Натурные эксперименты и мониторинг инфрагравитационных волн для диагностики опасных морских явлений в прибрежной зоне на примере акваторий Сахалино-Курильского региона

Ковалев, Дмитрий Петрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Натурные эксперименты и мониторинг инфрагравитационных волн для диагностики опасных морских явлений в прибрежной зоне на примере акваторий Сахалино-Курильского региона
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Натурные эксперименты и мониторинг инфрагравитационных волн для диагностики опасных морских явлений в прибрежной зоне на примере акваторий Сахалино-Курильского региона"

На правах пукописи

КОВАЛЕВ Дмитрий Петрович

НАТУРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И МОНИТОРИНГ ИНФРАГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ОПАСНЫХ МОРСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ НА ПРИМЕРЕ АКВАТОРИЙ САХАЛИНО-КУРИЛЬСКОГО РЕГИОНА

Специальность: 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

- 7 ОКТ 2015

005563138

Южно-Сахалинск, 2015 г.

005563138

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИМГиГ ДВО РАН)

Официальные оппоненты:

Ефимов Владимир Васильевич,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН «Морской гидрофизический институт РАН», г. Севастополь, руководитель отдела взаимодействия атмосферы и океана.

Носов Михаил Александрович,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», г. Москва, профессор кафедры физики моря и вод суши.

Пищальник Владимир Михайлович,

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Сахалинский государственный университет», г. Южно-Сахалинск, заведующий лабораторией дистанционного зондирования Земли Института опережающего развития.

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород

Защита состоится 25 ноября 2015 г. в 10 часов на заседании объединенного диссертационного совета Д.999.004.03 при ФГБУН Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН, ФГБУН Институте вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, ФГБУН Институте космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН по адресу: 693022, г. Южно-Сахалинск, ул. Науки, д. 16.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМГиГ ДВО РАН (г. Южно-Сахалинск, ул. Науки, 16) и на сайте www.imgg.ru. Автореферат размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации http://vak.ed.gov.ru/ и на сайте www.imgg.ru.

Автореферат разослан » 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.999.004.03 кандидат физико-математических наук

М.Ю.Андреева

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Интерес к изучению волновых процессов в прибрежной зоне морей, и в особенности дальневосточных, подверженных частым и сильными штормам, обусловлен в первую очередь практическими задачами - развитием нефтегазового комплекса в зоне шельфа, который требует детального исследования динамических процессов у берегов в местах предполагаемой постановки буровых платформ и добывающего оборудования, прокладки трубопроводов, а также размывом берегов и, в связи с этим, угрозой поселкам, авто и железным дорогам, расположенным вблизи берега.

Изучение динамических процессов у берегов необходимо и для традиционных видов морской деятельности человека — морского транспорта и рыбного промысла, для обеспечения безопасности существующих прибрежных промышленных объектов (в еще большей степени это относится к вопросу развития транспортной инфраструктуры, оптимальному в смысле меньшего риска воздействия морских волн, размещению новых сооружений). Функционирование портов островной Сахалинской области, в особенности обеспечивающих работу паромной железнодорожной переправы, для которой важна точная стыковка рельс, в самой значительной мере должно опираться на исследование резонансных колебаний и опасных явлений в заливах и портовых бухтах. И при проектировании соответствующих объектов, необходимы характеристики волнения и опасных морских явлений.

Серьезную опасность представляют ветровые волны и зыбь, трансформирующиеся в узкой прибрежной полосе и способствующие возникновению инфрагравитационных (ИГ) волн и разрывных течений, с которыми связаны перемещения донных осадков, изменения донного рельефа и другие литодинамические процессы, имеющие особенное значение для мест прокладки подводных трубопроводов, их выходов на берег, и установки добывающих платформ на шельфе. Изучение этих процессов является достаточно сложной проблемой.

Крупные неоднородности береговой линии, такие как заливы, бухты и прочее, приводят к образованию собственных систем стоячих колебаний, параметры которых определяются геометрией соответствующей акватории и рельефом дна. Исследование таких резонансных колебаний (сейш) в водоемах с открытой внешней границей представляет интерес в связи с угрозой цунами - необходимостью учета резонансных особенностей различных акваторий и возможностью резкого усиления сейш. Так, например, во время цунами 23.02.1980 г. волны внутри бухты Малокурильская усилились почти в пять раз по сравнению с внешним шельфом и имели практически тот же, что и период основного спектрального максимума колебаний уровня для этой бухты [Рабинович, 1993].

Другое опасное морское явление вызывающее возвратно-поступательные движения воды и приводящее к подвижке и повреждению судов,

обрыву якорей и швартовых, разрушению причалов [Ветер, 1986; Лабзовский, 1971; Рабинович, 1993; Райхлен, 1970] даже в хорошо защищенных портах получило название тягуна. Было установлено, что ему практически всегда сопутствует штормовое волнение или сильная зыбь на подходе к гавани [Ветер, 1986; Лабзовский, 1971; Рабинович, 1993; ОагЬуэЫге, 1963]. Измерения колебаний уровня моря в гаванях [Рабинович, 1993] показали, что характерные периоды тягуна - 0,5-4 минуты, хотя в отдельных случаях наблюдались периоды даже до 20 мин.

Явление тягуна вызывают короткопериодные инфрагравитационные волны, формирующиеся в результате трансформации ветрового волнения, когда характерные периоды огибающих волновых пакетов совпадают или близки к собственным периодам акватории порта [Рабинович, 1993]. К тому же, резонансное возбуждение интенсивных инфрагравитационных волн во внешней акватории (на прилегающем участке шельфа), или совпадение одного из собственных периодов внешней и внутренней акваторий, способствует усилению характерных для тягуна волновых движений в порту.

Крупномасштабные повышения уровня моря, обусловленные действием ветра и падением приземного атмосферного давления при прохождении над акваторией моря глубоких циклонов или тайфунов - штормовые нагоны, сами по себе вызывают затопление прибрежных участков, а на фоне повышения уровня моря резко усиливается действие штормового волнения. Нагоны представляют серьезную опасность для южного и юго-западного побережья о. Сахалин. Недостаточный учет возможных нагонных волн привел, например, к тому, что мощные волнозащитные приспособления и специальное бетонное берегоукрепление из тетраэдров, защищающее железнодорожную станцию Холмск-сортировочная, после воздействия двух штормовых нагонов в течение 1990 года (в апреле и в ноябре) на некоторых участках были разрушены и железнодорожное полотно получило повреждения.

Как видим, опасные морские явления, могут привести к серьезным разрушениям прибрежных сооружений и значительным экологическим последствиям, проявление которых зависит от конкретного рельефа побережья и метеоусловий. Поэтому необходимы детальные исследования волновых процессов в диапазоне опасных морских явлений в прибрежных районах Дальневосточного региона, Сахалинской области и выявление физических особенностей и механизмов генерации этих процессов, их пространственной и временной изменчивости, влияния на жизнедеятельность человека. Основным средством достижения данной цели является проведение натурных экспериментов.

Традиционный способ измерения колебаний уровня моря при помощи береговых мареографов ориентирован на сравнительно длинноволновые процессы - приливы и сгонно-нагонные вариации. Использование получаемых на них записей для изучения сейш весьма ограничено, и принципиально невозможно исследовать явление тягуна и инфрагравитационные волны.

Следует отметить, что возможность генерации опасных волн зависит от конкретного рельефа и поэтому нельзя ограничиваться какими-то средними по региону или даже району оценками опасных явлений. В принципе, необходима установка измерительных комплексов для наблюдения за состоянием морской поверхности с возможностью визуализации результатов измерений в управлении порта и выдачи информации в центры предупреждения об опасных явлениях и МЧС для непосредственного наблюдения.

Наиболее эффективным способом изучения морских опасных явлений и оценки их режимно-статистических характеристик, которые необходимы для безопасного проектирования промышленных объектов на побережье и портовых гидротехнических сооружений, является проведение экспериментальных измерений волновых процессов непосредственно в районе планируемого строительства.

Измерения вблизи берега, особенно в районах, где сравнительно часто возникают штормовые ситуации, представляют большую сложность. Одним из средств для регистрации волновых процессов на небольшом удалении от берега являются кабельные донные станции, снабженные датчиками гидростатического давления. Как показали натурные эксперименты на п-ове Камчатка [Коуа1еу е1 а1., 1991], подобные системы могут сохраняться в течение достаточно продолжительного времени, причем давление на дне в наибольшей степени характеризуют нагрузки на подводные трубопроводы. В то же время, автономные приборы позволяют провести более детальный эксперимент и устанавливать регистраторы волнения в местах, где невозможна постановка кабельных приборов.

Важность теоретических и экспериментальных исследований особенностей волновых процессов в прибрежной зоне моря, оказывающих существенное влияние на динамику океана, перенос масс, эрозию берегов, определяющих безопасность производственной деятельности человека на шельфе и прилегающем побережье, а также многочисленные нужды практики определяют актуальность данной работы.

Настоящая работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИМГиГ ДВО РАН по программам фундаментальных научных исследований Российской академии наук на 2006-2008 годы «Цунами и моретрясения: физика очага, особенности проявления у побережья, модели цунамиактивности и методы оценки риска. Совершенствование системы предупреждения цунами» Гр. № 01200951749, и так же на 2008-2012 годы «Мировой океан - физические, химические и биологические процессы, геология, геодинамика и минеральные ресурсы океанской литосферы, роль океана в формировании климата Земли», по теме «Экспериментальное исследование опасных морских явлений метеорологической природы», и теме «Цунами и штормовые нагоны: оценки опасности, особенности проявлений и воздействие на берега»

Целью исследований является экспериментальное изучение инфра-гравитационных волн в прибрежной зоне моря для диагностики опасных морских явлений, которые могут представлять серьезную опасность для прибрежных населенных пунктов. При этом ставились следующие задачи: 1) определить требования к измерительным средствам, позволяющие создать оптимальные измерительные комплексы предназначенные для измерения волн в прибрежной зоне и на основе этих требований разработать недорогие и простые в эксплуатации регистраторы волнения с длительностью записи до одного года; 2) провести длительные наблюдения за колебаниями уровня моря в широком частотном диапазоне разнесенной сетью приборов с синхронной регистрацией атмосферных процессов цифровыми метеостанциями; 3) выполнить исследование условий формирования инфрагравитационных волн в прибрежной зоне, ответственных за разрушения берегов, и явления тягуна в основных портах Сахалинской области; 4) выполнить анализ динамики волновых процессов при прохождении глубоких циклонов; 5) по полученным натурным данным провести изучение сгонно-нагонных явлений и условий их формирования в южной части о. Сахалин; 6) провести изучение собственных колебаний в прибрежной зоне дальневосточного побережья России и определить возможности резонансного усиления приходящих волн и длительность звучания цунами; 7) проводить исследовательский мониторинг волн цунами на тихоокеанском побережье России; 8) выявление особенностей длинноволновых процессов в диапазоне периодов цунами на шельфе о. Сахалин и южных Курильских островов.

Научная новизна диссертационной работы заключается, прежде всего, в детальном экспериментальном исследовании характера и особенностей волновых процессов в прибрежной зоне моря на разнесенной сети регистраторов волнения (станций) в широком диапазоне периодов от единиц секунд. В результате такого исследования удалось выяснить, что при прохождении глубоких циклонов над местом установки происходит существенное -до 3-х порядков увеличение энергии волновых движений в диапазоне инфрагравитационных волн и образование модового, дискретного спектра.

Впервые по точным цифровым записям колебаний уровня моря удалось определить параметры длинных волн при нагоне, сгоне и, как показал анализ скорости ветра в районах наблюдений, развитию этих опасных явлений предшествует продолжительный - от 6 до 10 часов, ветер со скоростью 3-7 м/с и более.

Показано, что прохождение циклона над северной частью о. Сахалин и снижение его скорости движения при выходе в Охотское море способствует развитию длительных ветров западного направления, а это, в свою очередь, может быть причиной сильного сгона на юго-восточном побережье острова.

