En fredagseftermiddag våren 2011, jordbävningen Tōhoku-Oki skakade nordöstra Japan i sex minuter och flyttade landets huvudö med 8 fot. Minuter senare, invånarna började ta emot tsunamivarningar via radio, mobiltelefoner och sirener.

Men de första varningarna underskattade storleken på vågorna och många människor lyckades inte evakuera till marken tillräckligt högt för att undkomma vågorna som svepte över delar av kusten - några i höjder upp till 120 fot.

När det framkom ur katastrofen, Japan installerade ett nätverk av seismiska och trycksensorer på havsbotten som har höjt ribban för tidiga varningssystem för tsunami världen över. Nu, ny forskning av forskare vid Jordskolan, Energy &Environmental Sciences (Stanford Earth) föreslår hur varningar baserade på dataströmning i realtid från sensorer som de i Japan kan göras mer exakta genom att kombinera det med tsunamisimuleringar.

Publicerad i peer-reviewed Geofysiska forskningsbrev , studien beskriver en ny metod utformad speciellt för lokala tidiga tsunamivarningar. "Det betyder att varna kustinvånarna om att en tsunamivåg genererad 50 eller 100 miles offshore kommer inom de närmaste 20 till 30 minuterna, "sa seniorförfattaren Eric Dunham, docent i geofysik vid Stanford Earth.

Här, Dunham och huvudförfattaren Yuyun Yang, doktorand vid Stanford's Institute for Computational &Mathematical Engineering, diskutera deras metod och hur den i framtiden till och med kan tillämpas på platser som saknar dedikerade offshore -sensorer, som för närvarande endast distribueras i Japan.

Hur fungerar tsunamivarningssystem idag?

Eric Dunham:Nuvarande tsunamivarningssystem börjar med en uppskattning av jordbävningsegenskaper från seismiska vågor, använd sedan förberäknade relationer mellan jordbävningar och tsunamierna som de genererar.

De flesta tsunamier orsakas av en jordbävning till havs som driver havet upp eller ner. När tyngdkraften drar tillbaka vattnet mot jämvikt, en tsunami föds. Men tsunamier kan också genereras på andra sätt. Undervattensskred, som kan följa med en jordbävning eller inträffa oberoende av varandra, är ett klassiskt exempel. Traditionella varningssystem missar helt tsunamier från den typen av källor.

Hur är din metod annorlunda?

Yuyun Yang:När en tsunami -våg rör sig genom havet, det förändrar trycket i hela vattenpelaren. Vår metod rekonstruerar havsytan och uppskattar våghöjder baserat på tryck som detekteras av offshoresensorer när tsunamin passerar förbi.

Dunham:Yuyun räknade ut hur man använder en dataassimileringsteknik, känd som ensemble Kalman -filtret, att snabbt rekonstruera tsunamivågfältet någon gång, använd sedan tsunamivågsutbredningssimuleringar för att förutsäga hur vågorna utvecklas när de rör sig mot land, ger slutligen prognoser för våghöjd och ankomsttid vid kusten.

Yang:Våra prognoser börjar stabiliseras inom några minuter. Detta ger 10 till 20 minuter för statliga myndigheter att utfärda varningar och invånare att evakuera.

Dunham:En liknande metod för assimilering av data som föreslås för användning i Japans varningssystem, kallas optimal interpolation, erbjuder liknande förutsägelser, men med mindre noggrannhet och konsekvens i vissa fall. Prognoser med den metoden kan variera beroende på när prognosen görs. En prognos kommer att säga, "Vågen kommer att bli 10 fot hög." Två minuter senare:"Vågen är 3 fot hög." Vårt tillvägagångssätt minskar dessa fluktuationer, särskilt när offshoresensorer är långt ifrån varandra.

Dataassimileringsmetoder är mer beräkningsmässigt dyrare än traditionella metoder baserade på seismiska vågor, men de ger prognoser som blir allt mer exakta med fortsatt assimilering av data.

Traditionella seismikbaserade metoder kan användas för att utfärda de första varningarna, och sedan kan en metod som vår användas för att uppdatera dessa prognoser. Tillvägagångssätten kompletterar varandra.

Den dataassimileringsteknik du har tillämpat är inte ny. Varför har detta tillvägagångssätt inte tillämpats på tsunamivarningssystem tidigare?

Dunham:Denna nya teknik-offshoresensorer anslutna via fiberoptisk kabel till land-gör att data kan strömma i nästan realtid tillbaka till datorer där den kan bearbetas och användas i varningssystem.

Dessa sensornätverk är extremt dyra att distribuera och underhålla, och forskare och ingenjörer brottas med komplikationer med uppgifterna. Tidvatten, strömmar, förändringar av temperatur och salthalt kan få dessa instrument att berätta att det finns en förändring i tryck eller våghöjd när det inte är det. Men så länge du har en uppskattning av osäkerheten i data, då kan metoden berätta hur du bäst använder den informationen.

Du har testat din metod på en simulering av en tsunami eftersom den sannolikt skulle spela utanför Washingtons kust, Oregon och British Columbia. Är ett system som visar sig effektivt där sannolikt lika effektivt i Kalifornien, Indonesien, Japan eller någon annanstans?

Yang:Fysiken är densamma överallt, men de flesta regioner har inte installerade kabeldragningar som skulle göra det möjligt att implementera denna metod.

Dunham:Just nu, Japan är det enda landet som har beslutat att investera i denna teknik för tidiga varningsändamål, troligtvis för att de har jordbävningar och tsunamier så ofta och för att händelsen 2011 var så katastrofal.

Finns det några billigare lösningar i horisonten?

Dunham:Det finns en spännande möjlighet att använda befintliga fiberoptiska kablar som täcker många havsbottnar. De flesta av dessa fiberoptiska kablar har inga bottentryckssensorer, men det kan finnas sätt att mäta våginducerad sträckning av dessa kablar för att potentiellt få en uppskattning av tryck och våghöjd.

Yang:En annan möjlighet är att använda GPS -stationer på kommersiella fartyg, som mäter vattenhöjden på en given plats till havs. Vår metod kan tillämpas på data från någon av dessa källor.

Varför inte bara använda själva jordbävningen som en varning?

Dunham:Det är den rekommenderade metoden i länder utan avancerad instrumentering:Om du känner stark och långvarig skakning, komma till hög mark. Men om du kan ge mer kvantitativa prognoser, många människor och byråer kommer att kunna använda den informationen. Om du driver ett kärnkraftverk med en sjövägg av en viss höjd, det kan spela roll om vågen kommer att vara 10 fot hög eller 12 fot hög.

Yang:Under jordbävningen Tōhoku, många människor flydde till högre mark, som taket, men de gick inte tillräckligt högt. De spolades bort senare och drunknade. En korrekt varning kommer att berätta exakt hur högt de behöver gå.