海嘯數值模式 COMCOT 之速算系統建置Ⅱscweb.cwb.gov.tw/research/64vol/MOTC-CWB-103-E-17.pdf · 近岸解析度可自由調整，過去有可由3.5km 解析度縮小至10m

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海嘯數值模式 COMCOT之速算系統建置Ⅱ

吳祚任李俊叡李宇弘

國立中央大學水文與海洋科學研究所

張建興林昭儀廖哲緯

中央氣象局地震測報中心

摘要

臺灣東岸面臨太平洋，直接面臨太平洋火環以及海溝所產生之海嘯威脅，因

此建置一套快速且準確之海嘯預報系統為臺灣海嘯災防之首要目標。本計畫協助

中央氣象局建置海嘯速算系統，該系統使用美國康乃爾大學 Prof. Philip L.-F. Liu

所發展之 COMCOT 海嘯數值模式，即時模擬海嘯源之生成以及海嘯波之運動過程、

到時與淹溢情形。該模式利用提供巢狀網格與數值移動邊界法之功能，可精確計

算沿海之時變海嘯淹溢範圍。本數值模式在透過中研院網格中心之協助後，已完

成模式最佳化與平行化之目標，其效率大幅提升至少 20 倍以上，已超過達海嘯預

警之需求。

本期計畫進一步擴大海嘯預警作業範圍，涵蓋全太平洋與南中國海。除了包

含對臺灣衝擊較大之馬尼拉海溝、亞普海溝外，也對發生於日本、智利、加拿大

等地區之海嘯進行預警。在本期期中報告之階段，已完成優化海嘯預警系統之使

用。配合氣象局地震中心所設計之後端處理流程，本速算系統可即時與太平洋海

嘯預警中心（PTWC）之報文進行參數修正，並自動進行多組參數之平行海嘯模擬。

本期期中增進部分包括，新增震源機制解之走向自動化判斷功能，以增進速報準

確性。新增各潮位站初達波到時圖、各潮位站最大波高數值表和各潮位站依初達

波到時排列圖等產品。本期計畫亦完成硬體設備規劃建議，以及技術移轉。最後

在本期期末報告之階段，已新增期中尚未加入之海溝資料建立更完整之海溝資料

庫，包括北太平洋、東太平洋之海溝資料，以及提供影響強度分析法(Impact Intensity

Analysis)量化各潛在海嘯源對研究區域之威脅強度，以利分析臺灣地區之潛在海嘯

源。

一、背景分析與速算系統建置

臺灣位於西太平洋火環旁，不僅本島大小地震不斷，尚需火環上海溝所產生

之地震型海嘯威脅。因此提升海嘯預警能力為臺灣海嘯災防之重要課題。本計畫

目標為協助中央氣象局建置海嘯速算預警系統，使用學術上已成熟發展之非線性

COMCOT 模式模擬海嘯之傳播，並利用雙向巢狀網格（圖 1）與數值移動邊界法，

精確預報海嘯之到時與波高計算沿海之時變海嘯淹溢範圍，以提供決策與預報之

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用。

海嘯速算系統建置

本研究將使用 COMCOT 海嘯模式為核心進行海嘯速算系統之開發，加入地震

尺度關係式(Yen and Ma, 2011)和建立海溝走向資料庫，對模式運行所需參數進行

合理化估計，其雙層巢狀網格設計可滿足大小範圍之需求，第一層可模擬展示海

嘯波於遠洋之生成與傳遞資訊，第二層較細緻解析度可呈現海嘯波於臺灣地區之

細節。計算範圍可依地震震央位置自動選擇，其一包含西太平洋區域對臺灣具有

高威脅性之海溝與海嘯源，另一則是涵蓋完整太平洋，其設計具有節省計算時間

提升效率之用。且為方便人員操作，本研究將撰寫一套全自動化 shell script 使其在

獲得基本地震參數後，即可自動運算和繪圖完成速算，其產品包含初始波高圖、

最大波高圖、海嘯到時圖、潮位站時序波高、各潮位站最大波高數值圖、各潮位

站最大波高到時圖、各潮位站初達波到時圖、和各潮位站依初達波到時排列圖。

本計畫所使用之 COMCOT 海嘯數值模式，可模擬海嘯源之生成以及海嘯波之

傳播過程、到時與淹溢情形。COMCOT 海嘯數值模式為美國康乃爾大學 Prof. L.-F.

Liu 所發展。該模式直接求解非線性淺水波方程式，結果以準確聞名，為海嘯界所

公認最具公信力之模式之一。本次日本福島海嘯事件，COMCOT 模式亦準確預測

海嘯波由日本傳遞至臺灣之波高與到時。COMCOT 之另一特色為可模擬海嘯動態

淹溢範圍，有利於精確掌握受災區域之變化，有利於救災策略之擬定。

速算系統模式驗證

本模式將以海嘯之溢淹範圍(inundation area)和海嘯波高(tsunami wave height)

