Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитические и численные методы изучения пространственной структуры резонансных колебаний жидкости 12
1.1 Введение 12
1.2 Основные уравнения 13
1.3 Метод передаточных функций 27
1.4 Приборы и методы натурных наблюдений 33
1.5 Метод обработки результатов 43
1.6 Выводы 49
Глава 2 Исследование длинноволновых колебаний в бассейнах со сложной геометрией .50
2.1 Введение 50
2.2 Особенности сейшевых колебаний в бухтах с узким входом 50
2.3 Резонансные колебания в полуоткрытых акваториях 78
2.4 Свободные колебания в заливах 95
2.5 Выводы 105
Глава 3 Особенности шельфового резонанса на примере Курильских островов 106
3.1 Введение 106
3.2 Регистрация близких и удаленных цунами на Курильских островах 107
3.3 Моделирование шельфовых колебаний под воздействием цунами 130
3.4 Выводы 133
Заключение 134
Список литературы 135
- Приборы и методы натурных наблюдений
- Особенности сейшевых колебаний в бухтах с узким входом
- Регистрация близких и удаленных цунами на Курильских островах
- Моделирование шельфовых колебаний под воздействием цунами
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Гидродинамика сплошных сред является наиболее сложным разделом механики. Актуальность ее изучения связана с тем, что, как известно, все природные явления являются нестационарными. Часто используемые понятия статических и стационарных процессов являются не более чем приближением реальных явлений. Во многих же случаях учет динамических свойств среды просто необходим как качественно, так и количественно.
За последние десятилетия гидродинамика развивалась чрезвычайно интенсивно, но ее развитие в значительной степени шло по прикладным направлениям, а также в направлении усложнения доступных теоретическому расчету задач. К последним, относятся, в частности, разнообразные задачи о резонансных колебаниях и их развитии в жидкости. Уравнения, описывающие данные явления нелинейны и поэтому их прямое исследование и решение возможны лишь в сравнительно редких случаях. Благодаря этому развитие современной гидродинамической теории для описания пространственной структуры резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией возможно лишь в непрерывной связи с численными и натурными экспериментами.
Исследованию резонансных колебаний в жидкости посвящено огромное число теоретических (аналитических и численных) и экспериментальных исследований. Интерес к их изучению обусловлен несколькими взаимно дополняющими факторами. Основным из которых является распространенность данной формы волновых движений в природных условиях и наблюдается широкий динамический диапазон изменчивости их параметров. В земных условиях наблюдаются резонансные колебания с масштабами в несколько сотен километров, и в атмосфере, и в океане. Естественно, что в первую очередь важно понимание интенсивных волн, содержащих значительную энергию, поведение которых в прибрежной зоне океана может быть достаточно сложным в силу нелинейных эффектов. Получены многочисленные данные наблюдений реальных цунами, например, Симуширское цунами 15 ноября 2006 г., Невельское цунами 2 августа 2007 г., Индонезийское цунами 3 января 2009 г., Симуширское цунами 15 января 2009 г., цунами от землетрясения в Самоа 29 сентября 2009 г. интенсивность и поведение которых в прибрежной зоне океана нельзя объяснить без привлечения теории резонансных колебаний в жидкости.
Имеется множество фактов, подтверждающих их обнаружение в волновом поле в прибрежной зоне океана. Они рассматриваются в качестве одного из факторов долговременной эволюции неравномерной прибрежной береговой линии. Лабораторные эксперименты и грубые оценки характерных масштабов находятся в хорошем соответствии с реальным наблюдением прибрежных особенностей морфологии. Коротко-масштабные резонансные колебания играют определяющую роль во многих процессах прибрежной волновой динамики, таких как кратковременные затопления прибрежной зоны, формирование и перестройки прибрежного и донного рельефа, изменчивость вдольбереговых тече-
ний и др. Крупномасштабные резонансные колебания являются важной компонентой движений воды, производимых циклонами, движущимися в прибрежной зоне океана.
В этой связи, актуальным остается развитие гидродинамической теории для описания пространственной структуры резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией.
