區域性海嘯溯上資料庫建置與應用

一、我國海嘯歷史紀錄與海嘯災害

海嘯（Tsunami）是一種非天氣因素所引起週期約2 ~ 200分左右之重力長波，頻率介於潮波和湧浪之間，波長約為幾十至幾百公里（陳等，2010）。發生因素可概略分為強烈淺層海底地震、海底火山爆發、海底崩塌及水下爆炸等，要確切考證海嘯具體成因及發生時間需要參考多種科研紀錄及歷史文獻。在美國NOAA之NGDC/WDS Global Historical Tsunami Database資料(http://www.ngdc.noaa.gov/hazard/tsu_db.shtml)，利用可信度（Tsunami Event Validity）將西元前2000年~2015年間共2538起海嘯事件分為六級，分別為錯誤輸入（erroneous entry，-1）、湧浪造成（event that only caused a seiche or disturbance in an inland river，0）、非常可疑的海嘯（very doubtful tsunami，1）、疑似海嘯（questionable tsunami，2）、可能海嘯（probable tsunami，3）及明確的海嘯（definite tsunami，4）。所有海嘯事件對應之可信度分佈如圖1所示，可發現僅有約34%（865起）可被歸類於明確之海嘯。

圖1  所有海嘯事件對應之可信度分佈（資料來源：本文整理，http://www.ngdc.noaa.gov/nndc/struts/results?&t=102564&s=230&d=230）

在資料庫中將海嘯發生成因細分為12種，分別為未知（Unknown，0）、地震（Earthquake，1）、疑似地震（Questionable Earthquake，2）、地震與海底崩塌（Earthquake and Landslide，3）、火山與地震（Volcano and Earthquake，4）、火山/地震與海底崩塌（Volcano, Earthquake, and Landslide，5）、火山（Volcano，6）、火山與海底崩塌（Volcano and Landslide，7）、海底崩塌（Landslide，8）、氣象（Meteorological，9）、爆炸（Explosion，10）及天文大潮（Astronomical Tide，11）。而在2538起海嘯事件中，有1843起確定與地震有關（約72.6%），其成因分佈圖可見圖2，可發現大部分海嘯事件均起因於地震。海底地震引發海嘯之機制如圖3所示，然而並非每起海底地震皆會引發海嘯，圖4與圖5為1843起地震事件地震規模（earthquake magnitude）與震源深度（depth）分佈圖，引發海嘯之震源深度多分佈在60公里之內；而引發海嘯之地震規模多在5~8.9 之間，但僅有6起是由超大地震（地震規模9.0以上）所引起，即代表在長期有限之資料中，超大地震所引起之海嘯其實並不多見；Global Historical Tsunami Database彙整這6起之海嘯事件之傷亡人數如表1所列。

圖2  所有海嘯事件對應之成因分佈（資料來源：本文整理，http://www.ngdc.noaa.gov/nndc/struts/results?&t=102564&s=230&d=230）

圖3  板塊交界處發生錯動後引起海嘯之示意圖（資料來源：邱等，2005）

圖4  引發海嘯之地震之規模分佈（資料來源：本文整理，http://www.ngdc.noaa.gov/nndc/struts/results?&t=102564&s=230&d=230）

圖5  引發海嘯之地震之深度分佈（資料來源：本文整理，http://www.ngdc.noaa.gov/nndc/struts/results?&t=102564&s=230&d=230）

我國位於環太平洋地震帶上，板塊運動頻繁，自古以來也有海嘯紀錄散見於各種文獻中。圖6為資料庫將我國鄰近海域自1604~2015年間所有海嘯紀錄（暫時不討論可信度問題）做一視覺化之呈現(http://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/hazards/)。由這份圖資可以思考三個問題。第一個問題是：我國是否有發生海嘯災害之可能性?若有可能，則重現年或發生頻率為何?前者以統計觀點來說，這是有可能，因為大部分之海嘯事件都與海底地震有關，而歷史紀錄上我國也確有海嘯災情發生；後者牽涉之機率問題，由於海嘯事件在我國仍是少數之自然天災，可供參考之紀錄確實不多，目前仍無具體之定論。第二個問題是，如果我國有遭受海嘯之可能，那潛勢波源區在哪?由圖6可發現在所有我國海嘯案例中多半分佈於東部海域（含琉球海溝及沖繩海槽），主要原因是因為東部海域是板塊運動較為頻繁的區域；另一個值得關注之區域是位於南中國海馬尼拉海溝，有學者列為下一個引發海嘯的潛勢波源區之一(Kirby et al.，2005)。第三個問題是，在這些潛勢波源區中，哪些區域之斷層運動所引發之海嘯對我國威脅性較大？根據既有研究報告顯示(陳等，2010；吳，2011)，馬里亞納海溝、菲律賓海溝、琉球海溝、日本海溝、智利祕魯、花蓮外海、亞普海溝及馬尼拉海溝所引發之海嘯對我國較有威脅性。

