Диссертация (1102782), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Учет силы Кориолиса в задаче о генерации цунами динамическими деформациямидна приводит к незначительному ослаблению волн, что объясняется связываниемчасти энергии источника в геострофическом вихре и дисперсией длинных волн,обязанной вращению Земли.76Глава 4. Горизонтальные движения водного слоя припрохождении волн цунами по данным густой сетиглубоководных станций уровня моряВ главе описывается метод восстановления горизонтальных движений водногослоя при прохождении волн цунами по данным густой сети глубоководных станцийуровня моря.

Метод применен для расчета горизонтальной скорости течения игоризонтального смещения частиц воды в области постановки станций DONET/JAMSTECпри прохождении цунами Тохоку 2011 г. Установлено, что амплитуда скоростисоставляла ~0.01 м/с, а амплитуда смещения превышала 10 м. Результаты главыопубликованы в работах [Н4; Н12; Н13]4.1.Новые возможности восстановления волнового поля цунами поданным густой сети глубоководных станций уровня моряВ последнее десятилетие широкое развитие получили методы изучения и прогнозаволн цунами по данным глубоководных станций уровня моря [Рабинович, 2014; Levin,Nosov, 2016]. Принцип работы глубоководного мареографа – измерение вариацийдавления датчиком, установленным на дне океана, – был предложен еще в конце 60-хгодов [Соловьев, 1968; Жак, Соловьев, 1971].

Вариации придонного давления припрохождении длинных волн пропорциональны смещению свободной поверхности океанапо вертикали от равновесного положения (закон гидростатики), что обеспечивает простуюи удобную интерпретацию наблюдаемых сигналов. Кроме того, вариации давления,регистрируемые на дне океана, оказываются свободными от шумов — проявленийкоротких поверхностных (ветровых) волн.Среди глубоководных измерителей цунами наибольшую известность приобреласистема Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART) [Bernard, Meinig, 2011],включающая в себя ныне более 60 станций, установленных в цунамиактивных регионахМирового океана.

За единичными исключениями станции DART расположены назначительном удалении друг от друга: расстояние между станциями обычно превышаетдлину волн цунами. Поэтому восстановление волнового поля по данным станций DARTпредставляет собой нетривиальную задачу, которая, вероятно, не имеет однозначногорешения.77В 2006-2011 гг.

вблизи побережья п-ова Кии (о-в Хонсю, Япония) была развернутасеть глубоководных обсерваторий DONET (Dense Oceanfloor Network System forEarthquakes and Tsunamis)/JAMSTEC (Japan Agency for Marine-Earth Science andTechnology) [Kaneda, 2010], включающая в себя несколько десятков глубоководныхстанций, расположенных на расстоянии 15-20 км друг от друга. В противоположностьредкостоящим станциям DART, система DONET представляет собой «густую сеть»,которая позволяет различать детали волнового поля при прохождении цунами.К моменту катастрофического землетрясения и цунами в Японии 11 марта 2011 г.(Тохоку 2011) функционировали 10 станций DONET, – все они успешно зарегистрировалисейсмические и гравитационные волны, связанные с этим событием [Matsumoto, Kaneda,2013; Носов, Семенцов, 2015].

Наличие данных о пространственном распределении ивременной динамике вариаций придонного давления открывает уникальную возможностьвосстановления горизонтальных движений водного слоя при прохождении волн цунами.Интерес к горизонтальным движениям не является случайным. Он связан спотенциальной возможностью использования этих данных в системе оперативногопрогноза цунами. Дело в том, что информация о горизонтальных движениях может бытьполучена без привлечения данных об уровне моря, например, с использованиемдрифтеров, оснащенных системой спутниковой навигации, спутниковых снимковвысокого разрешения, акустических доплеровских измерителей течения.Как это уже было отмечено в обзоре литературы (Глава 1), горизонтальныедвижения водного слоя, сопровождающие генерацию и распространение цунами воткрытом океане, ранее исследовались почти исключительно теоретически [Пелиновский,1996; Ингель, 1998; Доценко, 1999; Доценко, Шокин, 2001; Носов и др., 2011; Носов,Нурисламова, 2012, 2013; Nosov et al., 2013; Носов и др., 2014].

Редким исключением изэтого правила выступает работа [Okal, MacAyeal, 2006], авторам которой по даннымакселерометра удалось выявить горизонтальные (1.33 м) и вертикальные (0.14 м)движения айсберга в море Росса при прохождении Индонезийского цунами 2004 г.Основными целями этой главы являются: (1) разработка метода восстановлениягоризонтальных движений водного слоя (скорость и смещение) при прохождении волнцунами по данным густой сети глубоководных станций уровня моря и (2) восстановлениегоризонтальных движений при прохождении цунами Тохоку 2011 по данным,полученным системой DONET.Завершая вводный параграф, заметим, что разрабатываемый метод восстановлениягоризонтальной скорости течения может иметь прямое практическое приложение дляоперативного прогноза (предвычисления) цунами.

Решение задачи прогноза, основанное78на ассимиляции гидрофизических измерений [Titov et al., 2005; Kaneda, 2010; Tsushima etal., 2011; Носов, Григорьева, 2015], вообще говоря, предполагает введение в модельданных, как о смещении поверхности океана, так и о горизонтальной скорости течения.Связано это с тем, что нелинейные уравнения теории длинных волн, используемые впрогностических моделях, записываются в терминах «смещение свободной поверхности»– «поле горизонтальной скорости течения».Рис. 4.2.1. Взаимное расположение станций DONET (черные треугольники) и источника цунами Тохоку2011 – косейсмической деформации дна (красная линия – поднятие, синяя – опускание, интервал 0.5 м).Изобаты построены с интервалом 1 км, цветовая шкала глубин показана в правом нижнем углу.