Цели диссертационной работы
Основной целью диссертации является численное и экспериментальное изучение пространственной структуры резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией в рамках длинноволновых моделей гидродинамики идеальной несжимаемой жидкости. В частности, предполагается:
Разработать и реализовать методику изучения пространственной структуры резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией, основанную на экспериментальных и численных исследованиях
Изучить особенности пространственного распределения амплитуд нулевой и первой мод резонансных колебаний для различных форм бассейнов.
Доказать возможность существования резонансных колебаний в полуоткрытых акваториях вдоль градиента глубины.
Методы исследования
Методология исследования опирается на современные информационно-вычислительные технологии и основана на сочетании теоретических, численных и экспериментальных методов и подходов. При численном моделировании используются математические модели волновой гидродинамики; эффективные вычислительные конечно-разностные алгоритмы; алгоритмическая и низкоуровневая оптимизация разработанных программных алгоритмов, а также их распараллеливания; принципы и технологии создания проблемно-ориентированных программных комплексов нового поколения, характеризующиеся интегрированностью моделирующих, информационных и интерфейсных компонент. Для экспериментальных исследований используются разработанные с участием автора автономные и кабельные регистраторы волновых процессов АРВ - К10, АРВ - К11, АРВ - К11, СОМ-Тион.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту
Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами:
Усовершенствована численная модель решения уравнений нелинейной теории мелкой воды в разномасштабных бассейнах со сложной геометрией. Эта модель реализована в программном комплексе NAMI-DANCE 4.8 предназначенном для расчета длинноволновых процессов в океане в сферических координатах с учетом силы Кориолиса.
Разработано программное обеспечение для автономных регистрирующих комплексов для долговременной непрерывной регистрации волновых процессов на шельфе. Применение данных автономных регистрирующих ком-
плексов в большом числе натурных экспериментов продемонстрировало эффективность и надежность предложенных решений.
Проведен крупномасштабный долговременный эксперимент по регистрации длинноволновых процессов на шельфе морей Дальнего Востока России. Впервые получено свыше 100 000 часов непрерывных записей волновых процессов с секундной дискретностью. На основе полученных в ходе эксперимента натурных данных и численного моделирования изучена пространственная структура резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией.
Экспериментально и численно показано, что 8-10 минутные колебания, соответствующие нулевой моде (мода Гельмгольца) возбуждаются под воздействием цунами. Пространственная структура этой моды является сильно неоднородной, в частности возможно десятикратное увеличение амплитуды волны в удаленной от входа области бассейна.
Экспериментально и численно подтверждено существование резонансных колебаний в полуоткрытых акваториях, в случаях, когда градиент глубин на открытой границе ограничивает излучение волновой энергии.
Экспериментально и численно изучены резонансные эффекты при распространении волн вдоль градиента глубин. В частности доказано существование захваченных волн с периодами около 90 мин и амплитудой 15-20 см. распространяющихся между мысами Свободный и Терпения (расстояние 220 км) вдоль Охотоморской впадины.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов обоснована корректностью постановок задач, строгим использованием качественных и численных методов, сравнением результатов численного моделирования с результатами, полученными в ходе экспериментальных исследований, обсуждением на научных семинарах и конференциях.
Практическая значимость результатов работы
Полученные результаты, показывающие возможность образования резонансных колебаний в бассейнах со сложной геометрией, могут быть использованы для прогнозирования появления аномальных захваченных волн в океане, которые могут интенсифицировать процессы перераспределения донных наносов и изменения береговой линии, а также приводить к аномальным и кратковременным наводнениям локального характера, наблюдаемым в прибрежной зоне. Ряд исследованных здесь эффектов должен проявляться в механике сжимаемого газа в приложении к динамике атмосферы в силу общности математических моделей механики жидкости и газа.
Результаты настоящей работы были использованы при создании карты цунамирайонирования (НИР «Создание карты цунамиопасности Сахалинского побережья Татарского пролива в масштабе 1:200 000»).