進行驗證。在計算溢淹範圍部分引用自 Wang and Liu (2007)，該文章中計算 2004

年印度洋海嘯案例於印尼班達亞齊(Banda Aceh)之溢淹範圍並與衛星遙測資料比

對，其模擬結果與遙測影像套疊在大部分區域比對良好，如圖 2 所示，雖然在某

些區域會因底床摩擦有高估或是低估之現象，但總體上來說，其準確性對海嘯預

警系統已足夠。

在海嘯波高比對上，本計畫將以 2011 年日本海嘯事件來展示與驗證速算系

統之準確性和效能，將以潮位站實測波高時序資料與數值潮位站資料進行比對。

地震發生初時，大部分地震參數皆不明確，美國國家地質調查所(USGS)網站會在

一分鐘內發布初略地震訊息如:地震規模、震央位置和震源深度等參數。為執行海

嘯模式計算，所需之剩餘參數則給予預設值。地震參數會不斷進行修正，直到最

後確認之詳細震源機制解，則可至 GCMT(Global Centroid Moment Tensor)資料庫進

行查詢。本計畫將以從 USGS 初步獲得之參數搭配預設值與從 GCMT 獲得之詳細

地震參數進行比對。詳細地震參數列於表 1，其中合併 USGS 參數與預設值之地震

參數組稱為”present”，該組參數中之走向依海溝走向設為 203 度，傾角為 20 度，

滑移角取保守估計為 90 度。潮位站將選擇日本之 Hanasaki、俄羅斯之 Rudnaya

Pristan、美國之 NDBC_21413 和臺灣交通部中央氣象局之浮標資料進行比對。

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圖 1：COMCOT 之雙向巢狀網格功能。圖為本團隊研究 20061226 屏東地震時之網

格分布圖。

774

圖 2: 2004 年印度洋海嘯於班達亞齊(Banda Aceh)之溢淹範圍

溢淹範圍模擬結果與遙測影像套疊，上圖為數值計算之結果，下圖為數值計算套

疊上衛星影像之結果，下圖中之溢淹範圍，藍線為有考慮底床摩擦，紅線為無考

慮底床摩擦。(Wang and Liu, 2007)

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USGS

(Early stage)

Present GCMT

(Later stage)

Mw 9.0 9.0 9.1

Depth(km) 10 10 20

Longitude (degree) 142.383 142.383 143.05

Latitude(degree) 38.308 38.308 37.52

Strike(degree) N/A 203 203

Dip(degree) N/A 20 10

Slip(degree) N/A 90 88

Length(km) N/A 491.7 N/A (551.7)

Width(km) N/A 148.6 N/A (181.8)

Dislocation(m) N/A 14.5 N/A (16.3)

表3.1 : 表 1: USGS, Present, and GCMT 之地震參數比較

另一方面，在 2011 年日本 311 大海嘯發生之後，COMCOT 海嘯模式之計算效

率以及準確性令人印象深刻。茲列舉 COMCOT 之特色如下：

1. 以巢狀網格方式，快速求解不同尺度之海嘯行為。

2. 可使用球座標、卡式座標、或混用球、卡座標，以完整描述海嘯之生命週期。

3. 模式中包含柯氏力、底床摩擦阻力、並支援多種形態之邊界條件。

4. 已完成模式平行化，且不需繁瑣之系統設定。

5. 提供移動乾濕邊界，可模擬溢淹情形。

6. 近岸解析度可自由調整，過去有可由 3.5km 解析度縮小至 10m 之案例。

圖 3 為以 COMCOT 模擬 2011 年 311 日本海嘯事件之初始波高圖。本案例開啟

巢狀網格功能，因此計算域可輕易涵蓋臺灣至日本海。本案例模擬海嘯由日本傳

遞至臺灣，所耗費之時間僅約費時 1 分鐘，相當有效率。此高速計算之性能有利

於速報或預報系統之建立。圖 4 為利用 COMCOT 模擬 311 日本海嘯事件之潮位站

資料校驗。上圖為日本沿海位於 Hanasaki 之潮位站位置圖。下圖為模擬結果（藍

線）與實測資料（黑線）之時序比對。結果相當令人滿意。圖 5：利用 COMCOT

模擬 311 日本海嘯事件之潮位站資料校驗。上圖為俄羅斯沿海位於 Rudnaya Prostan

之潮位站位置圖。下圖為模擬結果（藍線）與實測資料（黑線）之時序比對。結

果顯示即使位於日本海，亦接收到海嘯訊號。此結果顯示 COMCOT 對於 10cm 以

內之微小振幅波亦可精準掌握。

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圖3: 日本311海嘯初始自由液面變化圖和其剖面圖。上半部初始自由液面變化圖，

下半部為初始自由液面變化之剖面圖，左邊為使用 Present 參數結果，右邊為使用

GCMT 參數之結果。黑色線段為沿緯度 38°N 所切之剖面線。

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圖 4: 日本林海最大波高預測圖。色階表示最大波高，單位為公尺。上為使用 present

參數，下為使用 GCMT 參數。

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圖 5：數值潮位站與日本潮位站 Hanasaki 之時序波高比較。上半部為潮位佔位置，

色階表示地形高程。下半部為波高時序圖，左邊為使用 present 參數，右邊為使用

GCMT 參數，黑線為觀測資料，藍線為數值模擬資料。

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圖 6：數值潮位站與俄羅斯潮位站 Rudnaya Pristan 之時序波高比較。上半部為潮位

佔位置，色階表示地形高程。下半部為波高時序圖，左邊為使用 present 參數，右

邊為使用 GCMT 參數，黑線為觀測資料，藍線為數值模擬資料。

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圖 7：數值潮位站與美國潮位站 NDBC21413 之時序波高比較。上半部為潮位佔位

