國立中央大學 水文與海洋科學研究所
吳祚任 助理教授 2011/3/17
2011年3月11日台北時間下午1:47分，於日本福島縣外海發生規模高達9.0之強烈海底地震，並隨之引發大規模海嘯。海嘯主要侵襲日本福島縣沿海，以及位於福島縣北方之岩手縣，與南方之茨城縣，並造成4000多人死亡及高達一萬多人失蹤。然而更不幸的，本次地震造成福島第一核電廠爆炸與核污染。本文將以日本大海嘯為基礎，探討為何台灣能平安度過本次海嘯威脅。並以台灣為出發點，解釋台灣易受海嘯攻擊之區域。文中並將點出目前岩手縣之海牆設計失敗之原因，以及台灣核電廠對於海嘯災防上之盲點。最後介紹目前台灣在海嘯數值模擬之傲人成果，以及未來台灣海嘯防災新觀念。
簡介
2011年3月11日台北時間下午1點47分，日本外海發生令地球科學家出乎意料之外的大型海底地震，其地震強度高達芮氏規模9.0。該地震隨即引發強烈海嘯，並在10分鐘左右即抵達日本之福島縣，並在仙台、岩手引起高達10公尺之恐怖巨浪。海嘯波甚至往南傳遞到東京市，並在台場、池袋等人潮眾多之購物區造成多處失火，以及幼童眾多之東京迪士尼樂園與海洋世界造成土壤液化等嚴重問題。交通方面新幹線與捷運系統皆停駛，使交通中斷。仙台機場甚至完全被海嘯摧毀，僅機場高樓層部分殘留於海嘯洪水中。
在台灣部分，海嘯波大約於下5點32分抵達台灣，然而台灣所觀測到之海嘯波初達波僅12公分，而後續陸續有海嘯波抵達，高度大約在後壁湖、成功、烏石等處有50公分左有的波高。由於皆未發生於潮汐之高潮時段，因此並未有災情傳出。在太平洋部分，海嘯波分別傳遞至夏威夷、美國西岸與中美洲。但是由於波高都很微弱，且有足夠預警，因此並未傳出重大災情。
探討
我們首先要探討的，第一是為何這海嘯會如此強大？為何會在日本會造成重大災情？又為何台灣或太平洋彼岸沒有災情？要回答上述問題，我們必須先了解海嘯的特性。基本上，海嘯在傳遞過程中，波浪會朝向淺水方向前進，這是由於海嘯波傳的速度正比於水深開根號。所以當海嘯波一端水深較深，而另一端較淺，則海嘯波即轉向淺水地區的原因。這觀念很重要，換個方式描述，當海嘯進入深海區域時，部分海嘯波又會回頭攻擊淺岸地帶。這即是所謂『邊緣波效應』，這效應將會使海嘯能量盤據在沿岸或島嶼周圍。若周圍的海底地形是屬於平坦的斜坡，那麼邊緣波效應將可被完美的發揮出來。如果我們仔細觀察福島的海底地形，就可發現其正好如上所述，屬於漂亮的斜坡地形，所以這能量不容易進入太平洋，反而容易不斷攻擊福島與周圍的海岸（圖1）。
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圖1：福島周圍的海底地形呈現寬廣
斜坡地形（紅線圈處），
適合海嘯上溯與邊緣波效應。
星號表震央位置
（底圖來源：Google Map）。 |
但是即使有邊緣波效應，若本身海嘯強度不夠，仍舊不足以造成災害。福島海嘯之所以如此強烈，主要是該海嘯幾乎擁有所有大海嘯所需的要件：
1. 要有大規模海底地震。這次地震規模9.0，僅次於南亞大海嘯的9.1。非常強烈。
2. 必須為逆斷層。這次地震為板塊隱沒所致，為標準之逆斷層。逆斷層錯動會使海床劇烈垂直抬昇，並抬起大量海水，進而造成海嘯。
3. 震央位置必須夠淺。南亞海嘯震央深度約在地底25公里。而福島地震則僅有10公里。能量能夠更完整地轉換為海嘯能量。
4. 水深要夠深。夠深才有足夠的水體來蘊藏能量。福島海嘯大約發生在水深3公里處，有足夠的深度來儲藏地震能量，進而轉換為海嘯波。
5. 有平整的斜坡。斜坡可以使海嘯放大，並產生邊緣波效應，而福島外海則有漂亮的斜坡。
為何台灣未受影響？
