Содержание к диссертации
Введение
Глава 1.Состояние изученности 15
1.1. Общие сведения о цунами в дальневосточном регионе 15
1.2. Состояние изученности проблемы предупреждения о цунами...20
1.3. Основные программные комплексы и численные модели, применяемые при численном моделировании цунами 33
Глава 2. Методы численного моделирования цунами и использованные материалы 38
2.1. Используемые материалы 38
2.1.1. Цифровые батиметрические массивы по морским акваториям Российского Дальнего Востока 38
2.1.2. Базы данных по землетрясениям и цунами 44
2.1.3. Описание программного комплекса 45
2.2. Модель макросеисмического источника цунами 48
2.3. Использование априорного значения фокальной глубины землетрясения при численном моделировании цунами 52
Глава 3. Проверка эффективности модели макросеисмического источника цунами 56
3.1. Моделирование Монеронского цунами 5 сентября 1971 г 56
3.2. Моделирование Симуширского цунами 15 ноября 2006 г 61
3.3. Моделирование Невельского цунами 2 августа 2007 г 64
3.4. Использование макросеисмического источника цунами при численном моделировании 66
Глава 4. Применение численного моделирования для уточнения цунамираионирования российского дальнего востока 69
4.1. Вероятностная модель цунами-режима 70
4.2. Модель цунами-режима для южных Курильских островов 72
4.3. Модель цунами-режима для северных Курильских островов 79
4.4. Модель цунами-режима для юго-западного побережья о. Сахалин 84
Глава 5. Использование результатов численного моделированя в практической работе прогностических организаций 87
5.1. Повышение эффективности действий сейсмической подсистемы службы предупреждения о цунами в тревожном режиме 88
5.2.Повышение эффективности гидрофизической подсистемы СПЦ.97
5.2.1. Условие заблаговременности получения тревожного сообщения 97
5.2.2. Оценка эффективности использования предлагаемых к установке береговых автоматизированных постов в СПЦ 103
5.2.3. Варианты оптимальной расстановки регистраторов цунами для Курильских островов 108
5.3. Разработка сценариев катастрофических событий для цунамигенных землетрясений 115
Заключение 123
Литература 126
- Основные программные комплексы и численные модели, применяемые при численном моделировании цунами
- Использование априорного значения фокальной глубины землетрясения при численном моделировании цунами
- Использование макросеисмического источника цунами при численном моделировании
- Модель цунами-режима для юго-западного побережья о. Сахалин
Введение к работе
Актуальность исследования
Цунами - опасное природное явление, представляющее собой волновой процесс в океане, вызываемый, как правило, сильным подводным землетрясением. Для Дальнего Востока России волны цунами представляют собой серьезную угрозу. Первые сведения о цунами на Курильских островах относятся к 17 октября 1737 г. По мнению исследователей, высота волны составляла 35 метров. Одно из наиболее разрушительных цунами прошлого столетия в Дальневосточном регионе произошло 5 ноября 1952 г. восточнее п-ова. Камчатка. После этого катастрофического цунами, уничтожившего большую часть города Северо-Курильска, до настоящего времени на дальневосточном побережье страны было зарегистрировано более 40 цунами. В 7-ми случаях высота волны была более 5 м, а в 1952, 1963 и 1969 гг. в отдельных пунктах отмечались волны высотой до 15 м и выше [Атлас цунами, 1963; Соловьев, Го, 1978; Соловьев, Го, Ким, 1986]. Подобный заплеск, к счастью, на незаселенном побережье о. Шикотан, был отмечен и при цунами 5 октября 1994 года, а также на побережье необитаемого о. Симу шир при цунами 15 ноября 2006 г. и 13 января 2007 г.
Наиболее катастрофическим цунами двадцать первого столетия было Суматра - Андаманское цунами 26 декабря 2004 года, унесшее более 226000 жизней [Titov et. al., 2005]. Данное событие способствовало повышению общественного внимания к проблеме предупреждения цунами.
Наличие в прибрежной зоне Дальнего Востока России населенных пунктов и портов, а также планы дальнейшего освоения этого района, делает задачу оценки цунамиопасности побережья Российского Дальнего Востока (долгосрочный прогноз цунами), а также своевременного предупреждения населения об угрозе цунами (краткосрочный прогноз цунами) чрезвычайно актуальной.
Задача оценки цунамиопасности побережья и построения карт цунамирайонирования крайне актуальна на сегодняшний день. Существующие на сегодняшний день карты цунамирайонирования недостаточно детализованы [Го и др., 1988, Атлас максимальных заплесков..., 1978, Пелиновский, Плинк, 1980], что создает трудности при разработке нормативно-строительных документов, регулирующих безопасное освоение тихоокеанского побережья России.
