Метеоцунами на Сахалине и Южных Курильских островах

Океанология

Вестник ДВО РАН. 2017. № 1

УДК 551.46

П.Д. КОВАЛЕВ, Г.В. ШЕВЧЕНКО, Д.П. КОВАЛЕВ, А.А. ШИШКИН

Метеоцунами на Сахалине и Южных Курильских островах

Работа посвящена экспериментальным исследованиям метеоцунами у побережий о-ва Сахалин и Южных Курильских островов. Показано, что метеоцунами имеют такие же пространственно-временные масштабы, что и цунами сейсмического происхождения, и так же представляют определенную угрозу для прибрежных населенных пунктов. Однако энергия метеоцунами существенно ниже, чем сейсмических цунами, проявляются они локально, как правило в пределах акваторий отдельных бухт, и тесно связаны с их резонансными свойствами.

Ключевые слова: метеоцунами, цунами, атмосферные возмущения, бухта, бухтовый резонанс.

Meteotsunamis on Sakhalin and the South Kuriles. P.D. KOVALEV, G.V. SHEVCHENKO, D.P. KOVALEV, A.A. SHISHKIN (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

The paper is devoted to experimental observation of meteotsunami off the coasts of the Sakhalin and the South Kuriles. The study shows that meteotsunamis have the same space-time scale as tsunami of seismic origin and also create some hazard to on-shore settlements. However, the meteotsunami power is substantially weaker than that of seismic tsunami. As a rule, they are localized within separated harbor basins and tightly linked with its resonating characteristics.

Key words: meteotsunami, tsunami, atmospheric disturbances, harbor, harbor resonance.

Введение

Опасные морские явления, среди которых особое место занимают катастрофические волны цунами, представляют серьезную проблему для прибрежных населенных пунктов Дальнего Востока России и сдерживают их экономическое развитие. В качестве примера можно привести Шикотанское землетрясение и цунами 5 октября 1994 г., после которого остров покинуло более 5 тыс. чел. - около 2/3 проживавшего на нем населения. Отток населения имел для экономики района более тяжелые последствия, чем даже вызванные природной катастрофой разрушения.

Для изучения особенностей динамики длинноволновых процессов и мониторинга опасных морских явлений Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН проводит инструментальные измерения у берегов Южных Курильских островов и южной части о-ва Сахалин с помощью регистраторов придонного гидростатического давления. При анализе получаемых записей особое внимание уделяется изменчивости спектральных характеристик в различных погодных условиях, такие оценки имеют важное значение для обеспечения безопасности населения, проживающего на побережье. Помимо цунами интерес представляли опасные колебания, вызванные атмосферными возмущениями, такие

КОВАЛЕВ Петр Дмитриевич - доктор технических наук, заведующий лабораторией, *ШЕВЧЕНКО Георгий Владимирович - доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией, КОВАЛЕВ Дмитрий Петрович - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, ШИШКИН Александр Алексеевич -старший научный сотрудник (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). *Е-таП: g.shevchenko@imgg.ru

волны относят к метеоцунами - они подобны обычным цунами, но не связаны с сейсмическими событиями [7].

Метеоцунами имеют те же периоды и пространственные масштабы, что и обычные цунами, и могут оказывать аналогичное разрушительное воздействие на побережье. Так, подобная волна, пришедшая 25 июня 2014 г. в г. Вела-Лука на о-ве Корчула (Хорватия), выплеснулась на набережную, затопила прилегающие к порту улицы и дороги. Многие суда были выброшены далеко на сушу. Однако через десять минут уровень воды начал падать, упал почти на три метра, и гавань с внутренней бухтой превратились в бурлящую реку, устремившуюся в море. Оставшиеся у причальных стенок суда бились о пирс, сталкивались с другими лодками и в конце концов ложились на дно, заваливаясь набок. Такие катастрофические притоки и оттоки воды с колебаниями уровня на несколько метров повторялись в Вела-Луке несколько раз, причиняя большой материальный ущерб [1].

В странах тихоокеанского бассейна подобные разрушительные метеоцунами неоднократно отмечались в порту Лонгкоу в Желтом море (Китай) и в бухте Нагасаки (о-в Кюсю, Япония), где они получили специфическое название - абики. Волны умеренной интенсивности, не имеющие таких катастрофических последствий, однако приводящие к материальному ущербу - повреждению судов (главным образом, яхт), наблюдаются практически повсеместно, чаще всего они были инструментально зафиксированы на побережье Японии и Северной Америки [4].

