Повторяемость штормового волнения на Южных Курильских островах по данным визуальных наблюдений и инструментальных измерений

Научная смена

Вестник ДВО РАН. 2017. № 1

Ячменёв Виталий Евгеньевич

Поступил на работу в лабораторию цунами Института морской геологии и геофизики ДВО РАН осенью 2015 г., после окончания Российского государственного геологоразведочного института им. С. Орджоникидзе (Москва). Годом ранее проходил производственную практику в этой же лаборатории, его дипломная работа была посвящена статистическому спектральному и спектрально-временному анализу инструментальных записей ветрового волнения датчиком придонного гидростатического давления по измерениям в прибрежной зоне о-ва Сахалин. В дальнейшем эта работа была продолжена, но уже на основе данных измерений, полученных на Южных Курильских островах. Их целью было изучение особенностей волновых процессов в прибрежной зоне при экстремальных штормах, возможность усиления резонансных колебаний в бухтах, условия формирования такого явления, как метеоцунами.

В.Е. Ячменёв является соавтором 2 статей, принимал участие в конференциях молодых ученых в ТОИ ДВО РАН и ИМГиГ ДВО РАН.

Хузеева Марина Олеговна

В 2007 г. окончила Дальневосточный государственный университет по специальности «Океанология». Работает в ФГБУ «Сахалинское УГМС» в должности начальника отдела гидрологии моря. С 2011 г. взаимодействует с аспирантурой ИМГиГ ДВО РАН под руководством доктора физ.-мат. наук Г.В. Шевченко.

Сформировала цифровую базу данных о ветровом волнении на побережье о-ва Сахалин и островов Курильской гряды, полученных на береговых гидрометеорологических станциях Сахалинского УГМС. В дальнейшем это позволило изучать статистические характеристики волнения в прибрежной зоне, а также внутригодовые и межгодовые вариации параметров штормового волнения.

Область научных интересов — волновые процессы в океанах и морях, в том числе в прибрежной зоне дальневосточных морей, статистический анализ характеристик штормового волнения у побережья о-ва Сахалин и островов Курильской гряды.

УДК 551.466.32

В.Е. ЯЧМЕНЁВ, М О. ХУЗЕЕВА

Повторяемость штормового волнения на Южных Курильских островах по данным визуальных и инструментальных измерений

Представлены результаты анализа данных визуальных наблюдений и инструментальных измерений штормового волнения на Южных Курильских островах. Показано, что в последние 10 лет число экстремальных штормов резко возросло. Изучена сезонная изменчивость интенсивности волнения. Получены и проанализированы инструментальные записи двух экстремальных штормов, наблюдавшихся 16-18 декабря 2014 г. и 8—9 октября 2015 г. в бухте Димитрова на о-ве Шикотан.

Ключевые слова: ветровое волнение, шторм, высота волны, период волны, инструментальные измерения, остров Шикотан, циклон, тайфун.

Recurrence of storm waves on the South Kuril Islands according to visual and instrumental measurements.

V.E. YACHMENEV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk), M.O. KHUZEEVA (Sakhalin Department of Hydrometeorology and Environmental Monitoring, Yuzhno-Sakhalinsk).

The results of the storm wave analysis according to visual and instrumental measurements in the area of South Kuril Islands are presented. It is shown that the number of extreme storms has increased rapidly in the last 10 years. The seasonal variability of the intensity of wind waves was studied. The instrumental records of two extreme storms of December 16—18, 2014 and October 8-9, 2015 in the Bay of Dimitrov on the Shikotan Island were obtained and analyzed.

Key words: wind waves, storm, wave height, wave period, instrumental measurements, Shikotan Island, cyclone, typhoon.

Данные о высотах и периодах ветровых волн необходимы для решения многих практических задач, в том числе для обеспечения безопасности мореплавания и морских портов, защиты морских берегов от абразии. Характеристики волнения изучаются также с целью развития теории ветрового волнения применительно к конкретным условиям различных акваторий, усовершенствования методов расчета элементов волн в прибрежной зоне и прогнозирования опасных ситуаций.

