Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Длинные волны в океане: захват, резонанс и морские природные катастрофы

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Длинные волны в океане: захват, резонанс и морские природные катастрофы"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. ШИРШОВА

РГ6 ол

I ' ■• ■ ■ ;

На правах рукописи ' ' ■

УДК 551.466

Рабинович Александр Борисович ДЛИННЫЕ ВОЛНЫ В ОКЕАНЕ: ЗАХВАТ, РЕЗОНАНС И МОРСКИЕ ПРИРОДНЫЕ КАТАСТРОФЫ (11.00.08 - Океанология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

МОСКВА - 1997

Работа выполнена в Институте морской геологин и геофизики ДВО РАН и

Институте океанологии им. П.П. Ширшова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

профессор Ю.А. Иванов

доктор физико-математических наук

профессор E.H. Пелиновский

доктор физико-математических наук

профессор К.Д.Сабинин

Ведущая организация: Российский государственный гидрометеорологический институт (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится "_" _ 1997 года в _ часов на заседании

Специализированного Совета по присуждению ученой степени доктора наук Д 002.86.02 при Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук.

Адрес института: 117218, Москва, ул. Красикова, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии

им. П.П. Ширшова Российской Академии наук

Автореферат разослан "_"_ 1997 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат географических наук

С.Г. Панфилова

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Зона шельфа и прибрежная зона Мирового океана играют важнейшую роль в жизнедеятельности человека. Рыболовство, мореплавание, добыча полезных ископаемых, в том числе нефти и газа, строительство подводных туннелей и трубопроводов, прокладка кабельных линий - вот только несколько примеров активного освоения шельфа. Особое значение имеет прибрежное строительство. Во многих странах прибрежные районы превратились в сплошную курортную зону, принимающую десятки миллионов туристов в год, и обеспечивающую этим странам свыше 50% национального дохода. Одновременно в зоне побережья продолжают строиться гигантские, дорогостоящие промышленные объекты, в том числе атомные электростанции, повреждение которых может иметь глобальные экологические последствия. В такой ситуации тщательное изучение физических процессов на шельфе и в прибрежной зоне приобретает первостепенное значение. Предупреждение и защита побережья от морских природных катастроф и стихийных бедствий, вызванных опасными колебаниями уровня океана и связанными с ними течениями, является наиболее актуальной задачей.

Опасные явления, воздействующие на побережье, чрезвычайно разнообразны. Это гигантские волны цунами, вызывающие значительные разрушения в сейсмически активных районах Мирового океана (только за последние 4 года в Тихом океане произошло 12 катастрофических цунами!), штормовые нагоны, унесшие за последние 30 лет больше человеческих жизней, чем любое другое стихийное бедствие, сейши, существенно затрудняющих функционирование портов и гаваней, а в отдельных районах приводящих и к их серьезным разрушениям, инфрагравнтациоиные волны, которые, как выяснилось в последнее время, оказывают основополагающее воздействие на формирование всей прибрежной зоны и, наконец, приливы, которые не являясь сами по себе катастрофическим явлением, могут значительно усливать катастрофическое воздействие других явлений.

Каждому из перечисленных явлений посвящена обширная литература. Так явление цунами исследовалось, в частности, в многочисленных работах С.Л.Соловьева (19601994), монографиях Т.Мурти (1977), Е.Н.Пелиновского (1982, 1996) и др. Штормовые нагоны подробно рассматривались в книгах Т.Мурти (1984) и Д.Пью (1987), приливы - в монографиях Л.В.Некрасова (1975, 1990), Г.И.Марчука и Б.А.Кагана (1977, 1983), Д.Пью (1987) и др. Исследованию прибойных биений и инфрагравитационных волн была посвящена монография В.С.Бычкова и С.С.Сгрекалова (1971), многочисленные статьи на эту тему в последние годы публиковались в отечественных и зарубежных журналах. В то же время (если не считать классических работ А.Дефанта, В.Манка и Н.А.Лабзовского, написанных 25-40 лег тому назад) практически отсутствуют работы, в которых вся совокупность явлений с учетом их взаимодействия и суперпозиции.

Между тем имеются по крайней мере две важных причины, обуславливающие необходимость совместного изучения этих явлений: 1) все эти процессы могут быть описаны в рамках единой аксиоматики (теории мелкой воды), характер их поведения, трансформации в зоне шельфа и воздействия на береговую зону во многом аналогичен, что позволяет обобщать полученные результаты; 2) указанные явления происходят не изолированно, а на фоне друг друга, их невозможно разделить без тщательного анализа физических особенностей каждого из них, именно суперпозиция различных типов

колебаний уровня часто приводит к катастрофическим эффектам и поэтому должна учитываться при долгосрочном прогнозе.

Именно по этой причине предметом настоящей работы являются комплексное изучение длинноволновых колебаний уровня океана в широком диапазоне временных масштабов: от нескольких десятков секунд (инфрагравитационные волны) до десятков суток и месяцев (метеорологические и сезонные колебания уровня). При этом широко используется подход, основанный на стркутурном анализе отдельных физических явлений, т.е. на их разложении на элементарные волновые составляющие (краевые и шельфовые волны, волны Кельвина, Пуанкаре, и пр.), подобно тому как в сейсмологии при анализе сейсмических записей выделяют !'-, S-, Г-волны, волны Рэлея, Лява и т. п. Знание структурного состава явления, позволяет построить его эффективную физическую модель и спрогнозировать изменчивость соответствующего явления во времени и в пространстве. Такой подход для анализа приливов получил развитие в работах В.В.Тимонова и А.В.Некрасова, а для различных длинноволновых явлений в целом -широко использовался в монографии В.В.Ефимова, Е.А.Куликова, А.Б.Рабиновича и И.В.Файна "Волны в пограничных областях океана" (1985).

Основной акцент в работе делается на исследовании волновых особенностей соответствующих явлений, понимание которых позволяет оценивать их возможные опасные и катастрофические проявления и делает более эффективным прогноз и борьбу с ними. Исследование опасных природных явлений, вызывающих многочисленные человеческие жертвы и приносящих значительный экономический ущерб, выявление механизма формирования этих явлений, разработка методов их краткосрочного и долгосрочного прогноза определяют актуальность и практическую значимость данной работы.

Основные цели и задачи исследования

Основной целью настоящей работы является исследование колебаний уровня океана и связанных с ними течений в широком диапазоне периодов: от нескольких десятков секунд до нескольких десятков суток, с особым акцентом на опасные и катастрофические природные явления. Основное внимание уделяется физическим особенностям, характеру проявления и возможности прогноза следующих форм длинноволновых колебаний:

• Инфрагравитационные волны, прибойные биения;

• Анемобарические волны, метеоцунами;

• Цунами;

• Сейши;

• Штормовые нагоны;

• Приливы.

При этом целью исследования является выявление динамических характеристик процессов в конкретных районах Мирового океана и учет их возможной суперпозиции, что необходимо для получения вероятностных оценок экстремальных (катастрофических) колебаний уровня океана.

В соответствии с поставленными целями, непосредственными задачами исследования были следующие:

1) Организация натурного эксперимента и/или сбор необходимых гидрометеорологических данных и информации;

2) Разработка алгоритмов и программ исследования полученного/собранного материала с использованием современных возможностей анализа временных рядов;

3) Выявление физических особенностей исследуемых процессов в конкретных районах Мирового океана;

4) Разработка теоретических моделей с целью описания соответствующих процессов, объяснения выявленных особенностей и выявления физического механизма их формирования;

5) Построение прогностических (во времени или пространстве) моделей данных процессов, оценка возможной суперпозиции различных процессов, долгосрочный прогноз экстремаьных событий.

Научная новизна работы и основные результаты

В работе впервые с единых позиций описываются разнообразные длинноволновые процессы и опасные природные явления в океане (цунами, штормовые нагоны, приливы, прибойные биения и пр.). Показано, что характер проявления и физические особенности этих явлений обуславливаются прежде всего их волновой структурой, т.е. теми волновыми составляющими, которые участвуют в формировании этих явлений. В свою очередь эти составляющие (волна Кельвина, краевые, шельфовые и излученные волны, собственные колебания заливов и бухт и пр.) определяются геометрией и батиметрией соответствующих акваторий. Теоретический анализ собственных волновых решений для различных частотных диапазонов позволил объяснить, а порой и предсказать поведение и свойства различных процессов в зоне шельфа и вблизи берега, в том числе представляющих угрозу для жизнедеятельности человека.