Наши натурные исследования по изучению колебаний уровня моря показывают, что метеоцунами периодически наблюдаются в портах южной части о-ва Сахалин и Курильских островов, и могут оказывать негативное влияние на их работу.

Метеоцунами у побережья о-ва Сахалин

В настоящей работе использованы материалы инструментальных измерений волновых процессов в прибрежной зоне о-ва Сахалин, полученные в рамках натурного эксперимента, который проводился в июне-сентябре 2008 г. Основное внимание было

сосредоточено на ситуациях, при которых на ряде станций юго-западного и юго-восточного побережья острова (рис. 1) наблюдались аномальные усиления длинноволновых колебаний. Кроме данных

Рис. 1. Места постановки измерителей волнения в 2008 г. в южной части о-ва Сахалин (обозначены черными кружками) и карта погоды (распределения приземного атмосферного давления, мб) для периода 2-3 сентября 2008 г. Ломаной линией показаны положения центра циклона через каждые 6 ч

по волнению использовались погодные карты, полученные из открытых источников (http://www.rp5.ru).

При анализе материалов наблюдений обнаружены моменты повышения энергии длинноволнового фона, не связанные с временем формирования сильных штормов в районе проведения измерений. Поскольку заметных землетрясений в рассматриваемые периоды не отмечалось, обнаруженные эффекты, вероятнее всего, связаны с метеорологическими процессами и, следовательно, могут быть отнесены к разряду «метеоцунами». Их изучение представляет интерес, так как позволяет лучше понять физические особенности формирования этого сравнительно мало изученного типа морских опасных явлений, а также изменчивость длинноволнового фона в диапазоне периодов цунами (от нескольких минут до 2 ч).

Среди случаев повышения энергии длинноволновых колебаний особенно интересна ситуация 2-3 сентября 2008 г., когда на четырех донных датчиках было отмечено усиление колебаний уровня моря - их амплитуда возросла примерно на порядок по сравнению с обычным уровнем длинноволнового шума, до 10-15 см (рис. 2) [2].

Как и при обычном цунами, исследуемый процесс характеризовался четким вступлением, выраженной головной волной и постепенно стихающими в течение нескольких часов колебаниями.

Следует отметить существенное удлинение периода волновых процессов и продолжительности колебаний в Поронайске по сравнению с другими станциями. Это может определяться резонансными свойствами прилегающей к Поронайску акватории зал. Терпения.

Как это обычно наблюдается при метеоцунами, аномальные колебания в заливах и бухтах возбуждаются преимущественно на резонансных частотах по мере продвижения атмосферного возмущения. Вначале усиление колебаний было зафиксировано на юго-западном побережье Сахалина (Невельск, Горнозаводск), спустя примерно час - в порту Корсакова и почти через три часа - в Поронайске.

Анализ карты погоды для периода 2-3 сентября 2008 г. (рис. 1) показал, что время регистрации аномальных волн в пунктах наблюдения хорошо согласуется со временем прохождения над районом проведения измерений переднего фронта циклона. Интересно отметить, что амплитуда волн в различных пунктах была примерно одинаковой (хотя преобладающие периоды колебаний различались). Вероятно, это связано с тем обстоятельством, что интенсивность колебаний приземного атмосферного давления при перемещении циклона над южной частью о-ва Сахалин сохранялась на приблизительно одинаковом уровне.

Для расчета спектральных характеристик колебаний уровня моря использовали отрезки записей суточной продолжительности, полученные во время

п-1-1-1-1-г

8:0 16:0 0:0 8:0 16:0 0:0 8:0 2 оентября 2008

Время, ч

Рис. 2. Отрезки записей волнения, содержащие аномальные колебания уровня моря на различных станциях

Рис. 3. Спектры колебаний уровня моря на различных станциях при метеоцунами 2-3 сентября 2008 г. и в спокойных условиях

метеоцунами, и сравнивали их со спектрами записей такой же продолжительности, но для спокойной погоды. Результаты вычислений приведены на рис. 3. Видно, что возрастание энергии колебаний уровня моря наблюдается в широком диапазоне периодов - от 5 до 150 мин, что характерно для обычного цунами.