置，色階表示地形高程。下半部為波高時序圖，左邊為使用 present 參數，右邊為

使用 GCMT 參數，黑線為觀測資料，藍線為數值模擬資料。

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圖 8：數值潮位站與臺灣潮位站花蓮、小琉球、蘭嶼之時序波高比較。右半部為潮

位佔位置，色階表示地形高程。左半部為波高時序圖，左邊為使用 present 參數，

右邊為使用 GCMT 參數，黑線為觀測資料，藍線為數值模擬資料。

此外，國科會亦委託本團隊進行臺灣潛在大規模侵台海嘯之研究。圖 9：以

COMCOT 進行若亞普海溝發生大規模地震並引發海嘯，海嘯能量傳遞行為。由圖

可見，由於使用巢狀網格，COMCOT 計算範圍可涵蓋整個菲律賓海板塊。圖 10：

以 COMCOT 進行若亞普海溝發生大規模地震並引發海嘯，海嘯對於宜蘭及花蓮沿

海之溢淹情形。由圖可見，COMCOT 除可同時計算大範圍之波浪運動情形，對於

小尺度（本案例約 50m）之溢淹範圍亦可同時模擬。

本模式經過中研院網格中心的協助，能夠以最佳化與平行化進行計算，效率

大幅提升 20 倍以上，將原本以研究為導向之 COMCOT 模式，晉升為海嘯預報做

也模式。由於本模式之模擬包含求解非線性系統以及可模擬溢淹範圍，為全球僅

有具有此功能之預報模式，可大幅提昇臺灣在海嘯預警作業之能力。本計畫協助

中央氣象建置海嘯速算預警系統之軟硬體設備，並將 COMCOT 模式整合至氣象局

地震預報系統中，提供中央氣象局海嘯預報獨立作業技術。

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圖 9：以 COMCOT 進行若亞普海溝發生大規模地震並引發海嘯，海嘯能量傳遞行

為。由圖可見，由於使用巢狀網格，COMCOT 計算範圍可輕鬆涵蓋整個菲律賓海

板塊。

圖 10：以 COMCOT 進行若亞普海溝發生大規模地震並引發海嘯，海嘯對於宜蘭

及花蓮沿海之溢淹情形。由圖可見，COMCOT 除可同時計算大範圍之波浪運動情

形，對於小尺度（本案例約 50m）之溢淹範圍亦可同時模擬。

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二、研究方法及進行步驟

本計畫採用之研究方法與原因

本研究對於海嘯傳播之模擬要求，在於可快速且準確計算海嘯波之到時、沿

岸波高、上溯高程以及淹溢範圍。然而，要有精確之模擬結果需要有準確之海嘯

源波型預測，以及高準確性之數值模式與地形資料。以數值模式而言，目前世界

上各國所採用之海嘯數值模式各有不同，常見的為MOST, TUNAMI與COMCOT。

MOST（Method of Splitting Tsunami Model）由美國南加大 Vasily Titov 所研發，為

目前美國地質調查所（USGS）海洋大氣部（NOAA）採用並對外發佈。該模式之

優點為快速，不過該模式並非直接求解海嘯之動力方程式，因此不適用於含淹溢

之計算。TUNAMI（Tohoku University Numerical Analysis Model for Investigation）

為日本知名海嘯學者 Fumihiko Imamura 所研發，目前已有十多個國家採用。本文

採用之 COMCOT（Cornell Multi-grid Coupled Tsunami model）數值模式為美國康

乃爾大學土木與環境工程學系劉立方教授所研發，該數值模式開發之原始目的並

非作為預報模式，而是作為科學分析，因此特別強調準確性以及海嘯之時變行為。

該模式之特色在於可用多重巢狀網格，計算多重尺度之波浪傳播現象。如遠海之

大尺度海嘯傳播以及近海之小尺度海嘯溯昇等。此外，該模式之移動邊界法可用

於模擬海嘯上溯後之溢淹情形，有利於預測海嘯對內陸之破壞範圍。該模式已被

用於計算諸多海嘯事件，如 1992 Flores Islands (Indonesia) tsunami (Liu et al., 1994;

Liu et al., 1995), 2003 Algeria Tsunami (Wang and Liu, 2005)，以及 2004 Indian

Ocean tsunami (Wang and Liu, 2006)等，皆有良好之準確性。也被用來計算潛在海

嘯潛在威脅，如南中國海之大規模地震海嘯威脅分析(Megawati et al., 2008, Huang

et al., 2009)。在臺灣也廣受使用，如計算臺灣 2006 屏東海嘯事件(Wu et al., 2008)、

分析海溝型地震海嘯對臺灣之威脅(Wu and Huang, 2009; Wu, 2012)。該模式並在中

研院格網中心之協助下，已完成平行化之程序，對於海嘯計算速度之提升有相當

大之助益。

COMCOT 模式具有以下之特色：

1. 結合球座標與卡式座標之計算，可同時求解全球尺度與地方尺度之海嘯。本

特點適用於模擬遠距或大規模斷層破裂所引發之海嘯事件。例馬里亞納海溝

位處菲律賓海板塊東側，距離臺灣 2800 公里，對於此類大尺度之計算當選

用球座標。然而當海嘯波抵達臺灣沿岸，如核電廠，則需以小尺度之球座標

或卡式座標計算。因此模式結合球座標與卡式座標為一重要之功能。

2. 結合線性與非線性淺水波方程式。海嘯波為標準之淺水波，因此適以淺水波

方程式加以描述。其中深海地區適用線性淺水波方程式，而近海或上岸後之

海嘯波則適用非線性淺水波方程式。本研究在遠距海嘯模擬部分將採線性淺

水波方程式加以模擬，而近岸地區則以非線性淺水波方程式加以計算。

3. 具有移動邊界之功能，可處理海嘯波上溯時之乾濕邊界之問題。一般海嘯模

式僅可計算線性淺水波方程式，對於邊界上則僅可處理固定邊界。換言之，

一般海嘯波模式無法模擬海嘯淹溢範圍。而本模式具備移動邊界功能，可準

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確計算海嘯波上溯後，於內陸所造成之淹溢範圍。為忠實模擬該自然現象，