圖6  我國鄰近海域自1604~2015年間所有海嘯之位址分佈 (資料來源http://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/hazards/)

我國較為廣為人知且有經科學考證之海嘯災情，當屬1867年（清同治6年）12月18日基隆海嘯事件；根據許明光及李起彤(1996)所彙整有關此一海嘯事件之記錄如下：

• 徐泓(1983)所編之「清代台灣天然災害史料彙編」，1867年12月18日台北、基隆、苗栗地震。徐泓根據「淡水廳志」的記載，「（同治六年）冬十一月，地大震。......二十三日，雞籠頭、金包里沿海，山傾地裂，海水暴漲，屋宇傾壞，溺數百人。」。又根據Alvarez，Formosa一書云：「1867年12月18日，北部地震更烈，災害亦更大，基隆城全被破壞，港水似已退落淨盡，船隻被擱於沙灘上；不久，水又復回，來勢猛烈，船被衝出，魚亦隨之而去。沙灘上一切被沖走。.......」。
• 李起彤(1991)在海嘯一節，引述了李善邦(1981，「中國地震」，地震出版社）一書中對中國海嘯考証的所得之「中國歷史海嘯一覽表」。其中提到李善邦引用「日本地震史料」所得的一段話「同治六年十一月二十三日台灣基隆大地震，全市房屋倒塌，且伴有海嘯，附近火山口流出熱水，死者頗多。」。
• 徐明同(1981)估計此地震規模大約是7.0，徐明同根據Davidson（Davidson, J. W., 1903, The island of Formosa, past and present, 646 pp.）所述「此地震在台灣全島都有感覺而北部地區最強烈，而基隆市街及其附近發生大災害。據在海關服務的外國人報告，在這一天基隆發生十五次有感地震，而引起災害者為第一次地震。第一次地震發生後十五秒內發生災害而基隆市街變成廢墟。由基隆港的海水流出，而留下海底暴露的事實，可判斷地震力。幸而當時沒有外國船舶在港內，而只有中國帆船。這些大小帆船一瞬間留在乾的海底，而另一瞬間被折回的巨大波浪淹沒或者以驚人的速度猛衝街上，破壞海邊附近留下來的少數房屋。很多魚向海岸衝上來，而人民迅速地拾集。在許多地方，大地裂開而再封閉，有一座山裂開而形成大山峽，而從山的側面流出熱水。這些熱水來自火山坑，而富有硫磺質溫泉和噴泉。此外還有發生許多有形的變化，包含基隆拋錨地加深數英尺。人命損失不知道，很可能沒有計算，預估死者可能達數百人。」海嘯規模為2。
• 慶松光雄(1963)論文引述「日本地震史料」有相當詳細之日文及英文之描述。
• 包澄瀾等(1991)一書中葉琳女士謂此次海嘯持續了38小時，淹沒120公里長的海岸線，4-5萬人死亡。楊華庭(1987)之「中國海嘯歷史年表」中記載地震發生於1867年12月18日，震央為東經121.7度北緯25.5度，震級7，產生規模為2之海嘯，海嘯之信度為4。災情記述為「震後碼頭上水，眾多船屋被毀，死數百」。

二、海嘯溯上高度與溢淹距離

由海底地震所引起之海嘯災害是屬於大規模且為被動式之天然災害；因為大部分海嘯事件是由海底地震所引起，地震測報技術尚未進入實用階段，亦何時何地發生規模為何之地震目前並無法事先預知，所以海嘯也不能事先準確預知。前述之潛勢波源區只是根據斷層分佈、海嘯歷史文獻及數值模擬等資料所歸納而成之海嘯可能發生區域。