Спектрально-временной анализ записей морского волнения показал значимую когерентность на отрезке за 3 сентября только для близко расположенных пунктов, Горно-заводска и Невельска, - до 0,9 на периодах 36 мин - 2,5 ч и 0,5-0,7 на периодах от 16 до 30 мин. Колебания на этих достаточно больших периодах обусловлены частотно-избирательными свойствами внешней акватории: наиболее длиннопериодные могут быть связаны с резонансными свойствами южной части Татарского пролива, короткопериод-ные - с резонансными свойствами прилегающего участка шельфа. Оба типа волновых процессов для данных станций, очевидно, тесно связаны.

Другие пункты располагались достаточно далеко друг от друга, резонансные свойства заливов и прилегающих участков шельфа сильно различались, и когерентность, соответственно, была низкой.

По текущему фазовому спектру сложно было сделать какие-либо выводы, за исключением фазового сдвига для периодов от 16 до 25 мин, который подтверждает предположение, что метеоцунами на указанных периодах обусловлено шельфовым резонансом.

Метеоцунами на Южных Курильских островах

На Южных Курильских островах установлены цифровые автоматические гидрометеорологические станции СахУГМС, снабженные высокочувствительными

Рис. 4. Схема расположения ГМС «Курильск» и «Южно-Курильск», а также точка регистрации флуктуаций атмосферного давления на гидрофизической обсерватории «Шикотан» в с. Малокурильское. Стрелкой показано примерное направление распространения атмосферного фронта

барографами ( «Курильск» и «Южно-Курильск», рис. 4). Регистрация приземного атмосферного давления осуществляется с дискретностью 15 с, что позволяет изучать малые флуктуации давления в диапазоне периодов цунами. Это очень важный момент, так как именно эти флуктуации и связанные с ними изменения скорости и направления ветра ответственны за формирование естественного длинноволнового фона в океане в указанном диапазоне.

Прохождение хорошо выраженного атмосферного фронта было зафиксировано на указанных станциях в ночь с 15 на 16 октября 2011 г. (рис. 5). В это время на ГФО «Шикотан» (с. Малокурильское) тоже были зарегистрированы колебания приземного атмосферного давления, но, так как барограф находится достаточно высоко над уровнем моря, значения давления были ниже, чем на метеостанциях. Однако его скачок - за полчаса более чем на 5 мбар - именно на о-ве Шикотан был наиболее выражен (рис. 6).

Определить момент подхода атмосферного фронта по имеющимся записям достаточно сложно, только для Малокурильского можно с достаточной степенью уверенности назвать время 01:23. Это почти в точности соответствует моменту, когда в Южно-Курильске

1005

Время, ч

Рис. 5. Записи микрофлуктуаций приземного атмосферного давления на цифровых метеостанциях «Курильск»

было зафиксировано минимальное значение давления (996,75 в 01:29). Датчиком ИМГиГ на ГФО «Шикотан» минимум был зафиксирован на сорок минут позже, чем в Юж-но-Курильске (990,05 в 02:10). На ГМС «Курильск» минимум был отмечен еще на час позже (995,03 в 03:13) Исходя из разности времен вступления фронта на разных станциях, можно сделать вывод, что атмосферное возмущение перемещалось вдоль Южных Курильских островов на восток-северо-восток со скоростью около 100 км/ч.

Это событие явилось причиной значительных колебаний уровня моря, которые были зафиксированы автономными регистраторами ИМГиГ в бухтах о-ва Шикотан Церковная, Крабовая и Малокурильская (здесь двумя станциями, у входа в бухту и внутри нее). В это время работала и автономная станция в порту Южно-Ку-рильска (бухта Южно-Курильская, о-в Кунашир).

На рис. 6 представлены графики колебаний уровня моря в различных бухтах о-ва Шикотан и в бухте Южно-Курильская. На всех станциях метеоцунами начиналось с резкого понижения уровня, за которым следовал цуг хорошо выраженных колебаний продолжительностью 3,5-4 ч.

В бухте Церковная, расположенной с тихоокеанской стороны острова, началом метеоцунами можно считать резкую смену направления изменения уровня с повышения на понижение, имевшую место в 01:34 (минимум - 10 см в 01:40), после чего колебания заметно усилились, и одновременно возрос их период. Максимальная волна, размах которой от гребня (+25 см в 03:35) до подошвы (-16 см в 03:41) составил 41 см, была отмечена на два часа позже. Последнее значительное колебание наблюдалось еще на час позже (+15,6 в 04:50, -12 в 04:57). Начиная с 5 ч. утра волновой режим в бухте пришел в обычное состояние.

