Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Особенности регистрации проявлений цунами и землетрясений в открытом океане по данным спутниковых наблюдений

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Зайченко, Михаил Юрьевич

Основные обозначения и сокращения, используемые в работе.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 Дистанционные методы исследования океана.

1.2 Обнаружение цунами в открытом океане по данным спутникового альтиметра.

1.3 Возникновение аномалий температуры поверхности океана вызванных подводными землетрясениями.

Глава 2. Анализ спутниковых данных по регистрации фронта цунами, вызванного цунамигенным землетрясением.

2.1 Современное состояние спутниковых альтиметрических программ и перспективы их развития.

2.1.1 Базы данных спутниковой альтиметрии.

2.2 Характеристика данных и методика обработки.

2.3 Задача обнаружения очага цунами со спутника.

2.4 Анализ данных по уровню для нескольких цунами.

2.4.1 Цунами 17 февраля 1996 г. (о. Ириан Джая).

2.4.2 Цунами 4 октября 1994 г. (о. Шикотан).

2.4.3 Статистическая обработка результатов

2.4.4 Цунами 12 июля 1993 г. (о. Окушири).

Глава 3. Исследование аномалий температуры поверхности океана, вызванных землетрясениями с М > 7 с использованием спутниковых данных.

3.1 Источники и характеристики используемых данных.

3.2 Методика обработки данных.

3.3 Анализ данных по температурным аномалиям для нескольких событий.

3.3.1 Ириан Джая, Индонезия (2002 г.).

3.3.2 Соломоновы острова (2003 г.).

3.3.3 о. Суматра (2004 г.).

3.3.4 о. Суматра (2005 г.).

Глава 4. Регистрация охлаждения деятельного слоя Чёрного моря после землетрясения.

4.1 Источники и характеристики используемых данных.

4.2 Обработка материалов и результаты.

4.3 Теория переноса глубинных вод к поверхности в результате сейсмического колебания дна.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Особенности регистрации проявлений цунами и землетрясений в открытом океане по данным спутниковых наблюдений"

В данной диссертационной работе представлена методика обнаружения цунами и температурных аномалий, вызванных подводным землетрясением при помощи аппаратуры ДЗЗ, установленной на борту полярно-орбитальных ИСЗ. Известно, что по способу получения информации, методы дистанционного зондирования подразделяются на пассивные и активные. В первом случае, источником информации является электромагнитное излучение, испускаемое исследуемой средой. Во втором случае, со спутника периодически посылаются зондирующие импульсы, а полезную информацию получают путем сравнения излученного прибором и отраженного от среды сигналов.

Наблюдения, оценка и прогноз состояния Мирового океана при помощи ИСЗ получили наименование космического мониторинга океана. Бортовая аппаратура спутников мониторинга океана предназначена для непрерывного измерения ряда характеристик, связанных с ТПО, океаническими течениями, приповерхностными ветрами и высотой океанских волн.

Диссертационная работа состоит из двух основных частей. В первой части описана и испытана на практике методика регистрации цунами при помощи активного метода радиолокационной альтиметрии.

В настоящее время цунами регистрируются главным образом прямыми методами с помощью береговых самописцев уровня и датчиков придонного гидростатического давления. Однако, показания береговых самописцев содержат колебания, сильно искажающие исходную форму волны, которую она имеет в открытом океане. Такие явления, как выход на мелководье и отражение от берегов заметно увеличивают амплитуду волны. При этом форма записи трансформируется за счет резонансных свойств прибрежной области: шельфа, бухт, проливов и других особенностей берегов. Датчики придонного гидростатического давления лишены этого недостатка, но дороги в эксплуатации и не могут обеспечить полного покрытия вероятных районов возникновения и проявления цунами. Результаты данной работы дают возможность не только обойти эти два недостатка используемых методик, но регистрировать подобные колебания уровня океана на значительном удалении от берегов с точной привязкой к единой геодезической системе отсчета, используя данные спутниковой альтиметрии и, в частности, высокоточных радиовысотомерных измерений с ИСЗ Geosat, Т/Р, ERS-1, ERS-2, Jason-1 и Envisat. Точность привязки к единой системе высот, данных об уровне моря, полученных в результате этих работ, обеспечивается установленными на борту приемниками какой либо из навигационных систем: GLONASS, GPS или DORIS. Характеристики землетрясений выбирались из электронной базы данных для тихоокеанских цунами, разработанной в СО РАН. В исследовании были использованы данные спутникового альтиметра, предварительно обработанные в Геофизическом Центре РАН.