Анализ данных наблюдений для четырех пунктов Курильских островов, портовых пунктов западного побережья о. Сахалин и порта Корсаков показал, что сейши играют определяющую роль в формировании спектра длинных

волн на акваториях указанных бухт и портов. Установлено, что периоды фоновых вариаций уровня, выделяющиеся по данным наблюдений, хорошо согласуются с периодами волн цунами, зарегистрированными в этих пунктах, и может происходить значительное усиление приходящих волн цунами на резонансных частотах.

Экспериментальные исследования колебаний уровня моря на выставленной в районе южных Курильских островов группе станций позволили провести высокоточную регистрацию волн цунами от разноудаленных источников, выявить их особенности и возможности усиления. Впервые детально проведено экспериментальное исследование групповой структуры волновых процессов и оценена возможность генерации ими краевых волн, распространяющихся вдоль берега. Показано, что пик энергетического спектра огибающей пакетов волн соответствует вынужденным инфрагравитационным волнам, образующимся в результате нелинейной трансформации волн зыби.

Проведены исследования условий возникновения явления тягуна в основных портах Сахалина и Курил. Показано, что интенсивность колебаний на периодах тягуна значимо возрастает в штормовую погоду, что указывает их инфрагравитационную природу вследствие наличия явной связи с волнением на море. Анализ результатов натурных экспериментов позволил заключить, что наибольшую опасность для находящихся в портах судов может представлять явление тягуна, связанное с одно- и двухузловыми продольными и поперечными сейшами гаваней, которые проявляется, как правило, при увеличении интенсивности волнения на внешней акватории.

Детальный анализ длинноволновых колебаний в диапазоне периодов цунами в моменты повышения энергии длинноволнового фона, не связанные по времени с прохождением циклона над районом измерения, позволил выявить волны, которые можно отнести к разряду «метеоцунами». Изучение особенностей динамики длинноволновых процессов в моменты повышения энергии колебаний в диапазоне периодов цунами, изменчивости спектральных и взаимно спектральных характеристик имеет важное значение при решении проблемы выделения сигнала (цунами) на фоне естественного длинноволнового шума и более точной оценки высоты волны на заданном участке побережья в случае регистрации цунами удаленной донной станцией.

Важным результатом работы является подтверждение правильности выбранных концепций построения аппаратуры полученными натурными данными, обработка которых доказала правильность критериев и технических решений, принятых при создании приборов.

Сами наблюдения за волновыми процессами большой продолжительности, высокой точности и дискретности в прибрежной зоне северозападной части Тихого океана, полученные, в том числе и с использованием разработанных комплексов и автономных приборов, являются новыми.

Практическая ценность результатов работы заключается с одной стороны в разработанных приборах, не имеющих аналогов в России, которые

помимо своего основного назначения - регистрации волнения, могут использоваться в различных областях науки и промышленности. Так, например, кабельный комплекс с соответствующими метео и гидрофизическим датчиками для наблюдения за изменением уровня моря или реки с целью своевременного оповещения о возможном критическом подъеме уровня. Данные о возможных опасных морских явлениях, полученные в результате экспериментальных наблюдений и выводы об условиях возможности генерации опасного волнения необходимы для работы служб предупреждения населения о наступлении жизненно опасных ситуаций. Результаты анализа условий возникновения тягуна в основных портах Сахалина, позволят вовремя вывести суда из портовых бухт и предотвратить порчу судов и поломку пирсов и пирсового оборудования. Знания о возможном резонансном усилении сейшевых колебаний в бухтах и удаленности источника позволят в случае возникновения цунами оценить возможность объявления тревоги и, тем самым, уменьшить вред от этого грозного явления.

Защищаемые положения

1. На основе анализа регистрируемых параметров волнения и его спектральных характеристик разработаны оптимальные кабельные и автономные измерители волнения с существенно более широким диапазоном регистрации волнения, а также способы применения датчиков придонного гидростатического давления для изучения волновых процессов в прибрежной зоне моря.

2. Показано, что прохождение глубоких циклонов вызывает резкое увеличение энергии в диапазоне существования ИГ волн на 1,5-3 порядка, по сравнению с тихой погодой и приводит к образованию модового, дискретного спектра. Также происходит расширение диапазона генерируемых ИГ волн в сторону более длинных периодов с хорошо выраженной низкочастотной границей около 260 с.

3. Установлена инфрагравитационная природа тягуна, вследствие наличия связи с волнением на море. В штормовую погоду происходит значительное увеличение энергии в диапазоне существования явления тягуна - более чем на порядок, которое способствует формированию режима возвратно-поступательных движений воды для основных портовых бухт.

4. Впервые определены параметры длинных волн при нагоне и сгоне по точным цифровым записям колебаний уровня моря. Установлены условия развития опасного нагона или сгона и показано, что прохождение циклона над северной частью о. Сахалин, может быть причиной экстремального сгона на юго-восточном побережье острова в районе пос. Взморье с редкой повторяемостью.

5. По данным многолетнего мониторинга сейш для четырех пунктов Курильских островов, портовых пунктов западного побережья о. Сахалин и порта Корсаков оценена возможность усиления приходящих волн и дли-

тельность значительных колебаний уровня на основании изучения частотно-избирательных свойств конкретных акваторий.

6. На основании выявленных особенностей формирования волнового поля в диапазоне периодов цунами, как при обычных, так и экстремальных условиях, полученных с использованием данных натурных измерений в южной части Курильской гряды на разнесенной группе станций, показана возможность выделение сигнала цунами на фоне естественного длинноволнового шума.

Достоверность полученных результатов. Использованные в работе материалы натурных наблюдений за колебаниями уровня моря (при дистанционных и контактных измерениях) отличались надежностью и высоким качеством. Точность измерений, синхронная регистрация длинноволновых процессов в нескольких точках шельфа, большая длительность записей позволили получить надежные оценки. Достоверность полученных результатов анализа экспериментальных материалов подтверждается аналитическими расчетами и результатами численного моделирования, сопоставлением с другими опубликованными результатами.

Апробация. Результаты работы докладывались на конференциях различного уровня: Всероссийская научная конференция с международным участием, Южно-Сахалинск, 2015 г.; V конференция молодых ученых «Океанологические исследования», Владивосток, 2011 г.; Научная конференция посвященная 65-летию ИМГиГ ДВО РАН «Гидродинамические процессы и природные катастрофы в дальневосточном регионе», Южно-Сахалинск, 2011г.; X Всероссийская конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», Санкт-Петербург, 2010 г.; 19th International Offshore and Polar Engineering Conference (ISOPE 2009), Osaka, Japan, 2009; 24th International Tsunami Symposium of the IUGG Tsunami Commission, Novosibirsk, Russia, 2009; Генеральная ассамблея Европейского Геофизического Союза, Вена, Австрия, 2008; 22st International Symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice., Mombetsu, Hokkaido, Japan, 2007; 21st International Symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice. Mombetsu, Hokkaido, Japan, 2006; General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics, Sapporo, 2003.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 44 работах из них 15 статей в реферируемых журналах списка ВАК, 3 лично, остальные в соавторстве. Соискатель является соавтором монографии «Техника исследования опасных морских явлений в прибрежной зоне океана», Владивосток, Дальнаука, 2010 г., и раздела в монографии «Невельское землетрясение и цунами 2 августа 2007 года, о. Сахалин». Отв.ред. Б.В. Левин, И.Н. Тихонов М.: «Янус-К», 2009, раздел 7.3.

Результаты работы вошли в заключительный отчет о НИР (20012005 гг.), «Комплексные исследования и разработка методов прогноза опасных природных явлений в океане: цунами и моретрясений», №ГР

01.2.00611029, 2006, Южно-Сахалинск, ИМГиГ ДВО РАН; заключительный отчет НИР (2006-2008), «Цунами и моретрясения: физика очага, особенности проявления у побережья, модели цунамиактивности и методы оценки риска. Совершенствование системы предупреждения цунами», №ГР - 01.2.00611029, 2008, Южно-Сахалинск, ИМГиГ ДВО РАН; заключительный отчет НИР (2009-2011) «Экспериментальное исследование опасных морских явлений метеорологической природы», № ГР 01200951749, 2011, Южно-Сахалинск, ИМГиГ ДВО РАН; 10-Ш-В-07-153, Ю-Ш-Д-07-025, грантов РАН и ДВО РАН; 09-05-00591, 08-05-05-006-6,08-05-01805-э_б, 08-05-10063-к грантов РФФИ.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в разработке аппаратуры, организации и проведении экспедиционных работ с целью выполнения наблюдений, осуществлении технического обеспечения и поддержки, считывание информации с регистраторов волнения, а также выполнение анализа данных наблюдений и их физической интерпретации с применением аналитических, эмпирических или численных моделей. Преимущественно коллективный характер исследований обусловлен их экспериментальной направленностью, получением и обработкой материалов инструментальных измерений - поэтому большая часть полученных результатов опубликована совместно с коллегами по работе.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, который включает 237 наименований. Работа изложена на 304 страницах текста, содержит 142 рисунка и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследования, приведены основные результаты.

В первой главе проведен анализ современных кабельных и автономных регистраторов волнения, необходимых для проведения натурных экспериментов в прибрежной зоне моря. Приводится описание и сравнение характеристик зарубежных, российских регистраторов волнения. Поскольку их широкому применению препятствуют относительно высокая стоимость полного цикла исследования, включающая в себя как стоимость самих приборов, так и стоимость эксплуатации, рассмотрены разработанные в ИМГиГ ДВО РАН при участии автора настоящей работы кабельный комплекс и два портативных измерителя волнения. Приведено описание электронных схем и программного обеспечения микропроцессорных автономных приборов, обеспечивающих регистрацию колебаний уровня моря с секундной дискретностью в течение года.

Исследованы проблемы регистрации поверхностных волн датчиками гидростатического давления и квантования аналогового процесса волнения цифровым регистратором. С использованием реальных спектров волнения

для различных состояний моря показано, что для условий постановки гидростатического датчика на глубинах более 5 метров необходимо пересчитывать данные по гидростатическому давлению в данные колебаний поверхности моря с использованием передаточной функцией, связывающую спектры давления и поверхности моря.

С помощью данных специального натурного эксперимента с синхронной записью волнения датчиком гидростатического давления и поверхностным струнным установлено, что при использовании датчика гидростатического давления достаточно проводить дискретизацию аналогового процесса поверхностного волнения с дискретностью 1 секунда. При этом цифровая регистрацию будет происходить без искажения формы волнения и алиасинг эффекта.

Вторая глава посвящена изучению ветрового волнения и условий формирования инфрагравитационных волн в прибрежной зоне моря, которые играют важную роль формировании береговых и прибрежных особенностей рельефа, таких, как береговые фестоны, косы, серповидные бары и др. и ответственны за размыв берега. Рассмотрена история изучения инфрагравитационных волн, аналитические модели и механизм их формирования в результате нелинейного взаимодействия ветровых волн и зыби, связь с групповой структурой волнения, краевыми волнами и рельефом.

На основе натурных экспериментов у юго-восточного побережья о. Сахалин и в Южно-Курильской бухте (о. Кунашир), выполненных с использованием трех автономных датчиков волнения исследованы спектральные характеристики ветрового волнения и зыби при различных погодных условиях. Проведено изучение групповой структуры волнения, которая прослеживается практически на всех волнограммах. Для определения характеристик огибающих волновых пакетов рассмотрена возможность выделения огибающей с использованием преобразования Гильберта. При этом поверхностное волнение представлялось как модулированный процесс в виде

где А(1) — огибающая процесса, в предположении что заданный процесс £(?) является узкополосным.

