Структура и динамика дальневосточных морей россии и

2 Физические особенности возникновения и развития линейных и нелинейных ветровых волн Инструментальное наблюдение поверхностных волн в Охотском море в настоящее время вызвано необходимостью обеспечения безопасности работы буровых установок и нефтяных платформ по добыче в шельфовой зоне моря нефти и газа. Также до настоящего времени в инженерных расчетах практически не прослеживается вероятность появления в данной акватории аномально больших волн (волн-убийц), которые представляют для судов и морских сооружений не только большую опасность, но и возможность затонуть за считанные минуты. Так как волны-убийцы, то есть волны большой амплитуды, неожиданно появляются как бы из ниоткуда и так же быстро исчезают, то основным источником информации об их появлении являются в настоящее время судовые и спутниковые наблюдения. Для того чтобы изучить природу возникновения такого явления, как волна-убийца, а также оценить с достаточной точностью основные статистические характеристики волнения, необходимо проводить непрерывные измерения колебаний уровня моря. Начиная с 2009 года, Специальным конструкторским бюро средств автоматизации морских явлений ДВО РАН проводятся непрерывные измерения колебаний уровня моря у южных берегов острова Сахалин. С 2009 года измерения проводились на мысе Анива и в глубине Анивского залива на западном и восточном побережье (в районе п. Новиково и п. Кириллово). С 2011 года работы так же проводятся в районе мыса Свободный (рисунок 2.1). Рисунок 2.1 – Район проведения инструментальных наблюдений волнения моря СКБ САМИ ДВО РАН Средства измерения Измерения проводились с помощью автономных донных регистраторов придонного давления АРВ-К12, произведённых в КБ г. Углич. Прибор выполнен в корпусе из нержавеющей стали и имеет цилиндрическую форму. На рисунке 2.2 показана принципиальная конструкция датчика. В качестве первичных преобразователей физических величин используются кварцевые резонаторы. Такой выбор не случаен: пьезорезонаторные элементы имеют малую температурную зависимость и высокую точность. Диапазон измерения давления (глубина погружения) до 100 м, относительная погрешность давления 0,06%, общий ток потребления 12 мА, разрешающая способность – 0,3 мм водного столба, диапазон рабочих температур от - 6 до + 40 °С. Автономность приборов составляет около 6 месяцев. Дискретность измерений 1 секунда. Прибор устанавливается на якорь. Глубина постановки прибора на мысе Свободный 12 м. Из-за малой глубины ветровые волны здесь являются мелководными, и их измерение может производиться с помощью датчиков давления с использованием гидростатических формул пересчета. Эти приборы уже использовались для регистрации Симуширского цунами 2006 года и Невельского цунами 2007 года, а также для регистрации длинных волн на Курильских островах. Рисунок 2.2 – Конструкция автономного регистратора придонного давления (АРВ-К12) Использование автономного прибора АРВ-К12 является удобным, так как установка и обслуживание являются достаточно нетрудоемкими. Установка прибора на дне моря продолжительностью 6 месяцев исключает передачу данных в режиме реального времени. СКБ САМИ ДВО РАН с 2010 года ведёт работы по передаче данных в режиме реального времени на сервер СКБ САМИ с последующей автоматической обработкой. В качестве полигона используется мыс Свободный. К настоящему времени выполнены работы по установке веб-камеры, которая в режиме реального времени также передаёт данные на сервер www.skbsami.ru. В 2011 году были проведены испытания прибора, позволяющего организовать регистрацию измерений и передачу данных. При организации наблюдений морского волнения в режиме реального времени на м. Свободный три основные проблемы: 1) непостоянный источник электроэнергии, с высокой вероятностью перебоев в течение нескольких часов; 2) нестабильная связь с местом натурных наблюдений, вызванная нестабильным и слабым сигнал сотовой станции; 3) надежное подключение датчиков к береговому комплексу. Рисунок 2.3 – Принципиальная схема программно-аппаратного комплекса регистрации волнения в режиме реального времени Разработка СКБ САМИ позволяет решить эти проблемы, с помощью относительно недорогих и, как показала практика, эффективных методов. В основе комплекса удаленного мониторинга морского волнения лежит персональный компьютер с низкой потребляемой мощностью и достаточно большим временем автономной работы (15 часов). К нему подключается дополнительная аккумуляторная батарея, позволяющая существенно продлить срок автономной работы комплекса. Датчик давления подключается к комплексу посредством соединения схемой согласования с микроконтроллером MSP430AFE253, который обеспечивает предварительную обработку аналогового сигнала с датчика давления, кроме того еще позволяет дополнительно подключать другие аналоговые датчики, такие как датчики температуры, солености, электропроводности и т.