Гидродинамическая модель очага цунами
HYDRODYNAMIC MODEL OF TSUNAMI SOURCE

Изобретение относится к гидрометеорологии и наукам об Атмосфере, Океане и Земле, к реализации комплексного численного моделирования гидромеханики их взаимодействия при проявлении морских наводнений, экстремальных течений и других опасных морских явлений в открытом океане и вблизи побережья.
Назначение
Настоящим изобретением задается способ определения начальных условий для постановки и интерактивной реализации прямого вычислительного эксперимента по моделированию зарождения, распространения и воздействия на морское побережье волн цунами сейсмического происхождения.
Предметом изобретения является строгое и однозначное определение способа построения начальной геометрической формы и гидродинамических параметров очага цунами, возникающего в акваториях вблизи побережья, на шельфе и океанском склоне в момент сильного подводного землетрясения с магнитудой 7,0 и более. С этой целью задействуются исходные стандартные макросейсмические оценки [1] начальных параметров сейсмического очага, по которым затем переопределяется геометрическая форма, ориентация и параметры гидродинамической подвижности исходной волны цунами в зависимости от рельефа морского дна в зоне землетрясения.
Уровень техники
Морские оперативные службы, так же как и режимные отделы инженерных изысканий в области контроля и прогноза динамики взаимодействия атмосферы и океана, в настоящее время активно задействуют прямые вычислительные эксперименты с использованием высокоэффективных компьютеров и систем дистанционных измерений реального гидродинамического состояния морских акваторий и атмосферы.
Настоящее изобретение является результатом систематических ретроспективных вычислительных экспериментов по моделированию различных исторических цунами сейсмического и синоптического происхождения с целью формализации способов адекватного представления главной составляющей гидродинамического возмущения водной поверхности под внешним силовым воздействием. В основе нового способа лежит физическое обоснование возможности возникновения длиннопериодных волновых откликов на кратковременные сейсмические толчки, механизмом которых могут быть оползневые проявления на наклонном морском дне, усиливаемые за счет аккумулирования большей гидродинамической энергии при сотрясениях глубоководных участков морского дна, откуда в результате длинноволновой дисперсии направляется гидродинамический поток в сторону меньших давлений морской воды на мелководье.
Практическое использование настоящего изобретения дает адекватные оценки проявления цунами вблизи побережья, которые могут уточняться при поступлении информации о реальном проявлении опасных морских явлений непосредственно в процессе оперативного контроля и прогноза усиления или снижения опасности воздействия волн цунами на конкретных участках морского побережья, в бухтах и гаванях морских портов.
Осуществление изобретения
В условиях действующих морских служб оперативного прогноза и предупреждения об опасных природных явлениях: о морских наводнениях при возникновении подводных землетрясений; также как и в случае штормовых нагонов при прохождении тайфунов, имеется лишь ограниченная информация о происходящем событии на море, необходимая для формирования начальных граничных условий с целью построения и выполнения вычислительных экспериментов для оценки потенциальной опасности морских наводнений и экстремальных течений на морском шельфе и прибрежном мелководье, на береговом урезе и в гаванях морских портов.
Построение очага начинается с получения информации от сейсмологической службы о магнитуде и географических координатах произошедшего землетрясения, а в случае малой удаленности от побережья может быть полезной оценка глубины сейсмического очага землетрясения. По этим данным вычисляются геометрические размеры и делается оценка изменения уровня моря в очаге цунами, для чего используются регрессионные аппроксимации многочисленных событий цунами в заданном регионе по макросейсмической гипотезе сотрясаемости морского дна [1, Поплавский и др., 1998]. Собственно для каждого района океана такие оценки геометрических параметров очага цунами могут различаться, однако в интересах оперативной службы вполне достаточно расчетов с использованием осредненных значений. Гидродинамические особенности в построении очага цунами имеют существенно большее влияние на ожидаемые результаты прямых вычислительных экспериментов.
На участках морского дна с относительно одинаковой глубиной можно ограничиться использованием исходных геометрических построений для макросейсмического очага цунами, без дополнительных искажений его простейшей эллиптической формы и без указания начальной скорости движения фронта волны. Это так называемый «поршневой механизм» условного подъема морского дна, в котором большая ось эллиптического макросейсмического очага ориентируется вдоль геологических разломов в земной коре, если местоположение таковых известно, либо выравнивается равноудаленно от берегового уреза - по нормали к направлению на береговой пункт, что предопределяет наиболее опасный вариант проявления цунами у контролируемого участка побережья. Стационарный очаг распадается на два расходящихся фронта волны цунами с высотой вдвое меньшей исходного стационарного подъема уровня моря.
