计算速度
地震、山体滑坡或其他触发事件可能导致大量水移动，从而引发海啸。 这种垂直位移的势能以波的形式转化为水平动能。 当海啸从触发点向外辐射时，它的速度取决于水的深度：它在深水中传播速度更快。 当海啸到达沿海地区较浅的水域时，它的速度将减慢，波浪将变得更陡峭。
注：
要了解关于海啸形成和变化方式的详细信息，请阅读海啸的一生。
您将绘制可能影响弗吉尼亚海滩的三次潜在海啸的路径。 您将使用海底的数字高程模型 (DEM) 来计算每此海啸的传播速度。
调查潜在的海啸触发因素
在本教程中，您将研究北大西洋的三种可能的海啸触发因素：波多黎各海沟地震、加那利群岛拉帕尔马山体滑坡以及距美国东海岸 100 公里的水下山体滑坡。
此分析所需的数据在 ArcGIS Pro 工程包 (.ppkx) 中提供。 您将下载该工程，并使用它来检查上述位置。
- 下载 Tsunami 工程包。
名为 Tsunami.ppkx 的文件即会下载到您的计算机。
注：
.ppkx 文件是一个 ArcGIS Pro 工程包，可能包含可以在 ArcGIS Pro 中打开的地图、数据和其他文件。 通过本指南了解有关管理 .ppkx 文件的详细信息。
- 在计算机上找到已下载的文件。 双击 Tsunami.ppkx 以在 ArcGIS Pro 中将其打开。
- 如果出现提示，请使用 ArcGIS 帐户登录。
注：
如果您没有 ArcGIS Pro 的访问权限或者 ArcGIS 组织帐户，请参阅软件访问权限选项。
随即出现一张地图，显示了大西洋的测深。 该地图使用阿尔伯斯等面积投影。 在执行面积或距离计算分析时使用等面积投影非常重要。
已标记四个位置。 您将依次访问它们中的每一个。
- 在地图上，缩放到美国东海岸的蓝点和黄点。
蓝点标记了弗吉尼亚海滩，一个拥有近 500,000 人口的城市，以及为本次分析选择的影响站点。
黄点标记了柯里塔克滑坡，或柯里塔克塌陷。 该位置位于大陆架边缘，之前为海底大规模滑坡 (SMF)，即水下山体滑坡。 据估计，柯里塔克 SMF 发生在 24,000 至 50,000 年前，共有 165 立方公里水资源流失，并在附近的弗吉尼亚州诺福克引发了海啸，淹没高度超过 5 米。 该地区可能会发生类似事件。
注：
有关柯里塔克滑坡及其海啸潜在风险的详细信息，请阅读美国大西洋中部海岸沿线发生大规模海底滑坡和生成海啸的可能性。
- 在地图上，向南缩放和平移至加勒比地区的粉色点。
波多黎各海沟是大西洋最深的部分。 它位于加勒比板块和北美板块之间的俯冲带，面临着地震和 SMF 风险。 由海沟引发的海啸将对波多黎各造成最具破坏性的影响，但如果海啸足够大，它也可能向北波及弗吉尼亚海滩。
注：
有关波多黎各海沟及其海啸潜在风险的详细信息，请阅读波多黎各海沟：对板块构造以及地震和海啸灾害的影响。
- 向东缩放并平移到位于非洲西北海岸外的加那利群岛的红点。
拉帕尔马是一个具有最近的活动历史的火山岛。 火山爆发有可能导致更严重的山体滑坡和随后的海啸。 如果事件规模足够大，弗吉尼亚海滩可能感受到海啸，但北美不太可能受到破坏。
注：
有关拉帕尔马及其海啸潜在风险的详细信息，请阅读火山观察 - 加那利群岛的“特大海啸”假设及其不涉及水的原因。
- 在地图上，单击任意海洋区域。
- 关闭弹出窗口。
- 在内容窗格中，右键单击位置，然后单击缩放至图层。
增密线
由以上列出的三个潜在原因中的任何一个引起的海啸会径向向外传播并到达许多海岸。 但是，对于此分析，您将只计算到特定位置（美国弗吉尼亚海滩）的传播时间。
要计算传播时间，您需要在每个海啸源和弗吉尼亚海滩之间绘制测地线。 测地线是地球曲面上两点之间的最短距离。
- 在内容窗格中，选中 Tsunami Paths 旁边的框以打开该图层。