При оценке цунамиопасности часто используется вертикальный заплеск цунами (в дальнейшем - просто заплеск) - высота границы затопления над уровнем моря. Для построения карт цунамирайонирования нередко применяется уровень Л]оо, который заплеск цунами превышает в среднем 1 раз в столетие.
Задача построения карт цунамирайонирования затруднена тем, что данные о заплесках цунами есть только для относительно небольшого числа пунктов побережья. Кроме того, сильное цунами способно существенно изменить наши представления о цунамиопасности побережья (пример -Невельское цунами 2007 года).
В данной работе для построения карт цунамирайонирования побережья используется моделирование всех сильных цунами в данном регионе, заплески которых известны. Знание реальных заплесков исторических цунами в отдельных точках побережья позволяет скорректировать результаты численного моделирования и тем самым распространить данные о цунамиопасности отдельных точек побережья на все побережье региона.
Целью численного моделирования, в данном случае, является получение информации о максимальных заплесках цунами. Для оценки цунамиопасности побережья не нужно получение мареограмм, соответствующих мареограммам реальных цунами.
В ходе данной работы при численном моделировании цунами применялся программный комплекс, разработанный СКВ САМИ ДВО РАН [Поплавский и др., 1997]. Использовалась макросейсмическая модель источника цунами [Поплавский и др., 1997; Поплавский, Храмушин, 2008], обеспечивающая достаточно высокую точность моделирования заплесков цунами. Эффективность макросейсмического источника цунами подтверждена путем сравнения интенсивностеи и заплесков реальных цунами (Монеронского цунами 5 сентября 1971 г., Невельского цунами 2 августа 2007 г, Симуширского цунами 15 ноября 2006 г.) и результатов их численного моделирования.
Основной проблемой службы предупреждения о цунами (СПЦ) на Дальнем Востоке является недостаточная детальность магнитудно-географического критерия. Это приводит к росту числа ложных тревог цунами. Задача детализации магнитудно-географического критерия цунамиопасности решается при помощи численного моделирования цунами. Численное моделирование позволяет оценить опасность цунами в случае цунамигенного землетрясения с определенным положением эпицентра и магнитудой в интересующем нас районе побережья. Это дает возможность СПЦ принять обоснованное решение о подаче тревоги цунами в зависимости от магнитуды цунамигенного землетрясения.
Для того чтобы оценить возможный ущерб в случае сильного цунами и приготовиться к ликвидации его последствий, министерство по чрезвычайным ситуациям (МЧС) нуждается в сценариях возможных катастрофических событий (цунами). Такие сценарии, разработанные при помощи численного моделирования на основе долго- и среднесрочных прогнозов цунамигенных землетрясений, представлены в данной работе.
Однако никакое уточнение магнитудно-географического критерия не позволяет полностью избежать ложных тревог. Для обоснованного принятия решения об объявлении и отмене тревоги цунами могут быть полезны данные телеметрических регистраторов уровня моря. Получение информации о колебаниях уровня моря необходимо для подтверждения наличия реального цунами и оценки его параметров (высоты и периода волны). При этом, одной из основных задач, требующей приложения численного моделирования цунами, является определение пунктов для оптимальной расстановки регистраторов уровня моря [Поплавский и др., 1988; Поплавский и др., 1997]. При оптимальной расстановке датчиков уровня моря волна цунами подходит к датчикам раньше, чем к прибрежным населенным пунктам, находящимся в цунамиопасном регионе, что позволяет СПЦ получить реальные данные о цунами до подхода волны цунами к населенным пунктам. Это дает возможность принять обоснованное решение об объявлении и отмене тревоги цунами
Целью настоящей диссертации является детализация магнитудно-географического критерия и оценка цунамиопасности побережья Сахалинской области с использованием численного моделирования распространения цунами для совершенствования структуры и методов службы предупреждения о цунами.
Для реализации цели настоящей работы были поставлены и решены следующие задачи.
Проверка эффективности макросейсмического источника цунами при численном моделировании.
Детализация магнитудно-географического критерия цунамиопасности для Курильских островов.
Уточнение оценок цунамиопасности и построение карт цунамирайонирования побережья северных и южных Курильских островов, а также юго-западного побережья о. Сахалин.
Разработка сценариев возможных катастрофических событий (цунами) для цунамигенных землетрясений в южной части Татарского пролива и в Тихом океане восточнее о. Симушир.
Разработка оптимальной схемы расстановки регистраторов цунами для Курильских островов.
Методы
Поставленные задачи реализованы с использованием численного моделирования цунами. Соответствующий комплекс программ был разработан в специальном конструкторском бюро систем автоматизации морских исследований (СКБ САМИ ДВО РАН) в 1994-1995 г. [Поплавский, Храмушин, 2008].
