Диссертация (Горизонтальные движения водного слоя, сопровождающие генерацию и распространение волн цунами), страница 5

1.3.3). Начало работ попроекту DONET-1 относится к 2006 г., первая станция начала функционировать в 2010 г.К концу июля 2011 г. были запущено все пять “узлов”, каждый из которых имел по 4станции,соединенныесбереговымпунктомприемаиобработкиданныхмногокилометровыми оптоволоконными кабелями. Каждая обсерватория оборудованатрехкомпонентными велосиметрами и акселерометрами, а также датчиками придонногодавления.

Длина основного кабеля более 300 км. Береговой центр приема данных, кудавыведен кабель, расположен в г. Овасе на п-ове Кии [Kaneda, 2011; Kawaguchi et al., 2012;Рабинович, 2014].Вовремяфункционироваликатастрофического10станцийземлетрясенияDONET-1.ВсеониТохоку11успешномарта2011г.зафиксировалииземлетрясение и последовавшее за ним цунами [Matsumoto, Kaneda, 2013].22Рис.1.3.3.РасположениестанцийDONET-1иDONET-2.Рисунокзаимствованссайта:http://www.jamstec.go.jp/donet/e/index.htmlСистема обсерваторий DONET-2 в целом эквивалентна системе DONET-1. СистемаDONET-2 включает 29 станций. Первая станция начала работу в марте 2014 г.

Кнастоящемувремениустановкастанцийполностьюзавершена.(http://www.jamstec.go.jp/donet/e/). Основная цель данного проекта – исследованиесейсмической зоны Нанкай, которая считается одной из самых активных и потенциальноопасных у побережья Японии.Гидродинамическое моделирование цунами все еще представляет собой весьматрудоемкую вычислительную задачу. В оперативном режиме такое моделирование невсегда возможно. В этой связи появились интересные технологии оперативного прогноза,использующие предварительные расчеты цунами от набора «единичных источников».Вначале такие разработки появились в Японии [Tatehata (1998); Handbook for TsunamiForecast (2001)], а затем и в PMEL/NOAA [Titov et al., 2003; Gica, 2008].

Технология,созданная в PMEL/NOAA, именуется SIFT (Short-term Inundation Forecasting for Tsunamis).В настоящее время она используется для защиты побережья США. В случае потенциальноцунамигенного землетрясения из «единичных источников» составляется композиция,аппроксимирующая очаг цунами. Из серии заранее проведенных численных расчетов,соответствующихвыбранным«единичным23источникам»,формируетсялинейнаякомбинация – прогноз цунами для заданного участка побережья. По своей сути этатехнология напоминает японскую систему прогноза. Но есть и принципиальное отличие.Важнейшей прогрессивной особенностью системы SIFT является заложенная в неевозможность корректировать прогноз по мере того, как волна цунами начинаетрегистрироваться сначала ближайшей к источнику, а затем и более удаленнымиглубоководными станциями уровня моря DART.

Видно, что и в этом случаеглубоководные станции играют важнейшую роль в обеспечении надежного прогноза.Глубоководные станции уровня моря, безусловно, зарекомендовали себя какнадежное и удобный способ регистрации волн цунами в открытом океане. Но это неединственно возможный способ. Волны цунами также может быть зарегистрированы сиспользованием GPS буев [Kato et al., 2000; 2008; 2011], спутниковых альтиметров(радиовысотомеров) [Okal et al., 1999; Куликов и др., 2005], береговых радаров [Barrick,1979; Lipa et al, 2012]. Еще один перспективный метод обнаружения цунами – анализионосферных возмущений, образуемых смещением поверхности воды.

В частности,описание ионосферных проявлений цунами Тохоку 2011 можно найти в работах[Куницын, Воронцов, 2014; Makela et al., 2011].Перечисленные выше способы регистрации цунами основаны на прямом иликосвенном измерении колебаний уровня моря. Но, наряду с информацией об уровне моря(вертикальные движения), немаловажную роль в оценке опасности цунами может игратьинформация о горизонтальных движениях воды в районе источника цунами [Носов и др.,2011; Nosov, 2011]. Известно, что в длинноволновых процессах ( kH  1 , где k –волновое число, H – глубина океана), к которым относятся волны цунами, амплитудагоризонтальных движенийAxсущественно превосходит амплитуду вертикальныхдвижений Az , то есть выполняется соотношение: Ax / Az  1 / kH [Лайтхилл, 1981].

Внастоящий момент роль информации о горизонтальных движениях, по-видимому,недооценена. Недооценка, скорее всего, связана с тем, что техническая возможностьрегистрации горизонтального движения возникла сравнительно недавно (последниедесятилетия). В то время как регулярные измерения уровня моря ведутся более столетия.Горизонтальные движения воды могут быть зарегистрированы, например,следующими методами: (1) дрифтерами (буями), оборудованными ГЛОНАС/GPSприемниками, или акселерометрами [Okal and MacAyeal, 2006], (2) при обработкепоследовательности спутниковых снимков высокого разрешения [Etaya et al., 2005], (3)донными регистраторами скорости течения [Mikada et al., 2006]. Особо хотелось выделитьработу [Okal and MacAyeal, 2006], в которой описана регистрация цунами сейсмометром24(акселерометром), установленном на айсберге в море Росса.