必須採用穩定之移動邊界計算法。

4. 具有動態連結之巢狀網格系統。海嘯波之傳遞為一複雜過程。在外海範圍屬

於大尺度之運動行為，用較粗之網格即可描述。然而一旦海嘯進入近岸地區，

其即轉換為小尺度之運動，此時即需以小網格加以分析。因此欲完整計算海

嘯之生命歷程，數值模式需要具備能同時處理大小尺度之巢狀網格功能。本

研究將於外海處安排較大網格，並於近岸處安排較小網格。而大小網格間為

動態連結，可有更精確之計算結果。

5. COMCOT 數值模式採用顯示蛙跳法，因此在計算上相當迅速。此一優勢對於

海嘯即時模擬之預報有一定程度之貢獻。

目前 COMCOT 數值模式在大尺度之計算採用線性淺水波方程式並包含柯氏

力（Coriolis force），所採用之公式如下：

0P Q

t x y

(1)

0

0

P QgH f

t x H

Q QgH f

t y H

(2)

where: x , y are the horizontal coordinates,

is the free-surface displacement,

H h is the total water depth,

h is the still water depth,

P Hu , Q Hv are the horizontal volume discharges,

g is gravity, t is time,

f is the Coriolis coefficient.

在近岸由於非線性效應增強，可採用非線性淺水波方程式並考慮底床之摩擦

力：

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0P Q

t x y

(3)

2

2 2

0

0

x

y

P P PQgH

t x H y H x

Q PQ QgH

t x H y H y

(4)

式中 x and y 為底床剪應力

底床之剪力可由曼寧公式（Manning’s formula）表示：

21/ 2

2 2

7 /3

21/ 2

2 2

7 /3

x

y

gnP P Q

H

gnQ P Q

H

(5)

本計畫為期二年，主要以技術移轉為主，將協助氣象局採購速算系統之硬體

設備，並協助軟體測試與建置，以平行化之 COMCOT 模式進行海嘯溢淹預報，並

提供教育訓練，使中央氣象局人員能夠獨立操作本模式。

海嘯模擬自動化流程

本期計畫中，為將作業流程簡單化，使手動操作之步驟減至最少，本模式整

合 Source-Scaling Relationship，並建置斷層破裂走向資料庫，使模式本身在短時間

內取得基本地震參數，如地震規模、位置、深度斷層走向後，即可自動進行後續

之計算。透過結合中央氣象局廖哲緯技士設計之地震中心自動處理流程，以後端

程式替代原先之 Shell script 流程，撰寫 Python 進行包裝，本程式透過自動偵測

PTWC 海嘯報文，自動產生模式輸入所需之 Tsu_para.txt，以 SAMBA 丟入 Linux

COMCOT 主機，再以 room_check 程式檢查空閒之房間，將參數檔傳送至空閒之

COMCOT 房間進行運算，並將結果彙整至特定資料夾。透過本設計，將能隨著地

震發生後不同時間 PTWC 所發布之報文參數進行調整，自動進行多組參數之平行

海嘯模擬。流程圖如圖 11 所示。

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圖 11：自動化流程圖(廖哲緯技士製)

本自動化流程所產生之產品包含，初始波高圖、最大波高圖、海嘯到時圖、

各潮位站波高歷線圖、各潮位站初達波到時圖、各潮位站最大波高數值表、各潮

位站依初達波到時排列圖等，詳細成果將於之後章節展示。

海嘯警報單之設定

本計畫中，速算系統將透過自動讀取警報單開始進行。警報單依所含地震參

數細節不同分為三階段。第一階段為地震發生初時，透過地震速報系統獲得震央

經緯度、震源深度和地震規模之資訊。第二階段為地震發生數分鐘後，獲得斷層

之走向、傾角和滑移量之資訊。第三階段是為了對海嘯進行更進一步分析，對

COMCOT 模式設定所進行之設定。本速算系統將依警報單上不同程度之訊息，進

行自動化模擬，若地震參數不夠明確時將使用預設值進行假設，假設法將於模擬

參數決定章節中呈現。海嘯警報單之格式如下:

1. 震央經度

2. 震央緯度

3. 震源深度

4. 地震規模

5. 走向

6. 傾角

7. 滑移量

8. 斷層破裂長度

9. 斷層破裂寬度

10. 錯動量

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11. 解析度(DX)

12. 模擬時間

13. 模式儲存檔時間區間

14. 時間步長

15. 模擬域邊界(左)

16. 模擬域邊界(右)

17. 模擬域邊界(下)

18. 模擬域邊界(上)