Так автором совместно с В.В.Ефимовым (1978) было теоретически предсказано существование на шельфе Курильских островов суточных приливных шельфовых волн и высказано предположение, что следствием этих волн должно быть присутствие в этом районе аномально сильных суточных приливных течений и мелкомасштабных вариаций гармонических постоянных суточных приливов. Последующие наблюдения придонных течений в районе Южных Курил полностью подтвердили это предположение. Позже аналогичный эффект был обнаружен автором также на северо-восточном шельфе о. Сахалин. Автором (совместно с Г.В.Шевченко) было показано, что шельфовые волны играют важную роль в диссипации энергии суточных приливов, в зоне шельфа реализуется "двухтактный механизм диссипации приливной энергии": 1) за счет рассеяния на неоднородностях рельефа энергия крупномаштабных приливных волн (типа Кельвина) переходит в мелкомасштабные (шельфовые); 2) последние (имеющие высокие скорости течений) быстро диссипиругот. Иначе говоря, вначале потенциальная энергия переходит в кинетическую, а потом последняя диссипирует за счет донного трения. Дальнейшее доказательство важной роли шельфовых волн в формировании суточных приливов, и особенно приливных течений, было получено с помощью спутниковых дрифтеров, которые показали, что в проливах Курильской гряды суточные течения, связанные с шельфовыми волнами, превышают 2 м/с.

Предложен принципиально новый подход к анализу волн цунами и разработан соответствующий метод, позволивший разделить влияние топографии и источника и восстановить спекгр исходного очага цунами. Данный метод успешно использован для анализа ряда цунами в Тихом, Атлантическом океанах и Японском море. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования Системы предупреждения о цунами.

Автором показано, что естественный длинноволновой шум в диапазоне частот цунами в значительной степени генерируются за счет нелинейного перехода энергии ветровых волн в инфрагравитационные движения, при этом соответствующий процесс резко активизируется во время штормов, вызывая эффект, сходный с "отрицательной вязкостью". Впервые рассмотрен эффект влияния завихренности жидкости на длинноволновые колебания в гаванях, получены оценки нелинейного демпфирования этих колебаний, показано, что этот эффект может быть использован для борьбы с явлением тягуна.

Проведено исследование природы и механизма генерации экстремальных сейш (метеоцунами) в различных районах Мирового океана, показано, что подобные колебания формируются в результате двойного резонанса, различные типы которого описаны. Выполнено детальное исследование явления риссага (катастрофических сейш в районе Балеарских островов), выявлен физический механизм формирования этого явления. Выполнены исследования и расчеты сейш в различных акваториях Мирового океана, в том числе впервые проведены расчеты собственных колебаний Каспийского моря с учетом вращения Земли и реальной топографии.

Разработан (совместно с Е.А.Куликовым) оригинальный метод анализа нестационарных векторых временных рядов, который оказался чрезвычайно эффективным при обработке лагранжевых наблюдений за течениями и позволил, в частности, обнаружить суточные шельфовые волны на шельфе Курильской гряды, выявить эффект допплеровского смещения инерционной частоты при взаимодействии инерционных колебаний с вихревыми образованиями и исследовать механизм генерации инерционных движений атмосферными возмущениями.

Разработан численный метод расчета вынужденных колебаний уровня океана в зоне шельфа - континентального склона. Впервые предложен физический механизм, объясняющий существенные отличия реакции уровня океана на вариации атмосферного давления для тихоокеанского и охотоморского побережья Курильской гряды, причины нарушения "закона обратного барометра" для колебаний уровня океана на охотоморском побережье и механизм образования разрушительных штормовых на этом побережье.

Предложен метод оценки экстремальных колебаний уровня океана как совместной плотности вероятности сезонных колебаний, приливов, штормовых нагонов и цунами, впервые провдена оценка относительного влияния различных составляющих для конкретных объектов, в частности для побережья Японского моря и охотоморского побережья о. Сахалин.

Эги результаты являются наиболее важными и носят приоритетный характер.

В целом автором сформировано новое направление в изучении морских природных катастрофических явлений в прибрежной зоне и длинноволновых процессов в океане, основанное на комплексном характере проводимых исследований и тесном сочетании теории и эксперимента.

Данные наблюдений, использованные в работе

Основной эмпирический материал, использованный в работе, следующий:

• Данные глубоководных измерений длинноволновых колебаний уровня откытого океана, полученные во время Первой (1975) и Второй (1978) Советско-американских экспедиций по проблеме цунами;

• Данные мареографных и гидрометеорологических наблюдений за 19711992 гг на станциях Дальневосточного региона;

• Синхронные многомесячные наблюдения уровня моря, атмосферного давления, ветра и ветровых волн на 18 российских и южнокорейских станциях в Японском море и Корейском проливе;

• Продолжительные наблюдения длинных волн и микрофлукгуаций атмосферного давления на юго-западном шельфе п-ва Камчатка, полученные во время комплексных экспериментов КАМШЕЛ-87, КАМШЕЛ-88;

• Многомесячные регистрации длинных волн и микорфлуктуаций атмосферного давления в районе о. Шикотан (Курильские острова) и Балеарских островов (Испания);

• Измерения течений на северо-восточном шельфе о. Сахалин и на шельфе Южных Курил;

• Мареограммы цунами в Тихом океане, Японском и Охотском морях, а также в Атлантическом океане;

• Данные около 100 дрифтеров в северной части Тихого океана за 1990-1996 гг, установленных по Международной программе Исследования океанической циркуляции (WOCE).

Высокое качество материала, использование современных методов при его обработке, сопоставление результатов, полученных разными методами, сравнение теоретических расчетов с данными наблюдений и (где это возможно) с наблюдениями и расчетами других авторов определяют достоверность результатов, полученных в работе. Обоснованность основных результатов подтверждается также их публикацией в центральных отечественных и зарубежных изданиях.

Аппробапия результатов

Отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на XIV Тихоокеанском научном конгрессе (Хабаровск, 1979), 2-м Съезде советских океанологов (Ялта, 1982), 1-м Международном симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг Мирового океана" (Таллинн, 1983), 2-м Всесоюзном симпозиуме "Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов" (Таллинн, 1984), Всесоюзном симпозиуме "Динамика механических систем" (Томск - Нижневартовск, 1986), на конференции по межведомственному проекту "Волна" (Севастополь, 1988), на Всесозных симпозиумах по цунами (Владивосток, 1980; Южно-Сахалинск, 1981; Горький, 1984; Обнинск, 1988; Горький, 1990), на 1-ми 2-м Совещаниях по природным катастрофам и стихийным бедствиям (Южно-Сахалинск, 1988, 1990), на 5-м и 6-м Международных симпозиумах по Японскому и Восточно-Китайскому морям (Каннын, респ. Корея, 1989; Фукуока, Япония,

1991), на 24-м Конгрессе Канадского метеорологического и океанографического общества (Виктория, Канада, 1990), на 1-м Международном совещании по Желтому морю (Сеул,

1992), на Международных симпозиумах по цунами (Новосибирск, 1989; Вакаяма, Япония, 1993; Болдер, США, 1995), на 5-ой Международной конференции по природным катастрофам (Циндао, Китай, 1993), на 24-ой Европейской сейсмологической ассамблее (Афины, 1994), на Рабочем совещании "Измерения волн цунами" (Эстес-Парк, США, 1995), на 21-ой Ассамблее Международного геофизического союза (IUGG) (Болдер, США, 1995), на 21-ой Ассамблее Международной ассоциации по физическим наукам в океане (IAPSO) (Гонолулу, США, 1995), на 2-м Международном симпозиуме по накату цунами (Фрайдей-Харбор, США, 1995), на Международной конференции "Динамика атмосферы и океана" (Москва, 1995), на 5-ой Ежегодной международной конференции по

Северной части Тихого океана (PICES) (Нанаймо, Канада, 1996), на семинарах отдела цунами Института морской геологии и геофизики ДВО РАН (Южно-Сахалинск, 19801992), Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН (Владивосток, 1983, 1985, 1988), Морского гидрофизического института (Севастополь, 1983, 1988), Государственнного океанографического института (1982, 1984, 1988, 1990, 1997), Института океанологии РАН им. П.П.Ширшова (1995, 1997), Сеульского национального университета (респ.Корея, 1989, 1991, 1993), а также ряда других университетов и научно-исследовательских институтов респ. Корея (1989-1993), Токийского Университета (Япония, 1991, 1993), Иститута океанских наук (Сидней, Канада, 1990-1996), Тихоокеанской морской лаборатории окружающей среды (Сиэтл, США, 1993-1996), Университета Вашингтон (Сиэтл, США, 1993, 1996), Гавайского университета (Гонолулу, США, 1993), Университета Британской Колумбии (Ванкувер, Канада, 1993, 1995), Университета Балеарских островов (Пальма-де-Мальорка, Испания, 1994, 1996), а также в других университетах и институтах, занимающихся исследованиями Мирового океана, волновых процессов, природных катастроф и стихийных бедствий.