На данный момент характер волнения во время сильных штормов в районе Южных Курильских островов изучен сравнительно слабо и преимущественно на основе визуальных наблюдений на береговых гидрометеорологических станциях - ГМС [6]. Известные обобщения по этой теме [1, 3] содержат сведения о расчетных характеристиках сильного волнения в открытой части Охотского моря и северо-западной части Тихого океана, однако их нельзя использовать для прибрежных акваторий из-за сложного характера трансформации волнения на мелководье. Инструментальные измерения, дающие более точную информацию о характеристиках волнения у берегов Южных Курил, крайне немногочисленны. В последние несколько лет такие измерения проводятся ИМГиГ ДВО РАН в бухтах о-ва Шикотан с использованием автономных регистраторов волнения и уровня АРВ, основанных на измерениях придонного гидростатического давления на периодах от 1 с.

ЯЧМЕНЁВ Виталий Евгеньевич - инженер-исследователь (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск), *ХУЗЕЕВА Марина Олеговна - начальник отдела гидрологии моря (Сахалинское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Южно-Сахалинск). *Е-таП: marina-khuzeeva@ rambler.ru

наблюдений

В исследовании применялась программа пересчета данных о давлении с восстановлением поверхностного волнения по методике, предложенной в работе [4]. Все датчики выставлены с целью регистрации цунами. Это говорит о том, что данные характеризуют условия развития волнения локально.

Цель данной работы - изучение характеристик волнения и их изменчивости на различных стадиях развития сильных штормов у берегов Южных Курильских островов.

Штормовое волнение на Южных Курильских островах

Штормы в районе Южных Курил возникают под воздействием циклонов и тайфунов, образовавшихся в районе юго-восточной оконечности Азии и перемещающихся по прилегающей к Курильским островам акватории Тихого океана. Большое влияние на формирование штормового волнения оказывают также западные континентальные циклоны, зарождающиеся над северным Китаем, Манчжурией и Забайкальем. Траектории центров этих циклонов проходят с запада на восток и пересекают о-в Сахалин в направлении Охотского и Берингова морей [3]. Рассмотрим наиболее сильные шторма, параметры которых фиксировались визуально ГМС «Малокурильское» начиная с 1955 г.

Серия сильных штормов началась с экстремального события - шторма 7-10 октября 2006 г., во время которого высота волн со стороны Южно-Курильского пролива в первый день шторма достигала 5 м. В течение 20 последних лет до этого штормов подобной силы на о-ве Шикотан не наблюдалось [2]. Он был вызван глубоким циклоном (давление в центре 964-968 гПа, диаметр барического образования около 2400 км), смещавшимся вдоль северо-западной окраины Тихого океана к Южным Курильским островам (бывший тайфун «Бебинг») [6].

Центр циклона пришел в район Южных Курил, после чего продолжал смещаться в северо-восточном направлении. По данным наблюдений ГМС «Малокурильское», во время наиболее интенсивного шторма 7-8 октября на побережье о-ва Шикотан отмечался северо-восточный ветер со скоростью 30 м/с, порывы достигали 40 м/с. В Южно-Курильске (о-в Кунашир) направление ветра было северо-западное.

6-8 января 2007 г. над Южными Курилами прошел глубокий циклон с давлением в центре 950 гПа. Траектория его движения: северо-восточное побережье о-ва Хонсю - юго-восточное побережье о-ва Хоккайдо - о-в Симушир - далее на восток, в Тихий океан. Максимальной высоты в 5 м волнение достигло 8 января при северо-западном ветре силой 22 м/с, с порывами до ураганного (33 м/с). Были размыты дороги, подтоплен пирс.

Результаты воздействия экстремальных штормов 2006-2007 гг. на побережье о-ва Шикотан рассмотрены в работе [2]. Отмечено, что шторма близкой силы наблюдались на этом острове только во второй половине 1950-х годов. С тех пор таких событий здесь не было.

