Tsunami hazard for Crete and Rhodes

Abstract

Historical reports and several scientific studies attest to numerous tidal waves impacting the Aegean in the past. The most famous report of a tsunami was made by Marinatos (1939) who claimed that a tsunami triggered by the eruption of Thera volcano in 1620 BC caused the collapse of the Minoan civilization on Crete. In historical and modern times, possibly two of the most powerful earthquakes in the Mediterranean of 365 and 1303 AD, with sizes Mw>8, have epicenters located close to Crete and Rhodes, and both triggered destructive tsunami waves. Such large events are relatively rare and extreme events with low probability, but the existence of the Hellenic arc subduction zone and the overall high seismicity of Greece, increase the tsunami hazard. Moreover, today the residential, commercial and tourism development of coastal areas is much larger than before, and therefore much smaller events could have a significant impact.The present study aims to estimate the tsunami hazard in the largest islands of South Aegean, Crete and Rhodes, using modern methodologies based on numerical simulation and inundation computation. For this purpose we used the tsunami simulation model MOST (Method Of Splitting Tsunami) of Titov and Synolakis (1998), which has been extensively tested with benchmark problems and is now used operationally by the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) to support the Tsunami Warning center of the U.S., on the Pacific Ocean. This numerical model is capable for simulating all three phases of the tsunami; that is the generation, the propagation in the open sea, and finally the inland penetration and inundation.The initial phase of the tsunami generation, requires as initial condition the detailed description of earthquake rupture. For this purpose we searched the literature for recent studies on the estimation of focal mechanisms (e.g. Floyd et al, 2010) for potential earthquake scenarios in the Aegean, that are expected to have significant impact for the two island. We tested probabilistic scenarios and/or worst case scenarios. Then, based on the seismic data, full numerical simulation of all proposed scenarios was made with MOST. In the phase of the wave propagation in the open sea, accurate bathymetry and topography data of various resolutions are needed which were collected from various sources and formulated into suitable telescopic gridded datasets focusing to the islands. Finally, for the final phase of inundation a detailed digital terrain model (Digital Elevation Model) bathymetry and topography of high resolution is required. Suitable digital models were acquired or produced for specific areas of interest, e.g. large urban centers with significant coastal infrastructure. Simulation results were then collected and processed to produce detailed flood maps (inundation maps), and important tsunami damage metrics were calculated for the study of risk.The risk is usually defined as the probability of disasters as a result of the interaction of natural disasters and vulnerability conditions. Towards more resilient societies, Ewing and Synolakis (2010), the focus now begins to shift from the assessment of natural disasters in the assessment of vulnerability. For the vulnerability of coastal areas from tsunami we need to study the exposure and the vulnerability of various socio-economic data and structures, among which are usually the population, the buildings, and many other infrastructures. For this reason, appropriate spatiotemporal data from available sources were collected and processed through geographic information systems. Finally, the results were combined with those from the numerical simulations to produce detailed hazard maps.The ultimate goal of the research is to provide estimates that will contribute, where possible, in decision making for appropriate prevention, optimized risk management, aiming to improve the resilience of the local communities against the danger of tsunami.

