Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Существующие методы модельного описания длинноволновых процессов в зоне шельфа 16
1.1 Основные уравнения 16
1 2. Модель бесконечного откоса 18
1.3. Шельф с постоянной глубиной (шельф-ступенька) 23
1.4. Шельф экспоненциальной формы 33
1.5. Шельфовые волны на экспоненциальном шельфе 35
1.6. Колебания в заливах и бухтах 38
ГЛАВА 2. Влияние прибрежной топографии на характер распростране Ния волн цунами 42
2 1. Особенности распространения волн цунами в пограничных областях океана 43
2 2. Исследование эффекта захвата волн цунами Курильским шельфом 44
2 3. Шельфовыи резонанс. Усиление низкочастотной компоненты удаленных цунами в севе ро-западной части Тихого океана 49
2.4. Особенности проявления цунами в заливах и бухтах 62
2.5. Метод детального цунамирайонирования побережья 80
Основные выводы главы 2 86
ГЛАВА 3. Длинные волны на шельфе, обусловленные атмосферными процессами 89
3.1. Формирование естественного длинноволнового фона в диапазоне периодов волн цунами 89
3.2. Исследование длинных волн на юго-западном шельфе полуострова Камчатка 98
3.3. Исследование аномальных колебаний типа цунами 106
3 4. Связь длинноволновых процессов с волнением на море 111
3 5. Особенности структуры поля длинных волн в прибрежной зоне 119
3.6. Возбуждение шельфових волн движущимся циклоном 121
Основные выводы главы 3 132
ГЛАВА 4 Особенности приливного режима на шельфе о. Сахалин 134
4.1. Пространственная изменчивость приливов у северо-восточного побережья Сахалина... 134
4 2. Метод прямой оценки параметров приливных волн по данным спутниковой альтимет рии 150
4.3. Пространственная структура прилива в Охотском море на основе данных спутниковой альтиметрии 157
4.4. Особенности приливного режима в проливе Лаперуза 162
Основные выводы главы 4 165
ГЛАВА 5. Изучение приливного и ветрового дрейфа льда на северовосточном шельфе о. Сахалин 169
5.1. Динамика дрейфа льда в различных частотных диапазонах 169
5.2. Оценка параметров приливного дрейфа 176
5.3. Отклик дрейфа на воздействие ветра. Двумерная регрессионная модель 187
5.4. Влияние сплоченности на характеристики приливного и ветрового дрейфа льда 207
Основные результаты главы 5 210
ГЛАВА 6. Долгосрочный прогноз экстремальных колебаний уровня моря и скоростей морских течений 213
6.1. Расчет экстремальных высот штормовых нагонов на побережье о. Сахалин 214
6 2. Метод композиции распределений расчета экстремальных колебаний уровня для пунк
тов, слабо обеспеченных наблюдениями 222
6.3. Анализ сезонных вариаций уровня 230
6 4. Оценка экстремальных колебаний уровня для морских нефтегазоносных площадей на
шельфе Сахалина 236
6 5. Расчет экстремальных скоростей течений методом композиции распределений 239
Основные выводы главы 6 257
Заключение 259
- Шельф с постоянной глубиной (шельф-ступенька)
- Шельфовыи резонанс. Усиление низкочастотной компоненты удаленных цунами в севе ро-западной части Тихого океана
- Исследование аномальных колебаний типа цунами
- Отклик дрейфа на воздействие ветра. Двумерная регрессионная модель
Шельф с постоянной глубиной (шельф-ступенька)
Выбор профиля глубины в области шельфа диктуется с одной стороны желанием подобрать аппроксимацию, передающую основные особенности реального рельефа в районе, для которого производится анализ структуры волновых движений, а с другой - пространственно-временными масштабами рассматриваемых физических явлений. Ниже при анализе материалов экспериментальных измерений длинных волн на шельфе Сахалина и Курильских островов преимущественно рассматриваются три модели, основные свойства которых необходимо рассмотреть подробно.
Рассмотрим вначале профиль глубины, заданный выражением: - угол наклона дна. Данная модель является искусственной и в большинстве случаев плохо передает реальную геометрию шельфа. К тому же ее существенным недостатком является отсутствие горизонтального масштаба, которую обычно играет ширина области переменной глубины L. Однако для процессов в достаточно узкой прибрежной зоне, характерные масштабы которых много меньше размеров шельфа (инфрагравитационные волны и связанные с ними явления), данная упрощенная модель вполне применима и дает хорошие результаты при сравнении с данными фактических наблюдений [Рабинович, 1993]. Волны, образующиеся в результате трансформации ветрового волнения вблизи берега имеют периоды несколько минут и пространственные масштабы в несколько сотен метров, поэтому они не испытывают отражений от кромки шельфа и, следовательно, ее наличие и расстояние до псе не оказывают на их динамику никакого влияния. При этом именно вблизи берега рельеф дна в наибольшей степени соответствует линейному изменению, так что несмотря на определенную условность, используемая модель вполне может быть использована для физической интерпретации некоторых типов волновых движений. Впервые подобную модель при исследовании волновых движений (не прибегая к длинноволновому приближению) анализировал Дж. Стоке [Ламб, 1947]. Он получил следующее решение: и быстро затухающую по мере удаления от берега. Энергия колебаний в данном случае сосредоточена в прибрежной зоне и не передается в открытое море -подобное явление получило название волнового захвата, а волны подобного типа - захваченных волн (trapped waves).
Спустя столетие Эккарт [Eckart, 1951] рассмотрел задачу о колебаниях уровня в клине в длинноволновой постановке. Он установил, что существует бесконечное множество захваченных краевых волн, среди которых волна Стокса представляет собой низшую моду. Уравнение (1.4) с учетом линейного профиля глубины и пренебрежении влиянием вращения Земли принимает вид: причем номер моды определяется выражением п=ц = (ajf2/kgtgp-l)/2,aAn - амплитуда волны у берега. Дисперсионное уравнение в этом случае принимает вид co2 = (2n+l)gktgP (1.14) В частном случае для нулевой моды и малого угла наклона /? это выражение совпадает с решением, полученным Стоксом. Данное дисперсионное уравнение задает набор отдельных мод краевых волн, каждая из которых на плоскости (со, к) отображается в виде соответствующей ей дисперсионной кривой со = оп(к) - па рис. 1.1 приведены эти кривые для нескольких нилпих мод для рельефа дна вблизи м. Острый на юго-восточном побережье Сахалина (см. главу 3) Номер моды соответствует числу нулей (узловых линий, параллельных линии берега) функции С(х) - данные функции для первых четырех мод приведены на рис. 1.2а. Таким образом, при каждом значении частоты со (или волнового числа к) имеется дискретный набор волновых решений, которые имеют характер стоячих колебаний в направлении, нормальном к береговой линии, и прогрессивной волны вдоль нее. При удалении от берега энергия этих волн быстро убывает.
Краевые волны над наклонным дном создают в прибрежной области своеобразные структуры в виде ячеек, по границам которых в направлении открытого моря могут формироваться узкие струйные течения, получившие название разрывных. Соответствующие структуры для первых двух мод краевых волн Стокса-Эккарта приведены на рис. 1.26, в. Интерес к этому типу волновых движений возрос в последние 20 лет в связи с тем, что было выявлено их чрезвычайно сильное влияние на прибрежную литодинамику - при определенных условиях краевые волны с периодами, равными периодам огибающих ветрового волнения, эффективно генерируются в прибрежной зоне и способствуют локальным размывам прибрежного рельефа, формированию периодических песчаных структур (фестоны, серповидные бары и т. п.). Подробный обзор по данному вопросу приведен в [Рабинович, 1993].
Краевые волны обладают сильной дисперсией - чем выше частота (или чем больше волновое число), тем меньше фазовая скорость каждой отдельной моды. При фиксированной частоте скорость тем выше, чем выше номер моды (и больше длина волны), так что отмеченное обстоятельство является отличительной особенностью данной модели.
Краевые волны в модели Стокса-Эккарта могут существовать при любом к отличном от пуля. Так как волновое число стоит в дисперсионном уравнении в знаменателе, то случай к=0 (волна, распространяющаяся по нормали к берегу) является особым и требует специального рассмотрения. Уравнения (1.11) в этом случае принимает вид:
Амплитуда колебаний гораздо более медленно, чем в случае краевых волн, убывает при удалении от берега (пропорционально х м). Эти волны нельзя в прямом смысле назвать излученными - в данной модели отсутствует, по сути, само понятие открытого океана - но принципиальная разница между данными типом волновых движений и захваченными волнами вполне очевидна. Поэтому все же можно отнести ее к классу излученных волн - на дисперсионной диаграмме они совпадают с осью со.
Шельфовыи резонанс. Усиление низкочастотной компоненты удаленных цунами в севе ро-западной части Тихого океана
Спектры одного, Чилийского цунами, по записям на двух различных станциях в большей мере отличаются по величине пиков на различных частотах. Так, для периода 42 мин амплитуда колебаний в Петропавловске оказалась больше, чем в районе второго мареографа, что согласуется с результатами численных расчетов. Для периода около 30 мин при моделировании амплитуды для мареографа в районе пос. Рыбачий получились больше (выше отмечалось локальное усиление в точке 16), в реальной ситуации высоты волн в этом районе также были существенно выше. На мареографе Петропавловска при обоих цунами наблюдался хорошо выраженный пик на периоде 24 мин, на второй станции можно отметить некоторое смещение положения этого пика в сторону более высоких частот (аналогичный эффект, но несколько в меньшей степени, обнаруживается на периоде около 15 мин) при достаточно больших амплитудах колебаний.
Собственные колебания с периодом около 60 мин проявились в очень малой степени -слабо выраженный пик можно обнаружить только на основном мареографе на записи Чилийского цунами. Необходимо отметить, что пункты измерения находились достаточно далеко от районов, где интенсивность волн с этой частотой при моделировании была высока, поэтому оценить возможный вклад этой моды в формирование волнового процесса в бухте при реальных цунами оказалось затруднительно. Вероятно, эти волны должны были проявиться прежде всего в бухтах Крашенинникова и Раковая, где получено усиление по результатам численною моделирования. По результатам численного моделирования, для участка побережья, на котором находятся объекты Петропавловска-Камчатского, наиболее интенсивные колебания наблюдались в районе бухты Сероглазка, где амплитуды собственных мод с периодами 42, 31 и 24 получились в 2-3 раза больше, чем для района мареографа.
Особо следует обсудить влияние нулевой моды собственных колебаний с периодом около 4 часов 40 мин. Для оценки роли этих низкочастотных резонансных колебаний была отобрана месячная серия ежечасных значений уровня моря по данным, полученным на мареографе Петропавловска. Из исходного ряда был вычтен предвычисленный прилив, после чет к полученной серии непериодических вариаций, в которой постоянно присутствуют квазипятичасовые колебания с амплитудой 3-5 см, были применены методы спектрального анализа (рис. 2.18)
Фрагмент записи непериодических колебаний уровня моря в Петропавловске-Камчатском 11-20 января 1977 г. (слева). Метки на горизонтальной оси через 6 часов. Спектр непериодический колебаний уровня в бухте Авачинская губа, рассчитанный по данным наблюдений за январь 1977 г. (справа). Стрелками указаны пики с периодами около 4 часов 45 минут (а) и 4 часов 10 минут (б).
В спектрах непериодических колебаний выделяются два мощных пика с периодами около 4 часов 45 минут и 4 часов 10 минут примерно одинаковой величины. Наиболее вероятно, это разделение пиков является следствием низкочастотной модуляции нулевой моды собственных колебаний, также хорошо заметной на рис. 2.18. Аналогичный эффект наблюдается, например, для моды Гельмгольца в Малокурильской бухте, где записи колебаний уровня моря преимущественно представляют собой модулированный сигнал с основным периодом около 18 мин [Рабинович, 1993]. Полученный результат указывает на очень важную роль, которую играет резонансный эффект на этом периоде для длинноволновых процессов в бухте Авачинская губа. В частности, вероятно, следует ожидать ее существенного вклада в формирование сгонно-нагонных колебаний, в том числе еще одного типа опасных морских явлении - штормовых нагонов.
В результате численного моделирования длинных волн в пределах акватории, приле-іающей к Петропавловску-Камчатскому, возбуждаемых источником сейсмического типа, выявлены резонансные периоды основных мод собственных колебаний бухты Авачинская губа
1) нулевая мода (не имеющая узловых линий внутри бухты, то есть во всех точках колебания происходят синфазно) с узловой линией в горловине, период которой составляет около 4 часов 40 мин.
2) первые моды с периодом около 60 мин (пучности в бухте Крашенинникова и бухте Раковая, узловая линия проходит вдоль центрального створа) и 42 мин (пучности у горловины и в районе устья реки Авача, также в районе бухты Сероглазка). Для периода 42 мин обнаружено также влияние этой моды на колебания вне Авачинской губы, в районе бухты Сарайная.
3) вторая мода собственных колебаний с периодом около 31 мин, имеющая, в частности, усиление на участке побережья, где расположены портовые сооружения Петропавлов-ска-Камчатского.
4) выделяются также максимумы на периодах около 24 и 16 мин, пространственную структуру и положение узловых линий для которых с необходимой точностью оценить не удалось из-за недостаточного числа точек, для которых рассчитывались теоретические вол-нограммы. Наибольшие амплитуды волн с периодом 24 мин наблюдаются у входа в бухту Крашенинникова, в бухтах Раковая и Сероглазка, с периодом 16 мин - в горловине бухты Авачинская губа, в удаленных краях бухты Крашенинникова.
Анализ оцифрованных мареограмм двух цунами, зарегистрированных в бухте Авачинская губа, показал, что указанные резонансные периоды играют определяющую роль в формировании длинноволновых движений при этом явлении. Исключение составляет первая мода с периодом около 60 мин, слабо проявившаяся в анализировавшихся данных наблюдений. Вероятно, незначительный вклад данной моды в записях реальных цунами обусловлен положением мареографных станций вблизи ее узловых линий, волны с этим периодом могли играть большую роль в других районах исследуемой акватории, например, в бухтах Крашенинникова и Раковая.
На участке побережья, прилегающем к городу, наибольшие амплитуды колебаний и, соответственно, наибольшая степень риска воздействия волн цунами, наблюдаются в бухте Сероглазка и несколько в меньшей степени - в бухте Раковая. В записях непериодических колебаний уровня на мареографе Петропавловска постоянно присутствуют колебания с периодом около 4,7 часа. Это говорит о важной роли нулевой моды в формировании длинноволновых процессов, в том числе сгонно-нагонных явлений, в исследуемой акватории. Наблюдаемые волны имеют пакетную, модулированную структуру, что приводит к расщеплению соответствующего пика в спектре непериодических колебаний уровня моря.
Полученные результаты могут быть использованы при планировании размещения новых объектов в прибрежной зоне в районе Петропавловска-Камчатского или при разработке мероприятий но снижению риска воздействия морских опасных явлений на уже существующие сооружения.
В последнее время отмечается значительный рост строительства жилья и промышленных объектов (прежде всего рыбообрабатывающей промышленности) в прибрежных районах Дальневосточного реі-иона Проектирование этих объектов, в основном принадлежащих малым и частным предприятиям, в большинстве случаев выполняется без должного учета риска природных воздействий, среди которых наибольшую опасность представляют волны цунами. В таких случаях разрешения на размещение объектов выдается местной администрацией на основе имеющихся карт опасности различных природных воздействий.
Существующая в настоящее время обзорная схема цунамиопасности побережья Дальнего Востока [Го и др, 1988] опирается на инструментальные данные в небольшом числе пунктов, где имеются мареографные станции с достаточно продолжительным сроком работы, позволяющим по-строигь эмпирическую функцию распределения высот волн цунами. Распространение прогностических оценок для этих станций на прилегающие участки побережья не всегда корректно, что затрудняет использование данной схемы для оптимального размещения объектов в береговой зоне. Таким образом, имеегся необходимость в получении более детальных карт цунамиопасности.
Во многих работах, посвященных цунамирайонированию, большое развитие получили альтернативные методы, основанные на численном моделировании распространения волн цунами от гапотетических очагов к исследуемому участку побережья с учетом реальной батиметрии района. При этом обычно исходят из представления о линейной связи интенсивности цунами и возбуждающих их землетрясений [Пелиновский, Плинк, 1980], что, однако, является весьма грубым приближением (это обусловлено прежде всего большой сложностью и недостаточной изученностью процессов, происходящих непосредственно в очаге цунами) и не позволяет надежно оценить периоды повторяемости рассчитанных высот волн. В конечном счете, это затрудняет использование полученных оценок для нужд практики.
Исследование аномальных колебаний типа цунами
Мареограммы цунами, приведенные в монографии [Щетников, 1990], показывают, что на мысе Крильон высоты цунами несколько выше, чем в Корсакове, что также подтверждает данные численного моделирования о наибольшей степени цунамиопасности юго-западного побережья залива Это противоречит оценкам высот волн 100-летней повторяемости [Го и др , 1988], где полученная высота волны для мыса Крильон меньше, чем для порта Корсаков Заметим, что в этой заботе расчеты проводились на основе фактических данных на каждой станции, в то время как записи сильнейших цунами 1952 и 1960 гг. на мысе Крильон отсутствуют. Следовательно, расчеты, не включающие наиболее опасные цунами, привели к заниженной оценке в обзорной схеме цунамиопасности [Го и др., 1988].
Приведенные выше примеры демонстрируют важность учета изменений рельефа дна и береї овои черты при проведении работ по цунамирайо-нированию побережья. Предложенный метод оценки изменения высот волн редкой повторяемости вдоль побережья позволяет существенно уточнить и детализировать обзорную схему цунамиопасности [Го и др., 1988]. Полученные в настоящей работе оценки целесообразно использовать при определении оптимального размещения новых промышленных объектов и жилых помещений на побережье залива Лиива.
При проектировании объектов высокой ответственности приведенные здесь оценки нуждаются, однако, в уточнении с учетом местных локальных особенностей топографии в районе строительства. Такое уточнение можно осуществить при помощи моделирования цунами на основе карт крупного масштаба, а также исследования особенностей длинноволнового режима при проведении специальных натурных измерений непосредственно в западном районе.
С применением лучевого метода произведено исследование захватывающих свойств Курильского шельфа. Полученные коэффициенты захвата выражены сильнее в северной и южной части гряды, где шельф более протяженный и мелководный, основные цунамигенные зоны лежат в областях, где значения данного параметра колеблются в пределах от 0.3 до 0.7. Па примере Шикотанского цунами 5 октября 1994 года показано, что в Северо-Курильске (станция на том же побережье, что и источник, но на определенном удалении от него) важную роль в формировании волнового поля играют колебания на частоте минимума групповой скорости первой моды краевых волн.
В результате анализа записей Чилийского цунами (май 1960 года), полученных на Южных Курилах и тихоокеанском побережье Японии, выявлено, что наибольшее усиление волн было связано с низшей модой шельфового резонанса с периодами 70-80 минут. При этом на сравнительно небольших (по сравнению с длиной падающей волны) расстояниях между станциями, в районе с более приглубым шельфом (Мияко, Камаиси) волны с данными периодами проявились слабо, высоты волн (и вызванные ими разрушения) были значительно меньше.
При исследовании фоновых колебаний в Холмской бухте как в спокойную погоду, так и при прохождении глубокого циклона, обнаружены устойчивые пики на периодах 8 и 3 минуты. Первый из них проявлялся при всех зарегистрированных в данной бухте цунами и связан с одноузловои продольной модой собственных колебаний, а второй является результатом удвоения (из-за использования минутного осреднения) периода собственных колебаний с периодом 90 сек. Последние эффективно возбуждаются в бухте при штормовых ситуациях и ответственны за явление тягуна в порту г. Холмск.
В результате спектрального анализа оцифрованных мареограмм цунами выявлены (помимо обіцеї о пика на периодах 8-9 минут) некоторые важные различия их характеристик. Так, основной диапазон периодов, в котором проявлялись цунами, источники которых находились в Японском море, составлял 5-25 мин. В то же время удаленные цунами, обусловленные сильными землетрясениями в Тихом океане, вызвали существенное повышение энергии в диапазоне периодов 30-60 мин.
По результатам численною моделирования выявлена также система поперечных сейш, которые не проявляются в районе постановки мареографа и поэтому не были обнаружены в записях цунами, однако могут представлять грозную опасность на отдельных участках акватории бухты.
Методами численного моделирования изучена пространственная структура собственных колебаний в бухте Авачинская губа. Анализ оцифрованных мареограмм двух зарегистрированных здесь цунами, что выявленные резонансные периоды играют определяющую роль в формировании длинноволновых движений при этом явлении. Исключение составляет первая мода с периодом около 60 мин, слабо проявившаяся в анализировавшихся данных наблюдений. Вероятно, незначительный вклад данной моды в записях реальных цунами обусловлен положением мареографных станций вблизи ее узловых линий, волны с этим периодом могли играть большую роль в других районах исследуемой акватории, например, в бухтах Крашенинникова и Раковая.
В записях непериодических колебаний уровня на мареографе Петропавловска постоянно присутствуют колебания с периодом около 4,7 часа. Это говорит о важной роли нулевой моды в формировании длинноволновых процессов, в том числе сгонно-нагонных явлений в исследуемой акватории, а также, вероятно, больших скоростей течений в горловине бухты. Набчюдаемые волны имеют пакетную, модулированную структуру, что приводит к расщеплению соответствующего пика в спектре непериодических колебаний уровня моря. Предложен метод детального цунамирайонирования побережья, основанный на анализе данных об исторических цунами на имеющемся пункте наблюдений за уровнем (опорная станция) с использованием вместо абсолютных относительных высот цунами, полученных с помощью численного моделирования. Последние по результатам численных расчетов получаются обычно значительно лучше - прежде всего, гораздо меньше сказываются особенности, связанные с формой начального, возмущения. Менее существенны в этом случае и эффекты, обусловленные выбором шага сетки, которые в некоторых случаях могут существенно искажать высокочастотную компоненту цунами [Chung, Yoon, Ivanov, 1995]. Однако важно, чтобы ряд исторических данных был достаточно полным и содержал наиболее сильные цунами, в противном случае неизбежны ошибки в прогнозных оценках. Чтобы избежать их, приходится привлекать иные источники информации, например, материалы исследований палеоцунами [Булгаков, Иванов, и др., 1995].
Ниже рассмотрены вопросы генерации длинных волн в шельфовой зоне океана под воздействием атмосферных процессов - переменного приземного атмосферного давления и скорости ветра. Основное внимание уделено формированию спектра естественных длинноволновых колебаний уровня в диапазоне периодов волн цунами - это имеет важное значение для задачи выделения опасного сигнала на фоне естественного шума. Резкое уменьшение і лубины вблизи берега и наличие отражающей границы накладывает существенный отпечаток на передачу энергии атмосферных процессов океанским волнам, здесь могут проявляться также частотно-избирательные свойства подобных механизмов, обусловленные характером топоірафии в исследуемом районе. Использование в эксперименте по измерению длинноволновых процессов на юго-западном побережье Камчатки высокочувствительного микробарографа предоставило возможность для детального изучения этого вопроса и проверки существующих теоретических представлений.
Помимо отклика на колебания атмосферного давления, рассматривается также возможность возбуждения длинных волн в диапазоне периодов цунами в результате нелинейной трансформации ветрового волнения в прибрежной зоне. Экспериментальные исследования формирования инфрагравитационных волн, оказывающих существенное влияние на перемещение осадочного материала и образование особых, ритмических форм рельефа (фестоны, серповидные бары и т. п. [Леонтьев, 2001]), весьма немногочисленны не только в нашей стране, но и в мировой практике
Особое внимание уделено исследованию аномальных колебаний уровня, аналогичных по своему характеру волнам цунами, но наблюдавшихся при отсутствии значительных сейсмических событий (для подобных явлений широкое распространение получил термин «метеоцунами» [Rabinovich, Monserrat, 1998]). Данное явление, подобно обычным цунами, наблюдается сравнительно редко, в особенности на открытых участках побережья (чаще в заливах и бухтах с хорошо выраженными резонансными свойствами).
Естественно также ожидать значительных колебаний уровня (в еще большей степени интенсивных прибрежных течений) в синоптическом диапазоне периодов, в котором наблюдается высокая интенсивность атмосферных процессов и в котором существует другой вид баротропных захваченных волн - шельфовые волны градиентно-вихревой природы. Наименее исследованным в этом отношении является вопрос о реакции длинноволновых процессов на шельфе на прохождение мезомасштабных атмосферных возмущений типа циклона или тайфуна, которые достаточно часто наблюдаются у дальневосточных берегов РоссииИзмерения колебаний уровня океана обнаруживают малые случайные флуктуации поверхности океана в широком диапазоне частот. Уровень наблюдаемого естественного длинноволнового шума в океане значительно меняется в зависимости от точки наблюдения и составляет около 3-5 см (среднеквадратичное отклонение) в открытом океане и 5-Ю см вблизи берега [Ефимов и др., 1985]
Согласно [Snodgrass et al, 1962], спектр гравитационных длинных волн в океане в диапазоне частот от 0.5 до 12 цикл/ч, в котором обычно проявляются волны цунами, определяется преимущественно воздействием на поверхность океана флуктуации атмосферного давления Реакцию океана на воздействие атмосферного давления можно разделить на два типа: статическую (согласно закону обратного барометра) и динамическую добавку, определяемую в основном свободными волнами, возбужденными вне области регистрации, подобно тому, как в теории приливов определяются собственный и индуцированный приливы. Среди эгих двух типов колебаний наибольший интерес, очевидно, представляют возмущения уровня океана, обусловленные свободными волнами. Их генерация может происходить, во-первых, за счег прямого (резонансного) взаимодействия отдельных спектральных компонент поля флуктуации атмосферного давления и поля длинных волн, а также вследствие отражения вынужденной волны от берега. Во втором случае возбуждение волн происходит во всем диапазоне частот и волновых чисел.
Отклик дрейфа на воздействие ветра. Двумерная регрессионная модель
Обратим внимание на изменения параметров приливных эллипсов в поперечном шельфу направлении. Представленные на рисунке 4.7 (в, г, д) приливные эллипсы получены из наблюдении на Аркутун-Дагинской (1996, 1979 гг.) и Чайвинской (1981 г.) площадях. Положение точек измерения мало отличалось по широте, а вот глубины в них отличаются существенно - около 36,47 и 21 м соответственно. Можно констатировать, что с приближение к берегу приливные эллипсы несколько сжимаются и разворачиваются (большая полуось становится почти параллельной линии берега), а по мере удаления от берега происходит резкое уменьшение скоростей течений. Причем форма эллипса, а также положение вектора в начальный момент, на средних и больших глубинах практически идентичны, особенно для гармоники Ki Это также хорошо согласуется с представлениями о быстром затухании шельфовых волн по мере удаления от берега.
Развитие спутниковой альтиметрии за последние 10 лет привело к революционным сдвигам в получении информации об изменчивости океанографических условий в широком диапазоне пространственно временных масштабов, ранее практически не охватываемых регулярными наблюдениями. Данные об изменении поверхности Мирового океана, получаемые при помощи альтиметрическої о датчика, установленного на искусственном спутнике Земли в рамках проекта Topex-Poseidon (ТР), получили в последнее время широкое распространение при исследовании большого числа океанографических явлений прежде всего благодаря относительно большой продолжительности имеющихся рядов наблюдений
Наиболее часто они используются при изучении циркуляции в различных его районах, отражением которой являются сезонные колебания уровня, выделении вихревых структур и ряда других, имеющих важное научное и прикладное значение задач. Однако для прибрежных районов океана, и в особенности для внутренних морей использование альтиметрии наталкивается на существенные трудности, обусловленные недостаточной точностью фильтрации приливных колебаний, которая осуществляется обычно при помощи глобальной модели океанских приливов [Andersen et al., 1995; Ray, 1999; Choi et al., 1999]. Для каждой конкретной акватории разрабатываются различные способы коррекции, в основе которых чаще всего лежит более точная региональная численная модель с усвоением имеющихся данных о характеристиках прилива, полученных с береговых самописцев уровня моря или автономных буйковых станций. Несколько таких попыток было предпринято в последнее время для Японского моря, хотя величина приливов здесь сравнительно невелика [Hirose et al., 1999, Monmoto Эплипсы главной суточной волны К1 по измерениям на Одоптинской (а), Пильтун-Астохской (б), Аркутун-Дагинской - в более близкой и удаленной от берега точках (в, г), Чайвинской (д) и Лунской (е) морских нефтегазоносных площадях.
Гораздо острее стоит вопрос о надежной фильтрации приливов для Охотского моря, что обусловлено значительной величиной приливов и сложным характером их пространственной изменчивости. Размах колебаний приливного уровня в его северо-западной и особенно в северо-восточной частях достигает величины в несколько метров. Для сравнения, амплитуда годовой гармоники, дающей основной вклад в сезонные вариации среднего уровня моря, и соответственно, характеризующей циркуляцию в масштабах бассейна, по данным береговых наблюдений, составляет около 10 см [Поезжалова, Шевченко, 1997]. Приблизительно такую же величину имеют отклонения уровня, связанные с вихревыми структурами синоптического масштаба и иными представляющими интерес объектами. Поэтому при анализе данных спутниковой альтиметрии, идентификации мезомасштабных вихрей и исследовании других динамических процессов в этом районе очень важна надежная фильтрация приливов, так как их искажающее влияние может приводить к значительным погрешностям при обработке данных и интерпретации полученных результатов
Пространственная структура приливов в Охотском море имеет весьма сложный характер. Приливные волны, проникая из Тихого океана через проливы Курильской гряды, испытывают рефракцию и отражение от береговых границ, так что в результате наблюдается сложная интерференционная картина, для приливных волн полусуточного образуются области амфидромий и т. д. Из-за влияния льдов, проявляющегося в образовании устойчивого ледяного покрова и даже полного промерзания на некоторых мелководных участках, а также в обраювании устойчивых зон свободных ото льда (в районах с сильными приливами и отжимными ветрами) и нелинейных эффектов, наблюдается значительная сезонная изменчивость амплитуд и фаз приливных волн [Сгибнева, 1981; Шевченко, 1996]. Все это делает задачу моделирования приливов в Охотском море весьма сложной, так что результаты расчетов в рамках реіиональньїх моделей [Suzuki, Kanari, 1986; Романенков, 1996; Kowahk, Polya-kov, 1998], также как и глобальных [Ray, 1999; Choi et al., 1999], не обеспечивают точности, которая необходима при обработке спутниковых данных о колебаниях уровня моря.
Одним из наиболее действенных методов решения данной проблемы является подход, предложенный канадскими учеными [Chemyawsky et al., 2001], основанный на анализе характеристик приливных колебаний непосредственно в заданной точке моря из полученного в ней альтиметрическою ряда, прямом расчете гармонических постоянных и вычитании пред-вычисленного прилива.
К настоящему времени накоплены достаточно продолжительные ряды, что позволяет корректно решить поставленную задачу, получить надежные, свободные от влияния приливов, данные о непериодических колебаниях уровня для решения упомянутых выше задач, а также определить особенности пространственной структуры приливных волн в Охотском море, что является самостоятельной важной задачей. Именно она, помимо разработки надежного метода фильтрации приливов из ТР-данных, являлась основной целью настоящего исследования.
В качестве исходных данных использовались измерения альтиметра, установленном на франко-американском спутнике Topex/Poseidon. Все необходимее поправки брались стандартным образом из набора данных спутника ТР MGDR-B и учитывались согласно рекомендациям [Benada, 2002]. Не вводилась рекомендуемая Global Ocean Tide Model [Ray, 1999] приливная поправка, для Охотского моря был разработан собственный алгоритм вычисления приливной составляющей в каждой точке, где формировались ряды альтиметрических данных.
Данные наблюдений за 1993-2002 гг. формировались в виде временных рядов с дискретностью 10 суток (с пропусками в период развития в исследуемом районе ледяного покрова, при технических неполадках в измерительной аппаратуре или при отсутствии дополнительной информации, необходимой для введения поправок) в точках, которые выбирались вдоль восходящих и нисходящих треков, пересекающих Охотское море и прилегающую часть Тихого океана (рис. 4 8). Шаг вдоль трека составлял примерно четверть градуса. При этом производилось соответствующее осреднение альтиметрических данных, попадавших в окрестность с расстоянием вдоль трека около 45 км с центром в выбранной точке. Эта операция выполнялась с целью подавления сравнительно мелкомасштабных вариаций геоида, которые не входят в стандартную поправку. Однако в результате данного подхода выбранные точки находились на определенном расстоянии от берега, так что исследовать особенности прибрежных течений было невозможно. Впрочем, применение геострофического приближения в области с небольшими и быстро меняющимися глубинами также некорректно.