В случае землетрясения на наклонном фрагменте морского дна большая ось макросейсмического очага цунами ориентируется по направлению преобладающих изобат, вдоль относительно равных глубин или равноудалено от берегового уреза. В мелководном направлении, впереди ведущего фронта волны цунами устраивается относительно небольшое снижение уровня воды, не более половины исходной макросейсмической высоты. По величине этого отлива акватория формирования волны цунами инициируется векторами потоков для придания импульса изначального движения всех новообразованных волн с больших глубин в сторону прибрежного мелководья. Необходимая деформация геометрической формы очага цунами и перераспределения высот уровня моря и начальных скоростных потоков выполняются по аналогичным эллиптическим распределениям высот уровня моря и скоростных потоков воды, в результате наложения которых форма макросейсмического очага искажается и обретает заметное смещение фронта исходной волны цунами на удаление в сторону больших глубин.
Природа механизма формирования очага цунами при кратковременном сейсмическом событии определяется двумя факторами. При высокой сотрясаемости в несжимаемой водной толще вблизи морского дна образуются интенсивные пульсации, в том числе достигающие отрицательных давлений в фазе инерционного отрыва воды от грунта. Такой эффект проявляется сильнее на мелководьях, где давление воды в спокойном состоянии значительно меньше. Вязкий морской грунт разжижается и обретает способность перемещения на большие глубины - образуя подводные оползни. Гидродинамически это приводит к подъему уровня моря на больших глубинах, с соответствующим опусканием на мелководье, что в соответствии с условиями неразрывности придает начальный импульс движения в сторону берега как для положительной фазы волны, так и для ее отливной составляющей на мелководье.
Аналогичный эффект формирования фронта волны цунами с начальным импульсом движения в сторону берега может объясняться дисперсионными эффектами трансформации высокочастотной сотрясаемости водной толщи в длинные волны. На больших глубинах толща воды обретает значительно большую кинетическую энергию от сотрясаемости морского дна, которая может высвобождаться в сторону меньших гидростатических давлений на малых глубинах. Формально не существует однозначных механизмов преобразования высокочастотных колебаний морского дна в длинные волны цунами, энергия землетрясения должна поглощаться вязким сопротивлением воды на столь быстрые сейсмические колебания. Однако вблизи мелководного побережья всегда существуют добротные длинноволновые осцилляторы с периодами порядка 3 мин, и на океанском шельфе - порядка 12 мин, и именно на этих участках морского дна очаг землетрясения получит зоны генерации интенсивных волн цунами, которые будут также ориентированы в движении в сторону берега, и проявятся на характерных для данного побережья собственных (сейшевых) периодах колебаниях уровня.
Реализация изложенного способа генерации длиннопериодного гидродинамического очага цунами в качестве отклика на кратковременные и интенсивные сейсмические сотрясения морского дна, сопровождающиеся оползневыми явлениями и дисперсионными эффектамами трансформации длинных волн в акваториях с высокодобротными осцилляторами собственных колебаний уровня моря, сводится к геометрическим построениям и предустановке начальных параметров движения волн цунами:
- главные оси эллиптической деформации поверхности моря ориентируются по направлениям преобладающих изобат и берегового уреза;
- в зависимости от крутизны наклона морского дна, в мористой зоне сейсмического очага устраивается фронт волны цунами с подъемом уровня моря по макросейсмическим оценкам, переходящим в отрицательную полуфазу волны с опусканием уровня ближе к побережью до 25-30% от величины фронта на глубокой воде;
- на наклонном дне положительной и отрицательной полуфазам волн цунами придается начальный импульс движения в направлении меньших глубин, для чего очаг инициируется векторным полем до 30-40% от полного потока прогрессивной волны;
- на ровном дне подъем уровня стационарный, начальной скорости движения фронта не доопределяется.
Построенный таким образом очаг цунами не привносит в результаты численного моделирования непредсказуемых неопределенностей, связанных со сложным рельефом дна или самовозбуждением сеточных аппроксимаций при нарушении интерполяционной гладкости волновых фронтов. Опыт инженерных построений аналогичных очагов цунами от исторических подводных землетрясений подтверждает в целом корректность моделируемых процессов зарождения, трансформации при распространении и последующего проявления морских наводнений и экстремальных течений на шельфе и прибрежных мелководьях, в закрытых прибрежных бухтах и гаванях морских портов.