Tsunami Paths 图层将每个海啸源与弗吉尼亚海滩连接起来。 这些线看起来是直线，但地图上的直线未必是地球上的直线路径。 您将使用测地线增密工具创建可以确定是测地线的线。
- 在功能区上，单击分析选项卡。 在地理处理组中，单击工具。
将出现地理处理窗格。
- 在搜索栏中，键入测地线增密。 在搜索结果中，单击测地线增密。
随即显示该工具的参数。 此工具将使用许多折点创建线，这些折点沿线长度以定义的间隔分隔。 这些折点有助于线保持其真实形状，无论地图的投影如何。
- 对于输入要素，选择 Tsunami Paths。
- 对于输出要素类， 将 GeodeticDensify 替换为 Geodesic，然后按 Tab 键。
注：
新要素类将存储在工程的默认地理数据库 Tsunami.gdb 中。 可以单击输出要素类框以揭示完整路径。
- 确保测地线类型设置为测地线且距离设置为 50 公里。
- 单击运行。
名为 TsunamiPaths_Geodesic 的新图层随即被添加到地图中。
从拉帕尔马到弗吉尼亚海滩的线比原始 Tsunami Paths 图层中的同一条线具有更大的曲率。
- 放大以比较从波多黎各海沟和柯里塔克滑坡的路径上的两个线图层。
这些线在新图层中也遵循略有不同的路径。 不管它们在此地图上的显示方式如何，曲线都代表较短的距离。
- 在内容窗格中，右键单击 Tsunami Paths，然后单击移除。
- 在内容窗格中，选中 TopoBathy Hillshade 旁边的框以将此图层打开。
海底的高程变化由山体阴影表示。 使用山脉和山脊可以更轻松地解释测深。 山体阴影图层使用混合模式，因此 DEM 图层的阴暗和明亮区域在下面仍然可见。
- 沿从拉帕尔马到弗吉尼亚海滩的路径目视查看，可以发现沿途海底的变化。
问题 1：海啸在从拉帕尔马到弗吉尼亚海滩的途中会经过哪些海底要素和地貌？ 它们对其速度会产生哪些影响？
注：
将在本教程结束时提供答案。
根据水深计算速度栅格
可以通过重力加速度 (g) 与海洋深度 (d) 的乘积的平方根，或 √(g*d) 来估算海啸速度。 地球上的标准重力加速度 (g) 定义为 9.80665 米/平方秒。 水深值 (d) 可在 AtlanticDEM 图层中找到。 在深度为 4,000 米的位置，海啸速度为 √(9.80665m/s² * 4000m)，即 198.057 米每秒。
您将使用栅格计算器工具创建一个新的栅格图层，其中每个像元的值代表该区域海啸的速度。
- 在地理处理窗格中，单击后退按钮。
- 搜索并打开栅格计算器工具。
提示：
如果您看到两个栅格计算器选项，可以选择其中一个。
- 在表达式框中，键入或复制并粘贴以下内容：Int(SquareRoot(9.80665*"AtlanticDEM"))。
提示：
或者，您可以通过双击工具和栅格框中的项目构造此表达式。
此行用于计算 g x d 的平方根，其中 g 为 9.80665，d 是在 AtlanticDEM 图层中测量的海洋深度。 表达式包含在 Int 函数中，可以确保输出为整型栅格。 稍后，您会将此栅格的一部分转换为面，并且该操作需要整型栅格作为输入。
在内容窗格中，您可以看到 AtlanticDEM 的值范围从 -8,385 到 5,560。 您感兴趣的值均为负数，表示海平面以下的米数。 但是，无法计算负数的平方根。 您将修改表达式以反转 AtlanticDEM 值，以使海洋面积为正，陆地面积为负。
- 在表达式框中，将 "AtlanticDEM" 替换为 ("AtlanticDEM"*-1)。