Основные материалы представленных исследований опубликованы в монографиях: В.В.Ефимова, Е.А.Куликова, А.Б.Рабиновича и И.В.Файна "Волны в пограничных областях окена", JL: Гидрометеоиздат, 1985 (Введение, главы 1, 2, 3 и 6) и А.Б.Рабиновича "Длинные гравитационные волны в океане: захват, резонанс, излучение", С.Пб.: Гидрометеоиздат, 1993, а также в 52 статьях в отечественных и зарубежных журналах, из них 10 лично, а остальные в соавторстве. Наиболее значимые результаты опубликованы в журналах "Доклады АН", "Океанология", "Физика атмосферы и океана", "Natural Hazards", "Journal of Geophysical Research", "Journal of Oceanography", "Science of Tsunami Hazards". Коллективный характер исследований, связанных с проведением экспериментов, получением и обработкой данных, обусловил публикацию части полученных результатов совместно с коллегами по работе. В большинстве работ, выполненных с соавторами, научные идеи, организация эксперимента, анализ данных и их интерпретация принадлежат автору.

Объем и структура работы

Работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 416 страниц, в том числе 93 рисунков и графиков и список литературы из 390 наименований.

Во введении приводятся основные сведения об опасных и катастрофических колебаниях уровня океана, обосновывается актуальность проблемы, формулируются цели и задачи исследования, обсуждается новизна и практическая значимость диссертации. В первой главе излагаются основы теории длинных волн в зоне шельфа - континентального склона, независимо от конкретного физического процесса их вызвавшего. Рассматриваются явления "захвата" волновой энергии и "шельфового резонанса", основные типы волн, существующие в этой зоне, представлены аналитические и численные модели, использованные для их описания. В последующих главах эти общие положения применяются для описания конкретных физических явлений в океане. В главе 2 исследуются относительно высокочастотные длинноволновые колебания уровня океана, а именно анемобарические (АБ) и инфрагравитационные (ИГ) волны. Глава 3 посвящена анализу волн цунами, в частности, оценке влияния источника и топографии на эти волны. В главе 4 приведены результаты численного моделирования и анализа сейшевых колебаний в замкнутых и частично замкнутых водоемах, в частности, в бухтах и заливах Курильских и Баяеарских островов и в Каспийском море. В главе 5 рассматриваются

низкочастотные колебания, вызванные метеорологическими факторами; основное внимание при этом уделяется особенностям формирования штормовых нагонов в Японском и Охотском морях, а также на тихоокеанском побережье Курильских островов. В (5-ой главе исследуются приливные движения в зоне шельфа - континентального склона и в первую очередь суточные шельфовые волны и связанные с ними сильные течения. Совокупное воздействие различных типов колебаний уровня океана, их относительный и суммарный вклад в формирование экстремальных (катастрофических) колебаний уровня океана описывается в главе 7. Главные результаты и выводы работы формулируются в заключении.

ГЛАВА 1. Особенности длинных волн в зоне шельфа - континентального склона н в открытом океане

Первая глава посвящена изложению основ теории длинных баротропных волн во вращающемся океане.

В п. 1.1 излагаются некоторые общие положения и приводится классификация длинных волн. Как было показано Ламбом (1947), в океане существуют два основных класса длинноволновых движений: гравитационные волны, обусловленные воздействием силы тяжести, и градиеитно-вихревые, формирующиеся под влиянием гироскопических сил и определяющиеся законом сохранения потенциального вихря. Первые вызывают сильные колебания уровня, но сравнительно слабо проявляются в течениях (за исключением бухт и узких поливов). Вторые, наоборот, вызывают сильные течения, но незначительно влияют на уровень. Свойства этих волновых движений в значительной степени определяют особенности тех физических явлений, в формировании которых они участвуют.

Для описания характера длинноволновых движений в зоне шельфа-континентального склона в п. 1.2 используется модель полубесконечного океана с цилиндрическим рельефом дна h-h(x). Периодические по времени I и вдольбереговой координате у колебания уровня С, описываются уравнением:

w2-/1 h'(x)Jk

gh(x) h(x) со

-k2

= (1.1)

где g - ускорение силы тяжести, / - параметр Кориолиса, со - круговая частота, к ~ вдольбереговое волновое число. Решение уравнения (1.1) с учетом граничных условий (непротекания на берегу и ограниченности решения на бесконечности) описывает два типа волновых движений: 1) дискретный спектр захваченных волн, распространяющихся вдоль берега, энергия которых в основном сосредоточена зоне шельфа, а в сторону открытого океана быстро убывает; 2) непрерывный спектр излученных волн {модифицированных вот Пуанкаре), приходящих из открытого океана, трансформиющихся в зоне шельфа, и уходящих обратно в открытый океан после отражея от берега и шельфа. Два важнейших эффекта, наблюдающихся в шельфовой зоне, волнового захвата и шельфового резонанса связаны, соответственно, с первым и вторым типами волн.

Существуют три основных типа захвата и, соответственно три типа захваченных волн: 1) гравитационный захват зоной мелководья (краевые волны Стокса), 2) захват вращением Земли и наличием береговой границы (волна Кельвина), 3) захват совместным воздействием переменности рельефа и вращения Земли (топографические волны Россби, частным случаем которых являются континентальные шельфовые волны). Краевые

волны, также как и излученные, существует только н частотах выше инерционной, топографические волны Россби, наоборот, только на субинерционных частотах, а волна Кельвина - на тех и на других (рис.1). Характер этих видов волновых движений существенным образом зависит от формы рельефа в зоне иельфа - континентального склона, в свою очередь именно эти волны в основном и определяют характер реальных физических процессов вблизи берега..

В п. 1.3 подробно рассматриваются особенности захваченных волн для простейший модели рельефа - "шельф-ступенька", которая впервые для исследования краевых волн использовалась еще в работе Сезава и Канаи (1939), а в дальнейшем активно применялась при описании краевых и шельфовых волн в работах Манка, Аиды, Привальского, Бухвальда и др. Модель позволяет наглядно продемонстрировать основные свойства захваченных волн (фазовая и групповые скорости отдельных мод, понятие "фазы Эйри" и пр.). Другие простые аналитические модели рельефа рассматриваются в п. 1.4. Основное внимание при этом уделяется двум важным моделям: бесконечного откоса и экспоненциального шельфа. Первая из этих моделей широко используется при моделировании относительно высокочастотных краевых волн, связанных с инфрагарвитационными движениями в прибрежной зоне, вторая - при моделировании шельфовых волн, обусловленных атмосферными процессами или приливами. Обе эти модели используются в последующих главах.

Параграф 1.5 посвящен теоретическому исследованию особенностей излученных волн. Зона существования этих волн на дисперсионной плоскости (соД) ограничена гиперболой к2 <(о2-/2 )/(£#), где Н - глубина открытого океана. Для описания этих волн используются в данном разделе используются методы геометрической оптики (Горелик, 1959), формулируется закон Снеллиуса, вводится понятие угла Брюстера (угла, при котором на шельфе не происходит искажения волны, приходящей из открытого океана) и др. Важнейшей харатеристикой излученных волн является коэффициент усиления т = Со /С„, где ¡^ - колебания уровня в открытом океане, а С0 - вблизи берега. Этот коэффициент звисит от частоты и волнового числа, и при определенных значениях этих параметров достигает максимума, интенсивность которого зависит от формы шельфа. Рассчитанные значения у приводятся для различных профилей шельфа.

В п. 1.6 представлен численный алгоритм расчета захваченных и излученных волн для произвольных пофилей рельефа (метод начальных параметров). Метод основан на аппроксимации реального рельефа ступенчатой функцией и склейке решений, выписанных для каждой ступеньки. На границах первой и последней ступенек задаются граничные условия. В итоге задача сводится к многократному перемножению матриц 2-го порядка с использованием внутренней итеративной процедуры для нахождения собственных чисел. Данный метод используется для расчета дисперсионных кривых и форм собственных колебаний для районов Южных Курил и шельфа Сахалина.

ГЛАВА 2. Анемобарическме (АБ) и инфрагравитационные (ИГ) волны вблизи берега и в открыом океане

В данной главе исследуются длинные в диапазоне периодов от нескольких десятков секунд до нескольких часов вызванных воздействием на поверхность океана атмосферного дя и ветра (АБ-волны) или сформированным в результате нелинейного взимодействия ветровых волн, зыби (ИГ-волны). Основные п редставления об этих волнах даются в п.2.1.