Представленная настоящим изобретением гидродинамическая модель сейсмического очага цунами служит способом оценочного определения гидростатических и гидродинамических параметров зарождающегося морского наводнения с использованием макросейсмических оценок исторических цунами в прибережных акваториях дальневосточных морей России. Для реализации способа быстрого запуска гидродинамического моделирования зарождения и распространения пакета волн цунами задействуется тот минимум измерительной информации, который доступен сейсмическим службам непосредственно в момент начала регистрации подводного землетрясения. Соответственно, способ построения и реализации гидродинамической модели может быть использован в качестве начальных условий при постановке и проведении прямого численного моделирования [2] волн цунами, морских наводнений и экстремальных течений вблизи побережья в оперативном режиме и в регламентной работе морских служб прогноза и предупреждения о потенциально опасных морских явлениях.
Практическая реализация изобретения ожидается в составе программного комплекса «Ani» [2], с последующим оформлением интерактивной программы для автоматического формирования очага цунами по настоящему изобретению.
Краткое описание чертежей
Форма макросейсмического очага цунами остается без искажений в случае землетрясения на плоском горизонтальном участке морского дна (поршневой механизм). В этом случае Большая ось эллиптическая очага ориентируется по геологическим разломам либо равноудалено от берегового уреза для создания наиболее опасного варианта проявления цунами.
На наклонном участке морского дна очаг цунами ориентируется для движения фронтом в сторону ближайшего берега, куда он направляется с отливной полуфазы, за которой следует отчасти сниженный фронт прогрессивной волны из исходного макросейсмического очага цунами, создавая, таким образом, наивысшую опасность цунами у ближайшего к очагу землетрясения морского побережья.
Фиг. 1. Гидродинамический очаг цунами над донным оползнем. 1 - океанский склон; 2 - континентальный шельф; 3 - зона эстуария; 4 - береговой урез; 5 - формирование оползня на приглубом дне; 6 - смыв разжиженного грунта с мелководного склона; 7 - образование встречных потоков воды по условию неразрывности (сохранения объема жидкости); 8 - волна цунами движется в сторону берега.
Фиг. 2. Гидродинамический очаг дисперсионной трансформации волн на глубокой воде в длинноволновой скоростной поток в сторону мелководного берега. 1 - океанский склон; 2 - континентальный шельф; 3 - эстуарий; 4 - береговой урез; 5 - зона сейсмической сотрясаемости с образованием высокочастотных волн на глубокой воде; 6 - дисперсионное выполаживание длинных волн с направлением фронта в сторону берега.
Фиг. 3. Гидродинамический очаг цунами от землетрясения с магнитудой 8,5, на относительно ровном дне в средней части Японского моря, через 10 мин распадается на два расходящихся волновых фронта.
Фиг. 4. Очаг цунами на наклоном побережье вблизи Японии через десять минут после землетрясения с магнитудой 8,5. Основная энергия фронта волны направляется в сторону ближайшего Японского берега.
Фиг. 5. Через 30 мин у берегов Японии проявляются подъемы уровня моря выше 7 м (максимум - до 20 м), при этом основная энергия волны с высотой порядка 4 м отражается в сторону Приморья, где будут возбуждаться длинные волны с периодом порядка 25 мин.
Фиг. 6. Через час залив Петра Великого, Уссурийский и Амурский лиманы в Приморье подвергаются воздействию как инициирующих фронтов цунами от очага землетрясения, так и более крупных волн, отраженных от берегов Японии.
Источники информации
1. Оперативный прогноз наводнений на морских берегах Дальнего Востока России. Поплавский А.А., Храмушин В.Н., Непоп К.И., Королев Ю.П. Южно-Сахалинск: ДВО РАН, 1997. 272 с. (shipdesign.ru/Pub/Poplavsky/Book/).
2. Храмушин В.Н. «Ani» - Прямые вычислительные эксперименты для моделирования цунами, штормовых нагонов, экстремальных течений и приливного режима в открытом океане и вблизи побережья. СахГУ. Роспатент №2010615848 от 2010.09.08. (shipdesign.ru/SoftWare/2010615848.html).