Результаты настоящей работы могут быть использованы при разработке рекомендаций диспетчерам портовых служб, гидрометеорологическим и ава-
рийно-спасательным службами для уменьшения урона от опасных морских явлений в портах Невельск, Холмск, Корсаков, Поронайск, Владивосток и на побережье. Полученные результаты позволят повысить достоверность расчетов при строительстве и модернизации портов и других объектов на побережье и шельфе. Записи цунами могут быть полезны при решении проблемы конструирования и настройки приборов для службы раннего оповещения цунами. Экспериментальные данные и результаты численного моделирования пространственной структуры резонансных колебаний позволят оценить их вклад в биологические и экологические процессы.
Полученные результаты используются в российских и международных исследовательских проектах, выполняемых с участием автора диссертации.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
Генеральной Ассамблеи Европейского геофизического союза (Вена, Австрия, 2007, 2008); Международной конференции «Литодинамика контактной зоны океана» (Москва, 2009); Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Таганрог - Ростов-на-Дону 2007, Уфа 2008, Кемерово - Томск, 2009); Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (Н. Новгород, 2007, 2008); II - IV Сахалинских молодежных научных школах «Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз» (Южно-Сахалинск, 2007 - 2009); Международной научно-практической конференции по графическим информационным технологиям и системам (Н. Новгород, 2007, 2008); Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2006).
Результаты диссертации неоднократно докладывались на семинарах Института Морской Геологии и Геофизики ДВО РАН, Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, Института океанологии РАН, научной школы член-корреспондента РАН Б.В. Левина, Технического университета среднего востока, Анкара, Турция.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ, куда входят: 6 статей в изданиях рекомендованных ВАК, 1 глава к книге, 5 статей в рецензируемых журналах, 1 - в трудах международной конференции, 22 - в тезисах международных и российских конференций.
Личный вклад автора
Работы с соавторами [Ч 1 - Ч 7, Ч 14, Ч 17, Ч 20] выполнены на паритетных началах, а в работах [Ч 8 - Ч 13, Ч 15, Ч 16, Ч 18, Ч 20 - Ч 27, Ч 30 - Ч 35] личный вклад Чернова А.Г. является основным. В большинстве работ автору принадлежит выполнение натурных и численных экспериментов, а также участие в обсуждении и интерпретации полученных результатов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержащего 135 наименований. Общий объем диссертации составляет 152 страницы.
Приборы и методы натурных наблюдений
Приближенный метод оценки периодов многоузловых сейш по известному периоду одно— или двухузловой сейши впервые был предложен Кристаллом [Арсеньева, 1963], который отказался от использования соотношений простого гармонического ряда и применил для тех же целей формулу следующего вида: где х безразмерная величина, зависящая от формы профиля дна; п — число узлов сейши.
Если по данным наблюдений известны периоды Ту и Г?, то по формуле (1.2.16) легко вычислить значение % и определить периоды сейши с числом узлов более двух. Этим же способом можно воспользоваться, если Ті и Г? определены на основании модельных исследований. Это оказьшается весьма удобным, поскольку воспроизведение на моделях трехузловых и четырехузловых сейш связано с некоторыми затруднениями и часто не обеспечивает требуемой точности результатов.
Свободные стоячие колебания уровня в водоемах, как и колебания любой физической системы, затухают по экспоненциальному закону:
Для моментов времени ti—t0=kT,cos[27r(t.—t0)/T] = l и выражение декремента (коэффициента) затухания д, исходя из (1.3.17), приводится к виду показывающему интенсивность затухания колебаний уровня за время, равное периоду сейши. Затухание колебаний может быть определено и за единицу времени (секунда, минута, час), что более удобно при сопоставлении интенсивности затухания в водоемах с разными периодами сейшевых колебаний.
Следует заметить, что определение интенсивности затухания свободных сейшевых колебаний уровня в водоемах по данным самописцев весьма затруднено из-за влияния различных искажающих факторов или из-за столь слабых затуханий, что они не обнаруживаются на записях даже при их длительности в несколько суток. Данные экспериментальных исследований показывают существенное уменьшение интенсивности затухания колебаний уровня с увеличением глубины. Действительно, значение S, отнесенное к единице времени (1 мин), уменьшалось по данным экспериментов в бетонном лотке размерами 30x0,6x2,0 м (ширина) от 0,50 при Нср = 2,7 см до 0,067 при Нср = 28 см, т. е. обратно пропорционально глубине.