д. Данный микроконтроллер зарекомендовал себя, как надёжное устройство, он обеспечивает длительную работу устройств в портативных применениях за счет гибкой системы энергосбережения, позволяя динамически переключаться между пятью уровнями производительности, снижая энергопотребление приложения в те моменты, когда оно не активно и возвращаться снова в активный режим со скоростью менее 1мкс. В активном режиме микроконтроллер потребляет 220 мкА на 1 МГц, в спящем режиме 0,5 мкА на 1 МГц при напряжении питания 2,2 В. Еще одной важной отличительной особенностью этого микроконтроллера является наличие модуля SD24_A, содержащего три независимых 24-битных сигма-дельта АЦП и генератор опорного напряжения. Каждый АЦП содержит три мультиплексированных дифференциальных входа. Один из входов используется для подключения внешних источников сигнала, два других канала каждого АЦП подключены к терморезистору для оценки температуры микроконтроллера и делителю напряжения питания. Аналого-цифровые преобразователи модуля SD24_A построены на базе сигма-дельта модулятора второго порядка и цифровых децимирующих фильтров. Коэффициент децимации может принимать значения до 1024. В случае необходимости, дополнительная децимация может быть реализована програмно. В зависимости от выбранного коэффициента децимации, разрядность результата преобразования составляет от 15 до 30 бит. По умолчанию установлен коэффициент децимации 256, что обеспечивает 24-битный результат на выходе цифрового фильтра. Встроенный опорный генератор АЦП выдает напряжение 1,2 В. Этот сигнал может быть выведен на вывод VREF микроконтроллера. На этот же самый вывод подается опорное напряжение при использовании внешнего генератора. Несколько аналого-цифровых преобразователей могут быть синхронизированы между собой для осуществления одновременного захвата внешних сигналов. Каждый из преобразователей содержит встроенный усилитель с цифровым управлением и коэффициентом усиления до 32. Также микроконтроллер содержит 16-битный аппаратный умножитель, сторожевой таймер, способный работать в режиме интервального таймера, 16-битный таймер общего применения с тремя регистрами захвата сравнения и универсальный последовательный интерфейс USART, конфигурируемый как UART, либо SPI. Данный контроллер посредством адаптеров RS485/USB подключается к персональному компьютеру, где происходит предварительная обработка отсчетов, посылаемых микроконтроллером. В соответствие с этими алгоритмами обработки, был разработан и отлажен специализированный программный комплекс, реализованный на Delphi со вставками ассемблерного кода. Для организации связи комплекса с сервером мониторинга, необходим стабильный интернет-канал, м. Свободный обладает слабым покрытием сотовой связью. Поэтому для увеличения стабильности сигнала была применена направленная антенна, ориентированная в сторону сотовой вышки, а также промышленный модем, обеспечивающий стабильный прием сигнала сотовой станции. Как выяснилось в процессе работы с ними, модем обладает существенно большей стоимостью по сравнению с бытовыми GPRS-адаптерами, но в нем отсутствует недостаток, выявленный при работе с бытовыми адаптерами. Бытовые GPRS-модемы, комплексно реализуемые сотовыми компаниями, не держат постоянного подключения к интернету более полутора суток. Для установления соединения после подобного разрыва требуется не просто его включение-выключение, а снятие напряжения с USB порта, что вызывает большие трудности. Промышленные же модемы гарантируют постоянное соединение в течение долгого времени. Данная разработка решает несколько проблем, возникающих при организации регистрации времени морского волнения в режиме реального. Схема блока регистрации, предварительной обработки и передачи данных приведена на рисунке 2.4. Рисунок 2.4 – Схема блока регистрации, предварительной обработки и передачи данных где 1. ДД – датчик давления (опрос с периодичностью 5 – 10 ГЦ на выбор). 2. АЦП2, АЦП3 – возможность подключить еще аналоговые датчики с такой же периодичностью опроса. 3. СС-схема согласования. 4. MSP430AFE253 – микроконтроллер с 3 канальным 24 битным сигма-дельта АЦП с дифференциальными входами. 5. ГМ – гидрофонный модуль. 6. СП – схема питания. 7. ББП – блок бесперебойного питания. 8. СРП – схема резервного питания. 9. АЦП – аналога цифровой преобразователь. 10. ПК – персональный компьютер 11. HDD – жесткий диск на 1 терабайт (при частоте дискретизации записи с ГМ 50к его хватит приблизительно на 117 дней). 12. Интернет – возможен как спутниковый канал передачи данных, так и сотовый Для хранения и обработки данных, полученных в результате натурных экспериментов, разработана и реализована система хранения гидрологических данных, на которую получено свидетельство о регистрации ПО № (2011610808). Информационная система представляет собой расчетный программный комплекс с модульной архитектурой. В качестве основных единиц декомпозиции продукта можно выделить следующие: - блок хранения данных; - пользовательский интерфейс, представленный в виде сайта; - блок обработки данных (набор оптимизированных программ); - блок управления запросами пользователя (набор php-скриптов). В основе архитектуры системы лежит клиент-серверная технология. Соответственно, выделяют клиентскую и серверную стороны приложения. Клиентская сторона приложения функционирует на рабочем месте пользователя, в роли которого выступает браузер персонального компьютера. Серверная сторона функционирует на специализированном комплексе, включающем в себя мощные аппаратные средства, требуемый набор стандартного программного обеспечения, систему управления базами данных и собственно структуры данных. На рисунке 2.5 изображено послойное представление архитектуры системы. Рисунок 2.5 – Послойное представление архитектуры системы Взаимодействие клиентской и серверной частей приложения осуществляется через сеть – локальную или глобальную. При этом с точки зрения клиента и сервера взаимодействие осуществляется прозрачно, соответственно сетевой компонент включает в себя совокупность необходимого сетевого оборудования, набор программных технологий, обеспечивающих передачу данных между узлами сети, а также собственно протокол или протоколы для обмена запросами и результатами их выполнения. Система состоит из трех слоев или компонент: компонент ввода-вывода, компонент прикладной логики и компонент хранения базы данных. При этом компонент прикладной логики находится на промежуточном слое, который является клиентом для базы данных и сервером для пользователя. На стороне пользователя выполняются только операции визуализации и ввода-вывода данных, а всю прикладную логику реализует сервер. Обмен между клиентом и сервером в таких системах осуществляется на уровне команд вывода данных на экран и результатов пользовательского ввода. 