Рис.1 Обобщенная дисперсионная пограничных волн, соответствующая широте 45° (центральная ось), 60° (слева) н 20° (справа). По оси абсцисс отложено вдольбереговое волновое число, по оси ординат - частота (цикл/сут).

В п.2.2 рассматриваются атмосферные движения с периодами от 1 мин до нескольких часов, формирующие АБ-волны в океане. Для анализа используются многомесячные измерения микрофлуктуаций атмосферного давления, полученные на юго-западном побережье Камчатки, на о.Шикотан (Южные Курилы) и в районе Балеарских островов (Западное Средиземноморье). Полученные результаты хорошо согласуются между собой. Спектры давления носили гладкий монотонный характер и хорошо описывались законом спадания ш"25, что заметно круче, чем ранее отмечалось другими авторами (Госсард, 1960; Голицын, 1964). Активизация атмосферы приводила к общему подъему спектра, но практически не изменяла его форму. Нарушение монотонности отмечалось только при прохождении цугов внутренних гравитационных волн и носило кратковременный характер, однако именно эти цуги вызывают порой сильные длинноволновые колебания уровня океана (АБ-волны), представляющие угрозу для побережья.

В п.2.3 исследуется генерация АБ-волн в океане постоянной глубины, атмосферными возмущениями, подходящими под произвольным углом к линии берега. Показано, что эффективное возбуждение этих волн наблюдается только в резонансном случае, когда фазовые скорости атмосферных возмущений и длинных океанских волн совпадают (резонанс Праудмена). Наличие берега приводит к появлению динамической добавки (20-30%).

В п.2.4 аналогичная задача решается численно для произвольного шельфа. Показано, что в зависимости от от скорости и направления атмосферных возмущений дисперсионная диаграмма вынужденных АБ-волн разбиваете ч на три подобласти:

1) к2 >ш2 /(Фпт), <СшП-вынужденныеволны Кельвина;

2) >с»ш " вынужденные краевые волны;

3) к2 < а2 /(), 11 > сям - вынужденные волны Пуанкаре.

Здесь II - вдольбереговая компонента скорости атмосферных возмущений,

с,т ~ л/Лт • минимальная, а ст1х = - максимальная скорости длинных волн для

заданного рельефа. В отличии от свободных, для вынужденных волн решение может существовать при любых значениях со и к, т. е. для любой точки дисперсионной диаграммы, однако резонансные волны возбуждаются только в том случае, когда эти значения ш и к соответствуют отдельным модам свободных волн.

В п.2.5 обсуждается природа катастрофических АБ-волн, наблюдающихся в некоторых районах Мирового океана. Основной вывод параграфа заключается в том, что сильные длинноволновые колебания типа метеоцунами и постоянно присутствующий в океане естественный длинноволновой шум имеют существенно различные механизмы образования. Метеоцунами видимо возбуждаются в результате прямого механического воздействия атмосферного давления или напряжения ветра на поверхности океана, причем только в тех сравнительно редких случаях, когда выполняются резонансные условия генерации длинных волн.

В п.2.6 приводятся основные сведения о прибойных биениях и ИГ-волнах и обсуждается их волновая структура в зависимости от расстояния от берега и степени активности ветрового волнения - зыби. '

Результаты натурных исследований ИГ-волн на юго-западном шельфе Камчатки представлены в п.2.7. Многомесячные измерения длинных волн на 4 донных станциях

для различных условий активности поверхности моря показали, что во время шторма наблюдается "насыщение" спектра длинных воли, которое прослеживается вплоть до периодов 35-40 мин Этот эффект аналогичен явлению отригртельпой вязкости, хорошо известному в теории турбулентности (Монин и Озмидов, 1981), когда в результате нелинейных взаимодействий энергия от высокочастотных и мелкомасштабных движений переходит в низкочастотные крупномасштабные. Спектральная структура ИГ-волн в спокойную погоду как функция расстояния от берега хорошо описывается моделью стоячих волн иа наклонном шельфе. Видимо энергия вынужденных ИГ-волн, возбуждаемых во время шторма, в результате многократных отражений и рассеяния переходит в энергию излученных ИГ-волн.

Одно из наиболее опасных явлений, связанных с ИГ-волнами, - сильные возвратно-поступательные движения воды в гаванях, которые приводят к подвижке, а порой и к гибели судов. В п.2.8 предложен принципиально новый подход, который объясняет некоторс особенности этих движений, неясные ранее, и может быть положен и в основу борьбы с этим явлением. Он основан на учете завихренности жидкости и оценке нелинейного демпфирования колебаний на причалах, пирсах и волноломах за счет перехода энергии из волновых в вихревые движения. В результате проведенных расчетов было получено следующее выражение для лагорифиического декремента для моды Гельмгольца:

где АЕ£ - энергия рассеяния колебания на /-ом причале за период Е0 - его потенциальная энергия, С, - коэффициент сопротивления, Л0 - средняя глубина гавани, - длина /-го причала, которая предполагается малой по сравнению с характерным размером акватории г0 = (5/я)'2, о0 - частота колебания, ст0 = (¿г^,)'2 /(щ). Таким образом, скорость затуханияколебаний в гавани определяется несколькими безразмерными параметрами: ■ относительной амплитудой колебаний,

связанной с интенсивностью внешних факторов; = <в0 /а, - нормированной частотой основного тона, звисящей от морфометрических особенностей акватории, В) = Ь1 / г0 -относительной длиной причала, коэффициентом сопротивления С^, а также числом причалов (или волноломов). Для типичных значений Ду = 0.2; с,, = 0.1; П0 = 1 и С( = 10 при N = 6 декремент 50, оцененный по формуле (2.2), приблизительно равен 0.2. Соответственно добротность колебаний в гавани ((¿= п13), обусловленная рассеянием волновой энергии на преградах (нелинейным демпфированием), примерно равна 16, что сопоставимо с влиянием излучения через открытую границу.

ГЛАВА 3. Наблюдение волн цунами в прибрежной зоне: разделение влияния

Глава 3 посвящена исследованию спектральных характеристик волн цунами. Известно, что спектры разных цунами, зарегистрированные на одной станции, удивительно похожи, в то время как спектры одного цунами для разных станций существенно различаются (Омори, 1902; Такахаси и Аида, 1961; Миллер, 1972; Соловьев и Куликов, 1987 и др.). Ключевой проблемой при анализе мареограмм цунами является разделение влияния источника и топографии и восстановление характеристик источника

(2.2)

источника и топографии

по данным береговых наблюдений. Именно этой проблеме в главе уделяется главное внимание.

Основные сведения о волнах цунами приводятся в п.3.1. В частности, отмечается, что период 1992-1996 гг характеризуется необычайной цунамиактивностыо, за этот период произошло 12 катастрофических цунами. Получен громадный эмпирический материал, который предоставляет богатые возможности для исследования. Однако, в основном этот материал относится к береговой зоне, где исходный сигнал цунами сильно искажен влиянием топографии.

В п.3.2 приводятся результаты спектрального анализа мареограмм трех цунами: Урупского цунами, 22 декабря 1991 г., Окуширского цунами 12 июля 1993 г. и Шнкотанского цунами 4 октября 1994 г. Урупское цунами анализировалось на основе записей трех мареографных станций (Малокурильск, Южно-Курильск и Курильск) и донной станции, установленной в бухте Крабовая (о.Шикотан). Для анализа Окуширского цунами в Японском море использовались данные 5 контгнентальных южнокорейских станций и одной станции, расположенной на острове в открытой части моря (Уллынгдо). Шикотанскос цунами исследовалось на основе записей, полученных на станциях Малокурльск и Курильск. Для сравнения использовались записи фоновых колебаний для этих же станций. Результаты анализа показали, что видимая спектральная структура волн цунами и фона совпадает и хорошо соответствует рассчитанным резонансным периодам для этих станций (18.6 мин для Малокурильской бухты, 29 мин для бухты Крабовой и т.д.). Различия между спектрами одного цунами для разных станций были достаточно велики.