基於以上的因素，福島超級海嘯因此而產生。然而，又為何台灣沒有受到太大的影響呢？這主要還是因為『邊緣波效應』。台灣與日本在地形上是以琉球島弧相連，也就是台灣與日本之間並沒有平坦的深海，因此發自日本的海嘯波會以邊緣波方式，一路彈射至台灣（圖2）。甚至在抵達台灣的第一波海嘯波，其波傳方向並非由東北方傳入（圖3），而是以正東向西直接攻擊至花蓮，其後海嘯波分為兩股，一股朝北繞到宜蘭與基隆，一股往南至墾丁、東港、高雄、與台南。這兩股海嘯波最後匯集於台中港附近。所幸所有的波高都很小，加上非高潮期，因此台灣平安度過這次的海嘯威脅。而台灣之所以沒有很高的波高，也是由於邊緣波效應。須知海嘯波之所以可以傳得又快又遠，這通常是指海嘯在相對平坦的太平洋或大西洋中傳遞過程。在大洋中，海嘯以直線前進，不需轉彎，因此能量消耗很少。但是邊緣波則不然，邊緣波不斷在轉彎，這過程會造成水分子彼此間速度差異，也就是摩擦，而這正是主要能量耗損的來源。因此這次海嘯能量主要還是集中在海嘯源周圍，一旦遠離該區域，能量即迅速消散（圖2）。
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圖2：台灣海嘯模式所預測之最大波高圖
與邊緣波效應示意圖。色階為波高，單位
公尺。深灰色箭頭表邊緣波效應。
邊緣波越接近台灣，
其最大波高越小，
入侵台灣以正向花蓮入侵。 |
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圖3：台灣海嘯模式所預測之台灣周圍
最大波高圖。海嘯能量主要集中在宜蘭、
基隆、墾丁、高雄、台南。
海嘯朝花蓮入侵，由南北繞過台灣
而匯聚於台中港。
色階為最大波高，單位公尺。 |
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| 圖4：台灣周圍海域海底地形圖（Google Map）。 |
台灣西南海域存在毀滅性海嘯之威脅
有了上述的認知後，我們可以開始檢視台灣的海嘯威脅。要看海嘯威脅，主要還是看海底地形。台灣的海底地形特色是：西部淺又平，東部陡峭，東北有往東南的琉球島弧，宜蘭外海有小斜坡通往沖繩海槽，正南方是呂宋島弧，西南方有個大斜坡（圖4）！若以可以動搖國本的海嘯威脅來看，台灣東北方有許多活躍的海底火山，的確有可能產生海嘯，但是該影響範圍小。宜蘭外海就緊接琉球島弧，這島弧扮演改變海嘯方向之角色，因此即使如1771年石垣島遭到85.4公尺高的海嘯攻擊，但是台灣卻僅有小到可忽略的波高。而來自太平洋之海嘯則由於受到陡峭東岸地形影響，主要能量會被反彈至太平洋。最後就剩位於高屏外海的大斜坡，該斜坡直接面向南中國海，因此我們必須謹慎探討來自南中國海的海嘯威脅。
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| 圖5：情境分析，規模9.0之馬尼拉海溝地震之海嘯初始波高 |
南中國海的東側為菲律賓呂宋島，呂宋島與台灣僅一海峽相隔。其西岸為惡名昭彰之馬尼拉海溝。該海溝被美國USGS評定為全球最活躍之海溝，該斷層長度極長，與南亞海嘯之斷層雷同，長度皆約1500公里，並且為隱沒型板塊，為歐亞版塊隱沒至菲律賓海版塊。GPS量測結果，每年板塊約以0.87公分錯動，屬活躍斷層。加上從1560年代菲律賓有文字記錄以來，竟無大地震之記錄，甚至近年之監測亦無規模8以上之地震發生。這與南亞大海嘯或是福島大海嘯很像，地殼下的能量不斷在蓄積，非常危險。根據地震重現期分析，馬尼拉海溝發生規模8.5的地震，其重現期為205年，而規模9.0則為667年。由以上的數據可發現，去掉過去440年的人類記錄歷史，面前只剩兩百多年的時間來發生規模9.0的超級地震，而規模8.5的大地震早該卻尚未發生。需注意，這僅是人類記錄的部分，對於440年以前是否有發生大地震則不得而知。更甚者，地震規模又與板塊錯動量有關。前述提到該區域以每年0.87公分錯動，若乘上440年，則錯動量已高達38公尺。南亞海嘯之錯動量為20公尺，而歷史上排名第一的1960年之規模9.5智利海嘯，其錯動量為40公尺。由以上數據可知，馬尼拉海溝已蘊藏相當可觀之能量，未來可能爆發大地震。
根據國立中央大學水文與海洋科學研究所海嘯科學研究室的模擬計算，當馬尼拉斷層發生規模9.0的地震（圖5），海嘯波初達波將於13分鐘後抵達核三廠，15分鐘抵達之墾丁，並於南灣產生高過10公尺之巨浪。接著海嘯繼續攻擊台灣西南岸，淹沒緊鄰海灣之屏東海生館與東港，並接著淹沒高雄與台南靠海之人口稠密區。值得注意的是，部分海嘯波甚至會往東傳遞，並在宜蘭造成高達7.5公尺之波高（圖6）。因此台灣對於來自南中國海的海嘯威脅不可輕忽。