Значение б для двухузловой сейши на Каховском водохранилище (Нср = 8 м) равно около 15 10 , а для двухузловой сейши на оз. Байкал (Нср = 780 м) - около 23 10-7. Эти цифры показывают, что свободное затухание сейшевых колебаний уровня при малой глубине в экспериментальном лотке происходит в течение нескольких десятков минут, а при глубине около 30 см - в течение 1,0-1,5 ч. Для затухания сейш на Каховском водохранилище необходимо 2-4 сут, а на оз. Байкал — несколько месяцев. Однако в водоемах процессы свободного затухания колебаний уровня обычно нарушаются искажающими факторами и редко продолжаются непрерывно более нескольких суток.
Затухание свободных сейшевых колебаний уровня происходит в основном за счет донного и внутреннего трения, обусловленного физической вязкостью. Поскольку доля донного трения уменьшается с увеличением глубины бассейна, то это способствует снижению интенсивности затухания сейш в глубоководных водоемах, что и подтверждается полученными результатами экспериментальных исследований и данными натурных наблюдений. В природных условиях на интенсивность затухания сейш и сейшеобразных явлений может оказывать влияние еще один фактор - трение, обусловленное турбулентной вязкостью.
Влияние волнового перемешивания и ветрового течения на затухание сейш и сейшеобразных колебаний уровня отчетливо прослеживается на экспериментальных установках, например при измерении скорости ветра и размеров ветровых волн. По известным значениям интенсивности затухания волновых колебаний уровня, полученным при различной скорости ветра, можно вычислять, как показано в работе [Хатчинсон, 1969], коэффициент турбулентной вязкости, соответствующий задаваемым в экспериментах условиям турбулентного перемешивания вод.
Стоячая волна возникает в результате наложения друг на друга двух одинаковых встречных длинных волн. Возникновение сейш в акваториях может быть вызвано следующими причинами [Судольский, 1991]: а) неравномерным распределением атмосферного давления над акваторией или его периодическим изменением во времени; б) действием ветра на водную поверхность; в) внешним волновым воздействием на акваторию; г) сейсмическими колебаниями земной коры; д) волнами удаленных цунами. В некоторых случаях сейши возникают в результате совместного действия двух или даже трех разных факторов. Наиболее отчетливо сейшевые колебания уровня выражены при отсутствии ледяного покрова. Во многих водоемах сейши действуют в течение 30-50 % продолжительности безледоставного периода, а в таких озерах, как Байкал и Балхаш, суммарная продолжительность их действия может достигать даже 80-90 % [Судольский и др, 1987].
Сейшевые колебания уровня неизменно сопровождаются сейшевыми течениями, осуществляющими перенос и перемешивание вод и, в связи с этим, нередко оказывающими заметное влияние на формирование водных масс со специфическими чертами химического и биологического состава или термического режима. По этим причинам изучению сейшевых явлений необходимо уделять должное внимание.
Особенности сейшевых колебаний в бухтах с узким входом
Для большинства преобразователей резонатор должен находиться в жестком механическом контакте с другими элементами, образующими конструкцию датчика. Сочленение резонатора с элементами конструкции может вызвать утечку акустической энергии из резонатора. В результате снижаются добротность, стабильность частоты и, в конечном счете, точность датчика.
Поэтому в качестве тензопреобразователей для датчиков гидростатического давления применяются пьезоэлементы, использующие колебания сдвига по толщине и колебания изгиба, так как только для этих типов колебаний удается достаточно просто решить проблему акустической развязки при сочленении резонатора с элементами конструкции, их присоединение осуществляется в местах пьезоэлемента, обладающих нулевыми амплитудами смещений. А при разработке преобразователей изыскивают методы акустической развязки, обеспечивающие локализацию колебательной энергии в объеме пьезоэлемента.
Резонаторы с колебаниями сдвига по толщине обладают таким эффектом локализации, и для них проблема акустической развязки решается наиболее просто, поскольку их периферия свободна от колебаний, а акустическая энергия локализована в центральной области пьезорезонатора. Это дает возможность жестко закреплять резонатор в конструкции преобразователя без ухудшения добротности и резонансной частоты за счет присоединенной массы.