海嘯在大洋中傳遞時一般波高甚小並不容易察覺，且能量衰減不易，故可以傳遞相當長之距離。海底地震所產生之海嘯具有方向性，也就是說位於海嘯傳遞路徑上區域，只要地形條件許可，就可能產生大規模之海嘯災害，例如2004年南亞海嘯之斯里蘭卡，距離震源有1500公里，海嘯仍然能夠穿越整個印度洋對斯里蘭卡東部海岸地區造成大規模之破壞。當海嘯傳遞近岸區域時，只要有足夠長之緩坡，淺化效應會將波高放大，能量集中；所攜帶之水體進入內陸地區後，位能大部分轉為動能，使得陸地之漫地流有足夠之速度對所經路徑之各式結構物產生破壞，且範圍可達數公里之遙。

以統計概念而言，海嘯災害實際上是一個「條件機率」。因為並非所有海底地震都會引發海嘯，也並非每次海嘯都會造成破壞性之災害。海嘯最令人擔心的是在海岸地區所引起之溯上及溢淹，如圖7。溢淹距離是指水體自灘線到海水侵入陸地最遠處之水平距離。溯上高度是指自平均靜水位量至海嘯波所能達到之最大垂直高度(Murata et al.，2011)，海嘯是長週期波，溯上行為通常可達數分鐘，溯上高度一般可用來估算陸地遭受溢淹後之漫地流流速、判別疏散形式及決定保全區域。

圖7  海嘯所引起之溯上高度及溢淹距離示意圖

三、海嘯溯上資料庫及數值式海嘯早期評估系統之概念

由上節介紹可知，海嘯在近岸最具威脅性之行為為溯上及溢淹，而在大洋間之傳遞行為在防災觀點中為次要；因此，需要關切的是海岸地區代表性地點在海嘯侵襲時所可能造成之溯上高及溢淹距離，所以在數值模擬過程中，我們可以利用適當之方式以資料庫形式儲存該代表性地點單位波源所造成之水位時序列變化，可有助減少儲存空間及增進計算效率，此種概念稱為互逆格林函數資料庫（Reciprocal Green's Function Dataset；簡稱為RGF資料庫），由Chen et al.(2012)所開發建置完成，該資料庫已經利用多起海嘯事件加以驗證，水位時序變化及最大波到達時間均與觀測資料相當符合(陳及劉，2010)。

另一方面，海嘯是一種長波，近岸小規模之地形變化相對於波長甚小，故可以免予考慮，而直接用一均勻斜坡地形取代起伏之地形，可減少對數值網格解析度之依賴，同時也增進近岸地區計算之效率。以此一概念為出發點，海嘯溯上資料庫採用Carrier et al.(2003)所提出之一維半解析解方式做為基本理論。該法是考慮一長波在一均勻斜坡上傳遞時所產生之能量來評估海嘯對單一位址所造成之溯上高度及溢淹範圍，Lin et al.(2009，2012)採用該演算法用來驗證2004年南亞海嘯斯里蘭卡東岸及泰國西岸與2011年東日本海嘯仙台附近之溯上高度及溢淹範圍，數值評估結果與現場實測尚稱符合。該演算法具有高準確度及計算時間快速等優點，因此，相當適合用來建置資料庫之用。由於此演算法以解析格林函數（Analytical Green's Function；AGF）為基礎函數，又稱為AGF資料庫。

結合RGF資料庫（外海區域）及AGF資料庫（近岸地區）可稱為數值式海嘯早期評估系統（Numerical Tsunami Early Estimation System），計算概念如圖8所示。RGF資料庫可在海底地震初期獲得斷層參數後隨即提供我國西南至東北海岸25個代表性區域之水位時序列預測資料，作為AGF資料庫計算所需之輸入條件；換句話說，RGF資料庫即類似外海數值式之浮標測站。對應之近岸區域溯上高度及溢淹距離則利用AGF資料庫加以計算。對於遠域海嘯而言，該系統可在海嘯發生初期得知某一地點外海區之水位時序變化及其最大波高到達時間及近岸區域之可能溯上高度及溢淹距離。而對於近域海嘯，也可利用蒙地卡羅法進行情境模擬，評估各代表性地點之海嘯災害風險，作為防災應變策略之制定參考。