模擬參數決定

在 COMCOT 海嘯模式中，與地震型海嘯主要相關之參數有:震央經緯度、震

源深度、斷層走向、傾角、滑移量、斷層破裂之長度、寬度和錯動量。在地震發

生當下，可獲得震央經緯度、震源深度、地震規模之資訊。然而卻無法馬上獲得

斷層走向、傾角、滑移量、破裂長寬和錯動量之資訊。因此為了能在地震發生第

一時間執行海嘯速算，本模式中將對這些尚未明確參數給予預設值。此外本次報

告中，新增海溝走向與傾角資料庫，此資料庫參考吳祚任(2011)行政院災防應用科

技方案潛在大規模地震與海嘯對核電廠及臺灣沿海地區之影響之成果報告書所設

置，走向傾角和資料庫範圍分布如表 2 所示，地理空間分布如圖 12 所示，以下為

預設值之假設方法。

走向:走向預設值將判斷震央位置，若位於海溝資料庫之範圍內，將以該處海溝走向為預設值。若不在特別設定之範圍中，將以南投縣埔里鎮虎子山的一等三

角點代表臺灣中心(23.974°N 120.982°E)，走向垂直於震源和虎仔山連線方向，此

假設依據為，走向平行於臺灣海岸線，能對臺灣造成最嚴重之衝擊。

傾角:傾角需要由地質調查來判定，若震央為於海溝資料庫範圍內，則使用海溝資料庫中之傾角數值。若位於資料庫外，考量到海嘯多由 35 公里淺層地震所造

成，而大多數海溝在 35 公里內之傾角介於 10-20 度，因此在沒有傾角資訊下，模

式中將傾角給予較保守之預設值 20 度。

滑移角:為取保守估計，滑移角給予之預設值為 90 度。

斷層破裂之長度、寬度和錯動量:本模式在計算斷層破裂之長度、寬度和錯動量上，藉由輸入地震矩規模，再依據 Yen and Ma (2011) 之非線性尺度關係

(Source-Scaling Relationship)，透過地震矩規模和破裂面積關係式 (圖 13 所示)，推

算斷層破裂之長度、寬度和錯動量 (圖 14 所示)，並自動進行計算。

788

海溝名稱走向(度) 傾角(度) 適用經度範圍(°E) 適用緯度範圍(°N)

T1 花蓮外海 -66.2422 45 121.9 ~123.5 23.8~24.5

T2 馬尼拉海溝 1 340.7619 20 119.25~120.75 19.5~22.0

T3 馬尼拉海溝 2 35.3532 20 119.0~121.0 17.5~20.0

T4 馬尼拉海溝 3 2.403 20 118.5~120.5 13.5~19.0

T5 馬尼拉海溝 4 313.0466 25 119.0~121.0 12.5~14.0

T6 菲律賓海溝 1 328.3928 67 123.5~125.5 13.5~15.5

T7 菲律賓海溝 2 347.6032 57 125.5~127.5 5.5~13.5

T8 亞普海溝 44.9191 58 135.0~140.0 6.0~12.0

T9 馬里亞納海溝 1 74.3247 58 141.0~145.5 10.5~13.5

T10 馬里亞納海溝 2 24.4308 58 145.5~150.5 12.5~17.5

T11 馬里亞納海溝 3 -9.6795 58 146.0~149.0 16.5~22.5

T12 馬里亞納海溝 4 -42.1025 62 143.0~149.0 22.5~25.0

T13 伊豆-小栗原海溝 1 -4.1057 32 141.0~144.0 26.0~30.0

T14 伊豆-小栗原海溝 2 -10.9672 43 140.0~144.0 30.0~35.0

T15 南海海溝 -115.806 10 132.5~140.0 31.0~35.0

T16 琉球島弧 1 -154.62 45 130.0~132.5 27.5~31.0

T17 琉球島弧 2 -134.981 45 126.0~130.0 23.0~27.5

T18 琉球島弧 3 -95.1302 45 123.5~126.0 23.0~24.75

表 2: 斷層破裂走向之海溝資料庫

789

圖 12：海溝之空間分布、名稱和地點。(吳祚任, 2011)

由於本計畫乃透過建置斷層破裂走向資料庫建立一套全太平洋海溝之海嘯速

算系統，而本期期中乃提供西太平洋海溝走向與傾角資料庫，因此在本期期末即

加入北太平洋、東太平洋之海溝走向與傾角資料庫，以確保海溝資料庫之完整性。

新增之走向傾角和資料庫範圍分布如表 3 所示，地理空間分布如圖 15 所示。

海溝名稱走向(度) 傾角(度) 適用經度範圍(°E) 適用緯度範圍(°N)

N.E. Japan 203 10 144.0 ~149.0 34.0~42.0

Kuriles 215 15 149.0~159.0 42.0~48.0

Kamchatka 202 23 159.0~164.0 48.0~55.0

Aleutians 318 25 164.0~-165.0 50.0~55.0

Alaska 247 8 -165.0~-148.0 52.0~58.0

Central America 301 18 -115.0~-80.0 6.0~18.0

Peru 335 14 -80.0~-73.0 -20.0~6.0

Chile 19 18 -75.0~-73.0 -50.0~-20.0

Cascadia Subduction Zone 315 78 -130.0~-124.0 42.0~52.0

表 3: 新增之斷層破裂走向之海溝資料庫

790

圖 13：破裂面積 A 與地震矩規模 Mw 之關係。(Yen and Ma, 2011)

791

圖 14：地震參數與地震矩之尺度關係。(Yen and Ma, 2011)