В ходе данной работы при численном моделировании цунами применялся программный комплекс, разработанный СКБ САМИ ДВО РАН [Поплавский и др., 1997]. Использовалась макросейсмическая модель источника цунами [Поплавский и др., 1997; Поплавский, Храмушин, 2008], обеспечивающая достаточно высокую точность моделирования заплесков цунами. При этом параметры модельного источника определяются параметрами макросейсмического очага (магнитудой и глубиной цунамигенного землетрясения), что важно в работе СПЦ, как правило, не располагающей детальной информацией об очаге цунами в оперативном режиме.
Для уточнения цунамиопасности Российских побережий Дальнего Востока и построения карт цунамирайонирования применена вероятностная модель цунами-риска, разработанная к. ф-м. н. В. М. Кайстренко [Отчет о НИР, 2006]. Применение данной модели для обработки результатов численного моделирования позволяет провести интерполяцию данных о фактической повторяемости цунами, полученных в небольшом числе береговых пунктов, на все побережье Курильских островов (в том числе, на ту большую часть побережья, для которой нет фактических данных о повторяемости высот заплесков цунами).
Предлагаемая оптимизация размещения гидрофизических станций СПЦ основана на свойствах времен пробега цунами и их разностей в произвольной паре точек, описанных в [Бернштейн, 1992; Поплавский и др., 1997; Поплавский, 2000; Поплавский, Храмушин, 2008]. Методика определения оптимального положения гидрофизических станций СПЦ разработана А. А. Поплавским и представлена в работах [Поплавский и др., 1997; Поплавский, Храмушин, 2008].
Использованные материалы
К настоящему времени имеется достаточное большое количество данных по батиметрии Мирового океана, например 1 минутный цифровой атлас GEBCO (British Oceanographic Data Centre, ). и цифровая модель рельефа (ЦМР) дна с разрешением 0.25 угл. мин., созданная на основе несекретных морских навигационных карт, предоставленных Главным Управлением Навигации и Океанографии Министерства Обороны Российской Федерации (ГУНиО МО РФ). Известным производителем батиметрических карт является компания ТРАНЗАС (). В данной работе в ходе численных экспериментов, применялись цифровые батиметрические карты дальневосточного региона, разработанные в ходе реализации проекта Международной академией наук о природе и обществе, под руководством Игоря Минервина [Минервин и др., 2008] по заказу администрации Сахалинской области. Кроме того, использовалась более ранняя цифровая батиметрическая карта, подготовленной в конце 80-х годов при участии лаборатории цунами Института морской геологии и геофизики АН СССР [Минервин и др., 2008].
К настоящему времени имеется достаточное большое количество сведений о землетрясениях на территории СССР и России [Соловьев, Го,
1974, 1975, 1978, 1986; Новый каталог..., 1977, Землетрясения в СССР..., 1990, Сейсмическое районирование..., 1968, 1980]. Сводка данных наблюдений о цунами содержится, в частности, в [Го, 1987].
Существует несколько различных информационных ресурсов, содержащих основные сведения о цунами [Левин, Носов, 2005]. В данной работе использовалась историческая база данных по цунами в Тихом океане, созданная в лаборатории цунами Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (Новосибирск) при поддержке ЮНЕСКО и РФФИ [Gusiakov, 2001]. Интернет-версия базы данных доступна по адресу .
Кроме того, в данной работе использовались материалы о недавних цунами на Дальнем востоке России [Тихонов и др., 2008, Невельское землетрясение..., 2009].
Научная новизна работы связана, прежде всего, с совершенствованием оперативного и долгосрочного прогноза цунами. В рамках диссертации получены следующие наиболее важные результаты:
Выполнено построение детальных (с малым шагом в пространстве и по высоте цунами) карт цунамирайонирования Курильских островов и юго-запада о. Сахалин.
Проведена детализация магнитудно-географического критерия цунамиопасности.
3. Разработаны сценарии возможных катастрофических событий (цунами) для цунамигенных землетрясений в южной части Татарского пролива и в Тихом океане восточнее о. Симушир.
4. На основе численных экспериментов предложена оптимальная сеть удаленных регистраторов уровня моря.
Практическая значимость
Построены детальные (с малым шагом в пространстве и по высоте цунами) карты цунамирайонирования для северных и южных Курильских островов, для юго-запада о. Сахалин, позволяющие выработать строительные нормы для данных прибрежных районов. Данная работа выполнена в рамках контрактов с администрацией Сахалинской области.
Выполнена детализации магнитудно-географического критерия для выработки тревоги цунами по данным сейсмических наблюдений (для Курильских островов).
Выполнены расчеты и предложены сценарии катастрофических событий при цунами в Охотоморском регионе, пригодные для планирования ликвидации возможных последствий.
Разработан вариант оптимального размещения регистраторов цунами на Курильских островах.