Ιστορικές αναφορές και αρκετές επιστημονικές μελέτες μαρτυρούν πολλά παλιρροϊκά κύματα που έπληξαν το Αιγαίο στο παρελθόν. Η πιο γνωστή αναφορά για τσουνάμι έγινε από τον Μαρινάτο (1939), ο οποίος ισχυρίστηκε ότι ένα τσουνάμι που πυροδοτήθηκε από την έκρηξη του ηφαιστείου της Θήρας το 1620 π.Χ. προκάλεσε την κατάρρευση του μινωικού πολιτισμού στην Κρήτη. Στους ιστορικούς και νεότερους χρόνους, δυο από τους ισχυρότερους σεισμούς στη Μεσόγειο το 365 και το 1303 μ.Χ., με μεγέθη Mw>8, εκτιμάται ότι είχαν επίκεντρα κοντά στην Κρήτη και τη Ρόδο και αμφότεροι προκάλεσαν καταστροφικά κύματα τσουνάμι. Τέτοια μεγάλα γεγονότα είναι σχετικά σπάνια και ακραία φαινόμενα με μικρή πιθανότητα εμφάνισης, αλλά η ύπαρξη του Ελληνικού τόξου καθώς και η γενικότερη υψηλή σεισμικότητα της Ελλάδας, καθιστούν τον κίνδυνο από τσουνάμι υπαρκτό. Επιπλέον, σήμερα η οικιστική, εμπορική και τουριστική ανάπτυξη των παράκτιων περιοχών είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι στο παρελθόν, και επομένως πολύ μικρότερα γεγονότα θα μπορούσαν να έχουν σημαντικό αντίκτυπο.Η παρούσα μελέτη στοχεύει στην εκτίμηση του κινδύνου από κύματα τσουνάμι για τα μεγαλύτερα νησιά του Νοτίου Αιγαίου, την Κρήτη και τη Ρόδο, χρησιμοποιώντας σύγχρονες μεθοδολογίες που βασίζονται στην αριθμητική προσομοίωση και στην υπολογιστική εκτίμηση της πλημμύρας.Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκε το υπολογιστικό μοντέλο MOST (Method Of Splitting Tsunami) των Titov και Synolakis (1998), το οποίο έχει δοκιμαστεί εκτεταμένα σε προβλήματα αναφοράς και χρησιμοποιείται σήμερα από την υπηρεσία National Oceanic and Atmospheric Administration (ΝΟΑΑ), για την υποστήριξη του Κέντρου Προειδοποίησης Τσουνάμι των ΗΠΑ, για τον Ειρηνικό Ωκεανό. Το συγκεκριμένο μοντέλο έχει τη δυνατότητα να προσομοιώνει όλες τις φάσεις του τσουνάμι, δηλαδή τη γένεση, τη διάδοση στην ανοικτή θάλασσα, και τέλος την αναρρίχηση του κύματος στην ακτή και τη διείσδυση στην ξηρά.Η αρχική φάση της γένεσης του τσουνάμι, απαιτεί ως αρχική συνθήκη την αναλυτική περιγραφή της σεισμικής διάρρηξης. Για το σκοπό αυτό, ερευνήσαμε τη βιβλιογραφία για πρόσφατες μελέτες για την εκτίμηση εστιακών μηχανισμών (π.χ. Floyd et al, 2010) για πιθανά σεισμικά σενάρια στο Αιγαίο, τα οποία αναμένεται να έχουν σημαντική επίδραση στα δύο νησιά. Δοκιμάστηκαν τόσο πιθανοθεωρητικά σενάρια, όσο και μεγάλοι σεισμοί κλειστής θάλασσας και πραγματοποιήθηκε πλήρης αριθμητική προσομοίωση όλων των σεναρίων με το MOST. Στη φάση της διάδοσης των κυμάτων στην ανοιχτή θάλασσα απαιτούνται ακριβή δεδομένα βαρυμετρίας και τοπογραφίας με διάφορες αναλύσεις, τα οποία συλλέχθηκαν από διάφορες πηγές και διαμορφώθηκαν σε κατάλληλα τηλεσκοπικά σύνολα δεδομένων που επικεντρώνονταν στα νησιά. Τέλος, για την τελική φάση της πλημμύρας απαιτείται λεπτομερές ψηφιακό μοντέλο εδάφους (Digital Elevation Model), βαθυμετρία και τοπογραφία υψηλής ανάλυσης. Κατάλληλα ψηφιακά μοντέλα αποκτήθηκαν ή παράχθηκαν για συγκεκριμένες περιοχές ενδιαφέροντος, π.χ. μεγάλα αστικά κέντρα με σημαντική παράκτια υποδομή. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης συλλέχθηκαν και επεξεργάστηκαν για να παράχθουν αναλυτικοί πλημμυρικοί χάρτες (inundation maps), ενώ στη συνέχεια «δείκτες καταστρεπτικότητας» (damage metrics) υπολογίσθηκαν για την μελέτη της επικινδυνότητας.Η επικινδυνότητα συνήθως ορίζεται ως η πιθανότητα καταστροφής σαν αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των φυσικών καταστροφών και των συνθηκών τρωτότητας. Στοχέυοντας προς πιο ανθεκτικές κοινωνίες, Ewing και Synolakis (2010), η εστίαση πλέον αρχίζει να μετατοπίζεται από την αξιολόγηση των φυσικών καταστροφών στην αξιολόγηση της ευπάθειας. Για την τρωτότητα των παράκτιων περιοχών από το τσουνάμι χρειάζεται να μελετηθούν η έκθεση και η ευπάθεια πλήθους κοινωνικο-οικονομικών στοιχείων και δομών, μεταξύ των οποίων περιλαμβάνονται συνήθως ο πληθυσμός, τα κτίρια, και πλήθος άλλες υποδομές. Για το λόγο αυτό, συλλέχθηκαν κατάλληλα χωροχρονικά δεδομένα, από διαθέσιμες πηγές, επεξεργάσθηκαν μέσω γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών και συνδυάστηκαν με τα αποτελέσματα των αριθμητικών προσομοιώσεων για την παραγωγή αναλυτικών χαρτών επικινδυνότητας.Απώτερος στόχος της έρευνας είναι να παρέχει εκτιμήσεις που θα συμβάλλουν, όπου είναι δυνατόν, στη λήψη αποφάσεων για κατάλληλη πρόληψη και βελτιστοποιημένη διαχείριση του κινδύνου, με στόχο τη βελτίωση της ανθεκτικότητας (resilience) των τοπικών κοινωνιών απέναντι στον κίνδυνο από τσουνάμι.