792

圖 15：海溝之空間分布、名稱和地點。上圖為 USGS 定義之海溝分布，下圖

為根據 USGS 及文獻自行定義之海溝分布及新增之海溝資料

793

巢狀網格配置

本次計畫中共分兩階巢狀網格進行模擬設定，第一階設置 Layer 1，解析度為

4 弧分，資料來源為 ETOPO4，範圍為東經 105 度至東經 165 度，南緯 15 度至北

緯 45 度，主要包括完整之菲律賓海、大部分之南中國海、日本南方海域、亞普海

溝等，如圖 16 所示。第二階設置 Layer 2，解析度為 1 弧分，資料來源為 ETOPO1。

主要包括臺灣全島以及臺灣海峽，如圖 17 所示。為了能進行來自於智利和加拿大

之海嘯模擬，本期計畫中，若地震震央之經度大於東經 165 度，則 Layer1 之模擬

範圍將變更為東經 105 度至西經 60 度，南緯 40.5 度至北緯 62.5 度，如圖 18 所示。

圖 16：巢狀網格配置之 Layer 1。

794

圖 17：巢狀網格配置之 Layer 2。

圖 18：計算加拿大和智利區域海嘯巢狀網格配置之 Layer 1。

795

巢狀網格收斂性分析

本期計畫中為確保巢狀網格之結果收斂性，本巢狀網格之結果亦與理想解析

度之巢狀網格之結果進行比對。理想解析度之設定目的為使所有地形資料皆從原

始資料而來，並不經 COMCOT 內插處理，此外為避免巢狀網格中心點之因小數點

而偏移問題，此理想解析度之設定方法為:在最小網格層以整數設置，再依解析度

放大至母層，使其網格滿足 COCMOT 巢狀網格中心點，經測試顯示該設置之表現

為最為良好。所比對之巢狀網格比如下：第一階設置一層，解析度為 1.536 弧分，

第二階設定一層，解析度為 0.384。模擬時間同為 1 小時。

在此案例中，海嘯源位於臺灣南方巴士海峽，為馬尼拉海溝北段。比對重點

在於臺灣南部墾丁之模擬結果。比對項目包括最大波高圖與潮位站時序資料。圖

19 為最大波高比對結果。由圖可見，墾丁部分之最大波高皆約為 9m，最大波高之

分布亦近似。圖 20 為潮位時序資料比對，由圖可見，兩種不同解析度之巢狀網格

安排，其模擬之潮位數值相當一致，峰值誤差在 2%以內，此表示網格收斂已達成。

然而本案例所使用之巢狀網格與理想解析度之巢狀網格於模擬速度上卻有明顯差

距，一為 4 分 45 秒，一為 1 小時 5 分 53 秒。考量結果之收斂及未來需大量且快

速之案例模擬，將採用目前所配置之網格進行運算。

796

圖 19：網格收斂分析之最大波高比對。上圖為理想解析度及理想巢狀網格，

下圖為本計畫所使用之巢狀網格配置。

797

圖 20：網格收斂分析之後壁湖潮位站波高時序資料比對。左圖為理想解析度模擬

結果，右圖為本巢狀網格模擬結果。

影響強度分析法(Impact Intensity Analysis, IIA)

本計畫更進一步提出影響強度分析法，對臺灣鄰近海域之可能潛在海嘯威脅

程度進行量化分析，影響強度分析法的理論與海嘯源逆向追蹤法相同，建立在線

性假設下，海嘯波的傳遞僅與水深有關，且傳遞具有雙向性，影響強度分析法將

計算範圍離散成數個微小之海嘯源，並使用 COMCOT 求解線性淺水波方程式，透

過繪製最大波高圖，可量化出對臺灣具衝擊性之海嘯源之大小亦可補足海嘯源逆

向追蹤法於近岸不清楚處，如圖 21 所示。其執行步驟如下:

(1) 將數值計算域離散為數個均一尺寸之微小海嘯源，每個海嘯源稱作單元海嘯，

其單元海嘯尺寸依網格解析度和計算域範圍而定。

(2) 透過撰寫 Linux Shell Script 進行自動化運算，計算個每一個單元海嘯之傳遞

情形，並儲存其最大波高、最大通量等運算資料，建立資料庫。其計算時間

需使每一單元海嘯皆能於計算域中完整傳播。

(3) 選擇一研究區域，給定座標經緯度，紀錄每個單元海嘯傳遞到此研究區域之

最大波高值。

(4) 將研究區域所記錄到之最大波高值，對應回其單元海嘯位置，並以最大波高

值大小著色，以色階代表其威脅程度。

798

圖 21：影響強度分析法流程示意圖。黑色網格分布為將數值計算域離散為數

個均一尺寸之微小海嘯源，紅色區域表示海嘯源，藍色箭頭表示以 COMCOT 計算

海嘯波傳遞，黑色圓型為選定之研究區域。

情境模擬成果展示

本速算系統將依據警報單上不同程度之訊息資訊，進行自動模化模擬，情境

模擬成果於本章節中呈現。將分為兩組展示，第一組為馬尼拉海溝北段之地震，

第二組為發生太平洋西岸處之地震，以智利之地震為展示。其中第一組分為兩部

分，第一部分為地震發生初時，在透過地震速報系統獲得震央經緯度、震源深度、

地震規模等有限之資訊下，大部分參數採用預設值之結果。第二部分為地震發生

數分鐘後，更新斷層走向、傾角和滑移量資訊之結果。

測試環境

處理器 i7-3970X CPU @ 3.50GHz

記憶體 64G (8G DDR3-1600 8 支)