Необходимо потребовать, чтобы кривая А(() касалась кривой С(/) в точках, в которых последняя проходит через максимальные (амплитудные) значения. Этому условию отвечают преобразования Гильберта [Гоноровский, 1967; Морс, Фешбах, 1958]

£( г) = А( 0 сое \|/ (г),

(1)

(2)

причем здесь имеются в виду главные значения несобственных интегралов. А функция £",(*) называется функцией, сопряженной функции £(/).

Выполненный с использованием преобразования Гильберта анализ экспериментальных данных позволил обнаружить генерацию двух типов инфрагравитационных волн - свободных краевых волн, распространяющихся вдоль берега и более низкочастотных с характерным направлением распространения в сторону берега.

С использованием решения Эккарта [Eckart, 1951] дифференциального уравнения колебаний свободной поверхности для модели линейного откоса

С(х)+-С(х) + (К2/х-к2К(х) = о, (4)

которое позволило получить дисперсионное соотношение

ш2„ = (2и+1)#1§р, (5)

для угла наклона дна в районе мыса Острый ß « 0,035, рассчитана дисперсионная диаграмма для краевых волн, позволившая вычислить профили возвышения свободной поверхности и затем рассчитать вдольбереговые скорости с учетом компонент скорости полученных из уравнений движения в длинноволновом приближении. Результаты расчета для двух мод показали, что вдольбереговые скорости для обеих мод периодически изменяют свое направление на противоположное, т.е. структура поля течений имеет характерный рисунок в виде «ячеек», расположенных на различном расстоянии от берега.

Рассмотрены результаты изучения особенностей генерации волновых процессов в береговой зоне при прохождении глубоких циклонов с различными направлениями движения относительно побережья в связи с необходимостью для практических целей — предотвращению разрушения берегозащитных сооружений, находящихся на побережье промышленных объектов и др.

С помощью цифровых измерительных комплексов, включающих автономные регистраторы волнения и цифровые метеостанции, устанавливаемых ИМГиГ ДВО РАН на различных участках побережья о. Сахалин с 2001 г., и привлеченных синоптических карт гидрометеослужбы получен обширный материал натурных наблюдений за волнением моря при прохождении циклонов.

Для исследований был выбран отрезок времени с 20 сентября по 3 октября 2007 г., за время которого на районы постановки приборов - порт Холмск, вблизи поселка Взморье, на стационаре Остромысовка ИМГиГ и у пересыпи оз. Изменчивое, оказывало влияние три глубоких циклона с давлением в центре около 990 мбар. Траектория одного из них, двигавшегося с территории Приморского края на восток, пересекала южную часть о. Сахалин в период с 25 по 27 сентября (рис.1). По мере продвижения на восток этот циклон углублялся, смещаясь в юго-восточном направлении, и 26.09.2007 г.

он объединился с циклоном, пришедшим с юга. После этого циклон стал двигаться в северо-восточном направлении вдоль Курильской гряды. Два других циклона перемещались с юга Приморского края через южную часть о. Сахалин в северо-восточном направлении.

Рис. 1. Карта региона и пути циклонов по данным СахУГМС (а), пункты расположения измерителей волнения в южной части о. Сахалин (б). Изобары, обозначенные сплошными линиями, относятся к синоптической ситуации на 12 часов 25.09.2007 (UTC), штриховыми - к ситуации на 00 часов 26.09.2007 (UTC). Линии с точками указывают пути циклонов. Двойной линией показан путь над Сахалином циклона 27-28 сентября.

Рассчитанные по записям волнения текущие спектры для уровня моря у пос. Взморья и оз. Изменчивое (рис. 2) имеют сходный характер. При подходе циклонов наблюдается резкое увеличение энергии колебаний на периодах ветровых волн и зыби от 5 до 12 с, а также более низкочастотных волн в диапазоне периодов от 12 до 500 с, который соответствует диапазону периодов ИГ волн. Максимумы их энергии для района оз. Изменчивое наблюдаются при приближении к берегу, а для пос. Взморья зависят не от расстояния до берега, а от вдольберегового (широтного) места постановки датчиков, что связано, по-видимому, не только с батиметрией, но и с рельефом дна.

Сметр.св'с Спедтр, см'с

».£» 21 22 21 Ы 25 И И » й И 1.10 1 21 И И 21 25 28 21 21 2» 30 1.1| 2

Рис. 2. Текущие спектры по данным измерений АРВ установленных вблизи пересыпи оз. Изменчивое (а) и пос. Взморье (в) и записи колебаний уровня моря (б, г).

Текущий спектр для колебаний уровня в порту г. Холмска (рис. 3 а) существенно отличается от аналогичного для записи вблизи оз. Изменчивое. Повышение энергии ветрового волнения и зыби в моменты прохождения циклонов здесь также наблюдается, но в значительно меньшей степени, поскольку бухта закрытая и ветровое волнение в значительной степени гасится. Поэтому и энергия волновых движений в диапазоне формирования ИГ также существенно меньше.

На основе данных наблюдений волнения моря в районе двадцати населенных пунктов о. Сахалин полученных с использованием автономных регистраторов уровня проведен анализ режима волнения в диапазоне периодов от нескольких секунд до примерно 20 минут, к которому относятся ветровые, инфрагравитационные волны и зыбь. Эти исследования выполнены для отдельных районов Сахалинской области, в которых существует опасность размыва побережья в связи с находящимися в прибрежной зоне транспортными коммуникациями.

Установлено, что практически во всех обследованных районах побережья с приходом шторма энергия колебаний в диапазоне ИГ волн резко возрастает на 1,5-2 порядка, по сравнению с тихой погодой и при максимальном волнении увеличивается почти на 3 порядка и наблюдается их хорошо выраженная модовая структура. Происходит также расширение диапазона генерируемых ИГ волн в сторону более длинных периодов с хорошо выраженной низкочастотной границей около 260 с.

Рис. 3. Диаграммы текущих спектров по данным измерения АРВ установленных: а - в кутовой части бухты порта Холмск, б - порту Корсакова, в - в порту Южно-Курильска, г - в порту Углегорска.

В третьей главе работы проведены исследования условий формирования явления тягуна, которое вызывают короткопериодные инфра-гравитационные волны, образующиеся в результате трансформации зыби и ветрового волнения, когда характерные периоды огибающих волновых пакетов совпадают или близки к собственным периодам акватории порта, в основных портах Сахалинской области - Корсакове, Углегорске, Холмске и Южно-Курильске, поскольку известно, что даже в «хорошо защищенных» портах наблюдаются сильные возвратно-поступающие движения воды, которые приводят к удару судов о причал или друг о друга, обрыву швартовых и нарушению погрузо-разгрузочных операций. С использованием методических указаний по определению ветровых и волновых условий при проектировании морских портов РД 31.33.02-81 и данных по геометрии обследуемых портовых бухт определены режимы низкочастотных колебаний, вызывающих явление тягуна.

Выполненные экспериментальные исследования с постановкой автономных регистраторов волнения в портах Сахалинской области показали, что ковши и портовые бухты, за исключением Южно-Курильска, хорошо защищены от ветрового волнения. При этом значимая высота волн

внутри порта на порядок меньше по сравнению с внешней акваторией, что подтвердил и расчет коэффициента проницаемости приходящих волн для Холмской бухты.

Проведен спектральный и спектрально временной анализ данных наблюдений за колебаниями уровня для спокойной погоды и сильного волнения в основных портовых бухтах, результаты которого показали существенное увеличение энергии колебаний уровня - более чем на порядок в диапазоне существования явления тягуна и, в частности на периодах 3 и 1,5 мин. для Холмской бухты (рис.3), 1,5 -3 мин. для порта Корсаков, около 1 минуты для Южно-Курильской бухты и 1,9, 1, 0,5 и 0,25 минуты для Углегорска. Интенсивность колебаний с указанными периодами значимо возрастает в штормовую погоду, что указывает их инфрагравитационную природу вследствие наличия явной связи с волнением на море. Очевидно, эти пики отвечают собственным колебаниями бухт и указывают на существование явления тягуна в данных портах.

Поскольку в Южно-Курильской бухте большая энергия тягуна не всегда соответствует более сильному шторму, был проведен анализ метеорологической ситуации для выяснения условий, способствующих развитию тягуна большой интенсивности. По данным СахУГМС была построена карта погоды, которая показала наличие антициклона, несколько суток медленно смещающегося в северо-восточном направлении. Было установлено, что максимальным волнам тягуна соответствовали ветра силой около 5 м/с южного направления. При смене направления ветра на юго-западное или юго-восточное происходило уменьшение энергии тягуна, даже при увеличении силы ветра.

Анализ результатов натурных экспериментов позволил сделать вывод о том, что наибольшую опасность для находящихся в портах судов может представлять явление тягуна, связанное с одно- и двухузловыми продольными и поперечными сейшами гаваней, которые проявляются, как правило, при увеличении интенсивности волнения на внешней акватории.

При прохождении над акваторией моря глубоких циклонов или тайфунов иногда наблюдаются крупномасштабные повышения и понижения уровня моря, обусловленные воздействием касательного напряжения ветра и градиента приземного атмосферного давления - штормовые нагоны и сгоны, вместе с сопровождающим их сильным волнением представляют серьезную опасность для побережья о. Сахалин и Курильских островов. Над о. Сахалин наблюдается около 30 атмосферных возмущений в год с давлением в центре менее 1000 мБар. Высокая циклоническая активность в данном районе обусловлена его положением в пограничной зоне между материковыми и океанскими воздушными массами, в области разделения которых наиболее часто образуются и распространяются атмосферные возмущения. Образованию штормовых нагонов у берегов Сахалина также способствует наличие обширных прибрежных мелководных зон.

Штормовые нагоны сами по себе вызывают затопление прибрежных участков и на фоне повышения уровня моря резко усиливается действие штормового волнения. Больше всего от штормовых нагонов страдают торговые и рыболовные порты, а также железнодорожный и автомобильный транспорт, поскольку на побережье Татарского пролива и залива Терпения протяженные участки автомобильных и железных дорог проложены в опасной близости от моря.

Сгоны на юго-восточном и юго-западном побережьях Сахалина, в основном, не приводят к катастрофическим последствиям. В определенной мере это объясняется их относительно небольшой величиной. Однако, известен ряд аварийных ситуаций на ГРЭС поселка Вахрушево, возникших в результате прекращения поступления морской воды в систему охлаждения станции и вызвавших ограничение подачи электроэнергии в населенные пункты. Поэтому представляет интерес анализ сгонно-нагонных явлений в южной, наиболее заселенной части о. Сахалин, с учетом вновь полученных результатов.

Данные о сгонно-нагонных явлениях на юго-восточном и юго-западном побережье о. Сахалин свидетельствуют об актуальности и практической необходимости, обусловленной в первую очередь безопасностью проживающего в прибрежной зоне населения, изучения штормовых сгонно-нагонных явлений и условий, способствующих их проявлению, особенно в местах предполагаемого строительства новых объектов.

При анализе записей колебаний уровня, выполненных в сентябре -октябре месяце 2010 г. в районе пос. Взморье, юго-восточное побережье о. Сахалин, был визуально обнаружен экстремальный сгон - около 60 сантиметров (рис. 4). Обнаруженное явление представляет интерес еще и потому, что как показал анализ сгонов восточного побережья о. Сахалин, его можно отнести к сгонам редкой повторяемости с периодом один раз в 100 лет.

После обнаружения отмеченного сгона в районе пос. Взморье были проверены данные по изменению уровня моря с противоположной - юго-западной стороны о. Сахалин в районе г. Холмск, чтобы проверить сделанное предположение о возможном нагоне в этой части острова. Результаты анализа подтвердили предположение и был обнаружен нагон величиной около 40 см. Таким образом, наблюдаются противофазные нагонная и сгонная волны при прохождении циклона в поперечном направлении над протяженным островом.

Синоптические карты (рис. 5) показали, что циклон, вызвавший сгонно-нагонные волны проходил над северной частью о. Сахалин и поэтому направление ветра в южной части острова не изменялось в течение почти двух суток, что и явилось причиной сильного сгона. Следует отметить, что скорость движения циклона, как и при прохождении аналогичных атмосферных возмущений, при выходе его в Охотское море замедлялась. Это и способствовало продолжительным ветрам отмеченного направления.