В п.3.3 предложен оригинальный метод разделения влияния топографии и источника в записях цунами. Он основан на предложении, что цунами вблизи берега £,,(() может быть представлено в виде свертки функции источника Е,(/) и топографической функции отклика и'(0

С(/) = ]и{т)£,(*-т)й. (3.1)

о

В спектральной области уравнение (3.1) принимает вид

«;(№) = и; (ю)2(со), (3.2)

где 5,(ш) - спектр волн цунами вблизи берега, 2(со) - спектр источника, а IV, (со) -топографическая частотная характеристика. Предполагая, что (Г, (ш) не зависит от характера внешнего воздействия и одно и то же для цунами и фоновых колебаний в том же диапазоне частот, можно записать

л (со) г(ю)

(33)

где ¿»¿(ш) - спектр фоновых колебаний у берега, Х0(ш) - спектр естественного длинноволнового шума в открытом океане, а - безразмерный полуэмпирический коэффициент. Учитывая, что спектр ¿'„(со) =£0-оГ2, где £„ = 10"3 -1СГ окончательно получить

г(а)=а-^-\-Е1,-аГ2. (3.4)

'Я (и)

Функции /?(со) и Z(w) не зависят от топографии и являются инвариантными характеристиками источника.

В п.3.4 данный подход использован для анализа записей цунами, рассмотренных в п.3.2. Для Урупского цунами 22 декабря 1991 г. функции #(а>), восстановленные на основе донной станции Крабовая и мареографа Курильск (расположенных на расстоянии около 300 км друг от друга), практически полностью совпали; в спектральных отношениях Я(и>) для обеих станций ярко проявились максимумы с периодами 18.3 и 8.0 мин, отсутствовавшие в исходных спектрах, и видимо связанные с хаактеристикам источика. Для Шикотанского цунами 4 октября 1994 г. функции /¿(со), рассчитанные по данным станций Малокурильск и Курильск, также оказались очень похжими. Спектральные отношения Л (со) содержали три общих максимума с периодами 21.3,11.6 и 9.1 мин. Для Окуширского цунами эти отношения для разных станций также бьии в хорошем соответствии, единственный максимум фунции Л (со) отвечал периоду 8.5 мин. Восстановенный по континентальным станциям спектр источника был близок к фактическому спектру цунами на станции Уллынгдо, распложенной уединенном острове в открытом океане и слабо подверженной искажающему воздействию топографии.

Проведенный анализ позволил разделить влияние топографии и источника. В качестве примера на рис.2 приведены соответствующие результаты для станций Муко и Сокчо. Для всех трех исследуемых цунами оценки источника, полученные на основе мареографных данных, были в тесном согласии с данными сейсмических и геодезических наблюдений.

В п.3.5 аналогичным образом исследуются мареографные наблюдения цунами 1969 и 1975 гг. у атлантического побережья Пиренейского полуострова. Фоновые колебания были доступны только для двух станций (Кашкаиш и Лагуш), для остальных станций использовался другой подход, основанный на осреднении спектров цунами по различным станциям с целью уменьшения влияния топографии и усиления влияния источника. Оба подхода дали согласующиеся результаты.

В целом можно отметить, что восстановление начального источника по данным береговых мареографных наблюдений может существенно улучшить понимание механизма генерации воли цунами и способствовать совершенствованию Системы предупеждения о цунами.

ГЛАВА 4. Сейши в бухтах, заливах и внутренних морях

В главе 4 исследуются сейшевые колебания в бухтах Курильской гряды, Балеарских островов, а также в Каспийском море. Краткие сведения о сейшах и физических особенностях колебаний в замкнутых водоемах и в бухтах представлены в п.4.1. Отмечается, что сейши, т.е. резонансные колебанив замкнутых и частично-замкнутых акваториях, самым тесным образом связаны с другими природными явлениями, рассматриваемыми в настоящей работе, в частности ИГ-волнами (явления тягуна), АБ-волнами (метеоцунами), цунами, приливами и др.

В п.4.2 приводятся данные фактических наблюдений и теоретических расчетов колебаний в бухтах Касатка (о.Итуруп), Малокурильская (о.Шикотан) и в ЮжноКурильском проливе. Теоретичские расчеты для первых двух водоемов были выполнены двумя независимыми методами: 1) решение задачи Коши с помощью НИ-метода и

Окушир.ское цунами, 12 июля 1993 г. Период, мин

Рис.2. Исходный спектр цунами на станциях Муко (а) и Сокчо (б) и реконструированный спектр источника. Энергетические добавки в спектр, связанные с влиянием топографии, заштрихованы.

последующи» анализ рассчитанных мареограмм; 2) решение задачи на собственные значения с помощью численного конформного отображения исходной области на прямоугольник и последующего применения метода Ритца. Рассчитанные периоды резонансных колебаний хорошо соответствовали данным наблюдений. Выяснилось, что в Малокурильской бухте доминирует иода Гельмгольца с периодом 18.6 мин, а в бухте Касатка - первая и вторая моды поперечных колебаний с периодами 19.1 и 13.5 мин.

В п.4.3 продолжены исследования резонансных колебаний в Малокурильской бухте. Использованы данные измерений двух донных станций, установленных внутри бухты и на входе в нее, и теоретических расчетов с помощью численной модели с внешним источником на открытой границе, непрерывно возбуждающим случайное волновое поле. Такой подход позволил провести идентичный анализ наблюденных и рассчитанных мареограмм и оценить добротность и резонансную характеристику бухты. Результаты расчетов позволяют оценить возможное усиление волн цунами в Малокурильской бухте и провести локальное цунамирайонирование района пос. Малокурильск.

Основную опасность для побережий представляют сейшевые колебания, обусловленные волнами цунами. Однако в некоторых бухтах (в частности, в бухте Нагасаки, Япония, порту Лункоу, Китай, и бухте Сьютаделла, о.Менорка, Испания), наблюдаются катастрофические колебания, вызванные не сейсмическими, а атмосферными источниками. Природа этих колебаний (метеоцунами) обсуждается в п.4.4. Высказано предположение, что они связаны с эффектом двойного резонанса'. 1) атмосферных процессов с колебаниями во внешней акватории, 2) колебаний во внешней и внутренней акваториях. Рассматриваются различные типы двойного резонанса: Праудмена, Гринспена, залив-бухта, шельф-бухта и др.

В п.4.5 подробно исследуются экстремальные сейши в районе Балеарских островов и прежде всего разрушительные колебания (высотой свыше 4 м) в бухте Сьютаделла (так называемые, "волны риссага"). Для анализа использованы многомесячные регистрации длинных волн в бухте Сьютаделла, в заливе Пальма (о.Мальорка) и на шельфе о.Менорка, а также записи микрофлуктуаций атмосферного давления на островах Мальорка и Менорка. Численное моделирование сейш в бухте Сьютаделла проводилось тем же методом, что и для Малокурильской бухты (п.4.3). Основное внимание уделялось выявлению механизма генерации волн риссага. Анализ наблюдений и теоретические расчеты показали, что для возникновения этого явления требуется сочетание нескольких факторов: катастрофические колебания (высотой несколько метров) вызываются сильными высокочастотными атмосферными возмущениями, распространяющихся в строго определенном направлении (северо-восточном) и с определнными скоростями (порядка 30 м/с). Такие условия реализуются раз в 3-4 года. Выяснилось также, что сейши в бухте Сьютаделла значительно эффективнее генерируются длинными волнами, - подходящими со стороны открытого моря (т.е. излученными), чем краевыми волнами, распространяющимися вдоль шельфа о.Менорка.

Сейши оказывают значительное воздействие на динамику внутренних морей. В п.4.6 исследуются собственные колебания Каспийского моря. Численные расчеты проводились с учетом его реальной батиметрии и вращения Земли. Использовался метод, предложенный Б.И.Рабиновичем. Он основан на численном конформном отображении исходной области на прямоугольник с помощью ЛГ-алгоритма и последующего решения задачи на собственные значения с помощью метода Ритца (без вращения) или Бубнова-Галеркина (при учете вращения Земли). Была проведена серия численных экспериментов: 1) тестовый расчет для прямоугольной модели, аппроксимирующей Каспийское море,

использованной ранее в работе автора (Рабинович, 1976); 2) расчет для реальной геометрии Каспия, но без учета его северной части; 3) расчет для всей акватории Каспия без учета вращения; 4) то же с учетом вращения Земли. Выполненные расчеты позволили оценить влияние различных факторов и получить широкий спектр собственных колебаний Каспийского моря с периодами от нескольких часов до нескольких сотен часов. "Учет вращения Земли: 1) значительно изменяет собственные периоды гравитационных мод; 2) вызывает вращение отдельных мод, образование амфидромических систем; 3) приводит к появлению низкочастотных колебаний типа топографических волн Россби. Для сравнения с расчетами использовались годовые ежечасные наблюдения на 7 мареографах (Баку, Бекдаш, о.Свиной и др.). В спектрах доминирует приливная гармоника Мг, которая близка к рассчитанной моде с периодом 12.27 ч.. На спектрах также выделись колебания с периодами 45.7, 27.0, 14.9, 8.0, 4.7, 3.4, 3.0 ч, которые хорошо соласуются с результатами расчетов.