Глубокий циклон с давлением в центре 960 гПа наблюдался над Южными Курилами в декабре 2008 г. Он образовался из двух циклонов. Один из них 24 декабря вышел из акватории Желтого моря, затем прошел над Японским морем и через прол. Лаперуза сместился в юго-западную часть Охотского моря. Одновременно в Тихом океане развивался другой циклон, который, задев восточную часть о-ва Хонсю, 26 декабря также вышел в Охотское море. Циклон оставался здесь до 29 декабря. Максимальная высота волнения со стороны Южно-Курильского пролива 6 м зафиксирована 27 декабря при северо-западном ветре силой 27-33 м/с.

9-11 ноября 2010 г. в юго-западной части Охотского моря бушевал циклон с давлением в центре 975 гПа, зародившийся над Тихим океаном. При этом ветры западной четверти и северного направления в центральной части Охотского моря усилились до 18-23 м/с, в юго-западной - до 25-34 м/с. Высота волнения со стороны Южно-Курильского пролива 10 ноября достигала 5 м.

16-18 декабря 2014 г. на Южных Курилах наблюдался мощный циклон с давлением в центре 955 гПа. В Южно-Курильске и Курильске 17 декабря ветер усилился до 35-42 м/с,

с порывами до 51 м/с. В течение дня циклон сместился к западу вдоль северо-восточного побережья Хоккайдо, в ночь на 18 декабря совершил разворот на юго-восток и утром того же дня начал уходить в Тихий океан. Высота волнения в бухте Южно-Курильская 17 декабря достигала 4 м.

Шторм 8-9 октября 2015 г. был вызван тайфуном «Choi-Wan», который образовался в Тихом океане, в тропических широтах, и смещался в северо-западном и северном направлениях к Южным Курилам. 8 октября центр циклона уже располагался в районе Южных Курильских островов, давление в центре было 955 гПА. На побережье о-ва Шикотан наблюдался штормовой ветер северо-восточного направления скоростью 16-24 м/с, порывы достигали 45-48 м/с. Высота волнения со стороны Южно-Курильского пролива составляла 4 м. 9 октября тайфун начал медленно смещаться на север и через о-в Итуруп вышел в Охотское море, где давление в центре циклона повысилось до 970 гПа. На о-ве Шикотан, по данным наблюдений ГМС «Малокурильское», ветер северо-восточного направления ослабел до 11-15 м/с, с порывами до 34 м/с. Высота волны не превышала 2 м.

Сезонное распределение параметров волнения

ГМС «Малокурильское». С октября по март в районе гидрометеостанции преобладает волнение северо-западной четверти (в декабре его доля достигает 46,8 %, в январе - 45 %). Средние высоты волн 0,8-1,1 м. Повторяемость сильного волнения (1,5 м и более) в октябре составляет 15,5 %, и декабре-январе увеличивается до 34,2 %. Максимальные зарегистрированные высоты волн - от 10 до 12 м [6].

В апреле прослеживается увеличение волнений южного румба (до 22 %), но и северозападного также вносит значительный вклад (20,5 %) в общую картину. Среднемесячная высота волн 0,8 м. С апреля штормовая активность начинает ослабевать, и к маю повторяемость штормового волнения снижается до 7 %. Однако максимальная высота волны в апреле может достигать 8 м при северо-западном румбе.

С мая по сентябрь преобладающим румбом остается южный (до 32 %), величины среднемесячных высот составляют 0,4-0,5 м. Летом прибрежная акватория в районе ГМС «Малокурильское» наиболее спокойная, повторяемость штормового волнения падает до 2-3 %, к сентябрю увеличивается до 8,1 %. Максимальная высота волн в этот период находится в диапазоне от 5 до 8 м.

ГМС «Южно-Курильск». В холодный период (декабрь-март) в районе гидрометеостанции ветровое волнение преимущественно распространяется с северо-запада (до 49 %). В апреле начинается перестройка атмосферного поля к летнему типу, и на это направление приходится уже 28,5 %, наблюдается усиление волнения южной четверти (20,7 %).