Проведена оценка эффективности использования регистраторов цунами, установленных в рамках ФЦП «Снижение рисков и смягчение последствий природного и техногенного характера в РФ до 2010 г», в гидрофизической подсистеме системы предупреждения цунами.
Данная работа выполнена: - в рамках ФЦП «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года» (контракт №16/6). - при поддержке гранта РФФИ 06-05-96139-р_восток_а (Исследования цунами в окраинных морях с целью раннего предупреждения о цунами). - в рамках заключенного с администрацией Сахалинской области контракта «Оценка риска цунами морской береговой зоны. Составление карты риска цунами береговой зоны Сахалинской области в масштабе 1:200 000». - в рамках заключенного с администрацией Сахалинской области контракта «Создание карты цунамиопасности Сахалинского побережья Татарского пролива». при поддержке грантов РФФИ 05-05-64733-а (Изучение пространственно-временного распределения заплесков цунами на побережье Дальнего Востока России) и 08-05-01096-а (Особенности поведения цунами в прибрежной зоне). - при поддержке гранта 09-05-00591-а (Изучение резонансных колебаний в заливах и бухтах на основе натурных и вычислительных экспериментов для снижения риска воздействия морских опасных явлений на побережье).
Защищаемые положения
Показано, что макросейсмическая модель источника цунами, при использовании в процессе численного моделирования цунами, обеспечивает достаточно высокую точность моделирования заплесков цунами.
Выполненная детализация магнитудно-географического критерия цунамиопасности способствует росту эффективности оперативного прогноза цунами.
Выполнено построение детальных (с малым шагом в пространстве и по высоте цунами) карт цунамирайонирования северных и южных Курильских островов и юго-запада о. Сахалин.
Предложенная схема постановки удаленных регистраторов уровня моря и моделирование сценариев развития цунами могут существенно улучшить работу СПЦ Сахалинской области.
Личный вклад автора
При личном участии автора была выполнена оценка цунамиопасности северных и южных Курильских островов. Автор выполнил большую серию вычислительных экспериментов и обработку результатов численного моделирования. Построение карт цунамирайонирования северных и южных Курильских островов выполнено лично автором.
Автором лично проведено численное моделирование, обработка и анализ результатов в процессе определения оптимального количества и координат гидрофизических станций СГЩ Курильских островов.
Автор принимал участие в детализации решающего правила для объявления тревоги цунами для населенных пунктов Курильских островов по данным сейсмических наблюдений. Проведение численного моделирования по вышеперечисленным задачам и обработка результатов вычислительных экспериментов выполнены лично автором.
Апробация
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международном научном симпозиуме «Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии» (Южно-Сахалинск, 2005); на II региональной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых (Владивосток, 2005); на международной конференции молодых ученых, посвященной 60-летию Института морской геологии и геофизики ДВО РАН (Южно - Сахалинск, 2006); на второй (XX) Сахалинской молодежной научной школе (Южно -Сахалинск, 2007); на международном научном симпозиуме (Южно -Сахалинск, 2007); на III международной конференции (Владивосток, 2007); на III Сахалинской молодежной научной школе (Южно-Сахалинск, 2008), на IV Сахалинской молодежной научной школе (Южно-Сахалинск, 2009), на Ш международной научно-практической конференции «Бизнес, образование, культура на рубеже веков: вызовы современности и тенденции развития (Южно-Сахалинск, 2009).
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано: 3 научные статьи (в том числе две в реферируемых журналах), 8 материалов конференции, 7 тезисов докладов. Разработанные в рамках диссертации карты цунамиопасности вошли в [Атлас Курильских островов..., 2009].
Структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Текст представлен на 145 страницах, содержит 26 рисунков и 26 таблиц. Список литературы состоит из 152 источников, включая 31 - на иностранных языках.
Благодарности
Работа выполнена в ИМГиГ ДВО РАН под научным руководством к. ф-м. н. Поплавского Александра Александровича, которому автор выражает свою искреннюю благодарность. Научным консультантом при написании работы был д. ф.-м. н. Г. В. Шевченко, которому автор выражает искреннюю благодарность. Автор благодарит также к. ф-м. н. В. М. Кайстренко за помощь в освоении методики оценки цунамиопасности побережья, к. т. н. В. Н. Храмушина за предоставленное программное обеспечение и помощь в его освоении, а также благодарит к. ф.-м. н. Т. Н. Ивельскую за помощь в работе по детализации решающего правила для объявления тревоги цунами. Автор выражает искреннюю признательность и благодарность коллегам по работе за помощь и моральную поддержку.
