基于线性水波理论和Boussinesq方程的海啸生成数学模拟

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基于线性水波理论和简化的数值模型,由海底滑坡和坍塌引起的海啸已经得到了广泛的研究。本文利用传递函数的方法计算海啸波的形态和变化过程。 该方法基于线性水波理论,通过对时间的Fourier 变换和对空间的Laplace 变换,从控制方程和边界条件推导出由海底地形变化到海面波的传递函数。模拟了海底滑坡和坍塌的二维运动简化模型的水波生成。 在计算非光滑阶梯状模型的同时,为了验证该方法是否适用于海底的光滑变形,建立了海底光滑变形模型,并比较了分别用线性理论的传递函数和线化的Boussinesq 方程两种方法得到的计算结果,二者符合良好。 针对冲绳海沟的地形特征,将海沟西坡简化为平底,东坡简化为一出水的直墙,建立一个一边有界,另一边无界的计算模型,推导出该情况下海底运动激发海面波的传递函数。计算了发生在不同位置和持续时间不同的海底地震激发的海面波形态,并分析了直墙对水波的反射作用。 在方法的验证和对比之后,针对平底地形,运用非线性的Boussinesq 水波模型,计算了不同震级的海底地震激发的海面波动,分析海底地震错距以及地震速度对海面波动的影响。运用高阶Boussinesq 水波模型和波浪爬高模型计算了缓坡上海啸的生成与传播。根据冲绳海沟的实际地形资料模拟了海沟内不同震级的海底地震激发海啸的过程,模拟海啸在东海大陆架上的传播过程以及在近岸地区的爬高。
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