Летом в районе ГМС «Южно-Курильск» преобладает волнение с юга, юго-востока и востока, со средними высотами 0,4 м, максимальными - 2,5 м.

В осенний период наибольший вклад вносит волнение с юга и юго-запада, в ноябре происходит увеличение волнения с северо-западного румба. Средние высоты волн увеличиваются до 0,7 м, максимальные - до 5 м.

Наибольшие высоты волн наблюдаются при штормах восточного направления, когда к побережью подходят волны со стороны Тихого океана [5].

По данным ГМС «Южно-Курильск», повторяемость штормового волнения в летние месяцы составляет 2-3 %, а в осенние месяцы увеличивается до 13 %.

Летние месяцы (июнь-август) в этом районе наиболее спокойные, интенсивность штормового волнения в связи со слабовыраженными атмосферными процессами резко падает по сравнению с осенне-зимним периодом. Количество дней с сильным волнением в этот период снижается в среднем до 1-5 дней, но высота волн может быть значительной (3-8 м).

Инструментальные измерения волновых процессов в бухте Димитрова о-ва Шикотан

Шикотан - самый крупный остров Малой Курильской гряды. Остров гористый, с абразионными и абразионно-денудационными берегами. Небольшие участки аккумулятивных берегов приурочены к вершинам бухт [2]. Как правило, здесь развиты узкие пляжи неполного профиля, прислоненные к уступам размыва в древних штормовых валах или низких морских террасах [2].

Одной из наиболее крупных полузакрытых бухт на о-ве Шикотан является бухта Димитрова (рис. 1). Она находится с тихоокеанской стороны острова, ее вершина разделена на отдельные небольшие бухты, в разной степени закрытые от прямого воздействия штормового волнения небольшими островами [2].

с.ш. 60°

55°

50е

45°

*

Охотское.\ оре да/ 1 .

я1л 1 1 ш г

к ~р

у ТИХИЙ дк ТЛИ

140°

150° 160°в.д.

Рис. 1. Место расположения датчиков регистрации волнения на о-ве Шикотан

Нами изучены инструментальные записи волновых процессов в бухте Димитрова при экстремальных штормах 2014-2015 гг. Для анализа особенностей волнения, строились графики изменения высот волн обеспеченностью 1, 2 и 13 % (последние соответствуют значимой высоте волны) по последовательным интервалам продолжительностью 15 мин. Под высотой волны обеспеченностью 1 % понимается такая высота, при которой число волн высотой больше данной составляет 1 % общего числа волн за данный промежуток времени.

В целом за период с 26 июля 2014 г. по 1 января 2015 г. отмечено 12 штормовых ситуаций, из которых 3 (16-17 октября, 1-3 и 16-18 декабря) можно отнести к сильным штормам, остальные были умеренными.

На общем фоне явно выделяется наиболее сильный шторм, разразившийся 17 декабря 2014 г. Хотя в этот шторм значимая высота волны достигала достаточно скромной отметки - 1,7 м (рис. 2), однако она была вдвое выше, чем при достаточно сильном шторме в октябре того же года. Отметим, что в начальной фазе шторма высота волны резко возрастала, а затем в течение примерно двух суток относительно плавно убывала.

Экстремальный шторм 8-9 октября 2015 г. был несколько слабее по сравнению с рассмотренным выше событием: значимая высота волны достигала 1,4 м (рис. 3). Зафиксированные сравнительно невысокие значения высоты волн, вероятно, связаны с тем, что регистратор был размещен в части бухты, закрытой от прямого действия волнения.

Анализ диаграммы текущего спектра показал, что 17 декабря 2014 г., когда начался шторм, в бухте Димитрова произошло возрастание сравнительно высокочастотного волнения с периодами 3-5 с. Но максимальная интенсивность приходилась на периоды 10-12 с, при этом еще один максимум интенсивности наблюдался на периоде около 6 с. При усилении штормового волнения заполняется инфрагравитационный диапазон и повышается

29 06-2014 19.0U.JOM <|МЖ20М li.0i.2D14 17,092014 07 10 2014 27.102014 16.11.2014 06.12.2014 26122014

Рис. 2. Значимая высота волн за период с 26 июля 2014 г. по 1 января 2015 г.

