Op een vrijdagmiddag in het voorjaar van 2011 de aardbeving in Tōhoku-Oki schudde het noordoosten van Japan zes minuten lang en verschoof het hoofdeiland van het land met 8 voet. Minuten later, bewoners begonnen tsunami-waarschuwingen te ontvangen via uitzendmedia, mobiele telefoons en sirenes.

Maar de eerste waarschuwingen onderschatten de grootte van de golven en veel mensen slaagden er niet in om hoog genoeg te evacueren om te ontsnappen aan de golven die over delen van de kustlijn sloegen - sommige op hoogten tot 120 voet.

Toen het uit de catastrofe tevoorschijn kwam, Japan heeft een netwerk van seismische en druksensoren op de oceaanbodem geïnstalleerd die de lat voor vroegtijdige waarschuwingssystemen voor tsunami's wereldwijd hebben verhoogd. Nutsvoorzieningen, nieuw onderzoek door wetenschappers van de School of Earth, Energy &Environmental Sciences (Stanford Earth) suggereert hoe waarschuwingen op basis van realtime gegevensstreaming van sensoren zoals die in Japan nauwkeuriger kunnen worden gemaakt door deze te combineren met tsunami-simulaties.

Gepubliceerd in de peer-reviewed Geofysische onderzoeksbrieven , de studie beschrijft een nieuwe methode die speciaal is ontworpen voor lokale vroege tsunami-waarschuwingen. "Dat betekent dat kustbewoners worden gewaarschuwd dat er binnen 20 tot 30 minuten een tsunamigolf komt die 50 of 100 mijl uit de kust wordt gegenereerd, " zei senior auteur Eric Dunham, een universitair hoofddocent geofysica aan Stanford Earth.

Hier, Dunham en hoofdauteur Yuyun Yang, een doctoraalstudent aan het Stanford's Institute for Computational &Mathematical Engineering, hun methode bespreken en hoe deze in de toekomst zelfs kan worden toegepast op plaatsen zonder speciale offshore-sensoren, die momenteel alleen in Japan worden ingezet.

Hoe werken tsunami-waarschuwingssystemen tegenwoordig?

Eric Dunham:Huidige tsunami-waarschuwingssystemen beginnen met een schatting van aardbevingseigenschappen van seismische golven, gebruik vervolgens vooraf berekende relaties tussen aardbevingen en de tsunami's die ze genereren.

De meeste tsunami's worden veroorzaakt door een offshore-aardbeving die de oceaan omhoog of omlaag duwt. Terwijl de zwaartekracht het water terug naar evenwicht trekt, een tsunami is geboren. Maar tsunami's kunnen ook op andere manieren ontstaan. Onderwater aardverschuivingen, die een aardbeving kunnen vergezellen of onafhankelijk kunnen optreden, zijn een klassiek voorbeeld. Traditionele waarschuwingssystemen missen tsunami's van dat soort bronnen volledig.

Waarin verschilt jouw methode?

Yuyun Yang:Als een tsunami-golf door de oceaan beweegt, het verandert de druk door de waterkolom. Onze methode reconstrueert het oceaanoppervlak en schat de golfhoogten op basis van de druk die wordt gedetecteerd door offshore-sensoren terwijl de tsunami passeert.

Dunham:Yuyun ontdekte hoe hij een data-assimilatietechniek kon toepassen, bekend als het ensemble Kalman-filter, om het tsunami-golfveld op een bepaald moment snel te reconstrueren, gebruik vervolgens tsunami-golfvoortplantingssimulaties om te voorspellen hoe de golven zich ontwikkelen als ze naar het land gaan, uiteindelijk voorspellingen van golfhoogte en aankomsttijd aan de kust.

Yang:Onze voorspellingen beginnen zich binnen een paar minuten te stabiliseren. Dit laat 10 tot 20 minuten over voor overheidsinstanties om waarschuwingen te geven en om bewoners te evacueren.