Аналогичным был характер волнового процесса в бухте Крабовая - резкая смена характера колебаний отмечена в 01:28, затем наблюдалось наибольшее отрицательное отклонение уровня (-30,6 см в 01:37). Максимальная волна с полуметровым размахом (+25,4 в 02:18, -24,8 в 02:38) была третьей по счету, после чего интенсивность метеоцунами начала быстро снижаться, и начиная с 04:00 амплитуда колебаний не превышала фоновых величин.

Такой же характер вступления метеоцунами отмечен и у входа в Малокурильскую бухту в то же время, что и в Крабовой (01:28): первая волна начиналась с отрицательной

Время, ч

Рис. 6. Графики суточных отрезков записи непериодических колебаний уровня моря (вычтен прилив) с 18:00 15-го по 18:00 16 октября на различных автономных регистраторах. На левой оси значения уровня моря

фазы (-15,4 см в 01:36) и имела максимальный размах 29 см (положительное отклонение 13,6 см в 01:46). Затем интенсивность колебаний начала снижаться, и после 03:30 волновой процесс практически не отличался от фонового.

Внутри бухты Малокурильская начальный отрезок колебаний при метеоцунами имел сходный характер и был отмечен в то же время, в частности первый выраженный минимум составлял -27,8 см в 01:38. Следующая волна имела максимальный размах около 75 см (+37,2 см в 01:48 и -37,2 см в 01:55), всего в волновом пакете отмечено 7 колебаний с периодом около 19 мин. Так же, как и на внешней станции, после 03:30 амплитуда колебаний была на уровне естественного фона.

По полученным записям рассчитывались спектральные характеристики колебаний при метеоцунами с использованием отрезков суточной продолжительности (рис. 7). Для сравнения с уровнем энергии при обычных условиях (естественный длинноволновый фон) производился аналогичный расчет по отрезкам той же продолжительности.

В бухте Церковная метеоцунами проявилось в широком диапазоне периодов колебаний уровня моря (рис. 7), хотя наиболее значительным возрастание энергии колебаний было на периодах 5-20 мин (последний близок к наиболее выраженной в данной акватории нулевой моде резонансных колебаний). Также следует отметить максимум на периоде около 50 мин, который близок к периоду, отвечающему минимуму групповой скорости первой моды краевых волн. Именно эти волны проявились наиболее значимо при метеоцунами, зарегистрированном в данном районе в 1991 г. [3].

В бухте Крабовая и при метеоцунами, и при спокойных погодных условиях выделяется мощный, хорошо выраженный пик с периодом около 29 мин, отвечающий нулевой моде бассейна (рис. 7). Эту бухту можно отнести к типу классического фиорда - узкий,

Рис. 7. Спектры колебаний уровня моря при метеоцунами 16 октября 2011 г. и в спокойных условиях (естественный фон) для бухт о-ва Шикотан

вытянутый, глубоко вдающийся в сушу залив со сравнительно широким входом. Для таких акваторий наблюдается заметное возрастание амплитуды основной резонансной моды в удаленной ее части, где и находился прибор. Можно также отметить более слабый пик на периоде около 3 мин, также постоянно наблюдаемый в этой части бухты [8].

В Малокурильской бухте регистрация метеоцунами двумя станциями позволила сравнить спектральные характеристики на входе и внутри нее. В спектре колебаний уровня моря у входа в бухту (рис. 7) как при метеоцунами, так и в спокойную погоду выделяется мощный пик на периоде около 19 мин. Он отвечает нулевой моде бассейна с узловой линией на входе, и то, что вблизи него эти колебания значимо проявляются, не удивительно. Более интересен хорошо выраженный пик с периодом около 5,5 мин, который внутри бухты не зафиксирован [8]. Природа этого пика неясна и требует дополнительного изучения. На станции внутри бухты в спектрах колебаний на обоих анализируемых отрезках выделяются пики с периодами около 19, 4,5 и 3 мин, отвечающие резонансным модам бухты (рис. 7), причем на двух высокочастотных пиках возрастание энергии при метеоцунами было незначительным, гораздо меньшим, чем на других частотах.

В более открытой по сравнению с рассмотренными выше бухте Южно-Курильская резонансные свойства выражены слабее, здесь возрастание энергии было менее значительным, в спектре вызванных метеоцунами колебаний выявлен только сравнительно слабый пик на периоде около 25 мин.