О -20

-40

-60

Рис. 4. Остаточный ряд колебаний уровня моря на станциях №36 (Холмск) и №38 (Взморье). Вычтен предвычисленный прилив и отфильтровано ветровое волнение.

Рис. 5. Карта региона и путь циклона, вызвавшего значительный сгон в юго-восточной части о. Сахалин (по данным СахУГМС ).

Для оценки параметров длинных волн для записей двух датчиков были рассчитаны СВАН - диаграммы колебаний уровня для времени существования сгона в диапазоне периодов от 2 до 102 часов, которые показали, что во время существования сгона наблюдается возрастание энергии в достаточно широком диапазоне периодов от 14 до 80 часов с максимумом около 55 часов.

При проведении продолжительных, в течение четырех лет, регистрации колебаний уровня моря цифровыми приборами в порту г. Холмск был зафиксирован значительный нагон 22-23 ноября 2006 года. На фоне остаточных непериодические вариации уровня моря, полученных из исходных натурных данных, резко выделяются значительный подъемы уровня -штормовой нагон, высота которого, по предварительной оценке, превысила 75 см, то есть данное событие можно отнести к числу особо опасных природных явлений.

Для оценки параметров нагонной волны была рассчитана СВАН -диаграмма колебаний уровня для времени существования нагона в диапазоне периодов от 2 до 102 часов, которая показала, что в момент образования нагонной волны происходит возрастание энергии в широком диапазоне периодов от 14 до 68 часов с главным максимумом на периоде около 47 часов. При затухании сгонной волны происходит разделение максимума на два с периодами около 39 и 56 часов. Следует отметить, что несмотря на разные районы наблюдений сгонной и нагонной волны, их периоды и диапазоны существования близки.

Проведено изучение нагонно-сгонного режима южной части острова Сахалин. Ранее такие работы проводились в рамках программы программа Мировой океан только для восточного и северных побережий острова. Построена карта путей циклонов в зависимости от сезона, которые могут сформировать этот режим. Показано, что нагонно- сгонный режим наблюдается при прохождении циклонов отмеченных направлений и формируется суммарным воздействием ветра и приземного атмосферного давления преимущественно в осенне-зимний период при повышенном циклогенезе. При этом, как показали данные наших и ГМС метеонаблюдений, развитию опасного нагона или сгона предшествует продолжительный - более 6 часов, ветер одного направления.

Четвертая глава посвящена анализу сейшевых колебаний в заливах и бухтах дальневосточного побережья России - Сахалина и южных Курильских островов. Крупные неоднородности береговой линии, такие как заливы, бухты и прочее, приводят к образованию собственных систем стоячих колебаний (сейш), параметры которых определяются геометрией соответствующей акватории. Исследование сейш в водоемах с открытой внешней границей т.е. акваторий которые сообщаются с внешним бассейном, представляет интерес в первую очередь в связи с угрозой цунами - необходимостью учета резонансных особенностей различных акваторий.

Возбуждение сейшевых колебаний в таких водоемах происходит

преимущественно через открытую границу, т. е. они являются индуцированными. Потери волновой энергии в открытых водоемах связаны в основном с излучением через открытую границу и в зависимости от добротности резонансной области может происходить существенное усиление приходящих волн. Так, например, по данным работы [Рабинович, 1993] во время цунами 23.02.1980 г. волны внутри Малокурильской бухты усилились почти в пять раз по сравнению с внешним шельфом и имели практически тот же период, что и основного спектрального максимума колебаний уровня для этой бухты.

Добротность является важной характеристикой колебательной системы, которая существенным образом зависит от конфигурации гавани и возрастает с уменьшением ширины входа. Известно также, что добротность является мерой относительной диссипации энергии и пропорциональна числу колебаний в системе (бухте) за время, при котором амплитуда волн уменьшится в е раз, т.е. определяет частотную избирательность резонансной системы и число периодов колебаний, в течение которых происходит установление стационарной амплитуды, а значит длительность «звучания цунами», что в конечном итоге является критерием для отмены тревоги цунами и этой характеристике акваторий необходимо уделять особое внимание.

ИМГиГ ДВО РАН в течение многих лет проводит исследовательские измерения длинноволновых процессов в диапазоне волн цунами с использованием специально разработанных для этих целей и постоянно совершенствуемых кабельных комплексов и автономных мареографов. На основе этих, а также новых и модернизированных приборных комплексов начато развертывание исследовательской сети мониторинга в районе южной части Сахалина, Курил. На рис. 6 представлена карта региона проведения наблюдений и районы постановок измерительных приборов.

Для анализа сейшевых колебаний все полученные в экспериментах записи подвергались предварительной обработке - осреднялись с использованием фильтра с весовыми коэффициентами Кайзера-Бесселя, характеристики которого позволяют эффективно препятствовать проникновению энергии ветрового волнения и зыби в более низкочастотный диапазон, а затем приводились к дискретности 1 минута. Из полученных временных рядов вычитался предвычисленный прилив, рассчитанный по программе, составленной А.Б. Рабиновичем с использованием метода наименьших квадратов по 9 гармоническим составляющим.

В настоящей работе анализировались данные колебаний уровня полученные в 1995-2010 годах в районе южных Курильских островов для бухт Малокурильская, Крабовая на острове Шикотан, а также залива Касатка на острове Итуруп и бухты Южно-Курильской на о. Кунашир. Спектральный и спектрально-временной анализ данных наблюдений показал, что собственные частоты сейшевых колебаний, их интенсивность и характер определяются физико-географическими условиями и, в конечном итоге, добротностью резонансной системы. Параметры наиболее интенсивных сейш приведены

в таблице 1. Их периоды, выделяющиеся по данным наблюдений уровня, хорошо согласуются с периодами волн цунами, зарегистрированными в этих пунктах и полученными в результате численного моделирования, проведенного в работе [Рабинович, Левянт, 1992].

Рис. 6. Карта региона проведения наблюдений и районы постановок измерительных приборов. Указаны населенные пункты, вблизи которых проводились измерения.

Расчет добротности резонансной системы проводился из спектров, основываясь на том, что она определяет относительную величину резонансного максимума в энергетическом спектре колебаний [Зернов, Карпов, 1972] и если система обладает достаточно высокой добротностью, то она определяется выражением

где соо - резонансная частота системы (резонансного максимума), Дю ширина максимума, a g - его добротность. При этом, ширина максимума определяется как полоса частот, в пределах которой энергия колебаний спадает в 2 раза.

Максимальное (резонансное) значение амплитуды вынужденных колебаний можно определить из выражения

где 5 - коэффициент затухания (5 = ю0 /2 0, со0 - резонансная частота системы, А ш - амплитуда приходящей волны.

Q = го0 /Дю,

(6)

Таблица 1

Наблюденные и рассчитанные периоды сейшевых колебаний в районе Курильской гряды и добротность акваторий.

Пункт Периоды сейш (мин.)

б. Малокурильская Рассчитанные* 18,9 7,3** 5,04**

Наблюденные* 17-21

Наблюденные 19 5,0

Добротность 8,0(10,3)** 2,8** 4,9**

б. Крабовая Наблюденные 29 5 3

Добротность 2,11

зал. Касатка и прилегающая акватория Рассчитанные* 45,5 19,3 13,5 11,0

Наблюденные* 97,8 45 19,1 13,5 11,0

Наблюденные 46,5 19,2 11,2

Добротность 2,0

б. ЮжноКурильская (Южно-Курильский пролив) Рассчитанные* 4,7 час 3,0 час 1,9 час 1,7 час 1,3 час

Наблюденные* 4,7 час 3,0 час 2,1 час 1,7 час 1,3 час

Наблюденные 4,7 час 3 час

Добротность 1,7 3,0

Примечания:

- жирным шрифтом выделены сейши большой интенсивности, энергия которых

превышает энергию других колебаний более чем на порядок; * - данные работы [Рабинович, Левянт, 1992]; ** - данные работы [Джумагапиев, Куликов, Соловьев, 1994].

Активное изучение сейшевых колебаний на юге острова Сахалин стимулировалось необходимостью обеспечения безопасной разгрузки железнодорожных паромов, открытой в 1973 году морской переправы Ванино-Холмск, для работы которой необходима точная стыковка рельс на судне и на берегу. Холмская бухта хорошо защищена от волнения, однако портовые сейши даже при умеренной интенсивности, могут нарушать эту стыковку, затруднять погрузо-разгрузочные работы и быть причиной простоев парома в порту.

Для изучения условий формирования тягунаи особенностей проявления других типов морских опасных явлений, Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН с 2006 по 2009 гг. осуществлял инструментальные измерения колебаний уровня моря в портовой бухте г. Холмска. Здесь, также как и на Курильских островах, использовались автономные и кабельные регистраторы придонного гидростатического давления, отражающие вариации морской поверхности.

Изучение резонансных периодов и пространственной структуры колебаний, обусловленных особенностями прибрежной топографии позволило выделить собственные интенсивные колебания бухты с периодом около 8 мин., которые отчетливо видны и на записи цунами (рис. 11). На основе численного моделирования показано, что они соответствуют нулевой моде, имеющей узловую линию в горловине бухты, которая обычно весьма эффективно возбуждается волнами цунами.

В спектрах записей выделялся также четкий максимум на периоде около 3 мин, отвечающий одноузловой продольной сейше бухты, пучности которой находятся у входа в бухту и в ее кутовой части. И хотя энергия этих колебаний на два порядка меньше, чем на 8 минутах, они вызывают явление тягуна в Холмской бухте.

Число резонансных периодов колебаний Т в бухте, в течение которых происходит установление стационарной амплитуды, пропорционально добротности Q. В теории резонансных систем это число колебаний Ых = т/Т, совершаемых системой, определяется за время релаксации т, в течение которого амплитуда уменьшается в в раз [Зернов, Карпов, 1972]. Учитывая, что <2 = 27г/{ 1-ехр(-2/ Ут)} можно определить число колебаний за время которых амплитуда уменьшится до спокойного состояния. Расчет показал, что для добротности равной 10, это число периодов составит приблизительно 11,7.

Таким образом, знание величины добротности резонансной системы акватории позволяет не только прогнозировать возможное усиление приходящей волны цунами, но и оценить, на сколько и за какое время уменьшатся амплитуды возбужденных сейшевых колебаний в конкретной бухте и когда можно будет давать отбой тревоге цунами, что очень важно, поскольку угрозу могут представлять не только первые волны.

Интересные результаты относительно характера проявления волн цунами, полученные при проведении измерений в порту г. Холмск, стимулировали проведение масштабных измерений волновых процессов в различных пунктах западного побережья о. Сахалин. С этой целью двенадцать автономных регистраторов волнения были установлены в населенных пунктах от Гонозаводска на юге о. Сахалин до Бошняково на севере исследуемой области (рис. 66) [Кузнецов и др., 2010].

Установка приборов началась в конце мая 2008 г. и сняты они были в конце сентября. Таким образом, длительность натурного эксперимента составила около 4 месяцев. В результате был получен обширный материал наблюдений, который позволил изучить частотно-избирательные свойства акватории вдоль западного побережья Сахалина.

К сожалению, за анализируемый промежуток времени не было отмечено не только ни одного цунами, но даже сильных штормов, с которыми связано обычно усиление резонансных колебаний в широком диапазоне периодов. Тем не менее, проведенный анализ энергетических спектров колебаний уровня (рис. 7) позволил достаточно детально изучить частотно-

избирательные свойства прибрежных участков акваторий у западного берега о. Сахалин. Наиболее выражены они в пунктах Чехов, Орлово, а также Горнозаводск и Бошняково.