При построении пьезорезонансных датчиков давления используются тензопреобразователи с рабочими деформациями растяжение-сжатие в плоскости пьезоэлемента, поскольку обеспечивают высокую линейность преобразования усилий и деформаций в частоту, большую жесткость и прочность преобразователей. Остальные виды деформаций практически не применяются из-за большой нелинейности рабочих характеристик и малой жесткости тензопреобразователей. Тензочувствительные резонаторы реализуются на диапазон частот 0,3—100 МГц. Толщина пьезоэлементов в зависимости от резонансной частоты варьируется в диапазоне 0,05 - 3 мм при поперечных размерах 3-30 мм. В пределах прочности пьезокварца [сг]Раст = 100 МПа, [ст]сж = 24x102 МПа пьезоэлементы выдерживают сжимающие нагрузки до 105 Н, а нагрузки растяжения (в 24 раза меньшие) — до 4000 Н. Экспериментально установлено [Малов В.В, 1989], что до предела прочности на сжатие пьезорезонаторы обладают практически линейной зависимостью относительных изменений частоты Af/f от значений напряжений в центральной области пьезоэлемента: а коэффициенты Ка , Кр, Ks не зависят от значения механического воздействия и его знака. И относительные изменения частоты близки к относительным изменениям резонансного размера: Пьезорезонансные тензометры обладают существенно более высокой разрешающей способностью по деформациям, чем тензометры сопротивлений. Это вытекает из того факта, что частота (а следовательно, и деформация Ah/h) резонатора может быть измерена с разрешением Af/f» Ю-7 Ю-10, в то время как измерение относительных приращений сопротивления AR/R (и деформаций тензорезисторов) обеспечивается с разрешением не лучше 10 . В пьезорезонансных датчиках кварцевая пластина, закрепленная между чувствительной к давлению мембраной и недеформируемым основанием, используется как электрический резонатор в схеме автогенератора, выходная частота которого, как функция от приложенного гидростатического давления, может быть с большой точностью и в большом диапазоне давлений аппроксимирована полиномом где Р — гидростатическое давление, A, B,C,D- коэффициенты. Из известных типов преобразователей гидростатического давления пьезорезонансные обладают несомненными достоинствами, т.к. они имеют малую температурную зависимость, почти на порядок лучшую точность по сравнению с тензорезисторными и вибротронами. Кроме того, результаты натурных испытаний, описанные в работе [Irish J.D.,1972], а также выполненный для отечественных пьезорезонансных датчиков сравнительный тест [Ковалев П.Д., 2008] показали, что уровень шумов кварцевого датчика существенно меньше, чем вибротронного. Следует заметить, что последний, в настоящее время редко используется в гидрофизической аппаратуре. Пьезорезонансные датчики обладают несомненными достоинствами по сравнению с аналоговыми, т. к. при работе с современными цифровыми регистраторами не требуют применения прецизионных аналого-цифровых преобразователей и достаточно просто согласуются с кабельной линией для передачи данных на берег от донной станции при гораздо лучшем соотношении сигнал/шум, чем у приборов с аналоговым сигналом. Кроме того, низкое энергопотребление и высокая чувствительность делают их незаменимым элементом автономных систем, зондов, буев обнаружения цунами (DART—II) и т.д. Далее будут рассмотрены автономный и кабельный комплексы на базе данного типа датчиков, Прибор выполнен в корпусе из нержавеющей стали и имеет цилиндрическую форму. В качестве первичных преобразователей физических величин используются кварцевые резонаторы. Такой выбор неслучаен: пьезорезонансные элементы имеют малую температурную зависимость и высокую точность. Сигнал с автогенератора, к которому подключены первичные преобразователи, подается на вход регистратора. Регистратор реализован на базе микроконтроллера MSP430 фирмы Texas Instruments (рис. 1.4.1). Съем частоты с автогенератора производится посредством счетчика-таймера микроконтроллера. Сохранение данных на регистраторе производится на полупроводниковую энергонезависимую память. Значения частоты автогенератора записываются в энергонезависимую память вместе с показаниями системных часов, которые синхронизируются на всех датчиках непосредственно перед постановкой. Полный объем памяти на регистраторе — 64 Мб, чего вполне достаточно для непрерывной регистрации избыточного гидростатического давления в течение 6 месяцев. В конструкции этого регистратора используются элементы питания Delta (12 В). Емкость батарей питания такова, что при текущем энергопотреблении регистратора возможно наращивание как емкости памяти, так и расширение функциональности путем добавления первичных преобразователей других физических величин.
