Исследование цунами по данным глубоководных и прибрежных регистраторов

Научная смена

Вестник ДВО РАН. 2013. № 3

Лоскутов Артём Владимирович

Родился в Южно-Сахалинске. Окончив с отличием среднюю школу, поступил на физико-математический факультет Сахалинского государственного университета. В ИМГиГ ДВО РАН начал работать еще в студенческие годы. Молодой техник лаборатории цунами сразу же был вовлечен в научную работу под началом тогдашнего заведующего лабораторией Виктора Михайловича Кайстренко. После успешного окончания университета был зачислен в аспирантуру ИМГиГ по специальности «Физика океана и атмосферы». Научный руководитель - кандидат физико-математических наук В.М. Кайстренко.

А.В. Лоскутов занимается теоретическим исследованием цунами. В сферу его научных интересов входит также теория и практика обработки случайных данных, численное моделирование цунами и программирование. Автор имеет публикации в отечественных и иностранных журналах, активно участвует в региональных и местных научных конференциях. В настоящее время готовится к защите диссертации на соискание степени кандидата физико-математических наук по теме «Исследование цунами по данным глубоководных датчиков DART».

УДК 551.466.62 А.В. ЛОСКУТОВ

Исследование цунами

по данным глубоководных и прибрежных

регистраторов

Рассматриваются некоторые аспекты натурных измерений уровня моря с использованием сети донных регистраторов ИМГиГ ДВО РАН в прибрежной зоне во взаимосвязи с регистрацией цунами в открытом океане системой DART. Отмечены возможности анализа длинных гравитационных волн по натурным записям и значение подобных измерений для заблаговременного предупреждения и моделирования цунами. Приведены результаты исследования цунами с использованием уровенных данных.

Ключевые слова: цунами, уровень моря, донный датчик, DART, дисперсия, спектры, численное моделирование, запись, сигнал, вейвлеты.

Tsunami study by data of deep-sea and near-shore gauges. A.V. LOSKUTOV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

ЛОСКУТОВ Артём Владимирович - младший научный сотрудник (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). E-mail: loskutov@imgg.ru

Some aspects of field measurements of sea level using the network of bottom pressure gauges of IMGG FEB RAS in the coastal zone in relation to tsunami registration in the open ocean by DART system are considered. Possibilities for theoretical analysis of long gravity waves based on gauge records and its role in the problem of early warning and modeling of tsunami are shown. Some results of tsunami studies using sea-level data are shown.

Key words: tsunami, sea level, bottom gauge, DART, dispersion, spectra, numerical simulation, recording, signal, wavelets.

Изучение цунами в значительной мере базируется на натурных наблюдениях за уровнем моря. Многие исследовательские центры в России и за рубежом, занимающиеся проблемой цунами, используют измерительные комплексы, поставляющие данные о длинноволновой динамике прибрежной зоны и открытого океана. К примеру, в ИМГиГ ДВО РАН совместно двумя лабораториями - цунами и волновой динамики и прибрежных течений - создана и поддерживается исследовательская сеть донных датчиков гидростатического давления в прибрежной зоне и на шельфе Сахалина и Курильских островов [11], с помощью которой отслеживается динамика волн в широком диапазоне частот - от ветровых до приливных. Эта сеть датчиков позволила успешно зарегистрировать несколько цунами.

Получаемый материал используется для анализа проявлений уже случившихся цунами, изучения их особенностей, зависящих от батиметрических параметров акватории и характера береговой линии, а также бухтовых эффектов, сопровождающих цунами. Однако для того чтобы заблаговременно предупредить население о надвигающейся угрозе, необходима регистрация цунами при его зарождении в океане, задолго до подхода волны к побережью. В настоящее время преимущественно усилиями США развернута сеть глубоководных станций DART NOAA (Deep-Ocean Assessment and Reporting of Tsunamis by National Oceanic and Atmospheric Administration) в Мировом океане. С ее помощью осуществляются наблюдения за уровнем в открытом океане в реальном времени более чем в 50 пунктах, расположенных так, чтобы можно было реализовать практические задачи Службы цунами. В дополнение к «служебным» функциям система DART поставляет высококачественные данные о колебаниях уровня моря (расположенные на больших глубинах вдали от берега, датчики генерируют записи, не искаженные шельфовыми эффектами). Такие данные наиболее пригодны для решения «обратных» задач, в том числе для оценки параметров исходного возмущения в очаге цунами.

В настоящей работе приведены результаты использования прибрежных и глубоководных уровенных данных для изучения цунами.