Заключение

Экспериментальные исследования, выполненные на побережьях южной части о-ва Сахалин и Курильских островах, выявили наличие аномальных колебаний уровня, подобных обычно наблюдаемым при цунами. Они были отнесены нами к явлению метеоцунами, так как в указанные дни в сейсмологическом каталоге NEIC (USGS, http:// earthquake.usgs.gov/contactus/golden/neic.php) не было обнаружено сильных землетрясений в северо-западной части Тихого океана.

Пятью донными регистраторами волнения и уровня в южной части о-ва Сахалин были зафиксированы аномальные колебания уровня моря в диапазоне периодов от 5 до 150 мин. Эти явления имели место 2-3 сентября 2008 г., амплитуда вариаций уровня составляла 10-15 см, и они могли представлять определенную угрозу для находившихся в портах судов и препятствовать проведению погрузо-разгрузочных работ. Формирование аномальных колебаний хорошо согласуется с прохождением атмосферных возмущений, которые «включали» их по мере своего продвижения над южной частью о-ва Сахалин. В каждом пункте в полученных записях преобладали колебания, обусловленные характером рельефа дна и топографией береговой черты в прилегающих акваториях - резонансными явлениями в заливах, бухтах и на прилегающих участках шельфа. Следствием этого является важное отличие метеоцунами от цунами сейсмического происхождения - они проявляются преимущественно локально, в виде волн стоячего типа, которые вызывают продолжительные колебания и слабо распространяются за пределы зоны, в которых сформировались.

Резко выраженный атмосферный фронт, быстро двигавшийся 16 октября 2011 г. вдоль Южных Курильских островов, породил аномальные колебания в различных бухтах, которые можно отнести к метеоцунами. Максимальный размах колебаний в Малокурильской бухте составил 75 см, в Крабовой 50, в Церковной 41 и в Южно-Курильской 25 см. Это явление представляло определенную угрозу для находящихся в бухтах судов. Как и на Сахалине, главную роль в формировании волнового поля играли резонансные колебания бухт, что характерно для этого вида морских опасных явлений. При этом возрастание энергии по сравнению с естественным длинноволновым фоном в диапазоне периодов от 5 мин до 1 ч было достаточно равномерным и примерно соответствовало возрастанию энергии флуктуаций атмосферного давления.

Приведенные примеры показывают, что метеоцунами периодически наблюдаются в портах южной части о-ва Сахалин, Курильских островов и могут оказывать негативное влияние на их работу, поэтому их изучению следует уделять больше внимания. О частоте подобных событий на Дальнем Востоке России и наносимом ими ущербе в настоящее время судить сложно, для их регистрации нужны специальные инструментальные измерения на разнесенной сети станций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Захве М. Метеоцунами: «Японская болезнь Адриатики» // Yacht Russia. 2015. № 3 (72). С. 62-67.

2. Ковалев Д.П., Шевченко Г.В., Ковалев П.Д. Возбуждение краевых волн атмосферными возмущениями на юго-восточном шельфе о-ва Сахалин // Геодинамические процессы и природные катастрофы. Опыт Нефтегор-ска: сб. материалов Всерос. науч. конф. с междунар. участием, г. Южно-Сахалинск, 26-30 мая 2015 г. Владивосток: Дальнаука, 2015. Т. 1. С. 307-311.

3. Литвин Е.Н., Показеев К.В., Шевченко Г.В. Исследование длинноволновых процессов в диапазоне периодов цунами на шельфе острова Шикотан // Физ. экология. 1998. № 1. C. 54-63.

4. Рабинович А.Б., Шепич Я. Метеорологические цунами: что это такое? // Природа. 2016. № 1. С. 12-26.

5. Greenspan H.P. The generation of edge waves by moving pressure disturbances // J. Fluid Mech. 1956. N 1. P. 574-592.

6. Proudman J. The effects on the sea of changes in atmospheric pressure // Mon. Notices R. Astr. Soc. Geophys. Suppl. 1929. N 2 (4). P. 197-209.

7. Rabinovich A.B., Monserrat S. Generation of meteorological tsunamis (large amplitude seiches) near the Balearic and Kuril Islands // Natural Hazards. 1998. N 18. P. 27-55.

8. 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 Tsunami Hazards. 2011. Vol. 30, N 1. P. 43-61.