ГЛАВА 5. Особенности формирования нагонов и метеорологических колебаний уровня в зоне шельфа - континентального склона

В главе 5 анализируются низкочастотные колебания уровня океана на побережье Курильских островов, в Охотском и Японском морях, связанные с воздействием атмосферного давления и ветра, в частности, штормовые нагоны, приводящие к разрушительным наводнениям и существенному ущербу в дальневосточном регионе.

В п.5.1 изложен эффективный алгоритм множественного регрессионного анализа. Колебания уровня океана представляются как выход линейной системы, на вход которой подается атмосфрное давление, напряжение ветра, волновой нагон и пр.:

где М - число входов, (г,,) - дискретный набор регрессионных (весовых) коэффициентов для у - го входа, Ь - их число, г,; - соответствующие сдвиги. Созданный программный комплекс позволил использовать произвольное число входов и регрессионных весов. Метод использован для анализа колебаний уровня океана в районе Курильской гряды. Выяснилось, что прямое воздйствие атмосферного давления обуславливает от 45% (Матуа) до 70% (Северо-Курильск) общей энергии колебаний непршшвнного уровня, ветровое напряжение напряжение вносит дополнительно от 0.3% (Малокурильск) до 8.5% (Матуа). Существенное доминирование давления связано с приглубым характером рельефа в районе Курильской гряды и отсутствием обширных мелководий.

В п.5.2 представлены результата анализа поля атмосферного давления над Охотским морем и северо-западной частью Тихого океана, а в п.5.3 соответствующие расчеты волновых векторов и фазовых скоростей атмосферных возмущений. Для расчетов использовались данные 29 гидрометеорологических станций. Взаимно-спектральный анализ всех пар станций показал, что зависимость модуля волнового вектора от частоты близка к линейной и таким образом гипотеза "замороженной турбулентности" (Левиков и Привальский, 1972) неплохо соответствует действительности. Преимущественное направление распространения волн давления - восточнное, скорости 60-80 км/ч. Курильская гряда играет роль своеобразного волновода для для атмосферных движений, которые распространяются вдоль нее в северо-восточном направлении.

Результаты анализа поля атмосферного давления использовались для моделирования вынужденных колебаний уровня океана в районе Курильской гряды (п.5.4). Для реального рельефа численно решалось уравнение:

п , дЪ( дг\ Эп1 М дц . ЭгЛ В1 + /г дС,

где В = д/д1 + г - линейный оператор, г - коэффициент трения, Г| = ^-С, -приведенный уровень, С, = -ра /(рg) - равновесный уровень; ра - атмосферное давление на уровне моря, р - плотность морской воды. Проведенные расчеты показали, что в том случае, когда направление распространения атмосферных волн противоположно направлению распространения свободных шельфовых волн (что наблюдается на тихоокеанском побережье Курильской гряды), реакция океана на вариации атмосферного давления близка к статической (выполняется "закон обратного барометра"), а когда они совпадают (что происходит на охогоморском побережье), то соответствующая частотная характеристика заметно выше статической. Этот результат позвлил объяснить аномальный характер метеорологических колебаний уровня для некоторых станций Курильской гряды (Лаппо и др., 1978), в частности, различия реакции уровня на атмосферное давление в близлежащих станциях Буревестник (тихоокеанское побережье о.Итуруп) и Курильск (охотоморское побережье о.Итуруп).

В п.5.5 анализируются метеорологические колебания уровня в Японском море, а также катастрофический штормовой нагон, вызванный тайфуном "Вера". Использовались данные 18 станций российского и южнокорейского побережья. Результаты спектрального анализа систем со многими входами и множественного регрессионного анализа показали, что от 46 до 77% общей энергии неприливных колебаний уровня обусловлено атмосферным давлением (что соответстует приведенным в п.5.1 данным для Курильской гряды) и ог 9 до 33% - ветровым напряжением (что больше, чем в районе Курил). Вклад волнового нагона, который оценивался для двух станций (Ульсан и Муко), составляет 35%. Дополнительно для станций с сильным приливом (расположенных в районе Корейского пролива) по остаточному ("необъясненному") ряду оценивалось нелинейное взаимодействие прилива со штормовым нагоном:

N

(5.3)

г!

где - "нелинейный вход", представляющий произведение рассчитанного прилива на "объясненный" неприливной уровень. Определенный вклад (в пределах 5-6%) удалось найти только для двух станций (Чеджу и Чунгму) и только непосредственно в период нагона, для остальных станций влияние нелинейности оказалось пренебрежимо мало.

ГЛАВА 6. Приливы н приливные течения в зоне шельфа - континентального склона

Глава 6 посвящена анализу приливных движений, при этом основное внимание уделяется суточным приливам, и прежде всего влиянию на них шельфовых волн.

Основные предстапения о приливах даются в п.6.1. Вводится понятие "волновой структуры прилива", показано как эта структура зависит от широты и геометрии шельфа, оценивается влияние отдельных структурных составляющих (волна Кельвина, волны

Пуанкаре, шельфовые волны и пр.) на характер приливов и особенности проявления прилива вблизи берега.

В п.6.2 рассматриваются приливные движение на северо-восточном шельфе о.Сахалин. В этом районе были зарегистрированы сильные баротропные суточные течения со скоростями 40-50 см/с, причем ориентация приливных эллипсов практически совпадала с направлением береговой линии. Результаты численных расчетов показали, что в формировании суточных приливов участвуют волна Кельвина и 1-я мода шельфовых волн. При этом волна Кельвина вносит основной вклад в колебания уровня, но практически не сказывается на течениях, а шельфовая составляющая, наоборот, определяет аномально сильные течения, наблюдающиеся на шельфе. Скорости распространения суточных приливных волн вдоль побережья Сахалина 15.1 км/ч (О,) и 13.9 км/ч (К1), оцененные по разности фаз векторов наблюденных течений, практически совпадали с теоретическими значениями фазовых скоростей шельфовой волны (15.3 и 13.8 км/ч). Интересно, что как данные расчетов, так и наблюдения выявили явную дисперсию суточных приливов (различие фазовых скоростей гармоник Кх и О,). Присутствие шельфовой составляющей в суточных приливах пиводит к мелкомасштабным вариациям гармонических постоянных прилива вдоль побережья Сахалина.

В отличие от района Сахалина, на шельфе Южных Курил шельфовые волны участвуют в формировании только для одной суточной гармоники (О]) (п.6.3). Этот результат был теоретически получен Ефимовым и Рабиновичем (1978), а потом нашел экспериментальное подтверждение с помощью придонных измерений течений в этом районе. Максимальная частота 1-ой моды шельфовых волн (которой соответствует нулевая групповая скорость) для этого района в точности соответствует частоте гармоники О], но меньше частоты К1. Наблюденные значения скоростей течений для гармоники О1 (35.4 см/с) в несколько раз превосходили течения К1 (5.8 см/с) и хорошо соответствовали результатам теоретических расчетов.

В работе (Соломон и Альнес, 1978) приведены спутниковые фотографии цепочкий топографических вихрей с расстоянием между центрами 160-170 км, наблюдавшиеся на тихоокеанском шельфе Камчатки. В п.6.4 предложена модель, объясняющая эти вихри присутствием континентальных шельфовых волн в этом районе, вызывающих квазигеострофические вихреобразные течения. Высказывается предположение, что эти волны связаны с суточными приливами.

В п.6.5 показано, что шельфовые волны играют важную роль в диссипации энергии суточных приливов. Предложен "двухтактный механизм" диссипации: рассеяние на неоднородностях рельефа и линии берега крупномасштабных (но слабо диссипирующих) приливных составляющих (типа волны Кельвина) в шельфовую, а затем относительно быстрая диссипация последней. Переход приливной энергии от волны Кельвина к шельфовой фактически эквивалентен переходу энергии из потенциальной в кинетическую. Полученные оценки показывают, что энергия, диссипирующая за приливной цикл, на шельфе в северной части Тихого океана весьма значительна и составляет порядка 5-10' Вт.

