中央研究院週報 第1004期 2005年01月13日

海嘯與台灣

劉啟清 副研究員

※本專欄作者意見不代表本報(中央研究院週報)立場

海嘯早期被稱為潮波(Tidal Wave),主要是因為其週期較一般的波浪長,被認為與潮汐有關,但後來經研究後,發現它跟潮汐的共同點只有一種,就是它們都是屬於淺水波(即波長遠大於海水深度),而海嘯跟地震卻有很密切的關係。雖然海嘯有一陣子被稱為地震海波(Seismic Sea Wave),但還是無法完全涵蓋其可能範圍。任何大量而快速的海底地殼變動造成大量能量在海水中傳遞,都被歸類為海嘯,因此科學家特意找一個特殊的名詞來形容海嘯,或許是因為日本海嘯較多,日本人的稱法─「津波」(Tsunami)遂被選為海嘯的新名詞。「津」的原意為船着場,有港口的意思,「津波」即指港口內的大波浪,雖然不如中國人所稱的「海嘯」來得貼切,但足以用來與其它的海浪作區隔。自此以後,其它原因所造成的大浪,就不被歸類為海嘯了,例如錢塘江河口每年在大潮時,因河口底部阻力大,造成表面潮水湧上,形成數公尺的潮高,往往造成災害,這類的災害已不被認為是海嘯所造成,而被稱為湧浪(Tidal Bore Wave)。

以現在對海嘯的認知,它的週期約在10~45分鐘之間,由於是屬於淺水波,其波進行的速度為 C=SQRT(gh),其中g為重力加速度,h為海水深度,因此,海嘯的波動在淺水中進行的較慢,在深水中則較快,例如在3000公尺的深海,其波速約為每小時617公里,若其週期為20分鐘,則其波長為206公里,若傳到淺水中,如在台灣東岸2~3公里處,海水深度減到200公尺,波速減為每小時159公里,若其週期不變,則其波長為53公里。海嘯由深水進入淺水海域,其波速大為減小,波長也變小,但其能量不變,因此會造成數十倍的浪高,對沿海的生物與建物,造成大災難。

由此看來,要造成海嘯,須有幾個條件,一為其能量的來源,二為其形成巨浪的地形條件:

一、以能量來源而言,能在海中造成大能量的波,最常見的為海底地震、大規模的山崩(海底或海邊皆有可能)、火山爆發、巨大隕石掉到海底等,其規模能造成數十公里到數百公里的海水擾動,擾動量越大,被擾動的水量越大,所產生的海嘯能量也越大。所以地震規模、震源深度、震央所在海域的水深、斷層活動型態、斷層面滑移量、滑移角度等因素,都可以影響海嘯的能量。以震源機制而言,規模越大、震源越淺、滑移量越大、滑移角度越垂直的地震,產生的能量越大,也就是說與垂直變形有關的地震,如斷層面傾角較大的逆衝斷層或正斷層,會較純粹水平滑動的走向斷層產生更大的海嘯,震央所在地的海域越深,其所帶動的海水量越大,也越能產生較大的海嘯。這次南亞地震,一般認為斷層面長達900公里,寬約150公里,斷層走向為北偏西45度,傾角約8度,斷層上方板塊沿著斷層面向上逆衝了約11公尺,因此在斷層上方的水柱產生錯動,於海水表面造成了一個有上百公里長、數公尺高的水波,往外傳播出去。

二、以海嘯進行的環境而言,由深水逐漸進入淺水的環境,最容易放大海嘯的浪高,但若水深是突然的變化,其部分能量會被反彈,反而不容易全部傳到海邊。台灣東岸的環境較類似於此,大部分的沿海在2~3公里內急降到200公尺的水深,在約30公里左右降到3000公尺水深,坡度高達10%,對深海來的海嘯,可能不是最好的形成環境,但若能量夠大,災難仍難避免。如這次南亞地震海嘯災害受災慘重的斯里蘭卡,其四週沿海也很陡峭,但仍難倖免於受災。另外一個影響海嘯形成的環境因素為海灣地形,因海嘯波速與水深有關,在一個弧形的海灣,就像一個凸透鏡,灣內的淺水造成較灣外深水慢速的環境,就有如凸透鏡中較慢的光速,會因其凸的形狀而聚焦,造成放大效應,例如夏威夷的Hilo灣就常有較其四週更大的海嘯。

