（Okal）2005年在《自然》（Nature）發表的論文指出，印尼北部至緬甸間的海床以每秒2.5公里的速度裂開長達1,200公里，寬度則在11公尺至200公尺之間，由於海底底床有如此快速且巨大的變動，造成芮氏規模9.3的地震，而引發世紀大海嘯。至於這次南亞地震的威力有多大呢？為了讓讀者有較清楚的概念，以大家印象深刻的921集集大地震來做比較，南亞地震的威力足足有200～300倍大，由此可以想像南亞地震的可怕。
另外，南亞大海嘯除了造成人畜傷亡、陸上建築物結構破壞受損之外，對於附近環境生態的衝擊更是無法估計。附近海洋生態和珊瑚礁的美景恐已慘遭浩劫，因為海嘯侵襲海岸後，不但直接重創珊瑚礁，也把陸上許多廢棄物帶到大海而沈積在珊瑚礁上，嚴重破壞了海洋生態，若沒有長期的調養生息，恐怕很難回復生機。再者，海嘯來襲後大量海水溯上推移至內陸數公里，其間海水滲入地下，污染淡水水源及地下水，造成土地鹽化，也是改變內陸生態環境的重大原因，這也是日後重建災區的一大隱憂。
至於臺灣是否曾經遭受海嘯的侵襲？依據歷史記載，臺灣自西元1661年至今疑似海嘯的紀錄即有6次之多。其中較具爭議的是1781年發生在高雄的海嘯，相關記載的傷亡相差頗巨。而較為明確的則屬清同治六年（1867年）的基隆海嘯，是基隆東北方的海底地震所引起的。當時基隆尚未建港，海域是漏斗形的海灣，海嘯進入海灣後，能量容易集中，使水位大幅提高而推升至陸上，捲走居民數百，市街全毀，重創基隆。由於臺灣曾有海嘯的紀錄，且四周海域地震頻繁，大型海底地震造成海嘯災害的可能性不能等閒視之。
海嘯的數值模擬
從已有的文獻或紀錄雖可得到人畜傷亡的統計資料，讓我們能夠想像海嘯對環境生態破壞的威力，但因發生的次數及實測數據太少，而無法由有限的資料去推估其生成、傳動與威力。因此，須藉由數值模擬與水工模型實驗來呈現海嘯運動的全貌，以協助我們對海嘯的傳動特性能有多一層的認識，並據以深入探討對環境生態可能造成的破壞，甚至建立預警系統，期能減低傷害。
什麼叫做海嘯的數值模擬？簡單地說，是把海嘯的運動方程式寫成計算的模式，利用計算機的強大計算能力，輸入地形邊界、深海處的起始運動條件，來計算海嘯生成後在傳播過程中的水位變化、流場中的運動，甚至在淺水地區的推升狀況，以研究海嘯的傳動及相關的運動特性。當然數值模擬的結果僅能做為初步的參考，而無法做直接的應用。若要把數值模擬的結果應用到實際的海嘯現象，必須經過非常嚴謹的校核與修正才能接受。
臺灣對海嘯的模擬推算最早是在民國62年（1973年）進行的，當時是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成功大學水工試驗所與水利系共同完成〈墾丁海域海嘯及颱風水位推算〉，其中推算得知墾丁海域在外海地震規模7.5時的海嘯高度是4.2公尺、周期是23.4分鐘。至民國72年（1983年），因臺電核能四廠的廠基高度及進水口安全取水的設計考慮，也由成功大學水工試驗所完成〈臺灣電力公司核能四廠海嘯研究報告〉，其中推算得知在臺灣東北角外海發生規模7.93的地震時，海嘯高度是7.02公尺、周期是44.28分鐘。
由於座落在海邊附近的核能電廠須顧及海嘯來襲時，進水口的取水高度與安全取水量，同時也須避免廠基淹水，因此當年成功大學水工試驗所的數值模擬重點，在於外海地震發生後引發的海嘯波浪高度與周期。由於當年計算機的計算容量不足與數值模式的發展受限，因此無法模擬海嘯的傳播運動，以及海嘯在淺灘區間的溯上與下刷的現象。近十幾年來計算機的速度與容量大增，而且數值模式的運算技巧大幅提升，因此海嘯數值模擬已可就整個海嘯長波從深海發生到淺灘，甚至溯上至陸域的傳動進行演算，而且在與部分水工模型試驗相互校核、印證後，已漸趨成熟。