Регистрация близких и удаленных цунами на Курильских островах
В настоящей главе рассмотрены результаты применения методики исследования резонансных колебаний для бассейнов со сложной геометрией, на примере проведенных при непосредственном участии автора работ для различных акваторий Дальневосточных морей России. Рассматриваются особенности проявления близких и удаленных цунами на примере бухты с узким входом (бухта торгового порта Холмск). Исследована особенность усиления нулевой моды бухты при совпадении резонансной частоты с частотой внешнего шельфа.
Для бухт с широким входом, на примере бухты Алексеева на острове Попова, рассмотрена пространственная структура нулевой (мода Гельмгольца) и первой мод резонансных колебаний в случае, когда свал глубин на свободной границе ограничивает излучение волновой энергии во внешнюю акваторию.
Для открытых бассейнов доказана возможность существования устойчивых свободных колебаний вдоль градиента глубин на примере залива Терпения.
Холмская бухта представляет собой акваторию грушевидной формы с относительно широкой основной частью и узкой удаленной (кутовой), в которой собственно и находятся основные портовые сооружения. Вход в бухту прикрыт с юга и севера волнозащитными стенками, которые оставляют свободным достаточно широкий проход — данное обстоятельство весьма является важным для формирования в ней резонансных колебаний. В особенности это относится к нулевой моде собственных колебаний (моде Гельмгольца), имеющей узловую линию в горловине [Рабинович, 1993]. Глубина в районе горловины бухты — около 10 м. От входа к кутовой части бухты проходит фарватер, глубины в котором уменьшаются от 10 м на входе до 8-9 м в основной части акватории и до 6-7 м в удаленной. Более мелководные зоны выделяются в районе, примыкающем к южному молу, а также (несколько более обширная) вдоль северного и северо-восточного побережья бухты.
Характеристики проявлений цунами в порту г. Холмск исследовались в работе [Ивельская и др., 2001] на основе оцифрованных мареограмм, содержащих записи достаточно большого числа цунами, источники которых находились как в Японском море, так и на значительном удалении в Тихом океане. Было выявлено, что во всех случаях, за исключением наиболее низкочастотного Чилийского цунами (май I960), в спектрах колебаний выделялся основной пик с периодом около 8 мин. Этот период отвечает нулевой моде собственных колебаний Холмской бухты, которая обычно эффективно возбуждается в бухтах с относительно узким входом [Рабинович, 1993].
Изучение периодов и пространственной структуры резонансных колебаний, обусловленных особенностями прибрежной топографии, было целью проводимых в порту г. Холмск экспериментальных измерений волновых процессов. Подобные исследования являются одной из важнейших задач при оценке риска морских опасных явлений, что необходимо для обоснования проектных решений, обеспечивающих безопасность промышленных объектов в прибрежной зоне. На рис.2.2.1 представлена схема акватории порта г.Холмска и подходов к нему, показано расположение основных портовых сооружений. Самописец уровня моря в порту города Холмска располагался ранее (до 1973 г) в конце паромного причала №1 (колодец мареографа был вмонтирован в причал), в настоящее время он находится в самой удаленной части бухты (рис.2.2.1 TG). Соединение колодца мареографа с морем посредством труб, предназначенное для подавления влияния ветрового волнения, приводит обычно к определенным искажениям и собственных колебаний (тем более существенным, чем меньше их период и больше амплитуда). Эти обстоятельства будем учитывать при анализе полученных материалов. Эксперимент начался 26 июля 2006 с установки в мареографном посту порта Холмск у паромного причала № 3 (рис.2.2.1 - TG) измерительного комплекса, состоящего из пьезорезонансного донного датчика гидростатического давления, кабельной линии связи, платы таймера- счетчика PCI 1780, персонального компьютера, цифровой метеостанции WS 2300 и блока бесперебойного питания. Измерения волновых процессов в Холмской бухте осуществлялась с дискретностью 2 с. и, в связи с большим объемом поступающей информации, данные накапливались в виде суточных файлов на жестком диске компьютера. При помощи этой