表达式现在显示为 Int(SquareRoot(9.80665* ("AtlanticDEM"*-1)))。 它将计算海啸在海洋区域的速度，并将对陆地区域返回空值。
- 对于输出栅格，键入 Speed，然后按 Tab 键。
- 单击运行。
工具完成后，地图上会出现一个新图层。 它将以白色显示海洋最深区域（海啸速度最快的位置），并以黑色显示最浅区域（海啸速度最慢的位置）。
- 在地图上，单击任意海洋区域。
随即显示弹出窗口。 Stretch.Pixel 值旁边的数字表示海啸在该区域传播的速度，以米/秒为单位。
您在所有位置均应用了相同的计算，以简化操作。 当海啸到达沿海地区的浅水区时，它的速度会变慢，波浪会变得更高更陡，这种效应称为浅滩化。 海啸在浅滩化期间的行为需要使用更复杂的方程式，而非上述方程式。 此外，海啸袭击陆地后，海啸的能量被反射回海洋，将导致复杂的行为和更多的波浪。 海岸还存在其他复杂因素，包括水流、垃圾、先前存在的涌浪和潮汐。 流体动力学模型是描述海啸沿海岸的行为的最佳方法。 但是，对于此分析，您只需要一个保守的或最早的到达时间，因此将对整个海啸路径应用更简单的深水方程，从而获得一个可以接受的近似值。
- 关闭弹出窗口。
沿海啸路径提取速度值
您现在已拥有代表海啸路径的线和代表海啸速度的栅格图层。 要找到每次海啸的传播时间，需要找到每个线段上的速度值。 您将使用按掩膜提取工具以仅提取与海啸路径线相交的栅格像元。
- 在地理处理窗格中，搜索并打开按掩膜提取工具。
注：
如果您无法访问按掩膜提取工具，则可以跳至下一节。 在栅格转面工具中，将使用 Speed 栅格图层作为输入，而不是较小的 PathSpeeds 图层。 该工具将需要更长的时间来完成处理过程。
- 对于输入栅格，选择 Speed。
- 对于输入栅格或要素掩膜数据，选择 TsunamiPaths_Geodesic。
- 对于输出栅格，键入 PathSpeeds，然后按 Tab 键。
- 确保已将提取区域设置为内部。
- 单击运行。
一个新的栅格图层随即出现在地图上，尽管它可能不会立即可见。
- 在地图上，缩放至 Virginia Beach 和 Currituck Slide 要素。
新栅格仅包含与线图层相交的像元。 它看起来像三条锯齿状的线，每条线的宽度仅为一个像元。 您将更改它的配色方案，使其相对于地图的其余部分更加明显。
- 在内容窗格中，右键单击 PathSpeeds，然后单击符号系统。
随即显示符号系统窗格。
- 在符号系统窗格中，单击配色方案菜单，然后选中显示名称。
- 向下滚动一小段配色方案列表，然后选择青色到紫色。
地图上图层的符号系统将发生变化。 青色像元是海啸速度较慢的区域，粉色像元是速度较快的区域。 图例显示了值范围为 6 至 285 米/秒。 这将转换为 21.6 至 1,026 公里/秒，或 13.4 到 638.5 英里/秒。
- 关闭符号系统窗格。
- 在内容窗格中，关闭 TsunamiPaths_Geodesic 和 Speed 图层。
问题 2：哪条海啸路径的速度值范围最大？ 这是为什么？
- 在快速访问工具栏上，单击保存按钮以保存工程。
您已经计算了可能到达弗吉尼亚海滩的三次潜在海啸的速度。 该工程中的栅格数据的分辨率为 5,000 米，这意味着各路径每 5 公里的速度值将有所不同。 接下来，您将使用这些速度值来计算传播时间。
计算传播时间
传播时间等于距离除以速度。 您现在知道这两个值，但要执行计算，需要将速度值从栅格图层传输到线图层。 您将使用栅格转面和相交工具实现此目的。 结果将是一个新线图层，其中每条线段都有一个速度值和一个长度值。 您将使用这些值来计算新传播时间字段。 最后，您将汇总新字段以找到每条海啸路径的总传播时间。
将栅格图层转换为面