Прибор успешно записалгоризонтальные и вертикальные движения айсберга при прохождении цунами, вызванногоземлетрясением в Индонезии 26 декабря 2004 г. Амплитуда горизонтальных движенийсоставила 1.33 м, а амплитуда вертикальных движений – 0.14 м. Примечательно, что эторегистрация явления в дальней зоне.

Нет сомнений, что вблизи источника аналогичнаярегистрация показала бы более значительные величины.1.4. Остаточные вихревые поля в очагах цунамиВ теоретических исследованиях по проблеме цунами еще в конце 20-го векапоявились указания на то, что цунамигенные землетрясения оставляют во вращающемсяокеане вихревой след – геострофический вихрь, локализованный в области источника. Вовсехслучаяхработыносилитеоретическийхарактер.Обычнорассматривалсябезграничный однородный или стратифицированный океан фиксированной глубины.Эффекты вращения Земли в применении к проблеме цунами, судя по всему,исследовалисьисключительнопредставителямисоветскойшколыцунамистов.Зарубежных исследований, которые были бы посвящены этой теме, нам обнаружить неудалось.

В то время в СССР результаты исследований по цунами публиковались вомногочисленных сборниках. В реферируемых журналах результаты этих исследованийпоявлялись далеко не всегда и часто с большим запаздыванием. В этой связи установитьприоритет авторов довольно сложно. Но, по имеющейся у нас информации, первыеисследования по анализу генерации цунами во вращающемся океане, вероятно, былипроведены С.Ф. Доценко в Морском гидрофизическом институте [Доценко, 1982]. Этапервая статья положила начало целому циклу исследований этого автора [Доценко, 1988,1999, 2000, 2001; Доценко, Шокин, 1997, 2001].

Подчеркнем, что близких по глубинепроработки задачи исследований, скорее всего, просто не существовало.Уже в своей первой работе [Доценко, 1982] С.Ф. Доценко выбрал достаточнообщую постановку задачи, рассматривая непрерывно стратифицированный вращающийсяокеан. Предполагалось, что при t  0 жидкость была выведена из гидростатическогоравновесия.

Последующие движения жидкости при t  0 исследовались с использованиемследующей системы уравнений (авторские обозначения сохранены):ut  lv    01 p x ,vt  lu    01 p y , t   0 z t  0 ,u x  v y   tz  0 .p z  g  0 ,(1.4.1)(1.4.2)С граничными и начальными условиямиp   0 g  0 ( z  0 ) ,  0 ( z  H ) ,25(1.4.3)u  u0 ,v  v0 ,  0 ,  0,t  0.(1.4.4)Здесь x , y – горизонтальные координаты, u , v – горизонтальные компоненты вектораскорости, p ,  – динамические возмущения давления и плотности,  – вертикальныесмещения частиц жидкости.

Функции u 0 , v 0 ,  0 ,  0 описывают начальное возмущениежидкости и зависят от x , y , z . Эти поля полагаются известными и затухающимидостаточно быстро при x , y   .Автором отмечается, что уравнения (1.4.1)-(1.4.3) допускают класс стационарныхдвижений, которые именуются геострофическими. Такие движения, как известно,присущи вращающейся жидкости. В этой связи гидродинамические поля при t  0допускают представление в форме суммы стационарного геострофического движения инеустановившихся волн.

Решение задачи ищется с применением интегральныхпреобразований Фурье и Лапласа. В результате анализа решений, полученных винтегральной форме, делаются следующие важные выводы: (1) возмущение среднейплотности и начальное поле скорости приводят к формированию геострофическогообразования; (2) малые вертикальные смещения участка дна могут приводить кформированию геострофических образований в первоначально покоящемся океане,достаточным условием их формирования является существование ненулевых остаточныхдеформаций дна океана.Рис.

1.4.1. Распределение энергии возмущения океанической среды, вызванного импульсной подвижкой дна,между баротропными и бароклинными движениями, волновым и вихревым полями. Схема заимствована изстатьи [Доценко, 1988].В работе [Доценко, 1988] в постановке задачи уже явно возникает динамическаядеформация дна как источник возмущений.Здесьавтор также рассматриваетстратифицированный океан, «приспосабливая» разработанную ранее теорию к задаче огенерации цунами. С использованием среднего распределения частоты Вяйсяля-Брента по26глубине для Курило-Камчатской зоны и типичных размеров области деформации днастроится схема распределения полной энергии возмущенного состояния океаническойсреды по различным типам движений.