Сеть регистраторов ИМГиГ ДВО РАН

В 60-70-х годах прошлого века ИМГиГ ДВО РАН (ранее САХНИИ ДВНЦ АН СССР) стал пионером в области разработки и проведения натурных измерений уровня моря на различном удалении от берега посредством донных регистраторов давления [10]. Работы по регистрации цунами в океане проводились по инициативе академика С.Л. Соловьева на Гидрофизической обсерватории о-ва Шикотан. Разработчиком регистраторов цунами был В.М. Жак. 23 февраля 1980 г. на шельфе Шикотана была осуществлена первая в мире регистрация цунами в открытом океане при помощи кабельной донной станции [2].

В тяжелые для науки 1990-е годы регистрация уровня велась лишь эпизодически в некоторых бухтах Южных Курильских островов. С 2006 г. ИМГиГ ДВО РАН начал создавать сеть уровенной регистрации на новой приборной основе. В настоящее время сеть кабельных и автономных регистраторов уровня развернута на Сахалине и Курильских островах (рис. 1). В целом конфигурация сети меняется в зависимости от решаемых задач, однако в ряде пунктов осуществляется непрерывная регистрация уровня. В ходе этих измерений были получены записи колебаний уровня, вызванных цунами последних лет [11, 13-15] (рис. 2).

Рис. 1. Фрагмент исследовательской сети непрерывной уровенной регистрации ИМГиГ ДВО РАН на Южных Курильских островах. Условные обозначения: квадраты - кабельные донные станции, круги - автономные станции

Рис. 2. Примеры записей Чилийского цунами 27 февраля 2010 г. (слева) и Тохоку цунами 11 марта 2011 г. (справа), полученных датчиками сети ИМГиГ ДВО РАН на Курильских островах

Система DART PMEL NOAA

Чтобы обеспечить раннюю регистрацию цунами и получать информацию для прогнозирования цунами в реальном времени, в лаборатории PMEL NOAA (Сиэтл, США) в 1990-х годах были разработаны глубоководные станции DART. Первая серия из 6 станций была установлена в 2001 г. в североамериканской части Тихого океана, в районах, где исторически наблюдались цунами. К марту 2008 г. сеть была расширена до 39 станций по всему Тихому океану. В настоящее время действует 58 станций: по 6 в Индийском и Атлантическом океанах и 46 в Тихом (рис. 3).

Каждая станция DART состоит из покоящегося на дне датчика давления воды и температуры и поверхностного буя, закрепленного около станции тяжелым якорем. В буй вмонтировано передающее устройство.

Донный датчик, измеряя давление и температуру каждые 15 с, обрабатывает и передает информацию посредством акустического сигнала на буй, который, в свою очередь,

Рис. 3. Расположение станций DART в Мировом океане по состоянию на 2013 г.

сообщает информацию по спутниковому каналу связи в центры оповещения цунами. Благодаря эффективному встроенному алгоритму распознавания цунамиподобных возмущений система DART с высокой надежностью выдает сигнал о возможном цунами. Ни одно из крупных событий последнего десятилетия не было упущено, и по ним получены превосходные записи цунами. Кроме того, система DART способна регистрировать (с искажениями) приходящие поверхностные волны Рэлея, которые создают высокочастотные колебания давления. Важно, что на записях отчетливо видны моменты вступления сейсмических волн и последующих волн цунами (рис. 4).

21415

4 6 8 10 12 14 16

Время, ч

Рис. 4. Записи станциями DART Тохоку цунами 11.03.2011 г. в курило-японской части Тихого океана [1] Обработка и анализ материалов

Измерение уровня в диапазоне длинных волн с помощью датчиков давления, используемых в системе DART и регистраторах ИМГиГ, основано на пересчете регистрируемого давления воды на дне в показатель возвышения свободной поверхности океана

над невозмущенным положением уровня. В типовом режиме работы внутренняя система регистраторов ИМГиГ производит измерение давления с периодом порядка 1 с, фильтрует короткопериодные колебания в рядах полученных значений и записывает итоговые данные с периодом порядка 15-60 с. Для изучения ветрового и сопутствующего волнений данные записываются с частотой порядка 10 Гц [3]. Станции системы DART имеют несколько режимов регистрации. В «приливном» режиме данные формируются с дискретностью 15 мин и хорошо описывают только прилив. В режиме цунами станция автоматически переходит на 1-минутный или 15-секундный отсчет.

Применяя принцип суперпозиции, можно с большой степенью точности рассматривать прилив независимо от остальных колебаний, поэтому при анализе данных обычно производят вычитание прилива (приливные волны хорошо детерминированы и предвы-числяемы). Полученные остаточные ряды и составляют натурную основу исследования цунами, метеоцунами, сейш, шельфовых и других типов волн [9].