Основные программные комплексы и численные модели, применяемые при численном моделировании цунами
Развитие вычислительной техники, происходящее в последние десятилетия, открывает новые возможности для численного исследования задач механики сплошных сред [Левин, Носов, 2005]. Описание эволюции цунами от момента генерации до выхода волны на берег - одна и задач механики сплошных сред. Поскольку применение гидродинамических моделей для описания реальных цунами ограничено, наиболее эффективным средством описания цунами является численное моделирование [Ковбас и др., 1984]. Также численное моделирование может использоваться для прогноза цунами. Первые работы по численному моделированию цунами были выполнены в конце 60-х годов прошлого века японскими исследователями [Aida, 1969, 1974; Abe, 1978, 1979]. Одна из первых отечественных численных моделей цунами описана в работах [Гусяков, Чубаров, 1982, 1987; Chubarov et al., 1984]. В основном, численные модели цунами построены на основе теории длинных волн (мелкой воды), которая оперирует с уравнениями гидродинамики, осредненными вдоль вертикальной координаты. В рамках теории мелкой воды трехмерная задача (3D) сводится к двумерной (2D), требующей сравнительно небольшого объема вычислений. Это оправданно тем, что в большинстве случаев распространение цунами неплохо описывается линейной теорией длинных волн. Учет незначительных проявлений фазовой дисперсии и нелинейности, характерных для цунами, также может быть сделан в рамках длинноволновых нелинейно-дисперсионных моделей [Пелиновский, 1996].
В настоящее время разработано много численных моделей цунами, построенных на основе теории длинных волн, обзор которых представлен в работе [Левин, Носов; 2005]. Отметим несколько активно используемых моделей. Первая модель "MOST" (Methods of Splitting Tsunami) разработана выпускником Новосибирского университета В. В. Титовым, который ныне работает в Тихоокеанской лаборатории морской природной среды (Pacific Marine Environment Laboratory, PMEL), расположенной в Сиэтле (США). Подробная информация о модели опубликована в работах [Titov, Synolakis, 1995, 1998; Titov, Gonzalez, 1997; Titov et al., 2003]. Широкую известность имеет модель "TSUNAMI-N2" [Goto et al., 1997], известная как модель Шуто (Shuto N.) или модель Имамуры (Imamura F.), несмотря на то, что в исходном варианте она была разработана Т. Такахаши [Takahashi et al., 1995]. Модель рекомендована ЮНЕСКО для расчетов цунами, и ныне она используется во многих странах. Первое в России численное моделирование Индонезийского цунами 2004 года выполнено с использованием программного комплекса, представляющего собой усовершенствованную версию модели TSUNAMI-N2 [Зайцев и др., 2005]. Модель 3. Ковалика, модифицированная Еленой Трошиной-Сулеймани [Suleimani et al., 2003; Kowalik et al., 2005], разработана в институте морских наук Аляскинского университета (IMS UAF). Модель Антонио Баптиста [Myers, Baptista, 1995] представляет собой модифицированную версию модели штормовых нагонов ADCIRC. Одной из самых известных численных моделей источников цунами является модель Окады [Okada, 1985].
В настоящее время существует много программных комплексов для численного моделирования цунами, дающих в результате пространственно-временную картину распространения цунами в реальных бассейнах (поля времен распространения переднего фронта волны, эволюцию формы возмущенной поверхности бассейна и поля полных горизонтальных потоков) [Шокин и др., 1989; Куркин, 2005; Марчук, 1983; Храмушин, Файн, 2004]. Авторы этих программных комплексов убеждены, что используемые ими модели и подходы дадут тем более адекватную картину, чем правдоподобнее (точнее) будут заданы начальные условия в источнике цунами и чем точнее будет задана батиметрия моделируемого бассейна. Для определения точных начальных данных (в случае поршневого механизма возбуждения цунами) требуется знание механизма (тензора момента) и глубины очага землетрясения, например, [Куркин, 2005; Okada, 1985]. Но они не оцениваются в оперативном режиме СПЦ. Кроме того, поршневой механизм, скорее всего, не является единственным механизмом возбуждения цунами. Можно назвать еще два процесса, которые могут возникать при подводном землетрясении и могут стать причиной этого явления. Это сход подводного оползня [Гусяков, 2000] (гравитационно-оползневой механизм возбуждения цунами) и возникновение вертикального потока в слое воды над эпицентральной областью землетрясения вследствие относительно высокочастотных колебаний дна [Носов, Колесов, 2005; Носов, Скачко, 2004] (вибрационный механизм возбуждения цунами). Поэтому точное решение задачи численного моделирования цунами в оперативном режиме (в первые минуты после начала регистрации потенциально цунамигенного землетрясения) в настоящее время невозможно (в начале регистрации процесса определяются только географическое положение эпицентра землетрясения и его магнитуда). Возможный выход из данной тупиковой ситуации состоит в том, чтобы использовать при численном моделировании цунами более простые модели источника, не требующие детального знания процессов, происходящих в очаге землетрясения и его окрестностях. В то же время, они должны приближенно отражать главные свойства реального источника (направленность излучения и интенсивность цунами), и давать возможность оценить цунами-эффект на ближайших к источнику берегах. Такая модель («эквивалентного» источника [Пелиновский, 1996]) естественно появляется при попытках связать наблюденные высоты волн цунами на берегу с основными характеристиками (магнитудой, линейными размерами, направлением разлома) породившего их землетрясения. Поскольку интенсивность цунами при прочих равных условиях будет тем больше, чем больше будет энергия возбудившего его землетрясения, интенсивность цунами обычно связывают с магнитудой землетрясения (например, [Мирчина и др., 1981]).