圖8  數值式海嘯早期評估系統之計算概念圖

RGF資料庫與海嘯溯上資料庫所建置之代表性地點由西南海岸逆時針順序依序為北門~彌陀海域(BM)、彌陀~旗津(NZ)、旗津~枋寮(LT)、枋山~恆春(CC)、南灣(NW)、達仁(DR)、大武(DW)、太麻里(TM)、台東市/卑南(BN)、東河(DH)、成功(CG)、長濱(CB)、豐濱(FB)、壽豐(SF)、花蓮市/吉安(JA)、新城(XC)、秀林(SL)、南澳(NA)、蘇澳(SA)、五結(WJ)、壯圍(JW)、頭城(TC)、貢寮(GL)、瑞芳(RF)及基隆(KL)。溯上評估所需時間是與各代表性地點之資料庫檔案大小有關，經過數值測試顯示，使用一般個人用電腦（使用Windows7-12GB RAM-Inter ®Core™ i7-3770 CPU@3.4 GHz個人電腦進行測試）進行溯上溢淹演算程序除秀林(SL)、頭城(TC)、大武(DW)、太麻里(TM)、基隆(KL)及壽豐(SF)需時較久外，其餘各點均可以1~15秒內完成程序，如圖9所示。

圖9  海嘯溯上資料庫(AGF資料庫)每一地點檔案大小與計算時間之關係

四、歷史海嘯對我國現今海岸溯上高度及溢淹距離之評估

根據圖8之演算概念，透過海嘯早期評估系統來初步探討當歷史海嘯重演時對我國現今西南岸到東北海岸各主要鄉鎮之溯上高度及溢淹範圍；選擇1604/12/29台灣海峽北部（中國泉州）、1782/05/22新竹外海及1661/01/08安平外海三起海嘯案例作為代表性案例。在此要特別說明的是，本研究之目的是尋找一個簡單演算程序，在兼顧計算速度及準確性之條件下，評估合理之海嘯溯上高度及溢淹距離，供制訂海嘯防災策略之參考，並非要取代二維海嘯模擬及現行之海嘯預警（報）作業與程序（林等，2015）。

•1604/12/29 台灣海峽北部(中國泉州)

根據美國NGDC/WDS Global Historical Tsunami Database參考Gu Gongxu等人(1989)之研究資料顯示，該起事件肇因於發生在泉州外海之地震，規模為8；文獻紀錄在泉州外” Mountains shook and the sea surged with many ships capsized. The ground fissured at several places.”，而在福建省沙縣” Walls and rooms collapsed. River water surged.”，歸類於非常可疑的海嘯(very Doubtful Tsunami)。

在這起案例中，採用Ma and Lee(1997)所建議之震央位址，為北緯24.706度，東經120.334度。其斷層長度、寬度及海床位移量分別為111公里、56公里及4.5公尺，地震矩能量為dyn-cm，對應之地震矩規模為7.96，斷層參數strike/dip/slip角分別為50/45/90度(Okal et al., 2011)。該起模擬之初始水位分別如圖10所示，初始波高皆為6公尺（波峰3公尺，波谷3公尺）。

由RGF資料庫中輸入上述資料後，可得到表一中各點之三小時水位預測資料，經由圖8之程序計算並輸出每一點溯上高度及溢淹距離。所得溢淹距離若為正，表示無溢淹。該起事件在各預測點可能引起之溯上高度及溢淹距離如圖11所示。

圖10  1604/12/29 台灣海峽北部（中國泉州）之初始水位

圖11  1604/12/29 台灣海峽北部（中國泉州）海嘯事件所引起各點之溯上高度與溢淹距離

•1782/05/22 新竹外海

這起海嘯事件收錄於Iida et al.(1967、1984)、Soloviev et al.(1974)、、Lau et al.(2010)及Okal et al.(2011)；在Iida and Kumizi(1984)之文獻中紀錄「1782, May 22. South China Sea. Taiwan strait coast tsunami. Sea rose with great violence and remained its height 1 or 8 hrs. Tsunami  swept away villages and many people drowned.」（1782/5/22, 南中國海。台灣海峽沿岸發生海嘯，強大的威力使水位變化持續了1~8小時，海嘯掃過許多城鎮鄉村及許多人失蹤）。