Рис. 7. Спектры колебаний уровня моря в Горнозаводске (а), Орлово (б), Бошняково (в) рассчитанные по двухсуточным отрезкам записи для различных синоптических условий (3-4 июля спокойная погода; 18-19 июня, 6-7 августа, 3-4 сентября штормовая погода).

Используя определенные из энергетических спектров значения периодов максимумов, соответствующих собственным колебаниям акваторий, прилегающих к населенным пунктам, составлена таблица периодов сейш (таблица 2) и добротности акваторий западного побережья о. Сахалин. Корткопериодные колебания от 5 до 40 мин обусловлены локальными особенностями рельефа дна и топографии береговой черты. Наибольшая энергия сейшевых колебаний в этом диапазоне периодов определена в районе г. Чехов на периоде около 40 минут. В других населенных пунктах сейшевые колебания имеют схожие периоды, но выражены заметно слабее, что обусловлено особенностями частотно-избирательных свойств акватории севернее Горнозаводска - шельф в районе Холмска и Невельска самый узкий и приглубый у западного берега Сахалина, он расширяется и в южном, и особенно в северном направлении. Наличие обширного Чехово-Ильинского мелководья является важным фактором, который определяет характер длинноволновой динамики и способен привести к значительным локальным усилениям цунами на приведенных в таблице периодах.

Севернее пос. Ильинский от м. Ламанон характер рельефа дна изменяется, он становится более мелководным и узким по сравнению с его южной частью, и еще далее на север от пос. Орлово в сторону Углегорска и Бошняково шельф продолжает сужаться.

Более длинные колебания с периодом около 50 минут соответствуют двухузловой поперечной сейше Татарского пролива, 55 минутная одно-узловая поперечная сейша Татарского пролива в северной узкой части и 100 минутная соответствует сейше Татарского пролива.

Поскольку порт города Корсакова один из главных на Сахалине и от его устойчивой работы зависят товарооборот и состояние ряда важнейших отраслей экономики Сахалинской области и, к тому же, подвержен воздействию опасных морских явлений - его гидротехнические сооружения и складские территории неоднократно затапливались морской водой при цунами (в 1952 и 1960 гг.), поэтому представляет интерес рассмотреть сейшевые колебания в порту и на прилегающей к нему акватории.

Экспериментальные исследования условий формирования сейшевых колебаний в гавани в конце 60-х - начале 70-х годов были проведены силами Корсаковского гидрометеобюро под руководством Г.Н. Боброва, а с 1999 г. по 2011 г. группой специалистов ИМГиГ ДВО РАН. В результате проведенных натурных наблюдений с использованием высокоточной регистрирующей аппаратуры с пьезорезонансными преобразователями гидростатического давления были получены длинные ряды наблюдений, которые и были использованы для обработки с целью выявления особенностей волнового режима и опасных морских явлений в районе порта Корсаков.

В рассчитанном спектре колебаний уровня моря в порту г. Корсаков при Чилийском цунами четко выделяются хорошо выраженные пики с периодами 12, 19 и 33 мин. и 2 часа, а также мощный пик с периодом около 4,7 часа. Наибольшей энергией обладают колебания с периодом около 4,7 часа, которые проявляется на всем побережье залива Анива, за исключением мыса Крильон, где в частности при Чилийском цунами колебания с периодом около 4,7 часов не были отмечены. Это указывает на то, что пучность резонансных колебаний вероятнее распределена вдоль северного побережья залива, а узловая лини проходит по его открытой границе (линия мыс Анива - мыс Крильон). Детальное исследование этой особенности формирования длинноволновых колебаний потребовало отдельного исследования при помощи методов численного моделирования.

Численное моделирование распространения длинных волн в заливе Анива проводилось В.Н. Храмушиным с использованием разработанной им программы и детальной цифровой карты глубин, применявшейся в работе [Храмушин, Шевченко, 1994]. В спектрах, вычисленных по расчетным волнограммам выделяется пик с периодом 4,7 часа. Отмечены также максимумы с периодами около 3, 2 и 1 часа, проявлявшиеся по записям в порту Корсакова при Чилийском и некоторых других цунами, энергия других волн на полтора порядка меньше.

Сводные данные по сейшам юго-западного и южного побережий Сахалина и добротности акваторий, в которых проводились наблюдения, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Наблюденные и рассчитанные периоды сейшевых колебаний юго-западного и южного побережий Сахалина и добротность акваторий.

Пункт Периоды сейш (мин)

Холмск Наблюденные 8 3

Рассчитанные 8 3

Добротность 4,9

Горнозаводск (прилегающая акватория) Наблюденные 100 50 33 20 15 7

Добротность 1,85 2,02 4,1 6,4 7,5

Чехов (прилегающая акватория) Наблюденные 100 50 40 23 16 10

Добротность 4,3

Орлово (прилегающая акватория) Наблюденные 55 33 25 15 10 7

Добротность 3,9 4,5

Бошняково (прилегающая акватория) Наблюденные 55 33 15 8

Добротность 4,7

Корсаков (зал. Анива) Рассчитанные (В.Н. Храмушин) 4,7 час 2 час 1 час 33 19

Наблюденные 4,7 час 2 час 33 19 12

Корсаков Добротность 1,4 2,1 4,5 5,1

Примечание: жирным шрифтом выделены сейши большой интенсивности.

В рамках совместного эксперимента с ТОЙ ДВО РАН, в целях наблюдений за волновыми параметрами, была проведена постановка автономных регистраторов волнения в бухте Витязь Приморского края в 2009 году. Были установлены два АРВ в бухте Витязь около мыса Шульца примерно на одинаковой глубине около 25 м, с помощью которых получены синхронные ряды наблюдения за гидростатическим давлением и температурой моря длительностью более 4-х месяцев (рис. 8).

По полученным данным давления были вычислены спектры и построены СВАН диаграммы колебаний уровня моря и температуры для указанных отрезков времени (рис.9), на которых хорошо различаются гармоники прилива - суточная и полусуточная, которые разрушаются, для мористого датчика, в период 31 августа по 10 сентября. Видно, что происходит активная передача энергии прилива к более высокочастотным волнам. В последствие приливные гармоники нормализуются. Данная картина обрушения внутренних приливных волн хорошо согласуется с ранее полученными результатами для данных мест наблюдения. СВАН диаграммы (рис. 9) для температуры, также, как и диаграммы уровня, показывают, что происходит активная передача энергии прилива к более высокочастотным волнам с выходом термоклина на уровень постановки АРВ.

1306 15 17 19 21 23 25 27 29 31 109 3 5 > 0 11 13 15 17 19

Время, сут.

Рис. 8. Записи гидростатического давления по двум датчикам №27 и №38.

Рис. 9. СВАН диаграммы для отрезков записей колебаний уровня 13 августа -19 сентября 2009.

В пятой главе приведены результаты исследовательского мониторинга волн цунами на о. Сахалин и Курильских островах. Экспериментальное исследование волн цунами необходимо в первую очередь для выработки практических рекомендаций при разработке системы предупреждения, обеспечивающей безопасность населения Дальневосточного региона и прибрежных сооружений. Тем не менее, материал экспериментальных наблюдений пока еще очень малочисленен. В настоящее время положение улучшается

в связи с установкой сети из восьми береговых регистраторов Службы предупреждения о цунами (СПЦ) Росгидромета в Сахалинской и Камчатской областях, трех в Приморском крае и одного автономного прибора DART.

На побережье Сахалина самыми грозными являются волны цунами, которые, впрочем, имеют здесь высоты на порядок меньшие, чем на Курильских островах. В районе крупнейшего порта острова - Холмска и менее значимого Невельска, как и на других участках япономорского побережья России, большинство опасных цунами связано с сильными подводными землетрясениями у берегов Японии (август 1940, май 1983, август 3993, март 2011).

Особую опасность представляют цунами, связанные с землетрясениями, очаги которых находились на небольшом удалении от исследуемого участка побережья, даже в том случае, когда сейсмическое событие имело умеренную интенсивность, и цунами проявилось только локально, как это было в августе 2007 года. Примером такого цунами являются волны, вызванные Монеронским землетрясением 4 сентября 1971 года. На юго-западном побережье Сахалина оно было самым опасным по крайней мере за последние 100 лет, в то время как на побережье Приморья и тем более Японии волны имели незначительную величину.

В результате поведенных наблюдений в Холмской бухте с 2006 по 2009 гг. дважды были зарегистрированы волны цунами, вызванные Симуширским 15.11.06 и Невельским 2.08.07 землетрясениями (рис.10). Получение записи реального цунами в ходе натурного эксперимента является весьма редкой удачей, в данном же случае имелась дополнительная возможность сравнения характеристик волн, вызванных близким и удаленным источниками.

В случае Симуширского цунами сравнительно легко идентифицировать вступление - гребень первой волны зафиксирован в 16 часов 26 минут 15 ноября по Гринвичу. Высота волны от подошвы до гребня составила около 6 см. Начальный импульс был сравнительно низкочастотным, после чего в течение примерно двух часов колебания имели выраженный циклический характер с периодом около 8 минут, который обычно выделяется в записях цунами в данном пункте.

Интересно отметить, что начальный отрезок записи представлял собой четко выраженный цуг из четырех колебаний с периодом около 8 минут. Наиболее вероятно, именно совпадение периода этого начального пакета с резонансным периодом нулевой моды собственных колебаний Холмской бухты и явилось причиной увеличения длительности и сравнительно большой интенсивности колебаний на этой частоте (учитывая значительное расстояние между пунктами и наблюдающееся обычно при прохождении проливов уменьшение амплитуд волн цунами). На данной станции также наблюдались продолжительные слабо затухающие колебания, более низкочастотные по сравнению с отмеченным выше начальным отрезком.

Уровень, см

Спектр, см мин.

Симуширско*

<80 1°

0 -15 -30

Невельс кое

¿м Ii Ш !||Ш , ..—¡-,4

Yvvl1 Щ

■ 11 |Ш Шм II*DJ W 1' 1

101

/ \ Нешвльс^сое

\ Д /II 1

Симуцмрскде Lf;\;.......

1 .........Im i

240

Вреия.мин.

22,75 6.83 2.14

Период, нин.

Рис. 10. Отрезки записи продолжительностью 8 часов, содержащие Симушир-ское (15.11.2006 GMT) и Невельское цунами (02.08.2007 GMT), зарегистрированные в порту Холмск, и спектры цунами в бухте г. Холмск от этих землетрясений.

Несколько иная картина наблюдалась при цунами, вызванным Невельским землетрясением, очаг которого находился на незначительном удалении к юго-западу от места регистрации колебаний уровня моря. Вступление волны также характеризовалось положительным импульсом. Затем, после сравнительно слабого колебания, было отмечено продолжительное понижение уровня более чем на 40 см, после чего наблюдались нерегулярные вариации, в которых можно выделить более устойчивые, с периодом около 16 мин. Спустя примерно 80 мин. после прихода первой волны, был отмечен четкий, хорошо выраженный цуг колебаний с периодом около 8 мин., длительность которого составила более часа. Амплитуда колебаний вначале плавно убывала от 22 см до 15 см, после чего их интенсивность резко уменьшилась, и волновой процесс приобрел менее регулярный характер с преобладанием боле низкочастотных вариаций.

Такое резкое изменение характера волнового процесса более чем через час после прихода первой волны может быть обусловлено либо сильным афтершоком, либо отражением волны от берега Приморья. Нужно отметить, что повторный толчок почти такой же интенсивности произошел более двух часов после основного, то есть интервал между сейсмическими событиями был существенно больше, чем между моментами вступления морских волн. Поскольку такую разницу во времени трудно объяснить различием положения очагов цунами, более вероятным представляется влияние отраженной волны.

Таким образом, в результате анализа записей цунами выявлены основные периоды, на которых возможно усиления приходящих из откры-

того моря длинных волн. Внутри бухты особенно выделяются колебания на периоде около 8 мин., отвечающие нулевой моде собственных колебаний бухты. В этом случае во всех точках внутренней акватории вариации уровня происходят синфазно, амплитуда плавно увеличивается от горловины бухты к ее удаленной части.