Использование априорного значения фокальной глубины землетрясения при численном моделировании цунами
Прежде, чем приступать к численным экспериментам по моделированию цунами, необходимо было убедиться в том, что принятая модель более или менее правильно отражает главные черты реальных цунами. Приведенные выше формулы (2.2) - (2.4) позволяют оценить, в частности, интенсивность цунами, имевших место в прошлом, через макросейсмический эффект соответствующих землетрясений. А ее можно сравнить с традиционными (независимыми) определениями интенсивности, содержащимися в соответствующих сводках, например, в [http ://tsun.sscc.ru/tsulabl. С использованием упомянутой сводки соответствующие расчеты были выполнены для землетрясений, происшедших в районах, перечисленных в таблице 2.2. Для них вычислялись интенсивность цунами по формулам (2.2) - (2.4) и ее среднее квадратичное отклонение от значений, содержащихся в сводке, а также коэффициент корреляции между этими величинами.
При этом предусматривалось два варианта задания глубины фокуса землетрясения в формуле (2.2). В первом варианте использовалась глубина h, приведенная в сводке. Во втором - принималось, что все цунамигенные землетрясения в рассматриваемом районе имеют одну и ту же (эффективную) глубину пэ, и она отыскивалась из условия минимума среднего по выборке квадратичного отклонения вычисленной интенсивности от приведенной в сводке. Зависимость среднего квадратичного отклонения интенсивности от пэ (глубина принималась постоянной для всей выборки и изменялась с шагом 1 км) для юга Курильских островов показана на рисунке 2.4. Для остальных районов поведение этой функции аналогично, только эффективная глубина принимает другое значение. Окончательные результаты расчетов приводятся в таблице 2.2. Величина N во втором столбце этой таблицы - число событий в выборке для соответствующего района, далее (3 и 4 столбцы) - среднее квадратичное отклонение и коэффициент корреляции между сопоставляемыми величинами, причем глубина фокуса также бралась в [http://tsun.sscc.nl/tsulab]. В 5 столбце приведены значения пэ, найденные из условия минимума среднего квадратичного отклонения и, наконец, в последних двух столбцах приводятся соответствующие среднее квадратичное отклонение и коэффициент корреляции.
Между сравниваемыми величинами имеется положительная корреляция. При этом коэффициент корреляции во всех случаях, кроме одного (район Татарского пролива) заметно растет при переходе от табличных (приведенных в сводке) значений фокальной глубины к фиксированным значениям, найденным из условия наилучшего согласия между сравниваемыми величинами. При этом среднее квадратичное отклонение интенсивности цунами, вычисленной по формулам (3.2) - (3.4) и интенсивности приведенной в [http://tsun.sscc.ru/tsulab] заметно уменьшается при переходе от табличных (приведенных в сводке) значений фокальной глубины к фиксированным значениям. Зависимость среднего квадратичного отклонения между вычисленной (с использованием макросейсмических формул) и табличной [http://tsun.sscc.ru/tsulabl интенсивности цунами от принимаемого значения эффективной глубины фокуса. Все 5 цунамигенных землетрясений в Татарском проливе - это само Монеронское землетрясение и четыре его сильнейших афтершока. По существу эти землетрясения произошли в одном и том же месте, их эпицентры находились в окружении довольно близко расположенных станций. Фокальная глубина должна была оцениваться с большей, чем обычно, точностью. Вероятно, поэтому переход от табличных значений фокальной глубины к фиксированному не привел к существенному улучшению согласия между вычисленной и табличной интенсивностью соответствующих цунами. Коэффициент корреляции между этими величинами уменьшился с 0.99 до 0.71, а среднее квадратичное отклонение уменьшилось незначительно (от 2.19 до 1.98). Фиксированная фокальная глубина, найденная из условия минимума среднего квадратичного отклонения вычисленной интенсивности цунами от табличной согласуется с результатами работы [Поплавский, Бобков, 2002]. Глубины залегания верхней и нижней границ сейсмогенерирующих слоев, где происходит абсолютное большинство сильных землетрясений, найденные в этой работе, для севера Японского моря составляют 10 - 25 км и для южных Курильских островов - 30 - 50 км. В целом же, для прогнозной оценки интенсивности реальных цунами можно использовать предложенные макросейсмические формулы, в которых магнитуда оценивается из наблюдений, а глубина очага принимает фиксированное значение. Стандартная ошибка при этом будет составлять 1 единицу интенсивности или менее.