一般而言,近二、三世紀以來最常見的海嘯大多是海底地震所造成。通常這是因為海底地殼有數十到數百公里的地殼垂直運動,其變動量有數公尺到數十公尺(約略規模6.5以上),例如921地震若發生在海底,其變動範圍約略為100公里x50公里,最大變動量約為十公尺,若發生在500公尺的海底深度,則會帶動2500立方公里的水柱做數公尺的抬升運動,因此會產生一個波高約數公尺的浪往四面傳播。這次南亞地震的位移量有數十公尺,根據潮位移的記錄,海嘯的潮差(波峯到波谷)在印度東岸有2.4公尺,西岸也有1.55公尺,到了南方的澳洲與紐西蘭,多處有數十公分到一公尺的記錄,至於太平洋也不寧靜,大多數潮位站連續震盪了數天,顯示海嘯的能量在此產生共振,最大的有墨西哥的Manzanillo的2.6公尺與智利Callao的50公分,其餘各地則約在5~30公分左右。海嘯的能量,除了影響到附近的沿岸外,還會傳到數萬公里遠的其它地方,例如1960年5月22日的南美智利大地震(規模9.5),除了造成當地1500人的死亡,還造成遠在夏威夷61人及日本199人的死亡。其中夏威夷最大潮高為10公尺,日本最大潮高為6.4公尺。而台灣在這次地震所受的影響,根據美國地球物理資料庫中的海嘯事件資料庫所記載,基隆有1.1公尺的潮高變化,而安平、高雄、花蓮、澎湖則僅有10~20公分的變化。這次南亞地震,日本設在南極的Syowa潮位站顯示,海嘯約在2004年12月26日13:40分(UTC)到達,較發震晚了約761分鐘,最大振幅約有70公分。

這次南亞海底地震的規模為9.0,水平移動有數十公尺,垂直位移也在這個尺度,根據科學家的模擬,約有一半的能量在孟加拉灣(Bay of Bengal)來回震盪了幾次,才往外散去,據報導(非儀器記錄)中的海嘯有印尼Sumatra西北岸的10-15公尺、斯里蘭卡東岸的5-10公尺,、印度東岸的5-6公尺、印度Andaman島的5公尺、泰國普吉島的3-5公尺,尤其是斯里蘭卡,幾乎整個島國都是災區,大海嘯在地震後兩個多小時才抵達斯里蘭卡海岸。台灣與菲律賓因被印尼及馬來西亞擋住,沒受任何影響。

斯里蘭卡距震央約有1800公里,地震本身並未造成大災害,約在地震後2~3小時才到達,本應有足夠的時間逃難,但由於沒有預警系統,造成了毀滅性的大災難,這實在是人類步入廿一世紀的大恥辱。由於美國的夏威夷位處太平洋的中央,太平洋本身有如一個大水盆,海底地震所產生的能量會在這水盆中傳遞,而環太平洋帶又是全世界地震發生最頻繁的地帶,位處中央的夏威夷島飽受四面八方所傳來海嘯的影響,經常有海嘯的災難。鑒於海嘯的傳遞可達數千公里,甚至上萬公里,海嘯的預警不是一個區域性的觀測網即可達成,因此在1949於Ewa Beach, Hawaii成立了太平洋海嘯預警中心(The Pacific Tsunami Warning Center;PTWC),結合了全球的地震觀測網,及時訂出地震發生的位置,發布海嘯形成的可能性與可能的路徑,以對相關的地方與國家發出警告,提供可能的協助。台灣也包括在這個系統裏。上個世紀在太平洋地區,曾觀測到796個海嘯,其中有117個造成損傷,而有9個案件為全太平洋地區的災難,其餘的都只有地區性的損失。以年度來看,每一年都有海嘯的事件,其中發生最多次的是在1938年,共有19次,但都是無傷害的小海嘯。在歷史上記載的海嘯,大都由稗官野史記載再經轉載,時有錯誤或缺失,因此不同資料可能有不同的記載,其中死亡最多的是西元前1410年,希臘的Santorini的十萬人,其次是1755年11月1日毀滅里斯本(Lisbon)的大海嘯,約死亡60000人。這次南亞的地震、海嘯所造成的死亡人數遠大於這些歷史事件,可見人類在這方面的努力還不夠。建立區域性的預警系統與加強沿海地區人民對海嘯的認知才是最實際的解決方法。若以海嘯潮高而言,最高的是1775年4月24日的琉球海溝規模7.4的地震所造成日本石垣島的85.4公尺海嘯,日本各地也都有數十公尺高的海嘯,當次死亡13486人,台灣則未有相關的報導。

台灣在過去因海嘯所造成的災難不多,在歷史上有記載的,有1781年的高雄與1867年的基隆海嘯(台灣地震數位資料庫),其記載如下:
台灣采訪冊(頁41)《祥異‧地震》:

「(乾隆四十六年)鳳港西里有加藤港,多生加藤,可作澀,染工賴之,故名云。港有船通郡,往來潮汐無異。乾隆四十六年四、五月間,時甚晴霽,忽海水暴吼如雷,巨湧排空,水漲數十丈,近村人居被淹,皆攀援而上至尾,自分必死,不數刻,水暴退,人在竹上搖曳呼救,有強力者一躍至地,兼救他人,互相引援而下。間有牧地甚廣及附近田園溝壑,悉是魚蝦,撥刺跳躍,十里內村民提籃挈筒,往爭取焉。聞只淹斃一婦,婦素悍,事姑不孝,餘皆得全部。嗣聞是日有漁人獲兩鼊,將歸,霎時間波濤暴起,二物竟去,漁者乘筏從竹上過,遠望其家已成巨浸,至水汐時,茅屋數椽,已無有矣。」

又如Alvarez所著《Formosa》一書:

「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,船隻被擱于沙灘上;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。原本建築良好之屋宇,亦被衝壞,土地被沙掩沒,金包里地中出聲。水向上冒,高達四十尺;一部份土地沉入海中。基隆港內,有若干尺面積地方,其下落已較原來為深。此係據若干歐洲商人證實報告。」

其中基隆的海嘯是由於其附近外海的地震所造成,屬於近地海嘯,而高雄的海嘯則無相關的地震報導,是屬於「時甚晴霽,忽海水暴吼如雷,巨湧排空,水漲數十丈,近村人居被淹」應該是遠地傳來的海嘯,由於其時間記載不甚精確,乾隆46年4、5月間 大約在1781年4月24日至6月21日,查遍世界海嘯歷史資料庫,當年僅有日本的Kagoshima Bay在4月11日有海嘯的記載,其高度約2公尺,略小於高雄的潮高,是否屬相同的地震所造成,尚待研究,但台灣西部有造成海嘯的環境,應屬無疑,如1960年智利地震造成基隆1.1公尺的海嘯、1781年高雄的海嘯,一南一北,都是遠地的地震,而1867年的基隆地震所造成的海嘯更是近地地震的事件,因此,海嘯預警在台灣不可不注意。

至於台灣東部,雖然其地形似乎不利於海嘯的形成,但在1986年11月15日5點20分花蓮外海20公里規模6.8的地震,在花蓮港造成約1.5公尺的海嘯,其到達時間約在地震後13分鐘,震央所在地的海水深度約2500公尺,向陸地急升到海平面,略低於理論的海嘯波速。而在屏東的蟳廣嘴(位於台灣最南端)的潮位站在6點5分記錄到約20公分的海嘯,宜蘭的梗枋潮位站也在5點46分記錄到約115公分的海嘯,由此看來,宜蘭地區水深較淺,雖然較遠,但其海嘯潮高與較花蓮相當,可能因這方向來的能量較不易發散。

1986年的花蓮地震,其規模僅有6.8,若在該地區發生7.8的地震,可能造成的海嘯會有數公尺高,甚至在菲律賓海發生類似規模的淺層地震,或者菲律賓火山爆發,造成大規模的物質落入海中,或是直接的海底火山爆發,也可能會有相當大的海嘯出現。僅靠太平洋海嘯預警中心的警報可能還不夠,適當的區域地震網連線,及時定震央位置,並在此區域建立潮位站網與預警系統,可能也是未來需要加強的工作。

近幾世紀以來,大規模的火山爆發較為少見,歷史記載在1883年的印尼的喀拉喀托島海嘯可能是由海底火山噴發所造成,其海嘯浪高有30公尺以上,約36,000多人遇難。歷史上也有高達百公尺的海嘯,可能是由於大規模的地層滑入海中所造成,被稱之為巨大海嘯(Mega-Tsunami),其發生的可能性正在評估中,但顯然人們並未看到海嘯的完整面貌。南亞的海底地震所造成的海嘯,與1960年的智利地震都是隱沒板塊的錯動,造成地殼回彈帶動大量海水的震盪,這樣的隱沒帶在台灣附近也有好幾個─沖繩海漕、馬里亞那海溝、菲律賓島都與隱沒板塊息息相關。台灣還算幸運,沒有像夏威夷、日本那樣明顯的海嘯形成環境,過去遭受海嘯災難不算大,但並不可排除未來的可能性。因此應加強各種數值模擬,觀測各地區地震對台灣所造成的影響,縱使僅有數十公分的海嘯紀錄也不可忽視。我們應該建立海嘯觀察團隊,同時加入世界海嘯觀察團,對其他地區的海嘯也參與其觀測,並對民眾教育正確的海嘯知識與避開海嘯的常識,建立海嘯預報系統,使台灣成為海嘯整備(Tsunami Ready)的國家,這是世界海嘯組織最近推動的重要項目,南亞地區如能及早做這樣的準備,死亡人數可能會減少一半或更多。