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| 圖6：情境分析之規模9馬尼拉海溝海嘯之淹溢範圍與深度。 |
為何海牆未發生作用？
一般防治海嘯最有效的方法為構築海牆，只要海牆夠高夠穩，海嘯就可被阻擋在外。這次日本大海嘯，岩手縣宮古市花了30年，築起綿延2公里長，沿著海岸成X型之防波堤，可是卻擋不10公尺的海嘯，這又是為什麼呢？關於這一點，筆者要提出，該海牆設計犯了兩大錯誤：未料敵從寬與誤解海嘯高度。未料敵從寬主要是因為科學家並未料到該地區地震規模竟會高達9.0。這主要是因為有儀器記錄之地震是這一兩百年的事，但是這次地震屬於千年一次之地震，因此以不夠之樣本推估出來之結果是危險的。另外在工程設計上為達料敵從寬之目的，往往會乘上安全係數，通常約在1.5倍左右，以防止設計或工程上疏失，而10公尺的海牆僅可抵擋7公尺不到的水淹，該海牆應未考慮足夠之安全係數。
第二點是誤解海嘯高度。若海嘯入侵內陸後，可由其水體厚度來訂其海嘯高度。許多工程設計包括岩手縣海牆，或甚至台灣核電廠皆以該高度為設計目標。但至是嚴重的錯誤。須知海水入侵內陸時，會由海嘯波轉為海嘯湧潮，也就是類似洪水的行為。海嘯湧潮的速度是越靠近沿岸速度越快，越深入內陸速度越慢。速度停止時海嘯範圍稱為淹溢範圍，此時所有海嘯動能皆轉換為位能。問題在這裡，當海嘯湧潮以高速移動速度時，若遇到阻擋，動能轉位能的結果，會產生堆積或跳躍（圖7），須知海嘯湧潮後方的水體長達兩百公里以上，其源源不絕之海水挹注，若前端海水遭阻攔，則後端海水會壅高。根據數值模擬結果與實驗可發現，此類壅高程度有時可高達原海嘯波之兩倍以上。其中又以靠近海岸最為危險，如核電廠、海牆等。這可說明為何海嘯進入岩手縣宮古市會由原本的10公尺增長至14公尺。
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圖7：台灣海嘯模式所模擬之海嘯與結構物撞擊之過程。
可精準計算波浪破碎與空氣捲入情形以及
結構物受力狀況，其有驚人準確度。
圖中可見，由於受結構物阻擋，海嘯水體將壅高1至2倍。 |
在台灣，官員常說核電廠有考慮海嘯攻擊，其10公尺高的海牆可以阻擋10公尺高的海嘯，由上述分析可知，這論述很令人擔憂。海牆之補強相較於核電公安是便宜且容易的，希望經過這次日本海嘯事件，核電廠能採用目前最新發展之海嘯模擬技術，重新檢查是否有需要做工程結構物上之補強，以防台灣核安危機。
海嘯防災新思維
海嘯的科學研究過去以地球科學為主，主要研究地震與海嘯間之關係，並可粗略計算海嘯抵達沿岸時的波高。而工程方面則重在以實驗或水工模型方法，了解海嘯進入內陸的情形。然而受限於水工模型製作上的困難，以及尺度上的差異，很難完整考慮海嘯生成到近岸，甚至結構物之受力情形。今年來由於電腦科技之發達，特別是台灣之IC產業更是強大，我們應利用台灣此項優勢。因此筆者所領導之海嘯科學研究室耗費五年時間，已成功完成目前世界上最強大之海嘯模式。除可精確計算海嘯如何被生成，如何傳播，如何溯昇與放大，甚至可計算出海嘯與複雜結構物之互制行為，例如海浪碎花之產生，並可精確計算結構物受力情形。更甚者，台灣海嘯模式甚至可模擬海嘯如何入侵內陸，是全面性入侵？或是沿河道入侵？何時入侵至何處？淹水有多深？等皆可模擬得知，並動態呈現。其中傲視全球之技術，可模擬浮木與漂流物行為，甚至連底床淘刷皆可精確計算。這對於判斷重要公共結構物之安全有重大意義，例如海嘯洪水中，核電廠、橋墩、機場等設施之安全性皆可準確評估。
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圖8：台灣海嘯模式所預測
海嘯越牆行為與城市淹溢情況 |
