GAMM Rundbrief 2012/Heft 1

Jörn Behrens
ersten Minuten nach dem Beben mit großen Unsicherheiten
verbunden. Die Parameter selbst erlauben auch nur
eine sehr grobe Abschätzung der Bruchzone. Man vergegenwärtige
sich nur die Situation des Bebens, das zum
Weihnachtstsunami 2004 führte: Der Bruch währte für
etwa 12 Minuten und zog sich über eine Länge von etwa
1200 km. Eine solche Bruchzone mit nur einem Epizentrum
und einer Magnituden-Zahl zu charakterisieren ist sicher
nicht angemessen. Die Wellenhöhe hängt im zweiten
Schritt sehr sensitiv von der genauen Beschreibung des
Bruches ab. Wir haben es also mit einer Verkettung von
unsicheren Vorhersageschritten zu tun.
Mathematisch kann dieses Vorgehen mit Abbildungen
beschrieben werden. Die Bebenparameter aus einem
seismischen Messsystem werden als Eingabe für die
Abbildung auf die Bruchzone (wie oben beschrieben über
Skalierungs-Faktoren) genommen. Dabei muss die Unsicherheit
berücksichtigt werden. Es ist also eine Reihe von
Eingabe-Werten im Umfeld des tatsächlich bestimmten
Datums genauso wahrscheinlich, wie das Datum selbst.
Unter der Abbildung wird die Unsicherheit verstärkt:
Im anschließenden Schritt wird eine der möglichen Bruchzonen
nun als Eingabewert für eine weitere Abbildung
verwendet, welche diese Bruchzone mit der Wellenhöhe
korreliert. Wieder findet eine Verstärkung der Unsicherheit
statt, so dass in dem zweistufigen Prozess, in dem ein
seismisches Messdatum zu einer prognostizierten Wellenhöhe
(und –ankunftszeit) verarbeitet wird, eine sehr große
Unsicherheit auftritt.
Praktisch wirkt sich dies in der schon beschriebenen
großen Anzahl von Fehlwarnungen aus.
Im neuen Tsunami-Warnsystem, das mit deutscher Hilfe
im Indonesischen Jakarta aufgebaut wurde und seit März
2011 im operationellen Einsatz ist, wurde ein anderer
Weg beschritten [12]. Grundlegend für diesen Ansatz ist
die Beobachtung, dass Messwerte von unterschiedlichen
Sensoren – seismisches System für Bebenparameter,
Pegel für Wellenhöhen, GPS-Sensoren für Erdkrustenverschiebungen
– unabhängig voneinander dasselbe physikalische
Phänomen beschreiben. Auf der anderen Seite
stellt jedes Szenario in der Datenbank eine spezifische
modellierte Realisierung eines solchen physikalischen
Phänomens dar. Dementsprechend haben alle unabhängigen
Messdaten Entsprechungen in den Szenarien und
nur solche Szenarien, in denen alle diese Daten zu gemessenen
Werten passen ähneln dann der realen Situation.
10 Rundbrief 1/2012
Abb. 5: Bruchzone (rote Farbe: große Auslenkung, blaue Farbe: niedrige
Auslenkung), Epizentrum (Stern), Pegel (Kreise), GPS Stationen (Dreiecke),
Referenz-Pegel in Padang und Bengkulu (Pentagramme).
Anders ausgedrückt: Jedes neue Messdatum, das von
einem der Sensoren im Warnzentrum einläuft, schränkt
die Unsicherheit zusätzlich ein. Dies lässt sich in unserer
mathematisch motivierten Darstellung durch verschiedene
Abbildungen beschreiben, welche alle in denselben Raum
von möglichen Szenarien abbilden. Aber nur diejenigen
Szenarien, die sich in der Schnittmenge aller dieser
Abbildungen befinden, stimmen mit der real gemessenen
Situation überein.
Die Funktionsweise lässt sich eindrucksvoll an einem synthetischen
Beispiel darstellen. Reale Fälle konnten bislang
noch nicht getestet werden, weil die bisherigen Beben, bei
denen das Warnsystem angeschlagen hat, nicht genügend
stark waren die Unsicherheit bei der Vorhersage wirklich
zu offenbaren. In dem folgenden Beispiel wurde von einer
unabhängigen Gruppe ein Tsunami-Erdbeben simuliert
und die so erzeugten „Messwerte“ an die Simulations-
Einheit im Warnsystem übergeben. Als „Wahrheit“ gelten
zwei Pegel an der Küste, die ebenfalls Daten aus dem
simulierten Tsunami-Beben erhalten. Bekannt sind also
Epizentrum und Magnitude des Bebens, Wellenhöhen an
zwei Bojenpositionen, sowie Erdkrustenverschiebungen
an einer Reihe von GPS Sensoren. Die Güte der Vorhersage
wird anhand von zwei Pegeln in Padang und Bengkulu
überprüft. Um eine realistische Situation zu simulieren,
wird von einer komplexen Bruchzone ausgegangen, deren
Epizentrum am Rande des Bruchs liegt (siehe Abb. 5).
Würde nun die Warnung allein auf der seismischen
Information beruhen, dann wäre – entsprechend der
großen Bruchzone eine Reihe von Szenarien möglich.
Jedes Szenario ist durch ein (synthetisches) Epizentrum
charakterisiert, das jeweils in der Mitte der Bruchzone