1990年8月15～18日在南加大召開的國際長波溯上研討會中，對於海嘯的數值模擬就有十分深入的探討。歷經十餘年的研究發展，如今美國康乃爾大學、奧瑞岡州立大學都已有十分成熟的模式問世。由於成功大學水工試驗所與上述兩所知名大學都有合作研究，因此國內若欲建立海嘯數值模擬的研究，當可立即引入美國已建立的成熟模式，再經臺灣周邊海域環境的修正，以及水工模型試驗的校核驗證後，便可在短期內建立適用於臺灣地區的海嘯數值模式。
水工實驗模擬
海嘯水工模型試驗除了做為海嘯數值模擬演算結果的校核印證外，另一目的是藉物理模擬以增加對海嘯運動特性的了解。因此欲建立海嘯研究的深度，水工實驗模擬能力是不可或缺的重要項目。
一般人對於海岸的波浪運動較有概念，颱風來襲時的大風浪都可由電視畫面轉播或親身至海邊觀察加以體會。颱風波浪由深海傳至淺海附近碎波時，都很容易看到浪花四濺、波濤洶湧的壯觀景象。可是很少人知道，當波浪碎波時瞬間沖擊力量雖然很大，但碎波後的波浪威力隨即消逝大半，只要有適當的保護防制措施，縱使颱風波浪也不至於造成沿岸的重大損害。
海嘯則不然。由於海底地震、坍方或火山爆發都是瞬變的運動現象，所造成的海嘯高度在深海處雖不大，但它的能量集中，傳播速度迅速，及至淺水區域由於水深漸淺，海嘯逐漸推升，而產生較大的波高，繼續向岸貫穿傳播，甚至把海岸內陸的人畜及結構物體向前推移，直到海嘯溯上能量消散為止，然後再回流下刷，攜帶諸多的結構物體漂流返回海域，造成不可預知的重大災害。這是海嘯與一般波浪傳動不同的地方，而且海嘯外相雖不若暴風波浪的凶惡，但它對整體環境的破壞及造成的災害卻是暴風波浪所不及的。
有鑑於一般人對海嘯傳動的認知不足，也不了解海嘯潛在破壞的危險性，因此日本富士電視臺在今年3月 2～4日派外景攝影隊前來成功大學水工試驗所，拍攝暴風波浪與擬似海嘯波浪的傳動現象。實驗畫面顯示暴風波浪在碎波時威力看似驚人，但碎波後，沿岸附近幾無破壞。但在深水處波高約50公分的擬似海嘯波浪，傳動至淺水處時，波高已推升至約80公分，而其前導波一直向前推移，甚至可破壞5公分厚的鋼筋混凝土板塊，由此可體會海嘯波浪的威力。
若要在實驗水槽中模擬海嘯波浪，造波機的功能除應具有造波信號與運動機構轉換系統外，模擬的波形也不可超越造波機的保護系統。由於海嘯波是瞬變的運動現象，即使是目前國際上最好的造波系統也不敢貿然進行海嘯波形的模擬，必要時須在滿足造波機保護系統的限制條件下，才能從事擬似海嘯的模擬造波。
成功大學水工試驗所在3月間讓日本電視臺拍攝的就是擬似海嘯的水工模型試驗。但若只要製造瞬變的海嘯傳動 （如以孤立波型態模擬），則可不需借用造波機，而只需以人造結構瞬時插入或抬升水面以製造海嘯波浪，且更能符合海嘯傳動的特性。有關這項海嘯的模擬能力，包括海嘯溯上、推移、基礎沖刷及結構破壞等相關傳動特性，國內也已具備。
海嘯是一種天災，它的破壞力遠大於平常所見的暴風波浪。雖然目前對於海底發生地震、火山爆發或大規模坍方仍無法做有效的預測，但由其引發的海嘯的預警或相關的模擬研究，目前已累積甚多的成果，而臺灣在海嘯的研究上也已建立很好的基礎。由於地處太平洋地震環帶，有可能受到海嘯的侵襲，最好事前掌握海嘯災害的潛在地區，並進行相關的破壞研究。政府部門宜先整合國內的資源投入研究，掌握先機，事前做好防範規畫，便可減少可能的災害損失。