Дополнительное доказательство важной роли шельфовых волн в динамике приливных движений на шельфе Курильских островов было получено с помощью спутниковых дрифтеров, установленных в районе Курило-Камчатского желоба осенью 1993 г. (п.6.6). Данные дрифтеры показали, что суточные течения, отсутствующие на глубоководье, появляются и начинают резко усиливаться по мере уменьшения глубины и

приближения к берегу, как это и следует из теории шельфовых волн. Максимальных значений (свыше 2 м/с) скорости суточных течений достигают в проливах Курильской гряды (один из дрифтеров прошел через пролив Фриза в Охотское море). Это соответствует теоретическим результатам Куликова (1979) и Крауфорда (1984), которые показали, что именно проливы являются основными генераторами шельфовых волн. Теоретические оценки шельфовых волн с учетом среднего потока, рассчитанные по модели Бринка - Чепмена (1987), были в хорошем согласии с данными фактических наблюдений лагранжевых течений. При обработке этих наблюдений был применен оригинальный метод анализа нестационарных векторных сигналов ("роторный СВАН"), разработанный автором совместно с Е.А.Куликовым, который оказался чрезвычайно эффективным для анализа данных спутниковых дрифтеров.

ГЛАВА 7. Оценка экстремальных колебаний уровня океана как суперпозиции различных составляющих

В предыдущих главах рассматривались отдельные составляющие колебаний уровня океана. Глава 7 посвящена исследованию суммарного эффекта различных типов колебаний. Показано, что именно суперпозиция нескольких составляющих, каждая из которых может быть и не очень велика, может приводить к катастрофическим наводнениям на побережье.

Проблемы практики требуют разработки методов, позволяющих получать надежные оценки экстремальных уровней по коротким рядам наблюдений. Стандартные методы экстремальной статистики (Гумбель, 1958; Галамбош, 1984) неприменимы в этом случае, т.к. требуют большой статистики. В п.7.1 предложен метод, позволяющий решить эту проблему. Он основан на оценке совместной плотности вероятности Ръ ряда некоррелированных процессов Р1 (приливов, цунами, штормовых нагонов и пр.):

РАУ)= ]^(х,)1Р2(Х,)... (7.1)

Тогда вероятность уровня, превышающего заданную высоту й, может быть оценена как

= (7.2)

а период повторяемости Т(И) - как величина, обратная Р. Примечательно, что для оценки плотности вероятности каждого из процессов требуются гораздо более короткие ряды наблюдений, чем это потребовалось бы непосредственно для оценки суммарного экстремального уровня.

В п.7.2 данный метод применен для оценки экстремальных колебаний уровня, обусловленной суперпозицией приливов, нагонов и цунами, в Курильске и Северо-Курильске. Показано, что в данном районе для периодов повторяемости менее 5 лет экстремальные колебагия уровня определяются приливами и штормовыми нагонами, а для периодов свыше 5 лет - основной вклад вносит цунами.

В некоторых случаях возникает проблема оценки экстремальных уровней для районов нового строительства, где данные наблюдений отсутствуют вообще. В частности, такая проблема возникла для Ныйского залива (северо-восточное побережье о.Сахалин).

Соответствующие результаты представлены в п.7.3. Основная идея заключается в использовании опорной станции, на которой такие наблюдения имеются (в рассматриваемом случае использовалась станция Катангли) и расчете передаточных функций от опорной станции к исследуемому району отдельно для каждого типа составляющих уровня. Для оценки искомых передаточных функций можно использовать данные измерений и гидродинамическое моделирование. Так в районе Ныйского залива были проведены наблюдения уровня (в течение месяца), которые в дальнейшем были использованы для расчета приливов и определения передаточной функции для штормовых нагонов (от Катангли к Ныскому заливу). Для волн цунами было проведено численное моделирование. Расчет экстремальных уровней для Катангли выполнялся на основе выражений (7.1), (7.2). Аналогичные выражения использовались и для Ныйского залива с учетом соответствующих передаточных функций. Рассчитанные значения экстремального уровня для периодов повторяемости 25, 100 и 500 лет были следующими: 143, 163 и 213 см (для Катанги) и 193,215 и 268 см (для Ныйского залива).

В п.7.4 проведена оценка экстремальных значений уровня для российского побережья Японского моря. Расчет согласно выражениям (7.1), (7.2) был выполнен для 9 различных станций, что позволило исследовать влияние физико-географических факторов на формирование экстремальных уровней и относительную роль отдельных составляющих уровня моря (сезонных колебаний, приливов, штормовых нагонов и цунами). Основные результаты приведены на рис.3.

Заметим, что если в предыдущих главах представлялись результаты, которые потенциально могут быть использованы для улучшения понимания и прогноза опасных и катастрофических явлений в прибрежной зоне, то все результаты главы 7 уже нашли применение и были использованы при проектировании и строительстве гражданских и промышленных объектов в соответствующих регионах. Аналогичные исследования были выполнены и для ряда других районов (Южно-Курильск, Усть-Камчатск, япономорское побережье КНДР).

В заключении формулируются основные выводы диссертации, которые приводятся в автореферате в разделе "научная новизна и основные научные результаты".

Рис.3. Экстремальные высоты уровня моря с обеспеченностью 100 лег, расчитанные для северной части Японского моря с учетом вклада приливов (1), сезонных колебаний (2), штормовых нагонов (3) и цунами (4) для станций Посьет (Пс), Владивосток (Вл), Находка (Нх), Рудная Пристань (РП), Советская Гавань (СГ), Де' Кастри (ДК), Углегорск (Уг), Холмск (Хл) и Невельск (Нв).

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в монографиях:

1. Ефимов В.В., Куликов Е.А., Рабинович А.Б., Файн И.В. Волны в пограничных областях океана. JL: Гидрометеоиздат, 1985, 280 с. (введение, главы 1, 2, 3,6).

2. Рабинович А.Б. Длинные гравитационные волны в океане: захват, резонанс, излучение. С.-Пет,: Гидрометеоиздат, 1993, 325 с.

а также в следующих статьях:

1. Рабинович А.Б. Расчет сейш Каспийского моря. Вестник Московского университета, сер.География, 1973, N4, с. 116-120.

2. Рабинович А.Б. Свободные колебания жидкости в прямоугольном водоеме, Водные ресурсы, 1976, N 1, с.121-128.

3. Лаппо С.С., Скрипник A.B., Рабинович А.Б. О связи атмосферного давления и уровня северо-западной части Тихого океана. Метеорология и гидрология, 1978, N12,c.50-55.

4. Куликов Е.А., Пул С.Л., Рабинович А.Б. Спектр длинных волн в открытом океане и радиационные приливы. В сб.: Волновые процессы в северозападной части Тихого океана. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1980, с.28-38.

5. Ефимов В. В., Рабинович А.Б. О резонансных приливных течениях и их связи с континентальными шельфовыми волнами в северо-западной части Тихого океана. Изв. АН СССР, ФАО, 1980, т.16, с.1091-1101.

6. Куликов Е.А., Рабинович А.Б. Радиационные приливы в океане и атмосфере. Доклады Академии наук СССР, 1983, т.271, N 5, с. 1226-1230.

7. Kulikov Е.А., Rabinovich A.B., Spirin A.I., Poole S.L., Soloviev S.L. Measurement of tsunamis in the open ocean. Marine Geodesy, 1983, vol.6, N 3-4, p.311-329.

8. Рабинович А.Б., Шевченко Г.В. О двухтактном механизме диссипации приливной энергии в океане. Доклады Академии паук СССР, 1984, т.276, N 6, с.1470-1473.

9. Рабинович А.Б. Топографические вихри в районе Курило-Камчатского желоба. Доклады Академии наук СССР, 1984, т.277, N 4, с.976-979.

10. Рабинович А.Б., Скрипник A.B. Учет приливных и метеорологических колебаний уровня океана при оценке цунамиопасности в районе Северо-Курильска. В сб.: Нестационарные длинноволновые процессы на шельфе Курильских островов. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1984, с.81-92.

11. Лихачева О.Н., Рабинович А.Б. Сезонные и синоптические колебания уровня океана в Северо-Курильске. В сб.: Нестационарные длинноволновые процессы на шельфе Курильских островов. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1984, с.93-109.

12. Лихачева О.Н., Рабинович А.Б. Анализ свободных и вынужденных колебаний уровня океана в синоптическом диапазоне частот. В сб.: Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов. Таллинн, 1984, ч.Н, с.63-66.

13. Рабинович А.Б. О возможной природе топографических вихрей в северозападной части Тихого океана. В сб.: Гонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов. Таллинн, 1984, ч.И, с. 122-124.

14. Байбаков С.Н., Лихачева О.Н., Рабинович А.Б. и др. Алгоритмы и программы обработки экспериментальной информации и использование их для

анализа колебаний уровня океана. Комплексный глобальный мониторинг Мирового океана. Т.З, J1.: Гидрометеоиздат, 1985, с.247-254.

15. Лихачева О.Н., Рабинович А.Б. Оценка связанности пространственных и временных масштабов атмосферных процессов в энергоактивных зонах Мирового океана. Комплексный глобальный мониторинг Мирового океана. Т.З, Л.: Гидрометеоиздат, 1985, с.329-338.