аппаратуры было зарегистрировано Симуширское цунами. Кроме кабельных приборов для наблюдения за колебаниями уровня использовались автономные регистраторы волнения (АРВ) (рис. 2.2.1 —Ми TG) В настоящем разделе будут обсуждаться результаты регистрации двух цунами - от Симуширского землетрясения 16 ноября 2006 и Невельского землетрясения 2 августа 2007 года. В результате поведенных экспериментальных измерений [Ковалев и др, 2007], в Холмской бухте дважды были зарегистрированы волны цунами, вызванные Симуширским (рис.2.2.2) и Невельским землетрясениями (рис.2.2.3). Данные рассматриваемые в настоящем разделе были предварительно сглажены и приведены к дискретности 1 минута. Для этой цели использовался фильтр высоких частот с 15-точечным окном Кайзера-Бесселя (интервал 30 секунд) для записи Симуширского цунами и 30-точечным - для Невельского. После этого из полученных значений вычитался предвычисленный прилив -использовались четыре основные гармоники - две суточного (01 и К1) и две полусуточного диапазона (М2 и S2). На рис.2.2.2 представлена суточная запись колебаний уровня в порту г.Холмск за 16 ноября 2006 года по сахалинскому зимнему времени, на котором сравнительно легко идентифицировать вступление Симуширского цунами - гребень первой волны зафиксирован в 2 часа 26 минут сахалинского зимнего времени (16 часов 26 минут 15 ноября по Гринвичу), его высота составила около 6 см. Начальный импульс был сравнительно низкочастотным, после чего в течение примерно двух часов колебания имели выраженный циклический характер с периодом около 8 минут, который обычно выделяется в записях цунами в данном пункте [Ивельская и др. 2001].
Моделирование шельфовых колебаний под воздействием цунами
Период нулевой моды собственных колебаний бухты, по теоретическим оценкам для случая акватории с широким входом, должен составлять учетверенное время распространения волны от входа до ее кутовой части, то есть около 6,5 мин. На практике ее период всегда несколько ниже из-за различий отражения волн от берега и от открытой границы - в данном случае он составляет около 8 мин. Нулевая мода, имеющая узловую линию в горловине бухты, обычно весьма эффективно возбуждается волнами цунами -наиболее характерный в этом отношении пример представляет Малокурильская бухта, где все цунами проявлялись как усиление резонансных колебаний с периодом около 18 мин [Шевченко и др. 2008].
Соответственно, пики на периодах более 8 мин не могут быть связаны с резонансными колебаниями в бухте - они могут быть следствием особенностей источника цунами (что в меньшей степени характерно для удаленного землетрясения), либо связаны с влиянием участка шельфа, прилегающего к району проведения исследований. Например, пики на периодах около 11 и 16 минут, проявившиеся в обоих цунами, скорее всего обусловлены влиянием местного рельефа, так как предположить, что они явились результатом сходства процессов в очагах столь различных землетрясений было бы затруднительно. Исследование резонансного усиления на шельфе приходящих из открытого океана длинных волн типа цунами (явление так называемого шельфового резонанса) также представляет значительный интерес при оценке возможного воздействия морских опасных явлений на объекты, расположенные в береговой зоне.
Проведение такого исследования стало возможно в 2008 году, когда в рамках договора с администрацией Сахалинской области по цунамирайонированию западного побережья юга острова Сахалин. Для выполнения этих работ были установлены автономные регистраторы волнения и уровня АРВ - К10,К11 в населенных пунктах от Гонозаводска на юге до Бошняково на севере исследуемой области (рис.2.2.7). Севернее Бошняково постановка датчиков не производилась по причине сложности их организации из-за проблем с доставкой аппаратуры.
Регистрация проходила в течение четырех летних месяцев 2008 года - с конца мая по начало октября. Изучение характеристик ветрового волнения на акватории портов, а также связанных с ним прибойных биений, является важнейшей задачей для обеспечения их безопасной работы, однако она выходит за рамки настоящей работы. По этой причине данные были приведены к дискретности 1 минута. При осреднении использовался фильтр с весовыми коэффициентами Кайзера-Бесселя.