Во второй части работы анализируются массивы данных о температурном поле поверхности океана в эпицентральной области подводного землетрясения, полученные пассивным методом с бортового радиометра высокого разрешения.

Известно, что турбулентность в океане играет определяющую роль в формировании гидрологических полей. Изучение влияния сейсмических движений на океанскую турбулентность началось в последние десятилетия прошлого века при обнаружении аномалий ТПО в районах сильных подводных землетрясений [8]. В работе [7] впервые были приведены аналитические выкладки, подтверждающие возможность переноса холодных придонных водных масс в приповерхностный слой океана за счет вертикальных движений в зоне действия подводных землетрясений. Возникновение температурных аномалий на поверхности океана после землетрясения впоследствии было названо "сейсмическим апвеллингом". Ниже, автором дается краткое описание выполненных ранее работ по этой тематике.

Для анализа изменений ТПО, вызванных сильными землетрясениями, были использованы следующие массивы данных:

1. каталог землетрясений NEIC;

2. данные по ТПО, находящиеся в открытом доступе (Naval Oceanographic Office Open Data Access Server).

Данные поступали с AVHRR, установленных на полярно-орбитальных спутниках NOAA-14 и NOAA-15. В этом проекте достигнуто рекордно-высокое пространственное разрешение - 0,1 градуса. В данной работе описывается методика обработки данных, выбранных с сервера с помощью ряда программ, написанных автором. Визуализация обработанных данных произведена средствами графического пакета GrADS.

Затем приводится аналогичный анализ данных по ТПО, полученных прямыми измерениями, на примере региона Черного моря. Из приводимых рисунков распределения температур ХПС следует, что глубина изотермы минимальной температуры ХПС на вторые сутки после землетрясения резко уменьшилась. Иначе говоря, эффект "сейсмического апвеллинга" имел место и здесь, но не на поверхности, а на некоторой глубине.

В заключение работы приводятся аналитические выкладки. Их целью является попытка теоретического обоснования процесса переноса глубинных вод к поверхности в результате сейсмических колебаний дна.

Результаты проведенных исследований проявления сейсмических эффектов в океанологических полях и возможное их практическое применение выносятся на защиту данной диссертационной работы.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Зайченко, Михаил Юрьевич

Выводы

1. По данным спутникового радиовысотомера выполнен анализ возмущений уровня океана, вызванных сильными цунами в Тихом океана за 1993-2002 гг. Показана принципиальная возможность регистрации спутниковым альтиметром волновых возмущений уровня океана, связанных с прохождением цунами. Идентификация цунами возможна как прямым выделением фронта волны в профиле уровня, так и по изменению спектрального состава волновой структуры.

2. Впервые проведена оценка вероятности пересечения спутником фронта цунами.

3. В ряде случаев в местах пересечения смоделированного фронта цунами и спутниковой трассы, были обнаружены аномально-высокие выбросы значений (по модулю) уровня океана, отсутствующие для предшествующего и последующего циклов работы спутника (что примерно соответствует 10 суткам). Наиболее ярко такие возмущения из всех рассмотренных случаев, проявляются для записей, полученных только во время цунами 17 февраля 1996 г. (о. Ириан Джая) [18, 19]. Для отобранных точек были построены длительные временные ряды, на которых так же присутствовали аномалии уровня, совпадающие с датой цунамигенного землетрясения. Дальнейшая статистическая обработка отобранных данных с применением цифрового фильтра убедительно показала, что во время 126 и 75 циклов работы спутника Т/Р в различных точках Тихого океана синхронно было зафиксировано аномально высокое значение уровня моря.