В левомверхнем углу на врезке детально показана область расположения станций DONET. В нижней части врезкипо центру изображен масштаб длин (10 км). Красными кружками с римскими цифрами отмечены точки,для которых выполнялись расчеты, представленные на Рис. 4.3.1. и Рис. 4.3.2.4.2.Предварительная обработка данныхНа Рис. 4.2.1 представлено взаимное расположение станций DONET и очагацунами Тохоку 2011.

Очаг цунами — область значительных косейсмических деформацийдна океана — показан изолиниями (красные линии — поднятие, синие — опускание, шаг79изолиний 0.5 м). Косейсмические деформации рассчитаны в работе [Nosov et al., 2013] сприменением формул Окада [Okada, 1985] по модели распределения подвижки,предоставленной Геологической службой США (USGS). Из рисунка видно, что станцииDONET располагались на значительном удалении от очага цунами — примерно в 800 км.Рис. 4.2.2. Вариации придонного давления, зарегистрированные станцией A2 системы DONET во времяземлетрясения и цунами Тохоку 2011: красная кривая — оригинальный сигнал, синяя кривая — результатнизкочастотной фильтрации с частотой отсечки 0.005 Гц. Данные предварительно приведены к нулевомууровню путем вычитания гидростатического давления (≈ 20376 кПа). Вертикальными линиями отмеченымоменты начала основного землетрясения (Mw9.0) и первого сильного афтершока (Mw7.9)На Рис.

4.2.2, в качестве примера, представлены вариации придонного давления,зарегистрированные станцией DONET A2 (красная кривая). Частота дискретизациисигнала составляет 10 Гц. Из сигнала, показанного на рисунке, предварительно быловычтено гидростатическое давление, величина которого (≈ 20376 кПа) многократнопревосходит амплитуду вариаций (≈ 40 кПа). Вариации придонного давленияпредставляют собой суперпозицию проявлений сейсмических, гидроакустических игравитационных волн. Вступление сейсмических волн заметно на записи через несколькоминут после момента начала основного землетрясения (Mw9.0 — 05:46:24 UTC) ипервого сильного афтершока (Mw7.9 — 06:15:40 UTC).

Вступление лидирующей волныцунаминаблюдаетсяболеечемчерезчаспослеосновногоземлетрясения.Примечательно, что сейсмические и порожденные ими гидроакустические волныпроявляются на записи со значительно большими амплитудами по сравнению с волнамицунами [Matsumoto, Kaneda, 2013; Носов и др., 2015; Levin, Nosov, 2016].Метод восстановления горизонтальных движений водного слоя при прохождениицунами будем основывать на теории длинных волн. Использование теории длинных волндля обработки измеренных вариаций давления подразумевает, что из исходных данных80должны быть выделены только те компоненты сигнала, которые соответствуют длиннымгравитационным волнам. Опишем методику обработки сигналов.На первом этапе вариации давления приводились к нулевому уровню путемвычитания из сигнала среднего значения за временной интервал 4.5 сут (с09:00/10.03.2011 до 21:00/14.03.2011).

Именно в указанный временной интервал все 10станций работали без сбоев. Приведение сигнала к нулевому уровню необходимо дляустранения статических погрешностей в измерениях придонного давления.На втором этапе из вариаций давления отфильтровывались высокочастотныекомпоненты, которые не имеют отношения к длинным гравитационным волнам.Известно, что в монохроматической волне смещение свободной поверхности водыотносительно равновесного положения  связано с вариациями придонного давления pследующей классической формулой [Лакомб, 1974]:p1,g cosh(kH )(4.2.1)где g — ускорение силы тяжести, H — глубина океана,  — плотность воды, k —волновое число, связь которого с циклической частотой волн дается дисперсионнымсоотношением2  gk tanh( kH ) .Изформулы(4.2.1)следует,чтокороткие(высокочастотные) волны проявляются в вариациях придонного давления с ослаблениемили не проявляются вовсе, в то время как длинные волны проявляются без ослабления – всоответствии с законом гидростатикиинтерпретацииизмеренийp  g .

Это свойство используется пригравитационныхволндоннымидатчикамидавления[Рабинович, 2014; Кузнецов и др., 2014; Levin, Nosov, 2016]. Итак, при удалениивысокочастотных компонент сигнала, которые не могут иметь отношения к длиннымгравитационным волнам, частота отсечки фильтра f c выбиралась таким образом, чтобывариации придонного давления p соответствовали закону гидростатики p  g сточностью не хуже 10% [Носов, Григорьева, 2015; Levin, Nosov, 2016]:f c  0.0718 g/H .(4.2.2)Станции системы DONET установлены на глубинах от 1924 м (B8) до 3511 м (C9),причем большинство из них — на глубинах около 2000 м. Для глубины 2000 м частотаотсечки фильтра, рассчитанная с применением формулы (4.2.2), составляет f c  0.005 Гц .Для дальнейшей обработки данных важно, что минимальные длины рассматриваемыхгравитационных волн (  c  gH / f c  13.9 H  28000 м ) соответствуют, а в ряде случаеви превосходят, расстояние между станциями.81Рис.

4.2.3. Положение свободной поверхности воды (результат интерполяции) в последовательныемоменты времени UTC (указаны на рисунке), восстановленное по данным донных датчиков давлениясистемы DONET. Черными точками показаны фактические данные для местоположения станций DONET.Результат выделения низкочастотной составляющей вариаций давления (частотаотсечки фильтра f c  0.005 Гц ), зарегистрированных станцией A2, представлен на рис.4.2.2 синей кривой. Видно, что высокочастотные компоненты сигнала, соответствующиесейсмическим и гидроакустическим волнам, подавлены, а проявления приливных волн иволн цунами остались без изменения.

Характеристики

Список файлов диссертации