而依NGDC/WDS Global Historical Tsunami Database海嘯可信度分類，該起事件屬於Questionable Tsunami；震央位址位於東經120.5度，北緯24.5度(於台灣海峽北部，新竹外海)，最大波高約為10公尺，死傷人數約為40,000人，但起因是否為海嘯，目前仍待進一步考查。

情境模擬條件為，斷層長度、寬度及海床垂直位移量分別為111公里、56公里及4.5公尺，地震矩能量為dyn-cm，對應之地震矩規模為7.96，斷層參數strike/dip/slip角分別為50/45/90度(Okal et al., 2011)。起始波高約7公尺（波峰3.5公尺，波谷2.5公尺），對應之初始水位如圖12所示。而該起事件對各代表性地點可能造成之影響如圖13所示。

圖12  1782/05/22 新竹外海之初始水位

圖13  1782/05/22新竹外海海嘯事件所引起各點之溯上高度與溢淹距離

•1661/01/08 安平外海

根據許明光及李起彤(1996)所彙整有關此一海嘯事件之記錄如下：

1. 包澄瀾等(1991)；根據楊華庭之「中國海嘯歷史年表」。1661年1月8日，東經120.1度、北緯23.0度發生震級6.4的地震，海嘯規模為1，海嘯信度為4。災情記述為「台灣安平大海嘯。“海潮至，淹廬舍無算 ”」。
2. 鄭世楠等（1989），謂此一地震震央在台南附近，震災地區為台南，相關於地震之記述為「地裂，餘震達六週，房倒23」。
3. 根據徐泓（1983）引述德人海卜脫(Herpor)著旅行記（Reisnach Java, Formosa, Vorder-Indien und Ceylon, 1659-1663）稱：1661年1月某日晨六時開始地震，約歷三十分，居民均以為地將裂開。安平房屋倒塌二十三棟，「海地」城破裂多處。大震之後仍不斷有輕微地震，使人如置身舟中，約三小時，無一人能站穩。其時適有三船入港，在水中亦激烈震動，一若即將覆滅者。此次地震中，有一事最可驚奇，即海水曾被捲入空中，其狀如雲。此次地震，無論海中，在陸上，人身均能感覺，共歷六星期」。 

而NOAA-NGDC資料庫亦收錄了Iida等(1967,1984)、Soloviev等(1974)及Gu Gongxu等人(1989)有關於此海嘯事件之紀錄及敘述，而此事件被歸類為疑似海嘯(Questionable Tsunami)。

在此一案例中，採用Okal et al.(2011)建議之震央位址，位於東經119度，北緯22度，斷層長寬、震源深度及位移量分別為127公里、63公里、10公里及5.1公尺，地震矩能量，對應之地震矩規模為8.1；斷層參數strike/dip/slip分別為107/59/73度，初始波高為8公尺（波峰3.5公尺，波谷4.5公尺）。初始水位分別如圖14所示，而該起事件對各代表性地點可能造成之影響如圖15所示。

圖14　1661/01/08 安平外海情境模擬之初始水位

圖15　1661/01/08 安平外海海嘯事件所引起各點之溯上高度與溢淹距離

結論及未來工作

從上述中三個試算案例中，前兩個案例對我國西南至東北海岸地區威脅性並不大，這是因為代表性點位均不在海嘯傳遞路徑之上且受台灣海峽地形影響之故，所以僅有些許的水位抬升，但不引起溢淹。而第三起安平外海海嘯對台灣海岸具有較大的威脅性，在不考慮既設海堤高程之情況下，較大的波高（小於4公尺）及較寬的溢淹範圍均只有侷限在西南海岸一帶；這是因為該起事件位於西南外海，加以西南海域有足夠長之斜坡有利於淺化效應，故西南海岸仍會受到顯著的影響。

另一方面，本文所介紹之溯上資料庫及早期評估系統計算概念可於有限時間內提供合理之海嘯溯上高度及溢淹距離之預測值。未來可應用蒙地卡羅法或情境模擬法來建立我國海岸各代表性地點受海嘯侵襲時之機率密度函數分佈及評估災害風險。

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