4. Выполнен анализ данных измерений ТПО с ИСЗ за 2002-2005 гг. на предмет выявления связи между возникновением аномалии ТПО и предшествующим этому сильным сейсмическим событием с М > 7.

5. Обнаружены новые случаи образования холодных аномалий ТПО над эпицентральными районами сильных подводных землетрясений (Индонезия 2002, Соломоновы о-ва 2003, о. Суматра 2004, о. Суматра 2005) [24].

6. С целью выявления связи между возникновением аномалии ТПО и предшествующим этому сейсмическим событием был выполнен анализ данных наблюдений гидрофизических станций, установленных в Чёрном море с 1930 по 1999 гг.

7. В двух случаях (1940, 1963 гг.) обнаружено значительное понижение температуры воды, как на поверхности (1940 г.), так и на глубине в слое 1030 м (1963 г.) через 40 часов после землетрясения. Впервые обнаружено зарегистрированное инструментальным методом охлаждение деятельного слоя Чёрного моря, обусловленное подъёмом вод ХПС после подводного землетрясения [26, 27, 28].

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Зайченко, Михаил Юрьевич, Москва

1. Куликов Е.Е., Гоизалес Ф. Восстановление формы сигнала цунами в источнике по измерениям колебаний гидростатического давления удаленным донным датчиком // ДАН. 1995. Т. 344. № 6. с.814-818.

2. Callahan P.S., Daffer W.H. Search for the earthquake effects in TOPEX/POSEIDON Data // EOS. 1994. V. 75,1 144. P. 357.

3. Okal, E.A., A. Piatanesi, and P. Heinrich. Tsunami detection by satellite altimetry. J. Geophys. Res. 1999, V.104, P. 599-615.

4. Соловьев С.Л., Го Ч.Н. Каталог цунами на восточном побережье Тихого океана. М.: Наука, 1974. 310 с.

5. Левин Б.В. Вертикальное перемешивание вод океана сейсмическими движениями дна // Взаимодействие в системе литосфера-гидросфера-атмосфера т. 2 / Под ред. Л.Н. Рыкунова. М: Недра, 1999. С. 145-148.

6. Дегтярёв А.Х., Влияние землетрясений на сероводородное загрязнение Чёрного моря // Метеорология и гидрология. 2001. № 12. С. 59-64.

7. Levin B.W., Kaistrenko V.M., Kharlamov А.А., Chepareva M.A., and Kryshny V.M. Physical processes in the ocean as indicators for direct tsunami registration from satellite // Proc. of the IUGG/IOC Int. Tsunami Sympos. Wakayama, Japan. 1993. P. 309-319.

8. Левин Б.В., Носов M.A., Павлов В.П., Рыкунов Л.Н. Охлаждение поверхности океана, вызываемое подводным землетрясением // ДАН. 1998. Т. 358. № 3. С. 1-4.

9. Лучин В.А., Левин Б.В., Носов М.А., Манько А.Н., Скачко С.Н., Шешегов А.В. Изменения температуры воды на поверхности моря, вызванные тектоническими движениями дна // Юбилейный вып. ДВНИГМИ. Владивосток: Дальнаука, 2000. С. 172-182

10. Levin B.W., Nosov М.А., Skachko S.N. SST and Chlorophyll Concentration Anomalies due to Submarine Earthquakes: Observations, Consequences and

11. Generation Mechanism. Proc. of Joint IOC-IUGG Int. Workshop Tsunami Risk Assessment Beyond 2000: Theory, Practice and Plans, Moscow,2001, P. 105-109.

12. Filonov A.E. Researchers study tsunami generated by Mexican Earthquake // EOS. 1997. 78,3. P. 21-25.

13. Benada, J. R., Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PODAAC) Merged GDR (TOPEX/POSEIDON) Generation В User's Handbook, 1997, Version 2.0, JPL D-l 1007. 131 p.

14. TOPEX/POSEIDON Project, TOPEX Ground System Software Interface Specifications Volume 2: Design (SIS-2). Geophysical Data Records (GDR). Interim Geophysical Data Records (IGDR). PD-633-751-23-004, JPL D-8950. -133 p

15. Archiving Validation and Interpretation of Satellites Oceanographic data (AVISO) User Handbook. Merged TOPEX/POSEIDON Products. AVISO, 1996, Toulouse, AVI-NT-02-101-CN, Edition 3.0, 201 p.