24 05.2015 13.06 2015 03.07.2015 2307 2015 12.08.2015 01 09 2015 21 »2015 11 10 2015 Рис. 3. Значимая высота волн за период с 24 мая по 22 октября 2015 г.

энергия колебания на периодах 30-300 с. На диаграммах присутствуют горизонтальные полосы на периодах 2,2 и 3,3 мин, наличие которых говорит о постоянном присутствии волн на этих частотах (при максимальной интенсивности шторма они выделяются слабее). Наличие спектральных максимумов на указанных периодах может быть связано с топографическими условиями, в нашем случае эти максимумы обусловлены высокочастотными резонансными модами бухт.

Шторм 8-9 октября 2015 г. проявился немного слабее. Диаграммы текущего спектра показали, что наиболее интенсивные колебания в бухте Димитрова вначале отмечены на периодах 8-9 с, после чего период спектрального максимума увеличился до 17-18 с, затем, по мере ослабления шторма, возвратился к исходным значениям. Ветровое волнение, в отличие от ситуации 16-18 декабря 2014 г., проявилось существенно слабее.

Заключение

Анализ многолетних рядов визуальных наблюдений за ветровым волнением на береговых ГМС, расположенных на Южных Курильских островах, показал, что за последние 10 лет экстремальные шторма заметно участились, повторяемость сильного волнения наиболее высока в осенне-зимний период (октябрь-январь), летом интенсивность волнения падает, что связано с особенностями атмосферных процессов.

В результате анализа инструментальных записей волнений в бухте Димитрова (о-в Шикотан) в период 2014-2015 гг. установлено, что экстремальные шторма выделялись на фоне общих характеристик волнения по высоте значимых волн. В отличие от обычных штормов, существенную роль в формировании волнения играли ветровые волны с периодами 4-6 с. При этом главный максимум высоты волн связан с низкочастотной зыбью (периоды 12-15 с, при вариациях от 8 до 18 с).

На диаграммах текущего спектра при штормах отмечено существенное повышение энергии колебаний в диапазоне инфрагравитационных волн (периоды от 30 до 300 с). В этом диапазоне в бухте Димитрова выделяются устойчивые полосы с более высокой энергией колебаний на периодах 2,2 и 3,3 мин, отвечающие короткопериодным резонансным модам морских бассейнов [5].

Полученные результаты могут быть полезны для обеспечения безопасности мореплавания и хозяйственной деятельности в прибрежной зоне Южных Курильских островов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Атлас волнения и ветра Тихого океана / ред. А.А. Ющак. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. 125 с.

2. Ганзей Л.А., Разжигаева Н.Г., Харламов А.А., Ивельская Т.Н. Экстремальные шторма 2006-2007 гг. на о. Шикотан: воздействие на прибрежный рельеф и осадки // Океанология. 2010. Т. 50, № 3. С. 458-467.

3. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. 9. Охотское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия. СПб.: Гидрометеоиздат, 1998. 342 с.

4. Кабатченко И.М., Косьян Р.Д., Красицкий В.П., Серых В.Я., Шехватов Б.В. Опыт эксплуатации волнографа-мареографа ВМ-04 // Океанология. 2007. Т. 47, № 1. С. 150-155.

5. Рабинович А.Б., Левянт А.С. Влияние сейшевых колебаний на формирование спектра длинных волн у побережья Южных Курил // Океанология. 1992. Т. 32, № 1. С. 29-38.

6. Хузеева М.О. Повторяемость штормового волнения в прибрежной части Южной Курильской гряды по данным наблюдений береговых гидрометеорологических станций // Геодинамические процессы и природные катастрофы. Опыт Нефтегорска. Владивосток: Дальнаука, 2015. С. 381-385.