政府對於台灣海嘯預警到目前為止皆無具體對策，這是由於台灣已經平安度過100年左右無海嘯攻擊的歷史，另一方面也因為海嘯預警其實關係到國家與國家間之角力。為使海嘯預警達到最佳效果，目前美國使用的方法是在太平洋沿海大量佈設海底壓力計與浮標，其可將壓力變化換算為海嘯波高變化。當1.5個海嘯波經過後，即可計算出海嘯方向、速度、與規模，並考慮發佈警報。可是當前大概也只有美國有如此強大的國力可以到世界各地佈設海嘯壓力計。而壓力計安裝經費高昂，後續維修也高昂，更不要說容易被漁民捕撈並拆卸其中高價太陽能板與衛星定位裝置。例如2004年南亞海嘯發生後，印度積極於及周遭海域裝設海嘯壓力計與浮標，然而每年約八成以上儀器遭人為盜取，最後不得放棄。但是，這都不是壓力計浮標不適合台灣採用之原因。壓力計浮標最大的問題是反應太慢。當壓力計感應到海嘯波，其必須區分此訊號究竟為生物干擾、颱風、潮汐、或是真的是海嘯。這通常需要至少一個海嘯波經過才能減少誤判。一個海嘯波的週期通常在30分鐘以上，然而，如前所述，南中國海若發生地震，其海嘯波在13分鐘就抵達台灣，因此海底壓力計並不適合台灣選用。
相對於海底壓力計，地震監測則迅速得多。透過各地地震儀之佈設與區域連線，當地震發生後，可在極短時間內準確定位出地震發生地點與規模。因此對於地震海嘯，若能掌握地震參數，則即可進行後端海嘯計算。海嘯防災最重要的是要了解海嘯入侵內陸時的行為。然而完整計算相當費時，因此需採用事前計算與資料庫建置方式執行。過去由於海嘯計算僅能計算至近岸浪高，因此實用性不足。現在我們已經發展全球最先進之台灣海嘯模式，因此海嘯防治也可由此進入新紀元。
新型態台灣海嘯災防之手段與對策
海嘯災害之防治，重點在於確切掌握以下數點：
1. 海嘯於何處發生？規模多大？
2. 海嘯何時抵達台灣？各地波高多高？
3. 各地淹溢範圍多少？海嘯如何入侵城市？
4. 建築物是否能承受海嘯攻擊？是否有重要設施必須補強或撤離？
為達到上述之目的，目前唯一之手段即建立『國家海嘯情勢資料庫』。該資料庫必須確實且完整計算所有可能之侵台海嘯，並模擬侵台海嘯對於陸地與沿岸設施之破壞程度。中央大學海嘯科學研究室已發展完成台灣海嘯計算模式，其可模擬由海嘯起源、海嘯傳播、海嘯入侵內陸、海嘯撞擊結構物（如核電廠、橋梁、房舍）、甚至連結構物周圍之沖刷情形，在中華顧問工程司之計畫贊助下，亦成功開發出海嘯底床沖刷模式（圖9），可精確計算沖刷深度與撞擊力，須知結構物之損毀，除結構物是否能抵抗強大海嘯攻擊力之外，其基礎被海嘯掏空後是否仍可穩固站立為安全之重點。目前能做到上述目的者，全球應不出其二。
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圖9：台灣海嘯模式所模擬之海嘯與橋墩交互作用。
上圖，含藍色自由液面與褐色底床。
下圖：底床色階表沖刷深度。為目前本模式為世上極少數
可精準算出底床動態沖刷行為之模式，
對橋梁或結構物安全評估與設計有極大助益。 |
因此，以目前技術而言，台灣已擁有超過世界水準之海嘯模擬技術，一旦資料庫建立完成，當海底地震被監測到，即可連線調閱資料庫中海嘯災害數據。這當中之耗時預估越30秒不到即可完成。即便在通訊中斷之情況下，國家指揮官仍舊可依據資料庫所提供之數據，了解各地所需調配之救援物資與人力。由本次日本大海嘯的經驗可知，日本的海嘯防災屬於被動型防災策略，亦即當事件發生後，防災中心必須設法與災民聯絡，以了解其需求。可是大型天災發生後，往往道路中斷、電力中斷、通訊中斷，加上虛弱等待救援之災民，救災成效將大打折扣。而『國家海嘯情勢資料庫』則可提供預知的功能，在海嘯來襲之初，即了解可能的災區災情，並可依此事先研擬災區撤退計畫與救援計畫。這種主動式防災概念，將可大幅提昇救援效率，並大量減少傷亡。值得慶幸的是，這概念已被國家接受，行政院國家科學委員會李羅權主任委員已宣告將成立專責機構以建構該資料庫，此為台灣人民之福。
本次日本大海嘯提供台灣許多寶貴經驗，包括明瞭來自日本之海嘯對台灣的影響，日本海嘯防災方式之優點與缺點。更重要的是，本次日本海嘯事件使國家更加謹慎檢查台灣之海嘯災防體系及其弱點，並督促政府逐步改善缺失，以建構更安全之生活環境。
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