Из полученных рядов с дискретностью 1 минута был вычтен предвычисленный прилив, амплитуды и фазы 8 главных приливных волн - 4 суточного диапазона (Ql, Ol, Р1, К1) и 4 полусуточного (N2, М2, S2, К2) рассчитывались для каждого пункта на основе полученных данных.
Характеристики прилива сильно различаются в различных пунктах западного побережья Сахалина, на участке от Горнозаводска до Чехова их величина незначительна, а далее в северном направлении амплитуды полусуточных волн резко возрастают. На станциях Бошняково, Шахтерск и Углегорск в расчет включалась еще одна полусуточная гармоника Т2 для более надежной фильтрации приливной компоненты. Далее рассмотрим экспериментальные данные, полученные в ходе данной экспедиции. С помощью методов спектрального анализа выделим особенности частотно-избирательных свойств шельфа вдоль западного побережья острова Сахалин, основное внимание уделим району прилегающему к Холмской бухте.
К сожалению, за анализируемый промежуток времени не было отмечено не только ни одного цунами, но даже не было сколько-нибудь значимых сгонно-нагонных явлений, с которыми связано обычно усиление резонансных колебаний в широком диапазоне периодов. Необычно спокойные погодные условия над Татарским проливом Японского моря были отмечены в летний период и в сентябре 2008 года, что в известной мере осложнило анализ материалов экспериментальных измерений. Практически идентичная картина со слабыми непериодическими вариациями уровня отмечена на всем протяженном участке побережья от Горнозаводска до Бошняково. Можно отметить лишь несколько случаев интенсификации длинноволновых процессов, наиболее выраженных 18-19 июня, 6-7 августа и 3-4 сентября. Причем интенсивность колебаний несколько различалась на различных участках побережья. Так, 18-10 июня наибольшие амплитуды волн отмечены на севере (Бошняково, Шахтерск), в южно направлении их величина плавно уменьшалась. Для ситуации 6-7 августа характерна была обратная картина, в в начале сентября максимум интенсивности наблюдался в центральной части района, в пос.Ильинский.
Для указанных ситуаций, а также для отрезка записи, отвечавшего сравнительно спокойным погодным условиям в 3-4 июля, рассчитывались спектры колебаний уровня моря. Рассмотрим полученные спектральные характеристики.
Несмотря на отсутствие в течение периода измерений хорошо выраженных длинноволновых колебаний, в диапазоне периодов цунами (по традиции он оценивается как 2 мин — 2 часа, хотя наиболее часто цунами имеют периоды от 5 до 40 мин), практически на всех станциях можно выделить изменение характера спадания спектральной плотности с частотой и наличие заметных максимумов спектрах. Это указывает на влияние частотно-избирательных свойств прибрежных участков акваторий.
Так, в районе пос.Горнозаводск в спектре выделяются два диапазона, в котором содержание волновой энергии более высокое (рис. 2.2.9). Это прежде всего диапазон от 6 до 9 мин (диапазон частот 0.11 - 0.16 цикл/мин), в котором особенно выделяется максимум с периодом около 7 мин. Для ситуаций в июне и июле этот максимум доминирует в данном диапазоне, в августе и сентябре примерно такую же величину имеет и максимум с периодом около 8 мин.
Хорошо известно, что лишь в немногих акваториях с четко выраженными резонансными свойствами и высокой добротностью наблюдаются четко выраженные узкие пики в спектрах. Гораздо чаще при различных синоптических условиях происходит некоторое смещение максимумов в зависимости от направления действия ветра или направления подхода волн зыби, которые также могут быть причиной усиления длинноволновых колебаний и появления максимумов в высокочастотной части спектра.
Второй диапазон охватывает периоды от 15 до 35 мин, в нем не очень сильно вьщеляются максимумы на периодах около 16. 20 и 33 мин. Первый и последний выделялись очень четко по записи 3-4 июля, которая отвечала сравнительно спокойной погоде. В остальных случаях они выделялись слабее, за счет общего возрастания спектральной плотности во всем диапазоне.