2.1 Определение колебаний уровня моря по данным пульсаций давления на дне На практике расчет донного давления, вызванный морскими волнами (как и обратная задача восстановления поля морских волн по показаниям донных датчиков) выполняется в рамках линейной теории. В соответствие с ней, используя спектральный подход, легко найти одноточечную связь между колебаниями уровня моря и вариациями донного давления. В результате, давление на дне становится полностью определенным при известных характеристиках морских волн. Однако линейная теория интуитивно хорошо работает лишь в случае небольшой амплитуды волн, когда же волнение приобретает нерегулярный и нелинейный характер, например, как в случае штормового волнения, полагаться на линейную теорию некорректно. Так, например, ранее показано, что предсказания линейной теории при решении обратной задачи отличаются от измеренных в лабораторных условиях на 15-20%, и это отличие связывается с нелинейностью и шумами приборов. Сравнительно недавно начались расчеты донного давления при прохождении установившихся (прогрессивных) периодических и уединенных волн в рамках полно нелинейных уравнений Эйлера. Однако уравнения, полученные в этих работах, является громоздкими и непростыми для их решения. Главная трудность в решении подобных нелинейных задач связана с принципиальной неодномерностью нелинейной краевой задачи. Однако для описания волнового поля в прибрежной зоне можно успешно применять приближенные нелинейные уравнения Буссинеска. Такой является система уравнений Грина-Нагди, которая не включает вертикальной координаты. В рамках этой системы, давление на дно связано с колебаниями морской поверхности относительно простыми выражениями. Здесь мы дадим сопоставление формул линейной теории с предсказаниями в рамках системы Грина-Нагди для донного давления, вызванного прохождением уединенной волны (солитона) большой амплитуды. Модель Грина-Нагди Воспроизведем здесь кратко основные уравнения модели Грина-Нагди для волн, распространяющихся в одном направлении , (2.1) , (2.2) где H(x,t) – полная глубина водного потока H = h + η(x,t), h – невозмущенная глубина бассейна, η(x,t) – колебания уровня воды, u(x,t) – усредненная по глубине скорость волнового течения, g – ускорение силы тяжести, и D – функционал, определяющий влияние дисперсии . (2.3) Важно подчеркнуть, что при выводе (2.1) – (2.3) использовано только приближение слабой дисперсии, в тоже время нелинейность может быть произвольной. Также, приведем выражение для донного давления в рамках модели Грина-Нагди , (2.4) где  - плотность воды. Последнее слагаемое в (2.4) и характеризует негидростатическую поправку в давлении, связанную с нелинейной дисперсией. Как видно из (2.3), для определения давления необходимо знать поле смещений водной поверхности и скоростей. Между тем в бегущей (прогрессивной) волне с постоянной скоростью V поле скоростей легко находится из (2.1) , (2.5) где мы наложили естественное условие отсутствия течения вне волны. Кроме того, в выражении для донного давления (2.4) можно заменить пространственную производную на временную и обратно (/t = -V/x). В результате, донное давление может быть выражено только через колебания уровня воды и ее временные производные , (2.6) так что связь между уровнем воды и давлением становится одноточечной. Удобно представить формулу (2.6) в «квазистатическом» виде: , (2.7) где эквивалентное «смещение» описывает волновую поправку к невозмущенному гидростатическому давлению: , . (2.8) Подчеркнем, что формула (2.8) справедлива для любых прогрессивных волн: кноидальных и уединенных; она не содержит неизвестной скорости распространения волны и легко может быть применена к анализу реальных данных. Замечательным свойством системы Грина-Нагди является существование простой формы точного решения в виде бегущей уединенной волны (солитона) , (2.9) , , . (2.10) Формально, это решение получается для произвольной амплитуды солитона А, но, как известно из более общих теорий, солитон существует при условии A < 0.8h. Мы будем использовать здесь в качестве верхней границы амплитуды 0.8h. Стоит отметить, что в приближении малых амплитуд солитон Грина-Нагди переходит в солитон Кортевега-де Вриза. При больших амплитудах солитон Грина-Нагди несколько шире солитона Кортевега-де Вриза, и имеет меньшую скорость течения (рисунок 2.6). Рисунок 2.6 – Форма солитона в моделях Грина-Нагди (красная сплошная линия) и Кортевега-де Вриза (синяя штриховая линия) Учитывая аргумент солитона в (2.9) удобно ввести безразмерное время . (2.11) Тогда временное распределение донного давления солитона (2.9) в рамках модели Грина-Нагди легко аналитически рассчитывается из (2.8). , (2.12) где ζ = ξ/h и a = A/h. Данное распределение показано на рисунке 2.2 для солитона почти предельной высоты (а = 0.8). Как видим, кривая давления одногорба и почти повторяет форму солитона поверхностных волн, его эффективная амплитуда ниже амплитуды солитона, а временная длительность больше. Сопоставим теперь результаты расчетов с предсказаниями линейной дисперсионной теорией волн на воде. В рамках линейной теории легко получить связь между колебаниями водной поверхности и донным давлением (2.13) где (ω) есть временной Фурье спектр колебаний свободной поверхности и волновое число k() рассчитывается из дисперсионного соотношения для линейных волн на воде . (2.14) Рисунок 2.7 – Расчеты донного давления в рамках модели Грин-Нагди (сплошная линия), в рамках линейной теории (пунктирная линия). Штриховой линией показана форма солитона с относительной амплитудой 0.8 На рисунке 2.7 показано сопоставление расчетов по линейной и нелинейной теории для волны большой амплитудой (a =A/h =0.8). Как видим, линейная теория также предсказывает солитоноподобную форму вариаций давления, и их величина практически не отличается от результатов нелинейной теории даже в сильнонелинейном случае. Рисунок 2.8 – Сопоставление результатов расчетов по линейной теории и теории Грина-Нагди для солитона малой амплитуды (a = A/h = 0.2) На рисунке 2.8 представлены результаты аналогичных расчетов для солитона с малой амплитудой (a=A/h=0.2). Как и следовало ожидать, разница между линейными и нелинейными расчетами стала незначительной, так что разница между кривыми невидна. Нелинейная теория Грина-Нагди достаточно хорошо описывает волны большой амплитуды (вплоть до предельных амплитуд) в прибрежной зоне, и это неоднократно отмечалось в литературе. В ее рамках удается рассчитать донное давление, вызванное прохождением уединенной волны (солитона). Как оказалось, расчеты донного давления, выполняемые в рамках линейной теории с использованием точного дисперсионного соотношения для волн на воде, приводят к близким результатам. Таким образом, можно сделать вывод, что линейная теория, широко используемая в океанологической практике, может применяться для расчетов донного давления, вызванного бегущими волнами большой амплитуды. 2.1.1 Анализ долговременных записей ветровых волн Был выполнен поиск аномально больших волн или так называемых волн-убийц в записях, полученных в 2011-2014 годах в районе мыса Свободный (юго-восточное побережье о. Сахалин). Основным свойством и признаком этих волн является их внезапное появление, большая высота и крутизна. На практике чаще всего пользуются амплитудным критерием выделения аномально высоких волн: H/Hs > 2, (2.15) где H – высота отдельной волны, Hs – значительная высота волн. Всего на анализируемой записи за 70 дней наблюдения волнения в безледный период было выделено около 200 волн, попадающих под определение амплитудного критерия, некоторые из них представлены на рисунке 2.9. Волна-убийца, зарегистрированная 8 декабря 2011 года H/Hs = 2.43 и высотой 4.48 метра Волна-убийца, зарегистрированная 24 декабря 2011 года высотой 6.23 метра (H/Hs = 2.29) Рисунок 2.9 – Примеры аномально больших волн (волн-убийц), зарегистрированных на м. Свободный По крайней мере, две аномально большие волны до 6 м, зарегистрированные 24 и 25 декабря 2011 года, произошли во время движения циклона. Его характеристики даны на сайте Гидромета «В течение нескольких дней на Охотском море сохраняется штормовая погода. Ветер северной четверти усиливался до 17-22 м/с, в порывах до 25 м/с; высота волн до 4 метров. Виной всему стал циклон, который 16 декабря приблизился к Камчатке. Сильный ветер охватил не только побережье Камчатки, но, практически, всю акваторию Охотского моря». Стоит отметить, что при прохождении данного циклона 18 декабря в центральной части Охотского моря в 200 километрах от Сахалина потерпела крушение плавучая буровая платформа "Кольская". Разработана архитектура программно-аппаратного комплекса, позволяющего организовать регистрацию измерений уровня моря и передачу данных в режиме реального времени. В состав разработанного комплекса входит регистрирующая аппаратура, включающая в себя набор датчиков: температуры, давления, солености, управляющий микроконтроллер и блок передачи данных. Приведены данные наблюдений аномально больших волн у оконечности мыса Свободный на южном побережье острова Сахалин. Они получены из анализа долговременных записей уровня моря за ноябрь-май 2011-2014 годов, полученных с помощью донной станции (глубина постановки 16 м). Было зарегистрировано 200 волн за 70 дней наблюдений (автономность прибора 6 месяцев) в безледный период. 2.1.2 Изучение роли зыби и резонансных колебаний (сейш) в проявлении морских природных катастроф Совпадение резонансных частот сейшевых колебаний с частотами морских природных катастроф ведет к усилению разрушительной силы морских бедствий. Исследование этих эффектов проведено на примере Стамбула в Турции и нескольких портов в нем. В частности, в порту Haydarpasa построено два волнолома длиной 3 км. Резонансные характеристики этого порта исследованы в рамках уравнений мелкой воды с помощью вычислительного кода NAMI-DANCE (одним из разработчиков кода является СКБ САМИ ДВО РАН) с использованием почти точечного источника, моделирующего функцию Грина. В расчетах использовалась детальная батиметрия порта. Рассчитанные колебания морской поверхности были пропущены через Фурье спектр, и пики в записях отождествлялись с резонансными частотами. Некоторые из частот оказываются в диапазоне волн цунами, что может привести к усилению волн цунами в этом порту. Результаты исследований представлены на Генеральную ассамблею Европейского геофизического союза в 2015 году [24]. 3 Особенности возникновения и развития цунами, метеоцунами и инфрагравитационных волн в регионе Охотского моря 3.1 Особенности проявления цунами у дальневосточных берегов России В 2009-2010 гг. на Дальнем Востоке России специалистами Института Физики Земли РАН была развернута сеть антенн, принимающих очень низкочастотные (ОНЧ) сигналы от сети излучателей, расположенных на побережье Тихого океана. Принимаемые сигналы характеризуют отклик нижней ионосферы на масштабные геофизические процессы, сопровождающие сильные землетрясения. К их числу относятся и волны цунами, которые, распространяясь по океану, возбуждают внутренние гравитационные волны в атмосфере. Достигая ее верхних слоев, эти волны (их амплитуда здесь значительно возрастает), вызывают вариации нижней ионосферы на тех же частотах, что и волны цунами. Ряд значительных событий последних лет позволил рассмотреть детально эти процессы. Рисунок 3.1 – Карта, показывающая положение ОНЧ приемной антенны в Петропавловске-Камчатском (зеленый кружок, PTK) и излучателей на Гавайских островах (красный треугольник, NPM, 21.4 кГц) и Японии (JJI, 22.2 кГц и JJY, 40 кГц). Черными квадратами показано положение глубоководных датчиков цунами DART. Розовым цветом указана зона чувствительности системы (проекция на поверхность Земли) На рисунке 3.1 показано положение таких излучателей на Гавайских островах и на территории Японии и приемной антенны в Петропавловске Камчатском. Показана также «зона чувствительности» для излучателя на гавайских островах, при наличии возмущений в которой можно ожидать значимого отклика нижней ионосферы. Интересные результаты были получены в феврале 2010 года при Чилийском землетрясении и цунами 27.02.2010 г. Рисунок 3.2 – Запись цунами за 27-28 февраля 2010 года на глубоководной станции DART51407 (расположена в районе Гавайских островов) (верхний рисунок, эллипсами указаны цуги волн). Вариации амплитуды и фазы ОНЧ сигнала на приемной станции в Петропавловске-Камчатском (нижний рисунок). Красными стрелками отмечены момент землетрясения, приход первой волны на DART 51407 и DART 21416, а также вторичной волны на DART 51407 Два хорошо выраженных цуга волн зарегистрированы на глубоководной станции DART в районе Гавайских островов при Чилийском цунами 27.02.2010 г. - на начальном отрезке спустя более 14 часов. Оба волновых пакета (наиболее отчетливо второй из них, пришедшийся на ночное время) вызвали значимый отклик в нижней ионосфере, зафиксированный на ОНЧ приемной антенне в Петропавловске-Камчатском как вариации амплитуды и фазы сигнала с частотами, близкими к частотам цунами (рисунок 3.2). Отклик ионосферы также хорошо согласуется с прохождением волн цунами по пространству и по времени – второй цуг, в частности, связан с волной, отраженной от берегов Японии, что хорошо подтверждается результатами численного моделирования цунами [25]. В работе [26] были обобщены результаты анализа записей ряда сильных цунами последних лет – Самоанское, 29.09.2009 г., Чилийское 27.02.2010 г. и Тохоку 11.03.2011 г., полученных на глубоководных и береговых станциях, а также результаты их численного моделирования. Было показано, что расчетные и фактические волнограммы на глубоководных (и даже на ряде береговых станций) согласуются очень хорошо. Это дало возможность использовать результаты моделирования для изучения влияния направленности источника и роли рельефа дна и береговой черты в формировании высот волн на тихоокеанском побережье России. Рисунок 3.3 – Положение створов, вдоль которых строились графики расчетных колебаний при моделировании Тохоку цунами 11.03.2011 г. Одной из самых интересных особенностей проявления этих цунами было резкое усложнение сигнала на береговых станциях (увеличение продолжительности колебаний и временного сдвига между приходом первой и максимальной волн и т.д.), особенно ярко эта особенность проявилась при Тохоку цунами, когда на глубоководной станции DART 21401 в районе Южных Курил был отмечен резко выраженный одиночный импульс, а затем слабые колебания. При этом на береговых станциях наблюдались продолжительные мощные колебания, и временной сдвиг между первой и максимальной волной составлял несколько часов. Чтобы понять, где и когда происходит такая трансформация волн, расчетные волнограммы были построены для ряда точек на выбранных по нормали к берегу створах (рисунок 3.3). Рисунок 3.4 – Расчетные колебания уровня моря в различных точках вдоль створа, ориентированного из открытого океана к острову Итуруп Чтобы изучить характер трансформации цунами по мере подхода к прибрежной зоне, были проанализированы расчетные волнограммы в точках, расположенных вдоль линии, проведенной по нормали от DART 21401 к юго-западному побережью о. Итуруп (рисунок 3.4). Расчет показал, что при прохождении над глубоководным желобом и материковым склоном сигнал не испытывает сложных изменений, они наблюдается, главным образом, на шельфе. На глубинах, начиная примерно с 400 м, происходит возрастание амплитуд колебаний, следующих за головной волной, но до кромки шельфа (глубина около 200 м) она остается максимальной. У кромки шельфа происходит значительная трансформация начального импульса, он его высота резко уменьшается, а ширина при этом возрастает. В точках с глубиной моря 100 и 200 м отмечены очень низкочастотные вариации, которые, скорее всего, обусловлены наложением движущихся в сторону берега и отраженных волн. Но на берегу, мы обнаруживаем продолжительные колебания примерно одинаково интенсивности в течение около 10 часов, максимальная волна значительно запаздывает по отношению к вступлению. Таким образом, показано, что значительная трансформация сигнала происходит в зоне шельфа – это, в принципе известное обстоятельство, однако не часто имеющее столь наглядное подтверждение на практике. 3.2 О влиянии прилива на формирование экстремальных подъемов уровня моря на побережье о. Сахалин Штормовые нагоны относятся к числу самых грозных стихийных явлений природы, которые ежегодно наносят огромный экономический ущерб хозяйству прибрежных территорий и уносят человеческие жизни [27]. Охотское море и северная часть Татарского пролива Японского моря относятся к бассейнам с большой величиной приливов, которые могут, как значительно усилить, так и ослабить воздействие нагона на побережье. В работе [28] проанализированы материалы ежечасных наблюдений за уровнем моря на 7 сахалинских береговых самописцах уровня моря. Рассмотрено влияние прилива на формирование суммарных высот уровня моря на побережье о. Сахалин при наиболее сильных нагонах, в частности, при экстремальных событиях 1990 и 1995 гг. Расчеты экстремальных высот суммарного уровня выполнены методом композиции распределений приливной и непериодической составляющих колебаний уровня моря [29, 30, 31]. 3.2.1 Штормовой нагон 10 ноября 1990 года Штормовой нагон, максимум которого был зафиксирован на 7 береговых СУМ на различных участках побережья о. Сахалин, был самым значительным по сравнению c наблюдавшимися ранее, за весьма продолжительную историю наблюдений (первые самописцы в портах Корсакова и Холмска начали работать в 1948 году). Причем высота нагонной волны, составлявшая 90 и 97 см, была существенно больше предшествующего максимума (61 и 70 см на указанных станциях соответственно). Это говорит об экстремальном характере изучаемого нагона, его период повторяемости оценивался как примерно 1 раз в 500 лет. Рисунок 3.5 – Графики вариаций суммарного (черная линия), приливного (синяя) и непериодического (красная) уровня моря на станциях зал. Набиль и Поронайск за 7-13 ноября 1990 г. На северо-восточном побережье о. Сахалин (зал. Набиль) приливы правильные суточные, что хорошо видно из рисунка 3.5. Для районов с преобладанием суточных приливов характерна межгодовая (с периодом 18.6 лет), сезонная (усиление на дни солнцестояний и ослабление на дни равноденствий) и полумесячная изменчивость. Момент максимума нагона (63 см) пришелся на момент полной воды прилива 34 см, второй максимум (65 см спустя 8 ч) – на отлив. Значение суммарного уровня (97 см над нулевым средним) было самым высоким за весь период наблюдения на данной станции, составлявший 16 лет. На юго-восточном побережье о. Сахалин (станции Поронайск, Стародубское и Корсаков) характер прилива смешанный, амплитуды суточных и полусуточных волн имеют близкую величину. Межгодовая, сезонная и полумесячная изменчивость аналогичны рассмотренным выше для зал. Набиль, но выражены слабее. В Поронайске максимум нагона (105 см) пришелся на незначительный по величине прилив (+1 см). Основной максимум суммарного подъема (113 см) наблюдался при достаточно еще сильном нагоне (82 см) на полной воде прилива, имевшей 10 ноября 1990 года умеренную величину 31 см. Аналогичная картина наблюдалась в порту Корсаков и Стародубском. На юго-западном побережье Сахалина (станции Невельск и Холмск) приливы имеют самую незначительную величину на всем побережье острова и не оказывают определяющего влияния на формирование суммарного уровня. Подводя итоги рассмотренной ситуации, можно сказать, что экстремальный нагон 10.11.1990 г. на большинстве станций пришелся на незначительный прилив, в большинстве случаев максимальные значения суммарного уровня были зафиксированы позже, на фазе спадания нагона и повышения прилива. 3.2.2 Штормовой нагон 9 ноября 1995 года На северо-восточном побережье Сахалина максимум одного из самых сильных в данном районе нагонов (85 см 9 ноября, примерно такой же отмечен в октябре 1988 г.) пришелся на отлив (-24 см). Поэтому наибольший подъем суммарного уровня (87 см) был отмечен значительно позже, при значениях непериодической и приливной составляющей 52 и 35 см соответственно. В Поронайске максимум нагона (93 см) пришелся на отлив (-36 см), поэтому максимум суммарного уровня сформировался на 7 часов раньше (111 см при нагонном уровне 77 см и приливном 34 см). Значительную величину имел также второй максимум, на малой полной воде прилива (15 см при высоте нагонной волны 80 см). В целом, при экстремальном штормовом нагоне 8-9 ноября 1995 года суммарные высоты уровня также были ниже возможного, так как максимум нагона пришелся на большинстве станций на отлив. Благодаря значительной продолжительности нагона, наибольшие значения сформировались при полной воде прилива несколько раньше или позже основного максимума. Но при этом следует учитывать, что 1995 год относился к годам «малых приливов», в плане полумесячной изменчивости приливы также не имели наибольшей величины. 3.2.3 Расчет экстремальных высот уровня моря методом композиции распределений Выполненный анализ сгонно-нагонных колебаний за продолжительный период наблюдений, включая экстремальные штормовые нагоны, позволяет получить более точные оценки методом композиции распределений приливной и метеорологической составляющей уровня, каждое из которых определяется по отдельности. Тогда совместную плотность вероятности уровенных колебаний можно определить в виде свертки распределений соответствующих компонент. Плотность вероятности приливных колебаний представлена в виде гистограммы 19–летнего предвычисленного приливного ряда. Плотность вероятности метеорологических вариаций описывается гистограммой полного ряда остаточных колебаний Таблица 3.1 – Значения максимального прилива, максимального наблюдавшегося нагона, а также расчетные высоты суммарного уровня повторяемостью 1 раз в 50 и 100 лет (в см), полученные для различных мареографных станций на побережье о. Сахалин Станция Макс. прилив Макс. нагон Н50 Н100 зал. Набиль 70 85 129 132 Поронайск 70 112 136 143 Стародубское 75 138 159 167 Корсаков 87 86 126 131 Невельск 29 101 104 107 Холмск 22 97 98 101 Углегорск 58 75 107 111 Произведя соответствующие расчеты для всех возможных уровней, получим «теоретическую» функцию обеспеченности суммарных колебаний. Причем здесь максимальный возможный уровень не зависит от того, на какую фазу прилива попал в действительности сильнейший нагон, а вероятность наложения считается с учетом различных допустимых состояний. В результате можно получить более реальную оценку возможных экстремальных суммарных уровней, более точную, чем была получена по годовым максимумам. Результаты расчетов высот волн для периодов повторяемости 1 раз в 50 и 100 лет приведены в таблице 3.1 для всех станций. В ней также даны высоты максимального по астрономическим условиям прилива и наибольшего зафиксированного по материалам наблюдений штормового нагона. Наибольшие высоты подъемов суммарного уровня возможны на юго-восточном побережье острова (Стародубское и Поронайск), наименьшие – на юго-западном (Холмск и Невельск). Наибольшая величина прилива отмечена в порту Корсакова, наименьшая – в Холмске. Самый значительный нагон на Сахалине, если не учитывать побережье Сахалинского залива и Амурского лимана, был зафиксирован на станции Стародубское в декабре 1981 года. 3.3 Результаты многолетних экспериментов на юго-восточном побережье острова Сахалин 3.3.1. Пространственная и сезонная изменчивость характеристик ветрового волнения Каждый год у юго-восточного побережья Сахалина во время прохождения циклонов в прибрежных акваториях наблюдается сильное волнение, максимальные высоты волн достигают 5-6 метров. Из-за этого существует угроза разрушения прибрежных построек, причалов и дорожного полотна важнейшей автотрассы Южно-Сахалинск – Оха, соединяющей север и юг острова. Инструментальные измерения волнения у юго-восточного побережья Сахалина проводятся ИМГИГ ДВО РАН начиная с 2007 года, для этой цели используются автономные регистраторы придонного гидростатического давления, изготавливаемые в СКТБ «ЭлПА» (г. Углич) и позволяющие получать ряды наблюдений с дискретностью 1 сек. и длительностью до 7 месяцев. В работах [32, 33] выполнен подобный статистический анализ материалов, полученных на пяти акваториях юго-восточного побережья о. Сахалин: в районе поселка Взморье, мыса Острый, перед устьем озера Изменчивое, в районе поселка Охотское и мыса Свободный (рисунок 3.6). Оценены характеристики волнения в зависимости от сезона, пространственного расположения акваторий, удаленности от берега и глубины постановки приборов. Рисунок 3.6 – Места постановки приборов на юго-восточном побережье о. Сахалин в 2007-2014 гг. Расчет значимых высот волн (SWH) по данным, полученным на глубинах 7–10 м. показал, что в течение 5 лет измерений на всех рассматриваемых акваториях в одни и те же месяцы года наблюдается схожая картина чередования периодов тихой погоды и штормов, часто с точностью до нескольких суток. В июне SWH не превышает 1,7 м, июль же, напротив, характеризуется штормами с SWH более 2,5 м. Август более спокоен, хотя и в этот период наблюдается 1–2 шторма со значимой высотой волны ваше 2 м. Самые сильные штормы за рассматриваемый период времени зафиксированы в осенние месяцы, причем в первой половине сентября наблюдаются 1–2 шторма с SWH ваше 2,5 м, а с 12 по 16 сентября в течение 5 лет измерений всегда наблюдалось затишье, SWH при котором не превышало 0,75 м. Вторая половина сентября характеризуется штормами с возрастающей силой и SWH выше 4 м, что соответствует 6 баллам по шкале волнения моря (рисунок 3.7). Рисунок 3.7 – Значимые высоты волн, полученные на глубинах 7-10 м в пяти акваториях юго-восточного побережья о. Сахалин за 5 лет наблюдений Сравнение акваторий близ пос. Взморье, м. Острый и перед устьем о. Изменчивое по характеристикам волнения показало, что различия наблюдаются только в тихую погоду, и практически отсутствуют во время шторма. Так, значимая высота волны в акватории близ пос. Взморье в тихую погоду имеет среднее значение 35 см, м. Острый  – 16 см и перед устьем о. Изменчивое – 10 см. Однако, при шторме в большинстве случаев высоты волн имеют схожие значения. Одним из сильнейших инструментально зафиксированных штормов на юго-восточном побережье является шторм 25–28 сентября 2007 года, на примере которого можно рассмотреть особенности развития наиболее интенсивных штормов в осенне-зимний период. С 23 сентября по 1 октября высоты волн достигали 1 м, с периодом 9–15 сек., и на одной глубине в различных акваториях характер волнения не имел существенных отличий. Однако, 25–26 сентября наблюдалось усиление, высоты волн при котором в акватории Взморья достигали 4,1 м. Острый – 4,8 м, а перед устьем о. Изменчивое – 7,4 м. Период волн в это время составлял 4-9 сек., что говорит о разной природе двух фаз шторма. 3.3.2 Трансформация берегового рельефа в районе с. Взморье Анализ материалов топографических и донных батиметрических съемок позволил обнаружить на участке побережья к югу от с. Взморье систему устойчивых квазиритмичных форм берегового рельефа – фестонов, вытянутых цепочкой во вдольбереговом направлении с характерными размерами звена 500-700х200 м. Всего на исследуемом участке протяжённостью около 4,0 км отчётливо выделяются семь таких ячеек. Севернее отмеченного участка такие структуры не выделяются, южнее же подобные структуры имеют меньшие размеры и глубины, постепенно нивелируясь к югу. Наличие крупных устойчивых фестонов на берегу и их продолжений на прилегающем участке взморья отмечено лишь на отдельных участках побережья о. Сахалин, поэтому они представляют особый интерес. Батиметрические съемки в районе 104-109 км автодороги Южно-Сахалинск – Оха проводились регулярно с периодичностью около полугода с использованием катера Yamaha с установленным на нем картплоттером-эхолотом Lawrence XDS 5 в период с октября 2009 г. по июль 2013 г. Эхолотные профили выполнялись перпендикулярно берегу через 200 м, на удаление до 2,0 км. На батиметрических картах выделяются семь хорошо выраженных квазиритмических структур в виде ячеек, образованных выпуклым в сторону моря валом с одной стороны и вогнутостью берега с другой. Следует отметить, что изменения донного рельефа за летний период невелики, ритмические структуры в прибрежной зоне выделяются слабее. Изменения за зимний период гораздо более существенные, прибрежные ячейки, примыкающие к фестонам, выражены сильнее. Установлена связь квазиритмических форм рельефа с краевыми захваченными волнами. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проведенных исследований, выявлен малоизученный эффект генерации низкочастотных микросейсм (с периодами около 50 и 100 с). Пики на близких периодах наблюдались во время штормов в двух различных районов в разные годы, что позволяет говорить о надежном выделении данного эффекта. Идентичность пиков, на наш взгляд, обусловлена сходным характером прибрежного рельефа на юго-восточном побережье о. Сахалин. Представляется важным изучить в будущем другие особенности таких низкочастотных микросейсм и их возможное влияние на процессы накопления/снятия напряжений в земной коре. Определены собственные колебания бухт Экспедиция, Рейд Паллада, Троицы, Витязь на основе использования лазерного гидрофона. Изучены их диссипативные и нелинейные характеристики.

Похожие:

	Обеспечение экологической безопасности строительства скважин на море России оцениваются в 13 млрд т, газа 52 трлн. Мировая тенден-ция постепенного смещения добычи углеводородов с суши на море находит...		Тематическое планирование по курсу «География России», 8 класс, 68... Характеристика морей России (к бассейну какого океана принадлежат, особенности природы, ресурсы морей, экологические проблемы)
	Л. В. Ким (подпись) (Инициалы, Фамилия) Современная отраслевая структура мировой экономики. Динамика и тенденции изменений		Сущность конфликта, его структура и динамика Время проведения консультаций по самостоятельной работе – каждую пятницу с 15. 00 до 16. 00
	Ключевые слова: энергетическая стратегия России, энергетическая политика,... Востоке России. Это формирование нефтегазовых комплексов, освоение углеводородного потенциала шельфа арктических морей и Северных...		Рефератов по дисциплине «Мировая экономика» Международная торговля: понятие, значение для мировой экономики, объемы, структура, динамика, важнейшие тенденции развития
	Урока: комбинированный Цели и задачи Сформировать представления о количестве, географическом положении, природных ресурсах, значении и охране морей России		Образовательная программа «интеллектуально-творческий потенциал россии»... Нового времени; наука в ХХ веке; структура, формы, функции и динамика науки в истории; исторические типы научной рациональности;...
	Моделирование и прогноз динамики льдистых берегов восточных арктических морей россии Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения им. П. И. Мельникова со ран		Структура сети образовательных учреждений и динамика её изменений... Цели и задачи Городского управления образования Администрации города Абакана на 2013 год
	Программа учебной дисциплины «Структура и динамика глубинного общения» Освоить понятийный аппарат курса, позволяющий анализировать сложные явления культуры, представляющие итоговый результат процессов,...		Отчет 63 с., 39 рис., 11 табл., 46 источников. Ключевые слова «Спектроскопия молекулярных комплексов. Структура, динамика и энергетика межмолекулярных взаимодействий в них» авцп «Развитие научного...
	Билет 25 вопрос 1 Отраслевая и территориальная структура хозяйства... Структура народного хозяйства определяется количеством занятых в тех или иных отраслях экономики, или по стоимости выпускаемой продукции....		Состав, структура и динамика адвентивной флоры ульяновской области Защита диссертации состоится «20» апреля 2012 г в 1230 часов на заседании диссертационного совета д 002. 251. 01 при Институте экологии...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Целью изучения курса является: -знания морей, омывающих Россию, их значимости для экономики; -знание рельефа и геологического строения...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Целью изучения курса является: знания морей, омывающих Россию, их значимости для экономики; знание рельефа и геологического строения...