传输速度值的第一步是将 PathSpeeds 栅格转换为面图层。
- 在地理处理窗格中，搜索并打开栅格转面工具。
- 对于输入栅格，选择 PathSpeeds。
输入图层必须为整型栅格。
- 对于字段，选择 Value。
值表示每个 5 公里像元的速度（以米/秒为单位）。
- 对于输出面要素，键入 SpeedPolygons，然后按 Tab 键。
- 取消选中简化面。
如果选中此选项，则会平滑面的边缘。 对于此分析，最好创建方形边缘的面，它可以更精确地表示栅格像元。
- 将其他参数留空。
- 单击运行。
面随即出现在地图上。 它们表示速度栅格中的每个像元（或具有相同值的像元组）。
- 在地图上，单击其中一个面。
随即显示弹出窗口。 gridcode 字段包含速度值，以米每秒为单位。
- 关闭弹出窗口。
将线与面相交
接下来，您需要将 TsunamiPaths_Geodesic 线图层与 SpeedPolygons 图层相交。 这将创建一个具有速度和距离属性的新线图层。
- 在地理处理窗格中，搜索并打开相交工具。
- 对于输入要素，选择 TsunamiPaths_Geodesic 和 SpeedPolygons。
- 对于输出要素类，键入 TsunamiPaths_Speed，然后按 Tab 键。
- 对于要连接的属性，选择所有属性。
- 对于输出类型，选择线。
根据线穿过面边缘的所有位置将其分段。 每条新线段都将具有一个属性，该属性具有来自其相交面的速度值。
- 单击运行。
一个新的线图层将出现在地图中。
- 在内容窗格中，右键单击 TsunamiPaths_Speed，然后单击属性表。
该属性表随即显示在地图下方。 gridcode 字段来自面输入图层，包含速度值。 Shape_Length 是自动生成的字段，用于测量每条线段的长度（以米为单位）。
提示：
要确认 Shape_Length 字段使用的单位，请在内容窗格中右键单击 TsunamiPaths_Speed，然后单击属性。 在图层属性窗口中，单击源选项卡。 展开空间参考部分，然后参阅线性单位属性。
Shape_Length 和 gridcode 是计算传播时间所需的字段。
计算每条线段的传播时间
您将向 TsunamiPaths_Speed 图层添加一个新字段，并使用该字段计算每条线段的传播时间。
- 在表的工具栏上，单击添加字段按钮。
字段视图随即打开，其中部分添加了一个新字段。
- 在表的最后一行中，对于字段名称，键入 TravelTimeHours。 对于别名，键入 Travel time in hours。 对于数据类型，选择双精度。
- 右键单击表上的任意位置，然后单击保存。
- 关闭字段视图并返回至属性表。
- 滚动至表格末尾以查找新 Travel time in hours 字段。
该字段为空，仅包含空值。 您将使用每段的长度除以其速度值来计算该字段。
- 右键单击 Travel time in hours 列的标题，然后单击计算字段。
- 在计算字段窗口中 ，对于 TravelTimeHours =，键入或复制并粘贴 !Shape_Length! / !gridcode!。
提示：
或者，通过双击字段框中的项目和帮助程序框下方的运算符来构建表达式。
此表达式将返回以秒为单位的传播时间。 要以小时为单位计算传播时间，需要将该数值进一步除以 3,600。
- 在 TravelTimeHours = 框中，在表达式末尾键入 /3600。
- 单击确定。
Travel time in hours 字段中填充了新值，表示海啸经过每条线段所需的小时数。 这些值非常小，因为大多数线段只有 5 公里长。
计算各路径的传播时间