Данные прибрежных регистраторов позволяют оценивать спектральные характеристики как приходящих цунами, так и установившихся колебаний. Спектральный метод эффективен при анализе модового состава резонансных колебаний, а совместно с численным моделированием позволяет определять пространственную структуру собственных колебаний в акваториях портов и бухт [5-8].

Широко применяется также спектрально-временной анализ, или вейвлет-анализ, записей. С помощью этого метода изучается не только частотный состав колебаний, но и динамика энергии колебаний по времени и частоте. Метод позволяет эффективно отслеживать дисперсию волн на шельфе и в океане.

В настоящее время ведутся работы по использованию данных о реальных цунами, полученных сетью DART, для решения наименее изученного вопроса - о форме начального возмущения поверхности океана, которая и порождает цунами. Удовлетворительное, а главное заблаговременное получение информации о форме очага может сыграть решающую роль в точном прогнозе цунами на основе численного моделирования, а сами записи DART могут служить прекрасным проверочным материалом к численным моделям. Существуют различные методы оценки параметров источника по записям DART. Один из них заключается в применении метода наименьших квадратов с использованием базы синтетических мареограмм, полученных путем расчета цунами от модельных источников [16]. Можно также проводить инверсию записей на основе физических представлений о дисперсии [4].

Расчет резонансных колебаний в бухтах

Одним из опасных проявлений цунами на побережье является резонансное усиление собственных колебаний в портах и бухтах, вызванное приходящими волнами с периодами, близкими к собственным периодам акватории. Для оценки опасности цунами в этом случае необходимо знать пространственное распределение максимумов колебаний (пучностей) и положение узловых линий - мест с наибольшими скоростями течений. Также весьма важно рассчитывать коэффициенты усиления амплитуд волн на входе по сравнению с прибрежной зоной и добротность бухты на резонансных периодах.

При возникновении сейшевых колебаний при цунами через некоторое время колебательный процесс в бухте можно считать приближенно стационарным, состоящим из затухающих гармонических колебаний. В таком случае эффективным методом оценки периодов и добротностей основных мод бухты является расчет параметров авторегрессионной модели (AR-процесса) [1, 6, 12]. Суть метода состоит в подборке коэффициентов разностного аналога дифференциального уравнения, наилучшим образом описывающего изучаемый случайный процесс. В результате применения такого метода мы получаем набор основных собственных частот акватории с соответствующими коэффициентами затухания.

Предлагается следующий алгоритм расчета собственных мод:

1) вычитание прилива из натурных данных донных датчиков сети ИМГиГ;

2) фильтрация высоких частот и удаление трендов;

3) оценка спектров мощности стационарного резонансного шума;

4) построение ЛЫ-моделей обработанных данных;

5) расчет параметров ЛЫ-модели и вычисление резонансных периодов и коэффициентов затухания (добротностей);

6) численное моделирование колебаний уровня в бухте со случайным волновым («белым») шумом на входе в бухту;

7) расчет полей коэффициента усиления на периодах, вычисленных в ЛЫ-модели (пункт 5);

8) визуализация пространственных структур мод.

Результаты применения описанного алгоритма на примере бухты Крабовая о-ва Шикотан представлены в таблице и на рис. 5 (см. вклейку). Из таблицы и рис. 5 видно, что приведенные выше оценки колебательных параметров главных мод бухты Крабовая вполне правдоподобны. Добротность бухты как резонатора показывает, насколько медленно резонатор теряет энергию. Чем добротность выше, тем медленнее затухают собственные колебания. Небольшие значения добротностей и времен затухания согласуются с тем, что у бухт с открытой конфигурацией, как у бухты Крабовая, сейши быстро затухают из-за интенсивного излучения волновой энергии в открытый океан.

Оценки периодов и добротностей основных мод для бухты Крабовая

Период

3 0,1 7,2 1,6 0,32 7,2

6 0,1 7,5 1,4 0,18 4,2

12 0,4 7,6 0,9 0,08 2,0

30 0,4 50,5 8,6 0,03 5,3

Характер пространственной структуры низкочастотных мод собственных колебаний с периодами 30 и 12 мин, попадающими в диапазон периодов цунами, показывает, что наибольшие высоты волн цунами будут наблюдаться в конечной части бухты, где собственно и расположены портовые сооружения.