硬碟 WD2002FAEX 2TB 7200 轉

作業系統 FEDORA 16

A. 馬尼拉海溝北段(T02)

馬尼拉海溝北段位於巴士海峽與呂宋海峽間，過去模擬結果顯示，若此區域

發生大規模地震，並引發海嘯，將對臺灣南部沿海造成衝擊。本情境模擬為 10 小

時，僅需 3 分鐘可完成。所產生之計算結果將用於檢討海底地形之合理性、網格

配置之效率，以進一步發展海嘯速算系統。

799

1. 震源參數

2. 執行過程

地震發生後，地震速報系統將提供海嘯警報單不同程度之資訊。在地震初期

階段，無法獲得斷層走向資訊，因此將透過判斷震央位置，將斷層走向設定為海

溝走向，若不在資料庫內則以對臺灣產生最大衝擊為前提，將其走向假設於平行

臺灣最近海岸線之方向。本速算系統將會顯示讀取警報單之資訊於銀幕上，初期

可獲得震央經緯度、震源深度、地震規模等 4 項參數資訊。數分鐘後可獲得震央

經緯度、震源深度、地震規模、斷層走向、傾角、滑移量之資訊。如圖 22 所示。

圖 22(a)

Mw Epi_Lon Epi_Lat Depth Strike Dip Slip Dislocation Length Width Time(s)

8.5 120.31 20.53 0.0 343 20 90 8.2 277.5 62.4 36000

800

圖 22(b)

圖 22 (a)(b)：讀取警報單過程，上圖為讀取地震發生後之初步參數，下圖為讀取

地震發生數分鐘後較詳細參數。

3. 結果

地震速報系統產生之產品包含:初始波高圖、最大波高圖、海嘯到時圖、潮位

站時序波高、各潮位站最大波高數值圖、各潮位站初達波到時圖、和各潮位站依

初達波到時排列圖。其中各潮位站最大波高數值和各潮位站初達波時間，將會分

別產生圖表和文字檔以利人員判斷。初達波之到時為判斷數值模式中之潮位站紀

錄到之大於 2 公分之時間。若數值潮位站紀錄時間小於 2 公分，則取最大波高到

時當作初達波之時間。各潮位站依初達波到時排列圖為將 39 座數值潮位站每 5 組

為一張圖呈現，最後一張為 4 座數值潮位站。

801

(1) 初始波高

圖 23：T02 之初始波高分布圖。色階表水位高程。單位為 m。上圖為使用地震發

生後之初步參數，下圖為使用地震發生數分鐘後較詳細參數。

802

(2) 海嘯到時圖、最大波高圖、及潮位站時序波高

圖 24：T02 之 Layer 1 最大波高圖。色階表最大波高水位高程。上圖為使用地震發

生後之初步參數，下圖為使用地震發生數分鐘後較詳細參數

803

圖 25：T02 之 Layer 2 最大波高圖。色階表最大波高水位高程。上圖為使用地震發

生後之初步參數，下圖為使用地震發生數分鐘後較詳細參數

804

圖 26：T02 之海嘯到時圖。色階差距為 1 小時。上圖為使用地震發生後之初步參

數，下圖為使用地震發生數分鐘後較詳細參數

805

圖 27：後壁湖數值潮位站所記錄之海嘯時序波高。上圖為使用地震發生後之初步

參數，下圖為使用地震發生數分鐘後較詳細參數

806

圖 28：各潮位站最大波高數值表。上圖為使用地震發生後之初步參數，下圖為使

用地震發生數分鐘後較詳細參數

807

圖 29：各潮位站初達波到時數值表。上圖為使用地震發生後之初步參數，下圖為

使用地震發生數分鐘後較詳細參數

808

圖 30：各潮位站依初達波到時排列圖。上圖為使用地震發生後之初步參數，下圖

為使用地震發生數分鐘後較詳細參數

809



810



811



812



813



814



815



816

B. 太平洋西岸海嘯情境模擬成果展示

智利於 1960 年和 2010 年皆發生規模超過 8.8 之地震並引發海嘯，過去案例中

雖對臺灣影響不大，但難保此區域未來不會發生規模更大之地震，引發更大之海

嘯對臺灣造成威脅。本情境模擬選用 2010 年規模 8.8 之案例進行示範，情境模擬

為 30 小時，僅需 30 分鐘即可完成整套模擬。

1. 震源參數

2. 模擬結果

(1) 初始波高

圖 38：T02 之初始波高分布圖。色階表水位高程。單位為 m。

Mw Epi_Lon Epi_Lat Depth Strike Dip Slip Dislocation Length Width Time(s)