16. Medvedev, Yu.S. Tyupkin, S.A. Lebedev. An Integrated Satellite Altimetry, Gravity, Geodesy Data Base: Architecture, Verification Data Processing, Data Base Management System. Presented to XXII General Assembly of IUGG, Birmingham, 1999.

17. Historical Tsunami Database for the US Pacific Coast for Windows 95, 98, 2000 and NT. Htpp://omzg.sscc.ru/tsulab

18. Зайченко М.Ю., Куликов E.A., Левин Б.В., Медведев П.П. О возможности регистрации цунами в открытом океане по данным спутникового альтиметра, Океанология, 2005, том 45, № 2, с. 209-216

19. Зайченко М.Ю., Куликов Е.А., Левин Б.В., Медведев П.П. Примеры регистрации цунами в открытом океане в 1993-2001 гг. по данным спутникового альтиметра Препринт ИО РАН, 2004, 30 с.

20. W. Smith, D. Sandwell. Global Seafloor Topography from Satellite Altimetry and Ship Depth Soundings, Science, 1999, v. 277, p. 1956-1962.

21. Кендалл M., Стьюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды (Пер. с англ.) Под ред. А. Н. Колмогорова и Ю. В. Прохорова, М., «Наука», 1976, 736 с.

22. Куликов E.A., Медведев П.П., JIanno C.C. Регистрация из космоса цунами 26 декабря 2004 г. в Индийском океане // Доклады Академии Наук, 2005, том 401, №4, с. 537-542

23. Зайченко М.Ю., Левин Б.В., Федоренко А.В. Аномалии температуры поверхности океана, вызванные подводным землетрясением в Индийском и Тихом океанах: анализ спутниковых наблюдений. Океанология (сдано в редакцию).

24. Морской ежегодник, Чёрное море 1939 ч. 1, Севастополь, 1981. Государственный комитет СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды, СО ГОИН.

25. Zaychenko M.Yu. The Effect of Cooling of the Black Sea Active Layer Recorded After an Earthquake Abstracts of Ninth International Symposium on natural and human-made hazards "Hazards 2002", Antalya, Turkey, 2002, p. 95

26. Levin B.V., Pavlov V.P., Zaychenko M.Yu. Cooling Effect of the Black Sea Active Layer Recorded After an Earthquake Cluver Academic Publishers (сдано в редакцию)

27. Зайченко М.Ю., Левин Б.В., Павлов В.П., Якубенко В.Г. Регистрация эффекта охлаждения деятельного слоя Чёрного моря после землетрясения -Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2002, том 38, № 6, с. 784-789

28. Титов В.Б., Сезонная и межгодовая изменчивость параметров холодного промежуточного слоя в Чёрном море // Метеорология и гидрология. 2001. № 12. С. 50-58.

29. Кривошея В.Г., Овчинников И.М., Скирта А.Ю. Межгодовая изменчивость обновления холодного промежуточного слоя (ХПС) Чёрного моря. В сб. Комплексные исследования в северо-восточной части Чёрного моря. Под ред. А.Г. Зацепина, М.В. Флинта. М: Наука, 2002.

30. Ivanov L.I., Besiktepe S. and Ozsoy E. The Black Sea cold intermediate layer. / In: Sensitivity to change: Black Sea, Baltic Sea and North Sea. A. Mikaelyan and E. Ozsoy (eds.). Netherlands, Kluwer Academic Publishers, 1997, pp. 251-264

31. Никонов A.A. Сейсмическая катастрофа в Турции // Природа. 1999. № 11. С. 3-9.

32. Фомичева Л.А., Рабинович А.Б., Демидов А.Н. Уровень моря // Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. 4. Чёрное море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия. С-Пб.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 329354.

33. Рангелов Б.К., Институт геофизики Болгарской Академии Наук, частное сообщение

34. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика, М., Наука, 1988, 736 с.