Инверсия DART-сигналов как решение задачи оценки источника цунами

Записи цунами DART не осложнены береговыми и шельфовыми эффектами, и они открывают возможность выявить особенности дисперсии цунами практически в чистом виде. Дисперсия цунами обусловлена различной скоростью распространения волн разной частоты и определяется уравнением:

ю2 = gk tanh kH,

где ю - циклическая частота волны, k - волновое число, g - ускорение свободного падения, H - средняя глубина океана.

Из-за дисперсии компактный волновой пакет цунами растягивается по мере распространения: наиболее длинные волны опережают короткие.

Метод, примененный в работе [4] и развитый с учетом кривизны луча распространения цунами и неровностей дна вдоль него, дает интересные результаты применительно к небольшим цунами, источник которых четко локализован в небольшой области океана.

Дисперсионное сжатие как процесс, обратный к «расплыванию» пакета во времени, с точки зрения обработки сигнала описывается фазовой инверсией. Одномерный вариант

алгоритма такого обращения по времени, без учета радиального затухания, состоит из трех этапов:

1) Фурье-преобразование исходного сигнала F: x(t) ^ Х(а>);

2) фазовая поправка с учетом дисперсии (1): X(m) ^ elk(w)AsX(m);

3) обратное Фурье-преобразование F-1: elk(w)AsX(m) ^ xg(t),

где k(m) - волновое число, отвечающее Фурье-компоненте сигнала x(t) c частотой а> согласно (1); As - расстояние от источника до точки (станции DART), в которой измеряется сигнал x(t); elk(w)As - комплексная фаза.

Таким образом, данная техника позволяет определить форму сигнала цунами вблизи источника, а при многократном вычислении на различных расстояниях можно оценить также и пространственное распределение начального возмущения цунами. В качестве примера на рис. 6 приведены результаты применения алгоритма фазовой инверсии записей слабого цунами 7 декабря 2012 г. в 08:18 UTC (Mw = 7,3), произошедшего рядом с о-вом Хонсю. Достаточно растянутые волновые пакеты, зарегистрированные станциями DART, изначально были очень компактными и отвечали сравнительно небольшому очагу цунами диаметром около 100 км.

-00 Е 5

— /?

i.-_f.  Л - V.W- - Л^.л-г- у.гл,,.-. у ur_

1 ' 1 • 1 ' 1

а . _

и Т

а.00 10:00

Время, ч

»о о ш «ю ю Расстояние, км

й с -

5 л в

St

0в:1в.М = ?.Э X J  ' |

— Запись DART __

12:оп 2 7:Mt Л

П П О 1 -

„CL

....... щ :-

3:00 10:00

Время, ц

-0.5

Уровень

свободной

поверхности

-ОТ о ХЛ 400 iM

Расстояние,км

Рис. 6. Вейвлет-спектры (сверху), записи DART и рассчитанное начальное возвышение свободной поверхности в источнике цунами. Жирной линией показан уровень теоретической дисперсии

Заключение

Исследования цунами и его проявлений базируется на натурных наблюдениях. Самым надежным и богатым источником информации о цунами служат инструментальные измерения уровня моря в прибрежной зоне и в открытом океане. С середины прошлого века в ИМГиГ ДВО РАН и ряде других организаций страны и за рубежом ведется непрерывная работа по разработке, совершенствованию и расширению систем регистрации уровня моря на основе датчиков донного давления.

Глубоководные датчики предоставляют информацию об источнике цунами и являются одной из основ современной службы цунами. Прибрежные измерения позволяют анализировать проявления цунами на побережье и количественно оценивать цунамио-пасность.

В результате исследования уровенных рядов, полученных в бухтах и заливах Курильских островов, на основе авторегрессионной модели оценены периоды и декременты затухания главных мод сейшевых колебаний. Показано, что AR-метод является надежным способом получения такой важной характеристики акватории, как ее добротность. На примере бухты Крабовая (о-в Шикотан) установлено, что в бухтах вытянутой формы с открытым входом возбуждаются главные моды с преимущественно продольной

пространственной структурой собственных колебаний. Максимальные заплески цунами в таких бухтах происходят в их удаленных от входа частях.

Метод фазовой инверсии глубоководных записей для оценки параметров источника цунами дополнен процедурами, учитывающими кривизну луча распространения цунами и неровности дна вдоль него.

ЛИТЕРАТУРА

1. Джумагалиев В.А., Куликов Е.А., Соловьёв С.Л. Анализ колебаний уровня в Малокурильской бухте, вызванных цунами 16 февраля 1991 г. // Изв. РАН. Сер. ФАО. 1993. Т. 29, № 6. С. 848-854.