Dunham:een vergelijkbare methode voor gegevensassimilatie die wordt voorgesteld voor gebruik in het waarschuwingssysteem van Japan, optimale interpolatie genoemd, biedt vergelijkbare voorspellingen, maar in sommige gevallen met minder nauwkeurigheid en consistentie. Voorspellingen met die methode kunnen fluctueren, afhankelijk van wanneer de prognose wordt gemaakt. Een voorspelling zal zeggen, "De golf zal drie meter hoog zijn." Twee minuten later:"De golf is 1 meter hoog." Onze aanpak vermindert deze fluctuaties, vooral wanneer offshore-sensoren ver uit elkaar staan.

Methoden voor gegevensassimilatie zijn rekenkundig duurder dan traditionele methoden op basis van seismische golven, maar ze bieden voorspellingen die steeds nauwkeuriger worden naarmate gegevens worden geassimileerd.

Traditionele seismische methoden zouden kunnen worden gebruikt om de eerste waarschuwingen te geven, en dan zou een methode als de onze kunnen worden gebruikt om die voorspellingen bij te werken. De benaderingen zijn complementair.

De data-assimilatietechniek die je hebt toegepast is niet nieuw. Waarom is deze aanpak niet eerder toegepast op tsunami-waarschuwingssystemen?

Dunham:Deze nieuwe technologie – offshore-sensoren die via een glasvezelkabel op het land zijn aangesloten – zorgt ervoor dat de gegevens in bijna realtime terug kunnen worden gestreamd naar computers waar ze kunnen worden verwerkt en gebruikt in waarschuwingssystemen.

Deze sensornetwerken zijn extreem duur in gebruik en onderhoud, en wetenschappers en ingenieurs worstelen met complicaties met de gegevens. getijden, stromingen, veranderingen in temperatuur en zoutgehalte kunnen ervoor zorgen dat deze instrumenten u vertellen dat er een verandering in druk of golfhoogte is terwijl dat niet het geval is. Maar zolang je een schatting hebt van de onzekerheid in de gegevens, dan kan de methode u vertellen hoe u die gegevens het beste kunt gebruiken.

Je hebt je methode getest op een simulatie van een tsunami zoals die zich waarschijnlijk zou afspelen voor de kust van Washington, Oregon en Brits-Columbia. Is een systeem dat effectief blijkt te zijn, waarschijnlijk even effectief in Californië, Indonesië, Japan of ergens anders?

Yang:De fysica is overal hetzelfde, maar de meeste regio's hebben niet de bekabelde arrays geïnstalleerd die het mogelijk zouden maken om deze methode te implementeren.

Dunham:Op dit moment, Japan is het enige land dat heeft besloten te investeren in deze technologie voor vroegtijdige waarschuwingsdoeleinden, waarschijnlijk omdat ze zo vaak aardbevingen en tsunami's hebben en omdat de gebeurtenis in 2011 zo catastrofaal was.

Zijn er goedkopere oplossingen in het verschiet?

Dunham:Er is een intrigerende mogelijkheid om bestaande glasvezelkabels te gebruiken die veel oceaanbodems bedekken. De meeste van deze glasvezelkabels hebben geen druksensoren aan de onderkant, maar er kunnen manieren zijn om de golfgeïnduceerde rek van deze kabels te meten om mogelijk een schatting te krijgen van de druk en golfhoogte.

Yang:Een andere mogelijkheid is om GPS-stations te gebruiken op commerciële schepen, die de waterhoogte op een bepaalde locatie op zee meten. Onze aanpak kan worden toegepast op gegevens uit elk van deze bronnen.

Waarom niet alleen de aardbeving zelf als waarschuwing gebruiken?

Dunham:Dat is de aanbevolen aanpak in landen zonder geavanceerde instrumenten:als u sterk en langdurig trilt, hogerop komen. Maar als u meer kwantitatieve prognoses kunt geven, veel mensen en instanties zullen die informatie kunnen gebruiken. Als u een kerncentrale exploiteert met een zeewering van een bepaalde hoogte, het kan van belang zijn of de golf 10 voet hoog of 12 voet hoog zal zijn.

Yang:Tijdens de aardbeving in Tohoku, veel mensen vluchtten naar hoger gelegen gebieden, zoals het dak, maar ze gingen niet hoog genoeg. Ze werden later weggespoeld en verdronken. Een nauwkeurige waarschuwing zal hen precies vertellen hoe hoog ze moeten gaan.