В спектрах записей как удаленного, так и близкого цунами выделялся также четкий максимум на периоде около 3 мин., отвечающий одноузловой продольной сейше бухты, пучности которой находятся у входа в бухту и в ее кутовой части. В результате выполненного анализа выявлено также усиление колебаний на периодах около 11 и 16 мин., обусловленное вероятно явлением шельфового резонанса.

Поскольку запись Невельского цунами 2 августа 2007 г. получена с использованием высокоточного пьезорезонансного (кварцевого) датчика коллективом авторов [Зайцев и др., 2008] с участием автора настоящей работы было проведено моделирование данного явления. Численная модель реализована в виде комплекса описанного в [Куркин и др., 2004; Уа1стег е1 3.1, 2007; Сайт разработчиков программы АУ1-КАМ1]. Сопоставление инструментальной записи с результатами численного моделирования показало, что, рассчитанные высоты волн находятся в хорошем согласии с наблюдениями, хотя частотный характер кривых различен поскольку расчетная мареограмма не включает в себя сейшевые колебания в порту, представленные на инструментальной записи.

Так как порт Корсаков расположен на краю бухты, а также достаточно близко к узловой линии поперечных сейш залива, можно ожидать, что соответствующие резонансные эффекты проявляются здесь в меньшей степени, чем в Холмске. Спектральные характеристики рядов наблюдений в порту Корсаков для спокойной погоды и циклона были сопоставлены со спектром одного из самых грозных цунами - Чилийского, май 1960 года. В этом случае в районе Корсакова преобладали длиннопериодные колебания, не очень характерные для данного явления. В низкочастотной области спектра как при цунами, так и в любую погоду, присутствует хорошо выраженный пик с периодом около 4,7 часа. Численные расчеты колебаний в исследуемом районе [Храмушин, Шевченко, 1994] показали, что этот пик связан с собственными колебаниями в системе южное побережье Сахалина - северное побережье Хоккайдо. Есть еще несколько совпадающих, более слабых пиков в диапазоне периодов 1,5-3 часа. Однако пики на периодах около 35 и 19 минут, четко выделявшиеся в спектрах записей цунами, в колебаниях, записанным датчиком придонного гидростатического давления, практически не обнаруживаются.

Для принятия обоснованных решений о подаче тревоги цунами и о ее отмене, а также повышения эффективности действий службы предупреждения необходимо знать характер фоновых длинноволновых колебаний в районе размещения регистраторов службы предупреждения о цунами (СПЦ) и

масштаб их изменчивости при различных синоптических ситуациях. Такая информация необходима для разработки алгоритмов выделения сигнала (цунами) на фоне естественного длинноволнового шума и выработки критериев автоматического определения тревожного режима. Учитывая еще и то обстоятельство, что Правительством РФ принята Федеральная целевая программа, в рамках которой должна быть создана гидрофизическая подсистема СПЦ, предназначенная для измерения длинных волн и передачи информации о развитии волнового процесса в реальном времени, становится очевидным аюуальность проведения регистрации длинноволнового фона в цунамиопасных районах на сети станций.

И в начале июля 2008 г. с помощью судна гидрографической службы такая сеть была развернута [Лухнов и др., 2006]. В труднодоступных точках в районе мысов Кастрикум и Ван-дер-Линд (о. Уруп) и м. Ловцова (о. Кунашир), а также в порту г. Курильск (о. Итуруп) были установлены автономные регистраторы волнения и уровня АРВ-К12. Глубина постановки станций составляла: м. Ловцова - примерно 25 м, м. Ван-дер-Линд - 21 м, м. Кастрикум -15 м, дискретность измерений придонного гидростатического давления составляла 1 с, температуры воды 10 с. В это же время работала станция бухте Малая Церковная (о. Шикотан), установленная A.A. Шишкиным.

Хотя эти станции находились на небольшом расстоянии от берега, однако в отличие от измерений в бухтах островов Кунашир и Шикотан, можно считать, что они регистрировали колебания на открытых участках побережья, что весьма важно для решаемой задачи. Таким образом, впервые на Южных Курильских островах удалось организовать синхронные измерения на группе разнесенных станций.

Автор настоящей работы участвовал в подготовке приборов для этого эксперимента, считке и форматировании информации, а также в обработке и интерпретации данных наблюдений.

В период первого этапа работы регистраторов (они заменяются каждые полгода для считывания данных и зарядки аккумуляторов), у берегов Японии произошло землетрясение с магнитудой 6,8, вызвавшее слабое цунами. Оно случилось И сентября 2008 г. в 11 час 21 мин сахалинского летнего времени (0 ч 21 мин GMT). По данным Сахалинского филиала Геофизической службы РАН, эпицентр находился в точке с координатами 41.87 с.ш. и 143.76 в.д. на глубине 25 км. Максимальная высота цунами по данным Метеорологического агентства Японии отмечена в пункте Ханасаки (около 10 см).

Для времени произошедшего события и различных станций были рассчитаны графики спектральной плотности (рис.11), отвечающие нормальным (средним) и штормовым погодным условиям, а также для времени прохождения цунами. Расчеты производились позаписям продолжительностью 2 суток, с длиной отрезка 8 часов (с половинными сдвигами).

Спектр. смЧнм.

Период, ими.

Существующие различия обобщенных спектральных характеристик естественного длинноволнового фона на различных станциях отражают влияние частотно-избирательных свойств акваторий. Наиболее выражены они в бухте Малая Церковная, о. Шикотан, где хорошо выделяется пик, отвечающий нулевой моде собственных колебаний бухты. У побережья о. Кунашир, в районе м. Ловцова в спектре вариаций уровня моря на периодах около 40 и 26 мин. наблюдаются устойчивые пики, вероятно, обусловленные влиянием протяженного мелководного шельфа. Частотно-избирательные свойства у берегов о. Уруп выражены существенно слабее, поскольку шельф более короткий и приглубый.

Выявленные существенные различия спектральных характеристик естественного длинноволнового поля на различных станциях при прохождении циклона и при слабом цунами 11 сентября 2008 г. отражает, по-видимому, влияние частотно-избирательных свойств акваторий.

Продолжение регистрации длинноволновых процессов сетью станций в районе южных Курильских островов в последующие годы (20092011 гг.) позволили получить запись одного близкого (Симушир, 15 января 2009 г., рис. 12) и нескольких удаленных цунами от землетрясений (Индонезия. 3 января; Самоа, 29 сентября и Вануату 7 октября 2009 г., а также Чилийское 27 февраля 2010 г.).

Рис. 11. Графики спектральной плотности для нормальных условий, а также рассчитанные по двухсуточным отрезкам записи, отвечавшим штормовым условиям и приходу волн цунами в б. Малая Церковная, у м. Ловцова, м. Ван-дер-Линд и м. Кастрикум.

м. Ван-дер-Линд

12:00 1800 20

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00

Помимо цунами, были зафиксированы несколько сильных штормов, причем 23-24 января 2009 г. и 3-4 августа 2010 г. в записях выделены аномальные колебания, сходные по своим характеристикам с цунами. Поскольку в Тихом океане в этот период не было отмечено сильных землетрясений, данные события отнесены нами к разряду метеоцунами, так как наиболее вероятно, они были обусловлены прохождением резко выраженных атмосферных фронтов.

Симуширское цунами 15 января 2009 года отчетливо выделялось в записях придонного давления в б. Малокурильская. Обнаружена хорошо выраженная группа волн с периодом основной резонансной моды, которая проявляется спустя приблизительно 4 часа после первой волны. Та же самая задержка наблюдалась в случае Симуширского цунами 15 ноября 2006 года. Авторы работы [ЯаЫштсЬ й а1., 2008] объясняют эту задержку шельфо-вым захватом энергии цунами. Вероятно, этот же эффект был причиной задержки Симуширского цунами 15 января 2009 года.

Время прихода первой волны к мысу Ван-дер-Линд было 18:49 иТС, т.е. спустя один час после землетрясения. Максимальные высоты волн, достигающие 8-10 см, наблюдались намного позже, 16 января с 15:43 до 16:49. Общая продолжительность колебаний составила приблизительно 32 часа, что является очень большим для относительно слабого цунами. Трудно объяснить эти характеристики длинных волн приходом отраженных волн или проявлением нового цунами от афтершоков, которые были недостаточно сильны.

6. Малокурильская

1111 1

1200 18:00 0:00

6:00 12:00 18:00 Время, час.

0:00 6:00 12:00

Рис. 12. Остаточный уровень моря (вычтен предвычисленный прилив) в зал. Китовый, м. Ван-дер-Линд и в бухте Малокурильская. Начало 12:00 15 января (иТС).

В заливе Китовый обнаружены самые значительные различия в уровне энергии между цунами и фоновыми спектрами почти для всего рассматриваемого диапазона периодов. Наиболее значительное увеличение энергии было обнаружено в высоко - и низкочастотных полосах спектра (с периодами меньше 5 минут и 30-60 минут). Увеличение энергии в высокочастотной полосе было вызвано сильным штормом. Увеличение энергии колебаний в низких частотах (хотя более слабое) наблюдалось на других станциях также.

В шестой главе описаны исследования особенностей длинноволновых колебаний уровня в диапазоне периодов цунами в прибрежной зоне о. Сахалин и южных Курильских островов. Сравнительно однородный протяженный шельф создает здесь благоприятные условия для формирования пограничных волн, топографических вихрей, развития апвеллинга. Данное побережье представляет интерес для изучения различных волновых процессов и их связи с атмосферными возмущениями, которые являются основным источником длинноволновых колебаний уровня в диапазоне периодов цунами [Ефимов и др., 1985].

При анализе записей колебаний уровня, сделанных в прибрежной зоне о. Сахалин, вблизи с. Охотское, обнаружены пакеты низкочастотных колебаний уровня с периодом около 10 минут, причем подобные структуры наблюдались достаточно часто. Вариации уровня с близкими периодами наблюдалась на юго-восточном побережье о.Сахалин и ранее - в районе протоки оз. Изменчивое, а также вблизи м. Острый, несколько севернее с. Охотское.

С использованием полученных рядов наблюдений был проведен спектральный и взаимно спектральный анализ с акцентом на волновые процессы с периодами около 10,7 минут (рис.13). Анализ текущей когерентности и фазы процессов с этими периодами показал, что обнаруженные колебания могут соответствовать краевым волнам. Расчет дисперсионной диаграммы длинноволновых процессов в изучаемом районе в предположении цилиндрического рельефа с характерным профилем изменения глубины в зависимости от расстояния от берега показал для первой моды краевых волн с периодом 10,7 мин показал хорошее согласование с полученным значением фазового сдвига.

Анализ метеоданных показал, что в моменты генерации пакетов краевых волн наблюдались вариации ветра с периодом около 10,7 мин, при этом функция когерентности между уровнем и ветром показала наличие хорошо выделяющегося пика на этих периодах, что позволило сделать вывод о возбуждении краевых волн вихревыми структурами ветра.

Материалы инструментальных измерений волнения моря в прибрежной зоне о. Сахалин, полученные в рамках масштабного натурного эксперимента, который проводился в июне - сентябре 2008 г. и охватывал большинство портов южной части о. Сахалин показали аномальные усиления

длинноволновых колебаний не связанные со временем формирования сильных штормов в районе проведения измерения. Поскольку заметных землетрясений в рассматриваемые периоды не отмечалось, обнаруженные эффекты, вероятнее всего, связаны с метеорологическими процессами и, следовательно, могут быть отнесены к разряду «метеоцунами». Амплитуда колебаний в такие моменты возрастала примерно на порядок по сравнению с обычным уровнем длинноволнового шума.

ОШ*5кое-2811-й32-е8.Э6 ае95-тй-тк ОпОГ-2211-368-16,Й7 8337

Рис. 13. Текущий спектр колебаний уровня моря для станции № 68 и текущие когерентность и фаза колебаний уровня моря для станций № 32-№68, установленных в районе с. Охотское.