Использование макросеисмического источника цунами при численном моделировании
Макросейсмический источник, предложенный в [Поплавский, Храмушин, 2008] при использовании его в процессе численного моделирования цунами дает близкие к наблюдаемым значения интенсивности цунами и заплесков на берегу.
В целом, данное предположение подтвердилось как при анализе выборок данных о цунамигенных землетрясениях (см. раздел 2.3), так и при сравнении результатов численного моделирования с данными наблюдений Монеронского 1971, Невельского 2007 и Симуширского 2006 г.г. цунами. Анализ выборок данных о цунамигенных землетрясениях показал, что вычисленная по макросейсмическим формулам интенсивность цунами при фиксированной глубине очага, в целом по выборке, лучше согласуется с фактическими данными, чем интенсивность, вычисленная при значениях фокальной глубины, данной в сводке lTittp://tsun.sscc.ru/tsulab"[. Разность вычисленной по предложенным формулам интенсивности этих цунами и наблюденной составила не более 0.2 по модулю. Сравнение реально наблюденных и вычисленных заплесков Монеронского (1971 г.) цунами также показало, что наилучшее согласие между ними получилось в случае, когда параметры модельного макросейсмического источника соответствовали фактическим оценкам магнитуды, направления главного разлома и глубины землетрясения. Впрочем, при заранее фиксированном (наиболее вероятном) значении глубины очага землетрясения был также получен приемлемый результат. При этом использование источника цунами, построенного на основе сейсмических данных, дало при моделировании Невельского цунами 2007 г. худший, а в случае Симуширского цунами 2006 г. - незначительно лучший результат, чем при использовании макросейсмического источника цунами.
Разность найденной в численных экспериментах высоты заплесков и наблюденных высот заплесков составляет -0.5 м от среднего по каждой из выборок (для фактических оценок магнитуды, направления главного разлома и глубины землетрясения). Данный результат позволяет использовать макросейсмический источник цунами для нужд службы предупреждения о цунами (краткосрочный прогноз цунами), а также для построения карт цунамирайонирования побережья и составления сценариев катастрофических событий (долгосрочный прогноз цунами). Глава 4. Применение численного моделирования для уточнения цунамирайонирования российского побережья Дальнего Востока
Наличие в прибрежной зоне Дальнего Востока России населенных пунктов и портов, а также планы дальнейшего освоения этого района, делает задачу оценки цунамиопасности побережья Российского Дальнего Востока и построения карт цунамирайонирования чрезвычайно актуальной. Однако существующие на сегодняшний день карты цунамирайонирования недостаточно детализованы [Го и др., 1988, Атлас максимальных заплесков..., 1978, Пелиновский, Плинк, 1980]. Задача построения карт цунамирайонирования затруднена тем, что данные о заплесках цунами есть только для относительно небольшого числа пунктов побережья. Кроме того, сильное цунами способно существенно изменить наши представления о цунамиопасности побережья (пример -Невельское цунами 2007 года).
Риск цунами - величина, зависящая от многих факторов, чаще всего определяемая как вероятность нанесения ущерба. Естественно поэтому, что основой теории риска цунами должна быть вероятностная модель цунами-режима [Kaistrenko, 1989; Кайстренко, 1997; Отчет о НИР..., 2006].
Для уточнения цунамиопасности Российских побережий Дальнего Востока и построения карт цунамирайонирования применена вероятностная модель цунами-риска, разработанная к. ф-м. н. В. М. Кайстренко [Отчет о НИР, 2006]. Применение данной модели для обработки результатов численного моделирования позволяет провести интерполяцию данных о фактической повторяемости цунами, полученных в небольшом числе береговых пунктов на все побережье Курильских островов (в том числе, на ту большую часть побережья, для которой нет фактических данных о повторяемости высот заплесков цунами).