2. Дыхан Б.Д., Жак В.М., Куликов Е.А., Лаппо С.С., Митрофанов В.Н., Поплавский А.А., Родионов А.В., Соловьев С.Л., Шишкин А.А. Первая регистрация цунами в открытом океане // ДАН СССР. 1981. Т. 257, № 5. С. 1088-1092.

3. Иволгин В.И., Ковалёв Д.П., Ковалёв П.Д., Кузнецов К.И. Регистрация ветрового волнения донным датчиком гидростатического давления // Вестн. Тамбов. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. 2011. Т. 16, вып. 5. С. 1272-1276.

4. Куликов Е.А., Гонзалес Ф.И. Восстановление формы сигнала цунами в источнике по измерениям колебаний уровня океана удаленным датчиком гидростатического давления // ДАН СССР. 1995. Т. 344, № 6. С. 814-818.

5. Лоскутов А.В., Богданов Г.С. Анализ волновых процессов в бухте Броутона (о. Симушир) // Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз: IV Сахалин. молодеж. науч. школа, Южно-Сахалинск, 2-5 июня 2009 г.: сб. материалов. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2010. С. 204-211.

6. Лоскутов А.В. Исследование модового состава колебаний в бухтах с использованием AR-модели // Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз. V Сахалин. молодеж. науч. школа, Южно-Сахалинск, 8-11 июня 2010 г.: сб. докл. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2011. С. 292-298.

7. Лоскутов А.В. Исследование пространственной структуры собственных колебаний в бухтах Крабовая и Хромова о-ва Шикотан // Мореходство и морские науки-2009: избр. докл. Второй Сахалин. региональной морской науч.-техн. конф., Южно-Сахалинск, 23 сентября 2009 г. / ред. В.Н. Храмушин. Южно-Сахалинск: СахГУ, 2010. С. 161-166.

8. Лоскутов А.В. Исследование пространственной структуры собственных колебаний в бухтах Крабовая и Церковная (о. Шикотан. Курильские острова) // Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз: IV Сахалин. молодеж. науч. школа, Южно-Сахалинск, 2-5 июня 2009 г.: сб. материалов. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2010. С. 198-203.

9. Рабинович А.Б. Длинные гравитационные волны в океане: захват, резонанс, излучение. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 240 с.

10. Шевченко Г.В. История исследования цунами (ИМГиГ ДВО РАН) // Вестн. ДВО РАН. 2011. № 6. С. 19-26.

11. Шевченко Г.В., Ковалёв П.Д., Богданов Г.С., Шишкин А.А., Лоскутов А.В., Чернов А.Г. Регистрация цунами у берегов Сахалина и Курильских островов // Вестн. ДВО РАН. 2008. № 6. С. 23-33.

12. Neumaier A., Schneider T. Estimation of parameters and eigenmodes of multivariate autoregressive models // ACM Trans. Math. Softw. 2001. Vol. 27, N 1. P. 27-57. DOI: 10.1145/382043.382304.

13. Shevchenko G., Ivelskaya T., Loskutov A., Shishkin А. The 2009 Samoan and 2010 Chilean Tsunamis Recorded on the Pacific Coast of Russia // Pure and Appl. Geophys. Springer Basel AG, 2012. P. 1-17. DOI: 10.1007/s00024-012-0562-9.

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

15. Shevchenko G., Shishkin A., Bogdanov G., Loskutov A. Tsunami measurements in bays of Shikotan Island // Pure and Appl. Geophys. 2011. Vol. 168. P. 2011-2021.

16. Wei Y., Cheung K., Curtis G., McCreery C. Inverse Algorithm for Tsunami Forecasts // J. Waterways, Port, Coastal and Ocean Eng. 2003. Vol. 129, N 2. P. 60-69.

К статье Д.П. Ковалёва, П.Д. Ковалёва К статье А.В. Лоскутова

«Исследование особенностей генерации «Исследование цунами по данным

инфрагравитационных волн глубоководных и прибрежных

в прибрежной зоне моря» регистраторов»

Спектр, м2с

20.09 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 1.10 2 Время, сут.

Спектр, м2с

20.09 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 1.10 2

Время, сут. Спектр, м!с

20.09 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 1.10 2

Время, сут.

Рис. 4. Текущие спектры колебаний уровня моря с секундной дискретностью и вычтенным приливом для датчиков № 22 (а), № 26 (б), № 38 (в), установленных на различном расстоянии от берега

Рис. 5. Пространственная структура основных мод бухты Крабовая, рассчитанная при помощи численного моделирования отклика бухты на случайный волновой шум на входе. Шкалы отражают градацию коэффициента усиления