Спектр, см мин.

Анализ карты погоды для периода 2-3 сентября 2008 г. показал, что разность времени регистрации волны в пунктах наблюдения хорошо согласуется со временем прохождения над исследуемым районом переднего фронта циклона. При этом, спектры и когерентность для отрезков записей с 1 по 5 сентября показали, что для близко расположенных пунктов подъем энергии колебаний наблюдается в широком диапазоне периодов от получаса до 2,5 часов. Для других пунктов наблюдаются более узкие области периодов с подъемом энергии в исследуемом диапазоне, что связано, по-видимому, с резонансными особенностями прилегающих акваторий по пути движения атмосферного возмущения.

При проведении регистрации колебаний уровня моря на сети разнесенных станций в районе южных Курильских островов в 2009 году [Левин и др., 2009; БЬеусЬепко й а1., 2011] также были обнаружены длинноволновые колебания, нарушающие стационарность волнового поля. Эти аномальные колебания были зафиксированы всеми автономными регистраторами волнения ИМГиГ ДВО РАН, установленными в район южных Курильских островов 23-24 января 2009 г. [БЬеусЬепко е1 а1., 2011].

Однако, проверка по сейсмологическому каталогу ЫЕ1С показала отсутствие в это время сильных землетрясений в области Тихого океана. Наиболее вероятно, этот случай был вызван метеорологическими возмущениями (так называемое «метеорологическое цунами»). С другой стороны, в рассматриваемый период в области юга Курильских островов также не было обнаружено глубоких циклонов, присутствовали только атмосферные фронты, а зарегистрированные колебания были подобны вызванным Симуширским цунами 15 января 2009 года.

Рис. 14. Спектры фоновых колебаний уровня моря и метеоцунами: зал. Китовый, о. Итуруп; в районе м. Ван-дер-Линд, о. Уруп; б. Малокурильская, о. Шикотан.

Проведенный спектральный анализ фоновых колебаний уровня моря и метеоцунами в зал. Китовый, о. Итуруп; в районе м. Ван-дер-Линд, о. Уруп; б. Малокурильская, о. Шикотан (рис.14), показал, что значительные различия в уровне энергии между метеоцунами и фоновыми спектрами наблюдаются почти во всей полосе частот. Все резонансные пики хорошо выражены в спектрах метеорологического цунами и наибольшее увеличение (более чем на порядок) наблюдается на главном пике с периодом около 20 минут. Из проделанного анализа можно заключить, что спектры метеоцунами подобны спектрам Симуширского цунами и также значительно различаются по уровню энергии со спектрами фоновых колебаний почти для всей полосы частот, особенно в низкой части.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе рассмотрены результаты экспериментальных исследований особенностей проявления волновых процессов в широком диапазоне периодов в прибрежной зоне моря, их связи с барическими возмущениями. Основными результатами являются следующие:

1. На основе анализа регистрируемых параметров волнения и его спектральных характеристик, а также существующих отечественных и зарубежных регистраторов волнения разработаны оптимальные приборные комплексы со значительно расширенным диапазоном регистрируемых периодов волнения - до 2-х секунд, включающие кабельный комплекс, автономные измерители волнения с использованием двух типов первичных преобразователей - пьезорезонансного кварцевого и аналогового. Электронные схемы построены с применением микроконтроллеров. Приборы по точности не уступают зарубежным, но значительно лучше по экономическим показателям. Разработано программное обеспечение, обеспечивающее работоспособность измерителей волнения, позволяющее изменять параметры регистрации и обеспечивать передачу накопленных данных в персональный компьютер. Показана возможность его применения для цифровой регистрации ветровых волн и зыби без искажений и необходимость использования коррекции данных для глубины установки датчика более 5 м.

2. Проведен анализ колебаний уровня моря, атмосферного давления и скорости ветра в широком диапазоне периодов на разнесенной сети метео и гидрофизических станций при прохождении глубоких циклонов над местом установки приборов:

- установлено, что увеличение энергии волновых движений в прибрежной зоне, связанное с атмосферными возмущениями, приводит к образованию модового, дискретного спектра ИГ волн;

- с приходом шторма энергия колебаний в диапазоне инфрагра-витационных волн резко возрастает на 1,5-2 порядка, по сравнению с тихой погодой и при максимальном волнении увеличивается почти на 3 порядка.

Происходит также расширение диапазона генерируемых ИГ волн в сторону более длинных периодов с хорошо выраженной низкочастотной границей около 260 с.

3. Исследование групповой структуры волнения по данным экспериментов, выполненных для различных районов побережья (юго-восточное о. Сахалин и восточное о. Кунашир) показало, что прохождение штормов способствует генерации в береговой зоне свободных краевых волн, распространяющихся вдоль берега и вынужденных инфрагравитационных волн с направлением распространения в сторону берега. В зависимости от топографии дна и размеров бухт, периоды этих волн для конкретных акваторий также различаются.

4. Экспериментальные исследования в основных портах Сахалинской области - Холмске, Корсакове, Углегорске и Южно-Курильске позволили проанализировать особенности волнового режима на их акваториях:

- показано, что ковши и портовые бухты, за исключением Южно-Курильска, хорошо защищены от ветрового волнения. При этом значимая высота волн внутри порта на порядок меньше по сравнению с внешней акваторией;

- результаты анализа данных наблюдений за колебаниями уровня для спокойной погоды и сильного волнения показали существенное увеличение энергии - более чем на порядок в диапазоне существования явления тягуна на периодах 0,25-3 мин. Интенсивность этих колебаний значимо возрастает в штормовую погоду, что указывает на их инфрагравитационную природу вследствие наличия явной связи с волнением на море, а периоды отвечают собственным колебаниями бухт;

- по данным наблюдений скорости ветра в районе Холмского порта показано, что образованию тягуна, предшествует продолжительный ветер, способствующий развитию сильного волнения. При наблюдавшихся во время шторма амплитудах продольной сейши около 30 см скорость течения в центральной части бухты может достигать 3 5 см/с и изменять свое направление на противоположное каждые полторы минуты, что может затруднить погрузо-разгрузочные работы на паромном причале и других причалах в центральной части бухты.

5. Впервые по точной и продолжительной цифровой записи колебаний уровня моря удалось определить параметры длинных волн при нагоне и сгоне. Обнаружено, что прохождение циклона над северной частью о. Сахалин и снижение его скорости движения при выходе в Охотское море способствует развитию длительных ветров западного направления и это может быть причиной экстремального сгона на юго-восточном побережье острова с повторяемостью один раз в 100 лет.

В момент существования сгонной волны происходит возрастание энергии в широком диапазоне периодов от 14 до 80 часов с главным максимумом на периоде около 55 часов.

Определены пути циклонов, могущих сформировать нагонно-сгонный режим в южной части о. Сахалин и показано, что этот режим наблюдается при прохождении циклонов и формируется ветром и воздействием приземного атмосферного давления преимущественно в осенне-зимний период при повышенном циклогенезе.

6. Анализ данных наблюдений в районах населенных пунктов южных Курильских островов, юго-западного и южного побережий о. Сахалин показал, что в прибрежной зоне наблюдаются системы хорошо выраженных резонансных колебаний, которые резко усиливаются при морских опасных явлениях — цунами и штормовых нагонах. Установлено, что собственные частоты сейшевых колебаний, их интенсивность и характер определяются физико-географическими условиями.

Резонансные акватории с высокой добротностью могут представлять значительную опасность если периоды сейш близки к периодам приходящих на вход бухты волн цунами, на которых происходит существенное усиление длинных волн. К таким акваториям из рассмотренных можно отнести б. Малокурильскую (о. Шикотан), побережье вблизи населенных пунктов западного побережья о. Сахалин.

7. Изучение характеристик резонансных колебаний Холмской бухты показало, что штормовых ситуациях и при таком опаснейшем стихийном явлении как цунами, резко усиливается нулевая мода резонансных колебаний. Максимальные амплитуды как нулевой, так и первой мод зарегистрированы в районе основного паромного причала, где возможны наиболее интенсивные вариации уровня моря, размах которых при сильном шторме достигает полуметра и они оказывают негативное влияние на работу паромной переправы Ванино — Холмск.

8. Впервые получены данные натурных измерений длинных волн типа цунами в южной части Курильской гряды на разнесенной группе станций, что позволило выявить ряд важных особенностей формирования волнового поля в диапазоне периодов цунами как при обычных, так и экстремальных условиях. Существующие различия обобщенных спектральных характеристик естественного длинноволнового фона на различных станциях отражают влияние частотно-избирательных свойств акваторий. Наиболее выражены они в бухте Малая Церковная, о. Шикотан, где хорошо выделяется пик, отвечающий нулевой моде собственных колебаний бухты. У побережья о. Кунашир, в районе м. Ловцова в спектре вариаций уровня моря на периодах около 40 и 26 мин. наблюдаются устойчивые пики, обусловленные, вероятно, влиянием протяженного мелководного шельфа. Частотно-избирательные свойства у берегов о. Уруп выражены существенно слабее, поскольку шельф более короткий и приглубый.

9. Тремя станциями в южной части Курильской гряды 23-24 января 2009 г. были зарегистрированы аномальные колебания уровня моря, которые были подобны вызванным Симуширским цунами 15.01.09. Значительные

различия в уровне энергии между спектрами аномальных и фоновых колебаний наблюдаются почти во всей полосе частот. Поскольку в это время в сейсмологическом каталоге NEIC не было обнаружено никаких сильных землетрясений в области Тихого океана, можно полагать, что аномальные колебания вызваны метеорологическими процессами (так называемое «метеорологическое цунами»),

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ: Монографии

1. Ковалев П.Д., Ковалев Д.П. Техника исследования опасных морских явлений в прибрежной зоне океана. - Владивосток: Дальнаука, 2010. - 152 с.

2. Невельское землетрясение и цунами 2 августа 2007 года, о. Сахалин / отв. ред.: Б.В. Левин, И.Н. Тихонов. - М.: «Янус-К», 2009. - Раздел 7.3 (Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П., Чернов А.Г.) - С. 142-150.

Статьи в журналах списка ВАК, в сборниках, трудах конференций

3. Ковалев Д.П. Изучение морского волнения при воздействии глубоких циклонов // Геофизические процессы и биосфера. 2012. - Т. 11, № 1 - С. 25-34.

4. Ковалев Д.П. Экстремальный сгон у юго-восточного побережья о. Сахалин // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. - 2013. - Т. 6, № 1. - С. 52-56.

5. Ковалев Д.П. Экспериментальные исследования явления тягуна в основных портах Сахалинской области // Мир транспорта. - 2012. - № 6. - С. 36-43.

6. Ковалев Д.П.. Ковалев П.Д. Исследование особенностей генерации инфра-гравитационных волн в прибрежной зоне моря // Вестник ДВО РАН. - 2013. -№3. - С. 60-64.

7. Ковалев П.Д., Ковалев Д.П. Особенности сейшевых колебаний в заливах и бухтах Дальнего Востока: Приморья, Сахалина, южных Курильских островов // Вестн. Тамбовского ун-та. Сер.: Естеств. и техн. науки. - 2013. - Т. 18, вып. 4. -С. 1377-1382.

8. Левин Б.В., Куркин A.A., Зайцев А.И., Пелиновский E.H., Ковалев Д.П., Чернов А.Г., Ялнчер А. Невельское цунами 2007 года: инструментальные данные и численное моделирование // Доклады РАН. - 2008. - Т. 421, №2. - С. 1-4.

9. Левин Б.В., Чернов А.Г., Шевченко Г.В., Ковалев П.Д., Ковалев Д.П., Куркин A.A., Лихачева О.Н., Шишкин A.A. Первые результаты регистрации длинных волн в диапазоне периодов цунами в районе Курильской гряды на разнесенной сети станций // Доклады РАН. - 2009. - Т. 425, №5. - С. 874-879.

10. Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П. Исследование динамики прибойных биений у юго-восточного побережья о. Сахалин // Метеорология и гидрология. -2006,-№9.-С. 76-87.

11. Ковалев Д.П., Шевченко Г.В., Ковалев П.Д. Возбуждение краевых волн атмосферными возмущениями на юго-восточном шельфе о. Сахалин // Геодинамические процессы и природные катастрофы. Опыт Нефтегорска: сб.

мат-лов Всерос. науч. конф. с междунар. участием, г. Южно-Сахалинск, 26-30 мая 2015 г. - Владивосток: Дальнаука, 2015. - Т. 1. - С. 307-311.

12. Ковалев Д.П., Шевченко Г.В., Ковалев П.Д. Распространение метеоцунами у побережья о. Сахалин // Геодинамические процессы и природные катастрофы. Опыт Нефтегорска: сб. мат-лов Всерос. науч. конф. с междунар. участием, г. Южно-Сахалинск, 26-30 мая 2015 г. - Владивосток: Дальнаука, 2015. - Т. 1. -С. 312-316.

13. Зайцев А.И., Ковалев Д.П., Куркин А.А., Левин Б.В., Пелиновский Е.Н., Чернов А.Г., Ялчипер А. Цунами на Сахалине 2 августа2007 года: мареографные данные и численное моделирование // Тихоокеанская геология. - 2009. - Т. 28, №5.-С. 30-35.

14. Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П., Чернов А.Г., Золотухин Д.Е. Регистрация Симуширского и Невельского цунами в порту города Холмск // Тихоокеанская геология. - 2009. - Т. 28, № 5. - С. 36-43.

15. Шевченко Г.В., Ивельская Т.М., Ковалев П.Д., Ковалев Д.П., Куркин А.А., Левин Б.В., Лихачева О.Н., Чернов А.Г., Шишкин А.А. Новые данные о проявлениях цунами на тихоокеанском побережье России по инструментальным измерениям 2009-2010 гг. // Доклады РАН. - 2011. - Т. 438, №6. - С. 823-828.

16. Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П. Экспериментальные исследования цунами в порту г. Холмск // Известия АИН им. A.M. Прохорова. Прикладная математика и механика. - Н. Новгород: НГТУ, 2007. - Т. 20. - С. 68-79.

17. Шевченко Г.В., Ковалев П.Д., Ковалев Д.П. Резонанс волн на паромной переправе // Мир транспорта. - 2012. - Т. 39, № 1. - С. 58-65.

18. Shevchenko G.V., Ivel'skaya T.N., Kovalev P.D., Kovalev D.P., Kurkin A.A., Levin

B.V., Likhacheva O.N., Chernov A.G., Shishkin A.A. New data about tsunami evidence on Russia's Pacific coast based on instrumental measurements for 20092010 // Doklady Earth Sciences. - 2011. - Vol. 438, No 2. - P. 893-898.

19. Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П. Экспериментальные исследования явления тягуна в порту г. Холмск // Известия АИН им. A.M. Прохорова. Прикладная математика и механика. - Н. Новгород: НГТУ, 2007. - Т. 20. -

C. 106-112.

20. Shevchenko G.V., Chernov A.G., Kovalev P.D., Kovalev D.P., Likhacheva O.N., Loskutov A.V., Shishkin A.A. The tsunamis of January 3, 2009 in Indonesia and of January 15, 2009 in Simushir as recorded in the south Kuril islands // Science of Tsunami Hazards. - 2011. - Vol. 30, No 1. - P. 43-61.

21. Ковалев П.Д, Шевченко Г.В., Ковалев Д.П. Исследование длинноволновых процессов в северо-восточной части Охотского моря в диапазоне периодов цунами // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. -СПб., 2001. - С. 64-68.

22. Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П. Исследование длинноволновых движений в южной части Курильской гряды // Морские исследования и технологии изучения природы Мирового океана- Владивосток: ДВО РАН, 2005.-Вып. 1.-С. 69-81.

23. Kovalev P., Shevchenko G., Kovalev D. Experimental study of tsunamis in the Kholmsk Harbor, southwestern Sakhalin // Vienna - Austria, 2008. - (NH6.1-1TH4P-0406; 1607-7962/gra/EGU2008-A-02341).

24. Kovalev P.D.. Shevchenko G.V., Kyrkin A.A., Chernov A.G., Kovalev D.P., Gorbunov A.O. Experiment in area of the mouth of Izmenchivoe lake // The Proceedings of the 19 International Offshore and Polar Engineering Conference (ISOPE 2009), Osaka, June 21-26, 2009, Cupertino (Calif.): ISOPE. - Osaka, 2009. -Vol. 3.-P. 820-824.

25. Shevchenko G.V. Kovalev P.D.. Kovalev D.P., Chernov A.G. Records of the Simushir and the Nevelsk tsunamis in the Kholmsk port // 24th International Tsunami Symposium of the IUGG Tsunami Commission, Technical Workshop on Tsunami Measurements and Real-time Detection: Programme and Abstracts. - Novosibirsk, Russia, July 13-18, 2009. - Novosibirsk, 2009. - P. 25.

26. Ковалев П.Д., Ковалев Д.П. Проведение мониторинга цунами на Курильских островах // Физические проблемы экологии (физическая экология): тез. докл. Второй Всеросс. конф. - М„ 1999. - С. 135-136.

27 Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П. Исследование трансформации волн у юго-восточного побережья острова Сахалин // Современные методы и средства океанологических измерений: мат-лы VI Междунар. науч.-техн. конф. - М„ 2000. - С. 153-156.

28. Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П. Измерения длинноволновых процессов в порту Корсаков, остров Сахалин // Гидрометеорология Дальнего Востока и окраинных морей Тихого океана: тез. докл. науч. конф. - Владивосток: ДВНИИГМИ, 2000. - С. 40-42.

29 Ковалев П.Д., Шевченко Г.В.. Ковалев Д.П. Изучение опасных морских явлений в порту города Корсаков // Динамические процессы на шельфе Сахалина и Курильских островов: сб. ст. - Южно-Сахалинск, 2001. -С. 138-145.

30. Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П. Исследование особенностей поля скорости течения в Южной части Курильской гряды // Динамические процессы на шельфе Сахалина и Курильских островов: сб.ст. - Южно-Сахалинск, 2001 -С. 75-80.

31. Ковалев Д.П. Исследование особенностей длинноволновых процессов в прибрежной зоне океана: автореф. дис. ...канд. физ.-мат. наук. - Владивосток, 2002.-26 с.

32. Kovalev P.D., Shevchenko G.V., Kovalev D.P. Investigation of the sea level fluctuations in the Yuzhno-Kurilskaya Bay // Proceedings of the 20th International Symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice. - Mombetsu, Hokkaido, Japan, 2005. - Mombetsu, 2005 -P. 261-266.

33. Kovalev P.D., Shevchenko G.V., Kovalev D.P. Investigation of the sea level fluctuations in the Yuzhno-Kurilskaya Bay in 2005 // Proceeding of the 21st International Symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice, 19-24 February 2006, Mombetsu, Hokkaido, Japan. - Mombetsu, 2006. - P. 225-231.

34. Чернов А.Г., Лухнов A.O., Полухина O.E., Куркин А.А., Ковалев Д.П., Ковалев П.Д. Натурный эксперимент по регистрации захваченных волн в районе м. Острый (Охотское море) // Известия Академии инженерных наук им. A.M. Прохорова. Прикладная математика и механика. - Н. Новгород: НГТУ, 2006. -Т. 18.-С. 91-98.

35. Ковалев П.Д., Иволгин В.И., Ковалев Д.П., Куркин A.A., Чернов А.Г. Приборное обеспечение исследований гидродинамики в прибрежной зоне моря II Литодинамика донной контактной зоны океана: мат-лы Междунар. конф., посвященной 100-летию со дня рождения проф. В.В. Лонгинова / Институт океанологии РАН. - М.: ГЕОС. 2009. - С. 149-150.

36. Кайстренко В.М., Левин Б.В., Шевченко Г.В., Поплавский A.A., Храмушин В.Н., Золотухин Д.Е., Ковалев П.Д., Ковалев Д.П., Чернов А.Г., Кузнецов К.И., Богданов Г.С., Лоскутов A.B., Фарутина C.B.. Шиманович H.H. Создание карты цунамиопасности Сахалинского побережья Татарского пролива в масштабе 1:200 000: отчет о НИР / ИМГиГ ДВО РАН; рук. Кайстренко В.М.; исп.: Шевченко Г.В., Левин Б.В., Поплавский A.A. и др. - Южно-Сахалинск, 2009. -168 с. - № ГР 01.2.00611029. - Инв. №01200111718-19.

37. Иволгин В.И., Ковалев Д.П., Ковалев П.Д. Экономичный донный регистратор волнения моря // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: тр. X Всерос. конф. - СПб.: Наука, 2010. - С. 255-258.

38. Кузнецов К.И., Куркин A.A., Ковалев Д.П., Шевченко Г.В. Характеристики ветрового волнения на западном побережье о. Сахалин // IV Сахалинская молодежная научная школа: сб. мат-лов, г. Южно-Сахалинск, 2-5 июня 2009. -Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2010. - С. 249-255.

39. Иволгин В.И., Ковалев Д.П., Ковалев П.Д. Экономичный регистратор волнения моря // Вестн. Тамб. ун-та. Сер.: Естеств. и техн. науки. - 2011. - Т. 16. вып. 3. -С. 834-838.

40. Иволгин В .И., Ковалев Д.П, Ковалев П.Д., Кузнецов К.И. Регистрация ветрового волнения донным датчиком гидростатического давления // Вестн. Тамбовского ун-та. Сер.: Естеств. и техн. науки.-2011.-Т. 16,вып.5.-С. 1272-1276.

41. Ковалев Д.П., Чернов А.Г. Инструментальные измерения колебаний уровня и температуры в бухте Витязь в 2009 году // V конференция молодых ученых «Океанологические исследования», 25-29 апреля 2011 г., г. Владивосток. -Владивосток: ТОЙ ДВО РАН. -2011. - С. 54-56.

42. Ковалев П.Д., Ковалев Д.П., Горбунов А.О., Кузнецов К.И., Плеханов Ф.Д. Экспериментальное исследование опасных морских явлений метеорологической природы: отчет о НИР (заключительный) / ИМГиГ ДВО РАН; рук. Ковалев П.Д. -Южно-Сахалинск, 2011. - № ГР 01200951749. - Инв. №02201250699. - 131 с.

43. Ковалев П.Д., Ковалев Д.П., Кузнецов К.И. Регистрация ветрового волнения донным датчиком гидростатического давления // Геодинамические процессы и природные катастрофы в Дальневосточном регионе: мат-лы науч. конф., г. Южно-Сахалинск, 26-30 сентября 2011 г. - Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2011 .• -С. 103-104.

44. Ковалев П.Д., Ковалев Д.П. Поплавковый измеритель высоты волн // Геодинамика текгоносферы зоны сочленения Тихого океана с Евразией: сб. ст. - Южно-Сахалинск, 1997. - Том VI: Цунами и сопутствующие явления. - С. 145-148.

КОВАЛЕВ Дмитрий Петрович

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать: хх.09.2015 г. Усл. печ. лист. 2,6. Уч.-изд. лист. 2,7. Формат 60x84/16. Бумага «Color сору». Тираж 150 экз. Заказ № 7779.

_Печать офсетная.

Отпечатано в ФГБУН Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения РАН 693022, г. Южно-Сахалинск, ул. Науки, 1Б Офсетный цех

Информация о работе

Ковалев, Дмитрий Петрович
доктора физико-математических наук
Южно-Сахалинск, 2015
ВАК 25.00.29

Автореферат

Натурные эксперименты и мониторинг инфрагравитационных волн для диагностики опасных морских явлений в прибрежной зоне на примере акваторий Сахалино-Курильского региона - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы