Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Исторические данные о цунами на Сахалине и используемая математическая модель для их моделирования 14
1.1 Введение 14
1.2 Исторические данные о цунами на Сахалине 16
1.2.1 Цунами от удаленных источников 23
1.2.2 Цунами от источников в районе Курильских островов 28
1.2.3 Цунами 11 марта 2011 года 32
1.2.4 Цунами от источников в Японском море 33
1.2.5 Землетрясение в Охотском море 2013 года 35
1.3 Математическая модель распространения длинных волн 41
1.4 Заключение 46
Глава 2 Моделирование исторических цунами, проявившихся на побережье острова Сахалин 47
2.1 Введение 47
2.2 Трансокеанское распространение Чилийских цунами 1960, 2010 и 2015 годов 50
2.3 Урупское цунами 13 октября1963 года 56
2.4 Монеронское цунами 5 сентября 1971 года 63
2.5 Землетрясение в Охотском море 24 мая 2013 года 69
2.6 Заключение 78
Глава 3 Влияние Курильских островов на проникновение цунами в Охотское море 79
3.1 Введение 79
3.2 Подготовка данных для проведения расчетов оценки экранирующих свойств Курильских островов 83
3.2.1 Описание батиметрий, использованных в численных расчетах 83
3.2.2 Установка «компьютерных» мареографов
3.2.3 Очаги цунами 85
3.3 Сравнительный анализ распространения длинных волн в бассейне с различными батиметриями 89
3.3.1 Моделирование распространения длинных волн 89
3.3.2 Анализ колебаний уровня моря в районе Курильских островов и в Охотском море 92
3.3. 3 Сопоставление с данными наблюдений Японского цунами 2011 года на побережье Сахалина и Курильских островов 98
3.4 Диаграмма направленности и потери энергии при прохождении волны цунами Курильских островов 101
3.4.1 Диаграммы направленности волн цунами при расчетах на разных батиметриях 101
3.4.2 Потеря энергии волн при прохождении Курильских островов 105
3.5 Заключение 109
Заключение 110
Список литературы .
- Цунами от источников в районе Курильских островов
- Трансокеанское распространение Чилийских цунами 1960, 2010 и 2015 годов
- Подготовка данных для проведения расчетов оценки экранирующих свойств Курильских островов
- 3 Сопоставление с данными наблюдений Японского цунами 2011 года на побережье Сахалина и Курильских островов
Введение к работе
Актуальность проблемы
На побережье о. Сахалин зарегистрировано 32 известных нам случая цунами за всю историю. Максимальная высота волн не превысила 2-3 м, но и этого достаточно, чтобы нанести ущерб инфраструктуре на Сахалине, что и наблюдалось в действительности. Все это определяет актуальность и значимость исследования длинноволновых процессов в Охотском море, направленного на развитие методов прогнозирования волн цунами.
Положения, выносимые на защиту
1. Анализ исторических цунами, проявившихся на побережье о. Сахалин. За период 1737 – 2015 гг. отмечено 32 события. Наибольшие высоты волн до 2-3 м наблюдались от локальных цунами на юго-западном побережье острова (Монеронское цунами 1971 г. и Невельское цунами 2007 г.). Цунами от
удаленных источников в акватории Тихого океана, проявились в основном на восточном и юго-восточном побережьях острова; максимальная высота 1,2 м.
-
Результаты численного моделирования Чилийских цунами 1960, 2010 и 2015 гг. в рамках нелинейных уравнениях мелкой воды, записанных в сферических координатах с учетом вращения Земли, подтвердившие наблюдаемые особенности этих цунами у побережья Сахалина.
-
Результаты численного моделирования Урупского цунами 13 октября 1963 г., позволившие объяснить результаты наблюдений этого цунами на Сахалине. Рассчитанные высоты волн немного превышают измеренные.
-
Анализ Монеронского цунами 5 сентября 1971 г., показавший достаточно хорошее совпадение наших расчетов с большинством данных наблюдений, что свидетельствует о правильном выборе параметров очага цунами.
-
Возможность генерации слабых волн во время глубокофокусных землетрясений (глубина фокуса 600 км и более). Эта возможность продемонстрирована расчетами колебаний уровня моря, вызванных землетрясением в Охотском море 24 мая 2013 г.
-
Анализ данных наблюдений и проведенных численных расчетов, показавший, что примерно 75-90% энергии цунами гасится Курильскими островами.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов обоснована выбором апробированных физических моделей, математической корректностью постановок задач, строгим использованием численных методов, обсуждением на научных семинарах и конференциях.
Практическая значимость результатов работы
Изучение исторических цунами на о. Сахалин позволило проанализировать особенности их проявления на побережье от разных районов локализации очагов цунами. Проведенное моделирование позволило объяснить особенности наблюдаемых распределений высот волн цунами на Сахалине.
Апробация работы
Основные результаты диссертации представлены на конференциях: Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз: IV-V Сахалинская молодежная научная школа (Южно-Сахалинск, 2009, 2010); Океанологические исследования: V конференция молодых ученых (Владивосток, 2011); Третья Сахалинская региональная морская научно-техническая конференция (Южно-Сахалинск, 2011); Молодежный научный симпозиум «Современные научные исследования на Дальнем Востоке» (Южно-Сахалинск, 2011); XVIII-XX Международные научно-технические конференции «Информационные системы и технологии» (Нижний Новгород, 2011-2015); XXII-XXIII Международные научно-практические конференции по графическим и информационным технологиям и системам «КОГРАФ» (Нижний Новгород, 2012-2014); International Tsunami Symposium (Годжек, Турция, 2013); Генеральная Ассамблея Европейского геофизического союза (Вена, Австрия, 2010-2015); Двенадцатая международная конференция «MEDCOAST» (г. Варна, Болгария, 2015).
Результаты диссертации докладывались на семинарах Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева и Специального конструкторского бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН.
Полученные результаты используются в российских исследовательских проектах, выполняемых при участии автора диссертации:
-
РФФИ 09-05-00971_а. Исследование цунами в Тихом океане в рамках нелинейно-дисперсионной теории длинных волн с помощью усовершенствованного вычислительного комплекса (2009-2011).
-
РФФИ 14-05-91370 СТ_а. Новые инструменты моделирования и оценка рисков морских природных катастроф в прибрежной зоне России и Турции (2014-2015).
-
РФФИ 15-55-45053 ИНД_а. Динамика сильно нелинейных морских волн, несущих крупномасштабные объекты, и их воздействие на берег во время аномальных наводнений (2015-2016).
-
Европейский грант 603839 (ASTARTE) «Оценка, стратегия и снижение риска цунами в Европе» (2013-2016).
Автор являлась руководителем грантов:
1. ДВО РАН 13-III-В-07-152. Изучение распространения цунами в прибрежной
зоне Дальневосточного региона России (2013).
2. ДВО РАН 14-III-И-07-159. Исследование проявления длинных волн различ
ной природы в прибрежной зоне о. Сахалин (2014).
Диссертант является лауреатом стипендии имени академика Г.А. Разуваева в 2014-2015 гг.
Публикации и личный вклад автора
По теме диссертации было опубликовано 34 печатные работы, куда входят 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 статьи в рецензируемых журналах, 4 статьи в трудах конференций и 21 тезис докладов на международных и всероссийских конференциях.
В совместных работах научному руководителю д.ф.-м.н., профессору А.А. Куркину принадлежат постановки задач и выбор методов исследований. Во всех работах автор диссертации выполняла большинство численных расчетов, а также принимала непосредственное участие в обсуждении и интерпретации полученных результатов и сопоставлении с данными наблюдений. В диссертации использовался вычислительный комплекс распространения длинных волн NAMI DANCE, разработанный А. Ялчинером, А. Зайцевым, Е. Пелиновским и А. Куркиным, с которыми обсуждались все детали численных расчетов и советами которых автор активно пользовался. Работы К8 и К32 опубликованы без соавторов.
Структура и объем диссертации
Цунами от источников в районе Курильских островов
Остров Сахалин находится в Охотском море, которое расположено в северо-западной части Тихого океана и соединено с Тихим океаном проливами Курильских островов (рис. 1.1). Ширина Курильских островов примерно 500 км, а длина около 1200 км, что составляет 41,6% от общего расстояния между полуостровом Камчатка и островом Хоккайдо. Тихий океан и сами Курильские острова расположены в зоне сильной сейсмической активности; здесь подводные землетрясения вызывают цунами, в том числе сильные, которые распространяются по Тихому океану. Обзор исторических цунами, зарегистрированных на Дальнем Востоке России, содержится в [Соловьев и Го, 1974, Соловьев и др.,1986; Соловьев, 1978; Ким и Рабинович, 1990; Щетников, 1990; Заякин, 1996], см. также статьи [Шевченко и др., 2008; Кайстренко и др., 2014]. Тихоокеанские цунами проникают в акваторию Охотского моря достаточно ослабленными в силу экранирующих свойств Курильских островов. С другой стороны, подводные землетрясения происходят и в акваториях Охотского и Японского морей, вызывая цунами, достигающие острова Сахалин. Особо отметим, что система мареографов в прибрежных пунктах острова Сахалин позволила получить инструментальные данные о цунами
Павлов Н.С., Зайцев А.И., Костенко И.С. Разработка программно-аналитического модуля для мониторинга и моделирования опасных морских катастроф применимо к дальневосточному побережью России // XIII Международная молодежная научно - техническая конференция «Будущее технической науки». 2014. С. 401.
Уже указывалось, что сводка исторических цунами на Дальнем Востоке России до 2000 года приводилась неоднократно в литературе [Соловьев и Го, 1974; Соловьев, 1978; Соловьев и др., 1986; Ким и Рабинович, 1990; Щетников, 1990; Заякин, 1996]. После 2000 года произошло еще несколько цунами, данные о которых содержатся в статьях [Шевченко и др., 2013; Ивельская и др., 2008; Лобковский и др., 2009]. Описания таких цунами могут быть также взяты из сводок цунами, размещенных в интернете [Integrated Tsunami Database]. Здесь мы выделим из всех описаний только те цунами, которые проявились на Сахалине. Некоторые из них будут предметом численного моделирования (см. главу 2). Сводная таблица цунами сейсмического происхождения, зарегистрированных на острове Сахалин за почти 300-летнюю историю, приведена в табл. 1.1.
Итак, по имеющимся данным полный список цунами, зарегистрированных на Сахалине, включает 32 события. В табл. 1.1 представлены данные еще о двух землетрясениях, цунами от которых могли проявиться на побережье о. Сахалин. Недавно, в 2013 году (24 мая) в акватории Охотского моря произошло сильнейшее землетрясение с магнитудой 8,3, которое ощущалось далеко от эпицентра, в частности, в центральной части России, в том числе в Москве и Нижнем Новгороде [Татевосян и др., 2014]. Землетрясение было глубокофокусным (609 км), поэтому оно не вызвало цунами на Сахалине. Тем не менее, нам представляется, что мы нашли следы цунами на Курильских островах (об этом в следующей главе), так что вполне возможно, что оно все-таки проявилось на Сахалине. Мы включили это событие в Таблицу 1.1, выделив эту строчку (33) коричневым цветом. Наконец, уже в этом году (16 сентября 2015 года) произошло сильное землетрясение у берегов Чили (магнитуда 8.3), вызвавшее цунами высотой 4,75 м у побережья Чили. Оно проявилось на берегах всех Тихоокеанских стран и, в частности, в России на острове Шикотан в пос. Малокурильское. Высота волны цунами, записанная мареографом, равна 0,86 м. Оно также зарегистрировано в Магадане с высотой 10 см (сообщение Т.Н. Ивельской). На сегодняшний день у нас отсутствуют данные о регистрации цунами на побережье Сахалина, поэтому мы выделили эту строчку (34) в Таблице 1.1 также коричневым цветом. Оба этих события не включены в последующий анализ наблюдаемых данных.
На рис. 1.2 дано распределение всех цунами (32 события) по годам с интервалом 10 лет. Как видно, наибольшее количество цунами было зарегистрировано в 1960-1980 годах, когда произошло 15 событий, почти половина всех событий. Такое «кластерное» распределение цунами по годам отмечается для многих районов Мирового океана.
Мы будем анализировать цунами на Сахалине, которые произошли за последние 100 лет, когда имеются количественные данные наблюдений. Таких событий было 29. Магнитуды землетрясений, вызвавших цунами на Сахалине, превышают Мs = 6,1, а максимальная магнитуда превысила Мs = 9 в двух событиях (Чилийское 1960 года и Японское 2011 года). Несмотря на то, что в дальневосточном регионе случаются землетрясения с магнитудой более 8, за последние 100 лет на острове Сахалин не было зарегистрировано катастрофических цунами с человеческими жертвами. Максимальная высота цунами не превысила 2-3 м. Но и этого оказалось достаточным, чтобы нанести ущерб инфраструктуре на Сахалине. Так, во время Невельского землетрясения 2 августа 2007 года (магнитуда М = 6,2) произошел подъём морского дна, и море ушло от берега, так что порт пришлось перестраивать.
Большинство из этих источников цунами расположены относительно недалеко от Сахалина: северная и восточная часть Японского моря, тихоокеанское побережье южных и центральных Курильских островов. Отдельно можно выделить район к востоку от острова Хонсю (Япония), где произошло сильное землетрясение 11 марта 2011 года, вызвавшее разрушительное цунами в Японии, и приведшее к разрушению прибрежного ледового поля на Курильских островах.
Несколько источников цунами, которые достаточно сильно проявились на побережье Сахалина, располагались далеко от него: восточнее полуострова Камчатка (17 октября 1737 и цунами 4 ноября 1952 года); полуостров Аляска, США (цунами 28 марта 1964 года); Чили, Южная Америка (цунами 22 мая 1960 года и 27 февраля 2010 года). Магнитуды этих землетрясений были велики. Цунами распространились по акватории Тихого океана и, проникнув в акватории Охотского и Японского морей через проливы Курильских и Японских островов, проявились на о. Сахалин. суммирует наблюдавшиеся на Сахалине высоты волн от разных землетрясений. Из представленных двух рисунков 1.4 и 1.5 видна связь мест генерации цунами с местами наблюдения цунами на Сахалине. Так, все цунами, источники которых расположены в Японском море, проявились на западном побережье острова Сахалин и, в меньшей степени, в заливе Анива. Некоторые из этих цунами вызваны слабыми землетрясениями и имели локальный характер (Монеронское цунами 5 сентября 1971 года, Невельское цунами 2 августа 2007 года).
Большинство цунами, источники которых расположены далеко от Сахалина, проявились на восточном побережье острова. Высоты волн на острове Сахалин от удаленных землетрясений по данным наблюдений составляли 0,1-1,2 м. В некоторых населенных пунктах они были максимальными за весь период наблюдений (г. Корсаков, п. Стародубское, г. Поронайск, п. Катангли – южное и восточное побережье о. Сахалин). Цунами, источники которых расположены с тихоокеанской стороны южных и центральных Курильских островов, в разной степени проявились на всем побережье о-ва Сахалин. Это связано с тем, что волны цунами проникают в Охотское море через разные проливы Курильских островов, что влияет на их высоту, а в Японское море через пролив Лаперуза и частично через проливы Японских островов.
Трансокеанское распространение Чилийских цунами 1960, 2010 и 2015 годов
Как уже указывалось в первой главе, на побережье острова Сахалин зарегистрировано, по крайней мере, 32 случая возникновения волны цунами, из них 31 – только за последние сто лет. Их моделирование представляет очевидный интерес как для понимания механизмов возникновения цунами, так и для исследования возможных последствий цунами в пунктах, плохо обеспеченных наблюдениями. На этой основе может быть выдан более надежный прогноз характеристик цунами на Сахалине. На рис. 2.1 приведена карта рассматриваемого района с населенными пунктами, в которых имелись мареографы, регистрировавшие изменения уровня моря. Расчеты характеристик волн цунами в Охотском море неоднократно приводились в литературе. Так сценарии цунами в Охотском море, связанные с возможным катастрофическим землетрясением вблизи острова Симушир, рассмотрены в [Лобковский и др., 2006]. Время распространения до материковой части Охотского моря оценивается в 3 часа. Произошедшее затем цунами 15 ноября 2006 года подтвердило прогностический сценарий, в данном случае. О. Симушир принял на себя главный удар и защитил побережье Сахалина и Магаданской области [Лобковский и др., 2008, 2009, 2010; Лаверов и др., 2009]. Недавно проведенный анализ проявления удаленных и ближних цунами на охотоморском побережье России был выполнен в [Безель и др., 2014] на основе результатов математического моделирования, что позволило выявить цунамигенные зоны в Тихом океане, которые наиболее опасны для побережья Охотского моря. Отмечается, что волны от южно-чилийских очагов достаточно свободно проникают сквозь Курильские проливы в Охотское море, где могут вызывать опасные (с размахом до 2 м) колебания уровня воды на восточном побережье Сахалина, на побережье Колымы и на западе Камчатки. Все расчеты подтверждают, что Курильские острова экранируют Охотское море от проникновения цунами из Тихого океана. Это же следует и из наших расчетов, проведенных за последние пять лет (Зайцев и др., 2010; Костенко, 2011; Костенко и др., 2013), которые будут воспроизведены в диссертации.
В данной главе рассматривается проявление исторических цунами в акватории Охотского моря и в прибрежной акватории острова Сахалин, как от удаленных, так и близлежащих источников. Проводится исследование сравнительной защищенности различных участков побережья о. Сахалин от воздействия цунами, описанных в Главе 1. В параграфе 2.2 дан сравнительный анализ проявления удаленных Чилийских цунами 1960, 2010 и 2015 годов. В параграфе 2.3 приведены данные наблюдений и численного моделирования Урупского цунами 1963 года, которое наиболее интенсивно проявилось на побережье о. Сахалин от очагов цунами, расположенных в районе Курильских островов. В параграфе 2.4 рассматривается Монеронское цунами 5 сентября 1971 года. В параграфе 2.5 приводятся результаты численного расчета гипотетического очага цунами, который мог возникнуть в результате глубокофокусного землетрясения в Охотском море 24 мая 2013 года.
Как было отмечено ранее, волны от очагов землетрясения, расположенных в районе Чили, достаточно свободно проникают в Охотское море через проливы Курильских островов и проявляются на побережье острова Сахалин. За всю историю наблюдений в этом районе произошло достаточно много землетрясений разной магнитуды, некоторые из них вызвали локальные и трансокеанские цунами. Наиболее сильным за всю историю наблюдений было землетрясение, которое произошло 22 мая 1960 года. В течение последних десятилетий в акватории Тихого океана и у его побережий развивается система инструментальных наблюдений за цунами, что позволяет лучше изучить природу этого явления и сопоставить с результатами численных расчетов. 27 февраля 2010 года у чилийского побережья произошло еще одно мощное землетрясение, сгенерировавшее цунами, дошедшее до побережья о. Сахалин. Последним событием явилось землетрясение и цунами 16 сентября 2015 года. Однако, несмотря на достаточно большую магнитуду землетрясения (8,3), высоты волн этого цунами были значительно меньше, чем в предыдущих случаях. Мы уже обсуждали в параграфе 1.2 проявления этих цунами в Охотском море, в частности, на побережье острова Сахалин.
В данном разделе мы рассмотрим результаты численных расчетов этих цунами и особенности их проявления на побережья о. Сахалин.
Для численного моделирования этих цунами выбраны следующие характеристики землетрясений (табл. 2.1). Данные сейсмических источников взяты из [сайта Геофизической службы США] и статьи [Fujii and Satake, 2013].
Очаги цунами, вызванные этими землетрясениями, рассчитаны в соответствии с решением Окада [Okada, 1985]; они показаны на рис. 2.2. Очаг цунами 1960 года представляет собой знакопеременное смещение уровня воды с максимальным поднятием на 8,6 м и опусканием на 2,3 м, так что максимальный перепад уровня воды в очаге составило 10,9 м. Максимальный перепад уровня воды в очаге цунами 2010 года равен 6,3 м (поднятие на 6,2 м и опускание на 0,1 м). По результатам численных расчетов в очаге цунами 2015 года перепад уровня составил 2,7 м. Разница в гидродинамических характеристиках цунами 1960 и 2010 годов в очаге составляет примерно 1,7 раза, а между цунами 2010 и 2015 годов - 2,3 раза.
Важно отметить, что эпицентры землетрясений 1960, 2010 и 2015 годов находятся достаточно близко друг к другу, так что очаги цунами перекрываются между собой (рис. 2.2), точнее, очаги цунами 2010 и 2015 годов находятся «внутри» очага цунами 1960 года, что свидетельствует о масштабах землетрясения 1960 года и последовавшего за ним разрушительного цунами. Влияние разницы в положении эпицентров на высоту волны цунами на противоположном побережье Тихого океана, в частности, на побережье о-ва Сахалин, незначительно, а более важным является разница в размерах очага и его интенсивности. Время прохождения волны цунами через Тихий океан составляет примерно сутки, поэтому в численных расчетах необходимо моделирование на 30 часов физического времени, что требует значительных компьютерных ресурсов. Наши расчеты выполнены в рамках нелинейных уравнений мелкой воды, представленных в 1 главе.
Подготовка данных для проведения расчетов оценки экранирующих свойств Курильских островов
По результатам численных расчетов для этих цунами на побережье Охотского моря можно выделить три района наиболее интенсивного их проявления: южное и восточное побережье о. Сахалин, северное побережье Охотского моря и западное побережье полуострова Камчатка. Эффект увеличения амплитуд волн цунами в этих же районах от источников, расположенных в районе Курильских островов и в Тихом океане, описывался во многих работах (хотя иногда и не отмечался специально) [Лобковский и др., 2006, 2008, 2009, 2010; Лаверов и др., 2009; Воробьев, 2006; Шевченко и др., 2014], а также в нашей работе [Костенко и Зайцев, 2013]. Отмечалось, что при изменении положения источников цунами, районы увеличения амплитуд цунами в Охотском море сохраняются, а меняется только их интенсивность проявления и положения максимальных волн. Так как данных о цунами 2015 года на побережье о. Сахалин у нас нет, то проведем сравнения высот цунами от разных источников на побережье Курильских островов. На Курильских островах максимальная высота волны наблюдалась в г. Северо-Курильск (о. Парамушир). От Чилийского цунами 1960 года она составила 4,7 м, от Чилийского цунами 2010 года - 2,28 м, и это уменьшение высоты согласуется с более маленьким очагом цунами 2010 года. Для примера, от Японского цунами 2011 года в г. Северо-Курильск высота составила 1,6 м, и это несмотря на то, что источник цунами располагался значительно ближе к городу, и магнитуда цунами была больше. Таким образом, подтверждается вывод, что высота цунами у побережья Курильских островов зависит от размера очага цунами и направления энергии его распространения, поэтому в случае чилийского цунами 1960 года высота оказалась выше в результате особенностей направленности и фокусировки энергии. Данные о колебаниях уровня моря во время цунами 2015 года имеются только для п. Малокурильское (о. Шикотан), где высота волны составила 0,86 м. Во время цунами 1960 года у побережья этого же населенного пункта высота волны составила 4,0 м, а при цунами 2010 года – 1,1 м. Несмотря на то, что в случае цунами 2015 года высота рассчитанного очага цунами более, чем в 2 раза меньше, чем в 2010 году, на незначительное уменьшение высоты волны для п. Малокурильское могло оказать влияние шельфовое усиление энергии колебаний в районе населенного пункта. Для сравнения высота максимальной волны от Японского цунами 2011 года составила 1,89 м, что больше, чем в случаях 2010 и 2015 годов - основное влияние на увеличение высоты оказывает близость расположения очага цунами 2011 года.
У побережья о-ва Сахалин наибольшие значения положительных амплитуд волн цунами от Чилийских землетрясений, согласно расчетам, расположены у северо-восточного побережья, залива Терпения, Анивского залива и юго-западного побережья. На западном побережье (за исключением юго-западной части) цунами проявились незначительно. Наибольшие амплитуды получились по результатам численных расчетов цунами 1960 года. Все это коррелирует с данными наблюдений, суммированных в разд. 1.2.
Рассчитанные колебания уровня моря во время цунами 2015 года на побережье Сахалина не превышают несколько сантиметров. К сожалению, наблюдательные данные для этого цунами отсутствуют.
Измеренные и рассчитанные высоты волн цунами 1960 и 2010 годов для населенных пунктов о. Сахалин показаны на рисунке 2.5. Видно, что рассчитанные высоты волн немного превышают измеренные (в среднем в 1,4 раза). Учитывая разницу в положениях реальных и «компьютерных» мареографов, а также не очень-то хорошую батиметрию приурезовой области, можно говорить о хорошем согласии рассчитанных и измеренных данных.
Рис 2.5. Сравнение высот цунами 1960 и 2010 годов на побережье Сахалина по результатам наблюдений и численного моделирования (синий цвет – 1960 год; красный цвет – 2010 год) 2.3 Урупское цунами 13 октября 1963 года
Здесь приводятся исторические данные о цунами, зафиксированном на побережье Сахалина, а также представлены результаты численного моделирования Урупского цунами 1963 года, возникшего в районе Курильских островов.
Землетрясение, которое произошло 13 октября 1963 года в 05:17:51 сек. (по Гринвичу) имело магнитуду 8,1 (по некоторым данным Mw = 8,5). Образовавшаяся в результате землетрясения волна цунами обрушилось на побережье Курильских островов высотой волны около 4 м, а на побережье о. Сахалин, по данным наблюдений, максимальная высота волны была в 10 раз меньше и составила 0,4 м [Integrated Tsunami Database]. Это одно из наиболее сильных цунами, которое проявилось на Тихоокеанском побережье Курильских островов за период инструментальных измерений. Очаг цунами располагался с тихоокеанской стороны о. Уруп вблизи крупных проливов Курильской гряды Фриза и Буссоль [Геолого-геофизический атлас, 1987], что способствовало большему проникновению волн цунами в Охотское море. Как отмечалось в главе 1, из всех цунами, источники которых располагались в районе Курильских островов, именно это цунами оказало наиболее сильное воздействие на о. Сахалин.
На рис. 2.6 представлены записи цунами 13 октября 1963 года для п. Катангли, г. Корсаков и м. Крильон.
Так как очаг цунами располагался относительно недалеко от побережья о. Сахалин, то нет необходимости расчета волн цунами на всей акватории Тихого океана. Шаг между узлами сетки батиметрии северо-западной части Тихого океана в среднем составляет 690 (541-839) м (рис. 2.7). Шаг сетки «вложенной» батиметрии в районе о. Сахалин 229 (179-279) м. Расчеты выполнены в рамках нелинейных уравнений мелкой воды. На побережье граничные условия соответствовали накату волны на берег. Характеристики землетрясения 1963 года взяты из [Ioki and Tanioka, 2008; Геолого-геофизический атлас, 1987]. Они представлены в Таблице 2.2.
3 Сопоставление с данными наблюдений Японского цунами 2011 года на побережье Сахалина и Курильских островов
Оценка отражающих свойств Курильских островов сделана для цунами, пришедших со стороны Тихого океана. В качестве таковых выбрано как реальное событие (Японское цунами 2011 года), так и гипотетическое (см. ниже). Очаг Японского цунами 2011 года Японское землетрясение, случившееся 11 марта 2011 года, вызвало катастрофическое цунами и привело к технологической катастрофе на атомной станции Фукусима. Максимальный подъем уровня воды на побережье Японии составил 37 м в порту Коборинай (Koborinai, Sanriku) и эта же величина получена в результате численных расчетов в рамках уравнений Навье-Стокса с усреднением по Рейнольдсу [Kim et al, 2013]. На территории России наиболее высокие волны проявились на Южных Курилах, а максимальная высота заплеска по данным наблюдения составила 3 м в г. Южно-Курильск на о. Кунашир [http://www.rtws.ru/]. Цунами поломало также лед в прибрежной зоне, усиливая воздействие на береговые сооружения [Кайстренко и др., 2011]. Моделирование цунами 2011 года неоднократно описывалось в литературе. Аномально большая высота заплеска (около 40 м) на о. Хонсю (Япония) объясняется как особенностями трехмерного движения воды в узком ущелье [Kim et al, 2013], так и сходом сильного оползня при землетрясении [Tappin et al., 2014]. Это цунами хорошо описано [Mori et al, 2012; Wei et al, 2013; Fine et al, 2013; Saito et al, 2013; Chen et al, 2014; Choi et al, 2014]. Отметим моделирование этого цунами, сделанное российскими специалистами [Кайстренко и др., 2011; Kaistrenko et al, 2013; Шевченко и др., 2014]. Так, эффект рассеяния энергии цунами в Тихом океане исследован в работе [Куликов и др., 2014] в рамках линейной теории мелкой воды (программный код TUNAMI, послуживший прототипом комплекса NAMI DANCE, использованного в наших расчетах). Он приводит к формированию случайного поля колебаний уровня океана на больших отрезках времени. Особо выделим статью [Шевченко и др., 2014], в которой суммированы инструментальные измерения цунами 2011 года на Тихоокеанском побережье России, сопоставленные с результатами численного моделирования в рамках уравнений мелкой воды.
Далее приводятся результаты наших расчетов, выполненных в то же самое время [Костенко и Зайцев, 2011; Костенко и Зайцев, 2012; Костенко и др., 2013; Zaytsev et al., 2013; Костенко и др., 2016] для выявления особенностей влияния Курильских островов на распространение цунами в Охотском море на примере исторического события. В качестве очага Японского цунами выбран очаг проф. Имамуры, приведенный в [Imamura, 2011]. Он построен по параметрам десяти наиболее крупных афтершоков, произошедших за небольшой промежуток времени у восточного побережья о-ва Хонсю (Япония). Очаг цунами состоит из десяти сегментов, срабатываемых в различные моменты времени; их параметры содержатся в табл. 3.1. Часть параметров одинакова для всех сегментов: длина и ширина разлома одинаковые и равны 100 км; угол между меридианной и линией разлома (Strike angle) 1930; угол наклона плиты (Dip angle) 140; угол сдвига плиты (Slip angle) 810.
Высоты смещения уровня воды в очаге каждого сегмента вычислены с помощью решения Окада [Okada, 1985]. На рис. 3.4 показан построенный очаг цунами после запуска расчета всех сегментов очага. На вкладке внизу показано трехмерное изображение этого очага [Костенко и Зайцев, 2011; Костенко и Зайцев, 2012; Костенко и др., 2013; Zaytsev et al., 2013].
очаг
Также для численного расчета и анализа использовался гипотетический очаг цунами, который представляет собой вертикальное смещение поверхности океана эллиптической формы в начальный момент. Центр гипотетического очага цунами произвольно расположен в Тихом океане и находится в точке с координатами 37 с.ш. и 156,5 в.д. (рис. 3.5). Длина большой оси очага 860 км, малой - 210 км; они примерно соответствуют очагу цунами при катастрофическом землетрясении с магнитудой 9. Его амплитуда взята равной 1 м; в силу почти линейности задачи эта величина играет роль вертикального масштаба. На верхнем рисунке показано трехмерное изображение этого очага. Как известно, от очагов вытянутой формы основная энергия цунами излучается вдоль направления наименьшей оси. Наш очаг расположен вдоль Курильских островов. Соответственно основной «удар» должен приходиться на Курильские острова и оказать максимальное воздействие на побережье.
Распространение волн цунами от Тихого океана до побережья Охотского моря с учетом различных батиметрий моделируется в рамках нелинейных уравнений мелкой воды с учетом сферичности Земли, силы Кориолиса и трения о дно (см. главу 1). Вычислительные эксперименты проводились, как и ранее, с использованием программного комплекса NAMI DANCE.
Расчеты цунами от гипотетического очага носят модельный характер, поэтому в этом случае использована только грубая сетка с шагом примерно 1,6 км с условием полного отражения на берегу (в последних мористых точках). Продолжительность расчета волн от гипотетического источника 15 расчетных часов.
Описание использованных в расчетах батиметрий описано в разделе 2.2. Расчет распространения Японского цунами 2011 года имеют важное прикладное значение, поскольку позволяют провести сопоставление данных расчета наблюдаемым данным и оценить применимость численной модели и выбранного очага цунами. Граничные условия в этом случае учитывают заплеск волны на берег, хотя и достаточно грубо. Продолжительность моделирования Японского цунами 2011 года составляет 30 расчетных часов.
На открытой границе в Тихом океане в обоих случаях ставятся неотражающие граничные условия (в рамках линейной теории мелкой воды), соответствующие полному уходу волны из расчетной области.
На рис. 3.6 показано движение волн цунами через 1, 3, 5 и 7 часов, рассчитанные с использованием батиметрии с Курильскими островами (слева) и без них (справа). В случае Японского цунами фронт основной волны к Курильским островам подходит с запада. Форма взволнованной поверхности моря, видимая на рис. 3.6 за время 1 и 3 часа после начала землетрясения, получается несколько различной в вариантах с разной батиметрией, она более симметричная в варианте без Курильских островов. При наличии Курильских островов фронт представляет собой две полуокружности с разными радиусами. Поэтому волны цунами при моделировании без Курильских островов, как и ожидалось, распространяются в Охотском море быстрее и высота их больше.