Модель цунами-режима для юго-западного побережья о. Сахалин
Основой количественных оценок цунамиопасности является вероятностная модель цунами-режима в изучаемом районе, которая базируется на данных о проявлениях исторических цунами в данном районе. В работе [Отчет о НИР..., 2008] были проанализированы все имеющиеся данные о проявлениях исторических цунами в Японском море в целом и в районе Татарского пролива в частности. На этой основе была построена вероятностная модель цунамиактивности северной части Японского моря, включающая Татарский пролив, что позволило с достаточной точностью оценить важнейший параметр - частоту сильных цунами в исследуемой акватории, которая оказалась равна f = 0,5 ± 0,05 1/год. Цунами-режим сильных событий для юго-западного побережья о. Сахалин определяется следующими событиями - цунами 1.08.1940, 5.09.1971, 26.05.1983, 12.07.1993, 2.08.2007 гг., которые и требуется промоделировать. Значения расчетных коэффициентов ft и d{ для Японского моря - те же, что и для южных Курил - даны в таблице 3.1. Параметры модельных очагов цунами в Японском море представлены в таблице 4.8: Сравнение результатов численных экспериментов (вертикальных заплесков цунами в точках с надежными рядами натурных данных) с данными наблюдений показывает достаточную корреляцию натурных и расчетных вертикальных заплесков цунами Сравнение численных и натурных данных показывает также, что локальное влияние гаваней (по сравнению с открытым берегом) оказывается существенным, и требует отдельного учета (о локальном влиянии гаваней писали еще в 70-х годах [Ковбас, Ярошеня, 1975]). При этом получаются локальные коэффициенты ц трансформации амплитуды цунами в гавани. Значение ц, 1 означает, что гавань гасит цунами (Невельск (ц =0,4), Осёро (ц, =0,6), Отару (ц, =0,9)), и наоборот, гавани с ц 1 резонируют на цунами (Вакканай (ц =1,1), Холмск (ц, =1,4), Хаборо (ц =2,2), Иванай (ц =2,9)). В целом коррелированность данных оказалась высокой, что позволяет калибровать начальную высоту в источнике по натурным данным, умножая «численные» высоты на соответствующий коэффициент к, значения которого попали в диапазон от 0,5 для цунами 1971 и 1993 годов до 4.7 для Невельского цунами. Корреляция натурных и расчетных вертикальных заплесков цунами для юго-западного побережья о.
Сахалин представлена в таблице 4.9. На заключительном этапе были определены характеристические высот цунами Н и уровни пюо (высоты цунами, ожидаемой 1 раз в столетие) для всего побережья при известной частоте сильных цунами / Результаты представлены в виде карты цунамиораиониорования (вдольберегового распределения уровня пюо цунами) юго-западного побережья о. Сахалин на рисунке 4.5. Решение такой задачи, как определение научно - обоснованных критериев для объявления тревоги на Курилах является крайне актуальным. Основной проблемой службы предупреждения о цунами (СПЦ) на Дальнем Востоке является недостаточная детальность магнитудно-географического критерия [Воробьева и др., 1983]. Это приводит к росту числа ложных тревог цунами. Задача детализации магнитудно-географического критерия цунамииопасности решается при помощи численного моделирования цунами. Численное моделирование позволяет оценить опасность цунами в случае цунамигенного землетрясения с определенным положением эпицентра и магнитудой в интересующем нас районе побережья. Использование более детализированных критериев цунамиопасности в работе центра цунами дает возможность СПЦ принять обоснованное решение о подаче тревоги цунами в зависимости от магнитуды и положения очага цунамигенного землетрясения.
Это позволило бы сократить число ложных тревог и существенно повысить эффективность работы центра. Определить научно-обоснованные критерии цунамиопасности можно путем предварительного численного моделирования цунами [Поплавский и др., 1997], при различных параметрах макросейсмического очага [Поплавский, Бобков, 2002]. Это позволит при реальном землетрясении с параметрами очага, близкими к параметрам модельного источника, принять обоснованное решение об объявлении и отмене тревоги цунами [Золотухин и др., 2005; Poplavsky, Khramushin, 2005]. Однако никакое уточнение магнитудно-географического критерия не позволяет полностью избежать ложных тревог. Для обоснованного принятия решения об объявлении и отмене тревоги цунами могут быть полезны данные телеметрических регистраторов уровня моря. Получение информации о колебаниях уровня моря необходимо для подтверждения наличия реального цунами и оценки его параметров (высоты и периода волны). При этом, одной из основных задач, требующей приложения численного моделирования цунами, является определение пунктов для оптимальной расстановки регистраторов уровня моря [Поплавский и др., 1988; Поплавский и др., 1997]. При оптимальной расстановке регистраторов уровня моря, волна цунами подходит к регистраторам раньше, чем к прибрежным населенным пунктам Курильских островов, что позволяет СПЦ получить реальные данные о цунами и принять обоснованное и своевременное решение об объявлении и отмене тревоги цунами. Для того чтобы оценить возможный ущерб в случае сильного цунами и приготовиться к ликвидации его последствий, министерство по чрезвычайным ситуациям (МЧС) нуждается в сценариях возможных катастрофических событий (цунами). Обычно такие сценарии составляются на основе средне - и долгосрочного прогноза землетрясений [Невельское землетрясение..., 2009; Тихонов и др., 2008]. Данные сценарии катастрофических событий могут быть использованы в работе МЧС России, подразделения которого получают возможность заранее приготовиться к ликвидации их последствий.