8.8 -73.15 -35.98 23.2 19 18 116 11.53 390.5 101.9 108000

817

(2) 海嘯到時圖、最大波高圖、及潮位站時序波高

圖 39：T02 之 Layer 1 最大波高圖。色階表最大波高水位高程。

圖 40：T02 之 Layer 2 最大波高圖。色階表最大波高水位高程。

818

圖 41：T02 之海嘯到時圖。色階差距為 1 小時。

圖 42：NOAA 繪製之海嘯到時圖和最大波高圖。

819

圖 43：後壁湖數值潮位站所記錄之海嘯時序波高。

圖 44：各潮位站最大波高數值表。

820

圖 45：各潮位站初達波到時數值表

圖 46：各潮位站依初達波到時排列圖。

821



822



823



824


影響強度分析法(Impact Intensity Analysis, IIA)成果展示

以 1867 年基隆海嘯為例

1867 年之基隆海嘯事件為臺灣眾多歷史海嘯案例中政府官方唯一確認之近海

地區歷史海嘯事件(中央氣象局)。不同語言之文獻中皆有對其之紀錄。因此本計畫

使用影響強度分析法對 1867 年基隆海嘯事件進行分析。首先將計算域平均切割為

均一尺寸之海嘯源，假設其為各自獨立之單元海嘯事件，每個單元海嘯為抬升直

徑10公里之圓形高度 1公尺之水體，共有798個單元海嘯事件，透過撰寫 shell script，

使 COMCOT 自動化依序模擬其傳播情形，並儲存其最大波高值建立資料庫。接著

選擇金山和基隆為研究區域，設定經度緯度於金山為東經 121.667 度、北緯 25.223

度，於基隆為東經 121.75 度、北緯 25.16 度，從資料庫中擷取每場單元海嘯事件

傳播至此研究區域之最大波高值，並將其值對應回單元海嘯位置並依最大波高值

大小著色，其色階即代表每個單元海嘯之威脅程度。結果顯示，威脅性較高之海

嘯源主要來自基隆海谷、棉花峽谷和三座離北海岸較近之火山，北棉花峽谷之威

脅程度較低，然而棉花峽谷南段卻有一區域有著較高之威脅性，如圖 54 和圖 55

所示。

825

圖 54: 金山之影響強度分析法圖與海底地形之疊合。色階代表各海嘯源威脅程

度，灰色線為等高線分布。其色階單位 / h 為無因次單位，各單元海嘯於研

究區域產生之最大波高(公尺)，h為單元海嘯初始波高(公尺)

圖 55: 基隆之影響強度分析法圖與海底地形之疊合。色階代表各海嘯源威脅程

度，灰色線為等高線分布。其色階單位 / h 為無因次單位，各單元海嘯於研

究區域產生之最大波高(公尺)，h為單元海嘯初始波高(公尺)

826

三、結果與討論

本期計畫目前已完成之項目如下：

1. 建置海嘯速算系統之硬體設備

2. 海嘯速算系統之軟體建置，並提供平行化 COMCOT 模式

3. 新增震源機制解之走向自動化判斷

4. 可透過自動讀取警報單進行速算

5. 提供更完整之海溝資料庫並可計算發生於智利和加拿大地區之海嘯

6. 提供最大波高數值表、初達波到時圖表和各潮位站依初達波到時排列圖

7.提供影響強度分析法( IIA) 量化各潛在海嘯源對研究區域之威脅強度

目前進度已達本年度合約之要求，可提供一套自動化讀取參數之海嘯速算模

式，且計算區域可完整涵蓋到來自智利和加拿大之海嘯波，由巢狀網格收斂性分

析中，可看出巢狀網格皆收斂，透過新增之震源機制解之走向自動化判斷功能，

可增進速報準確性。本計畫已將 COMCOT 海嘯溢淹模式與細節技術完全移轉，中

央氣象局人員可輕鬆操作本模式，進行中央氣象局海嘯預報獨之立作業技術，並

可提供影響強度分析法量化各潛在海嘯源對臺灣地區各地城市之威脅程度。

827

四、預定進度甘梯圖

工作項目

第

1

月

第

2

月

第

3

月

第

4

月

第

5

月

第

6

月

第

7

月

第

8

月

第

9

月

第

10

月

第

11

月

第（期末）月

備

註

供需討論 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

技術移轉暨人

員操作訓練

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

系統規劃 ■ ■ ■ ■ ■

工作進度估計百

分比

（累積數）

5 10 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100

說明：(1)工作項目請視計畫性質及需要自行訂定。預定進度以粗線表示其起訖日期。

(2)「工作進度百分比」欄係為配合管考作業所需，累積百分比請視工作性質就

以下因素擇一估計訂定：

1.工作天數 2.經費之分配 3.工作量之比重 4.擬達成目標之具體數字。

(3)每季之「預定查核點」，請在條形圖上標明※號，並在「預定查核點」欄具

體註明關鍵性工作要項。

年

月

828

五、相關文獻

1. Megawati, K., F. Shaw, K. Sieh, Z. Huang, T.-R. Wu, Y. Lin, S. K. Tan and T.-C. Pan 2009. “Tsunami hazard from the subduction megathrust of the South China Sea Part

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Dordrecht, The Netherlands, 99-115.

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8. Yin-Tung Yen and Kuo-Fong Ma, 2011. Source-Scaling Relationship for M 4.6–8.9 Earthquakes, Specifically for Earthquakes in the Collision Zone of Taiwan, s, Bull.

Seismol. Soc. Am.101, 464–481.

9. 吳祚任，2011，行政院災防應用科技方案潛在大規模地震與海嘯對核電廠及臺

灣沿海地區之影響，第二階段成果報告

Documents

海嘯數值模式 COMCOT 之速算系統建置Ⅱscweb.cwb.gov.tw/research/64vol/MOTC-CWB-103-E-17.pdf · 近岸解析度可自由調整，過去有可由3.5km 解析度縮小至10m