要完成分析，您需要将所有线段的传播时间相加，以找出每次潜在海啸到弗吉尼亚海滩的总传播时间。
- 在属性表中，右键单击 Travel time in hours 列标题，然后单击汇总。
汇总统计数据窗口随即出现。
- 对于输入表，确认选择 TsunamiPaths_Speed。
- 对于输出表，键入 TsunamiPaths_TravelTime，然后按 Tab 键。
- 对于字段，选择 Travel time in hours。 对于统计类型，选择总和。
汇总统计数据工具将添加 Travel time in hours 字段中的所有值。 拥有三个总计字段（每次海啸一个）会更有用。 您将使用案例分组字段分离汇总，以便它返回每条路径的单独总计。
- 对于案例分组字段，选择路径。
- 单击确定。
随即将使用汇总值创建一个新表。
- 滚动至内容窗格底部。 在独立表下，右键单击 TsunamiPaths_TravelTime，然后单击打开。
该表包含三行。 SUM_TravelTimeHours 字段记录了每次潜在海啸的总传播时间（以小时为单位）。 因柯里塔克滑坡引起的海啸需要 2 小时 23 分钟才能到达弗吉尼亚海滩。 从拉帕尔马出发，需要 9 小时 24 分钟。 从波多黎各海沟出发，需要 6 小时 15 分钟。
问题 3：本教程中演示的传播时间分析如何为海啸易发城市的沿海灾害评估提供帮助？
- 关闭两个属性表。 保存工程。
在本教程中，您计算了三次潜在海啸源到定义的沿海位置的传播时间。 您创建了测地线来绘制每次海啸的最直接路径。 您使用海洋 DEM 创建了一个栅格来计算海啸速度。 您从沿每条海啸路径的速度栅格中提取了像元，并将其转换为面要素。 您将海啸路路线与面速度图层相交。 您计算了一个具有传播时间值的新字段。 最后，您将汇总传播时间值以找到每此海啸的总传播时间。
注：
您可以在 Natural Hazards Viewer 上查看历史海啸的传播时间地图。 在图层窗格中，在选定的重大海啸事件下进行选择。 可以在 Tsunami Travel Times to Coastal Locations Viewer 中查看到选定城市的传播时间地图。
计算传播时间是海啸规划的一个方面。 已开发先进的海啸流体动力学模型以根据可能的触发事件模拟海啸。 这些模型用于估计海啸的上升高度和内陆范围，并为应急管理和公众意识开发海啸淹没地图。 美国海啸预警系统对海洋检测，可在到达海岸线之前检测到海啸，并提供准确的预警信息。 弗吉尼亚海滩发生海啸的风险非常低，但为海啸做好准备仍然很有价值。 我们鼓励您对其他位置重复此工作流，例如在太平洋范围内。
您可以在教程库中找到更多教程。
回答
- 海啸在从拉帕尔马到弗吉尼亚海滩的途中会经过哪些海底要素和地貌？ 它们对其速度会产生哪些影响？
首先，海啸会经过加那利盆地。 这些水域很深，所以海啸传播速度很高。 然后它会遇到海洋学家号断裂带的一些海山和平顶山，这会导致它突然变慢。 当海啸它经过中大西洋海岭时将再次减速。 然后它会在北美盆地的深水区（包括索姆深海平原）上高速传播很长距离。 它只会因新英格兰海山而短暂减速。 海啸在其最后 125 公里的行程中会急剧减速，因为它将穿过大陆架。
- 哪条海啸路径的速度值范围最大？ 这是为什么？
从波多黎各海沟到弗吉尼亚海滩的路径速度值差异最大。 海啸的起始速度非常高，因为它必须首先穿过大西洋最深处的波多黎各海沟，然后它会在非常浅的大陆架上缓慢地结束它的旅程。
- 本教程中演示的传播时间分析如何为海啸易发城市的沿海灾害评估提供帮助？
城市可以使用这个分析来预测城市官员需要提前多长时间来警告居民海啸即将来临。 城市可能会根据可用的时间量来计划不同的海啸疏散程序。