16. Лихачева О.Н., Рабинович А.Б., Файн A.D. Анализ поля атосферного давления над Охотским морем и северо-западной частью Тихого океана. В сб.: Теоретические и экспериментальные исследования длинноволновыых процессов. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1985, с.144-157.

17. Рабинович А.Б., Соколова С.Е. Использование множественной регрессии для анализа колебаний уровня океана в районе Курильской гряды. В сб.: Теоретические и экспериментальные исследования длинноволновыых процессов. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1985, с.158-168.

18. Рабинович А.Б., Файн A.B. Программа "Предвычисление прилива по известным гармоническим постоянным: TIDER". Аннотированный перечень новых поступлений в ОФАПГоскомгидромета, Обнинск, 1985, вып.З, с.9.

19. Рабинович А.Б. Программа "Гармонический анализ приливов методом наименьших квадратов и вычитание приливов из исходных записей: LSM". Аннотированный перечень новых поступлений в ОФАП Госкомгидромета, Обнинск, 1986, вып.2, с.11.

20. Лихачева О.П., Рабинович А.Б. Реакция уровня океана на колебания атмосферного давления в районе Курильской гряды. Океанология, 1986, т.26, N 6, с.931.

21. Рабинович А.Б., Скрипник A.B. Вероятностные оценки экстремальных метеорологических и приливных колебаний уровня океана в районе Курильской гряды. Метеорология и гидрология, 1986, N 4, с.80-86.

22. Ковалев П.Д., Рабинович А.Б., Ковбасюк В.В. Гидрофизический эксперимент на юго-западном шельфе Камчатки (КАМШЕЛ-87). Океанология, 1989, т.29, N 5, с.738-744.

23. Rabinovich A.B., Shevchenko G.V. Estimation of extreme sea level heights as the superposition of tides, storm surges and tsunamis. Proceed. Intern. Tsunami Symposium. Novosibirsk, 1990, p.201-206.

24. Ким X.C., Рабинович А.Б. Цунами на северо-западном побережье Охотского моря. В сб.: Природные катастрофы и стихийные бедствия в Дальневосточном регионе. Владивосток: ДВО АН СССР, 1990, с.206-218. 1

25. Шевченко Г.В., Файн A.B., Рабинович А.Б., Мансуров Р.Н. Оценка экстремальных колебаний уровня моря в районе устья р. Тымь. В сб.: Природные катастрофы и стихийные бедствия в Да1ьневосточном регионе. Владивосток: ДВО АН СССР, 1990, с.253-276.

26. Рабинович А.Б. Комплексная программа исследований "Штормовые нагоны". В сб.: Природные катастрофы и стихийные бедствия в Дальневосточном регионе. Владивосток: ДВО АН СССР, 1990, с.405-409.

27. Kovalev P.D., Rabinovich A.B., Shevchenko G.V. Investigation of long waves in the tsunami frequency band on the southwestern shelf of Kamchatka. Natural Hazards, 1991, vol.4, No.2/3, p.141-159.

28. Рабинович А.Б. О влиянии завихренности жидкости на длинноволновые движения в гаванях. Доклады Академии наук, 1992, т.325, N 3, с.597-601.

29. Рабинович А.Б. Фестоны и бары: природа и особенности формирования. Вестник ДВО, 1992, N 3-4, с.71-79.

30. Рабинович А.Б., Левяит A.C. Влияние сейшевых колебаний на формирование спектра длинных волн у побережья Южных Курил. Океанология, 1992, т.32, N 1, с.29-38.

31. Rabinovich A.B., Sokolova S.E. On organizing a catalogue of storm surges for the Sea of Japan. Natural Hazards, 1992, vol.5, No 3, p.319-325.

32. Rabinovich A.B., Shevchenko G.V., Sokolova S.E. On estimation of extreme sea levels in the northern part of the Sea of Japan. La mer, 1992, vol.30, No.3, p. 179190.

33. Sokolova S.E., Rabinovich A.B., Chu K.S. On the atmosphere-induced sea level variations along the western coast of the Sea of Japan. Lamer, 1992, vol.30, No.3, p.191-212.

34. Rabinovich A.B., Sokolova S.E. On characteristics and statistics of storm surges in the Sea of Japan, 1977-1987. Hazards'93, Fifth International Conference on Natural and Man-Made Hazards, Qingdao, China, 1993, Programme and Abstracts, p.54.

35. Левянт A.C., Рабинович А.Б., Рабинович Б.И. Расчет сейшевых колебаний в морях произвольной формы (на примере Каспийского моря). Океанология, 1993, t.33,N 5, с.670-680.

36. Oh I.S., Rabinovich A.B., Park M.S., Mansurov R.N. Seasonal sea level oscillations in the East Sea (Sea of Japan). J. Oceanogr. Soc. Korea, 1993, vol.28, No.l, p.l-16.

37. Rabinovich A.B., Djumagaliev V.A., Fine I.V., Kulikov E.A. Analysis of weak tsunamis in the region of the Kuril Islands and resonance influence of topography. Proceedings 1UGG/10C International Tsunami Symposium, Wakayama, Japan, 1993, p.95-105.

38. Djumagaliev V.A., Rabinovich A.B. Long wave investigations at the shelf and in the bays of the South Kuril Islands. J. Korean Society Coastal and Ocean Engineering, 1993, vol.5, No.4, p.318-328.

39. Rabinovich A.B. Spectral analysis of tsunami waves: An attempt to separate source and topographic effect. XXIV General Assembly ESC, Athens, Greece, 1994, Abstracts, p. 143.

40. Rabinovich A.B., Henry R.F., Murty T.S. Resonance amplification of tsunami waves in Alberni Inlet: Comparison of the theory and observations. XXIV General Assembly ESC, Athens, Greece, 1994, Abstracts, p. 143.

41. Джумагалиев В.А., Рабинович А.Б., Файн И.В. Теоретическая и экспериментальная оценка передаточных особенностей побережья Малокурильской бухты, о.Шикотан. Известия АН, ФАО, 1994, т.ЗО, N 5, с.711-717.

42. Oh I.S., Rabinovich A.B. Manifestation of Hokkaido Southwest (Okushiri) tsunami, 12 July, 1993, at the coast of Korea: 1. Statistical characteristics, spectral analysis, and energy decay. Science of Tsunami Hazards, 1994, vol.12, No.2, p.93-116.

43. Rabinovich A.B., Kulikov E.A. On spectral characteristics of the Great Shikotan tsunami. XXI1UGG General Assembly. Boulder, CO, 1995, Abstracts, p.A332.

44. Rabinovich A.B., Oh I.S. Spectral characteristics and wave behaviour of the Hokkaido Southwest tsunami observed on the coast of Korea. XXIIUGG General Assembly. Boulder, CO, 1995, Abstracts, p.A332-A333.

45. Rabinovich A.B., Miranda P.M., Baptista M .A. An estimation of source and topography influence on spectral characteristics of the 1969 and 1975 Atlantic tsunamis. XXI IUGG General Assembly. Boulder, CO, 1995, Abstracts, p.A341-A342.

46. Rabinovich A.B., Eva C. Tsunami and abnormal long wave observations in the Ligurian coast. XXIIAPSO General Assembly, The Abstracts, Honolulu, Hawaii, 1995, p.l 12.

47. Rabinovich А.В., Thomson R.E., LeBlond P.H. Lagrangian measurements of inertial and tidal motions in the North Pacific. Intern. Conf. Dynamics of Ocean and Atmosphere. Moscow, 1995, p.63.

48. Rabinovich А.В., Monserrat S. Meteorological tsunamis near the Balearic and Kuril Islands: Descriptive and statistical analysis. Natural Hazards, 1996, vol.13, No.l, p.55-90.

49. Kulikov E.A., Rabinovich А.В., Thomson R.E., Bornhold B.D. The landslide tsunami of November 3, 1994, Skagway Harbor, Alaska. J. Geophys. Res., 1996, vol.101, No.C3,p.6609-6615.

50. Rabinovich А.В., Thomson R.E., LeBlond P.H. Lagrangian measurements of diurnal tidal currents near the Kuril Islands. 5'h Annual PICES Meeting. Nanaimo, ВС, 1996, Abstracts, p. 50.

51. Рабинович А.Б. Статистика цунами. Природа, 1996, N 5,с.150-151.

52. Thomson R.E., LeBlond Р.Н., Rabinovich А.В. Oceanic odyssey of a satellite-tracked drifter: North Pacific variability delineated by a single drifter trajectory. J. Oceanography, 1997, vol.53, No. 1, p.81-87.