Введение к работе
І.
Актуальность проблемы
Зона шельфа и прибрежная зона Мирового океана играют важнейшую роль в жизнедеятельности человека. Рыболовство, мореплавание, добыча полезных ископаемых, в том числе нефти и газа, строительство подводных туннелей и трубопроводов, прокладка кабельных линий - вот только несколько примеров активного освоения шельфа. Особое значение имеет прибрежное строительство. Во многих странах прибрежные районы превратились в сплошную курортную зону, принимающую десятки миллионов туристов в год, и обеспечивающую этим странам свыше 50% национального дохода. Одновременно в зоне побережья продолжают строиться гигантские, дорогостоящие промышленные объекты, в том числе атомные электростанции, повреждение которых может иметь глобальные экологические последствия. В такой ситуации тщательное изучение физических процессов на шельфе и в прибрежной зоне приобретает первостепенное значение. Предупреждение и защита побережья от морских природных катастроф и стихийных бедствий, вызванных опасными колебаниями уровня океана и связанными с ними течениями, является наиболее актуальной задачей
Опасные явления, воздействующие на побережье, чрезвычайно разнообразны. Это гигантские волны цунами, вызывающие значительные разрушения в сейсмически активных районах Мирового океана (только за последние 4 года в Тихом океане произошло 12 катастрофических цунами!), штормовые нагоны, унесшие за последние 30 лет больше человеческих жизней, чем любое другое стихийное бедствие, сейши, существенно затрудняющих функционирование портов и гаваней, а в отдельных районах приводящих и к их серьезным разрушениям, ипфрагравитациоипые волны, которые, как выяснилось в последнее время, оказывают основополагающее воздействие на формирование всей прибрежной зоны и, наконец, приливы, которые не являясь сами по себе катастрофическим явлением, могут значительно усливать катастрофическое воздействие других явлений.
Каждому из перечисленных явлений посвящена обширная литература. Так явление цунами исследовалось, в частности, в многочисленных работах С.Л.Соловьева (1960-1994), монографиях Т.Мурти (1977), Е.Н.Пелиновского (1982, 1996) и др. Штормовые нагоны подробно рассматривались в книгах Т.Мурти (1984) и Д.Пью (1987), приливы - в монографиях Л.В.Некрасова (1975, 1990), Г.И.Марчука и Б.А.Кагана (1977, 1983), Д.Пью (1987) и др. Исследованию прибойных биений и инфрагравитационных волн была посвящена монография В.С.Бычкова и С.С.Сгрекалова (1971), многочисленные статьи на эту тему в последние годы публиковались в отечественных и зарубежных журналах. В то же время (если не считать классических работ А.Дефанта, В.Манка и Н.А.Лабзовского, написанных 25-40 лег тому назад) практически отсутствуют работы, в которых вся совокупность явлений с учетом их взаимодействия и суперпозиции.
Между тем имеются по крайней мере две важных причины, обуславливающие необходимость совместного изучения этих явлений: 1) все эти процессы могут быть описаны в рамках единой аксиоматики (теории мелкой воды), характер их поведения, трансформации в зоне шельфа и воздействия на береговую зону во многом аналогичен, что позволяет обобщать полученные результаты; 2) указанные явления происходят не изолированно, а на фоне друг друга, их невозможно разделить без тщательного анализа физических особенностей каждого из них, именно суперпозиция различных типов
колебаний уровня часто приводит к катастрофическим эффектам и поэтому должна учитываться при долгосрочном прогнозе.
Именно по этой причине предметом настоящей работы являются комплексное изучение длинноволновых колебаний уровня океана в широком диапазоне временных масштабов: от нескольких десятков секунд (инфрагравитационные волны) до десятков суток и месяцев (метеорологические и сезонные колебания уровня). При этом широко используется подход, основанный на стркутурном анализе отдельных физических явлений, т.е. на их разложении на элементарные волновые составляющие (краевые и шельфовые волны, волны Кельвина, Пуанкаре, и пр.), подобно тому как в сейсмологии при анализе сейсмических записей выделяют Р-, S-, Г-волны, волны Рэлея, Лява и т. п. Знание структурного состава явления, позволяет построить его эффективную физическую модель и спрогнозировать изменчивость соответствующего явления во времени и в пространстве. Такой подход для анализа приливов получил развитие в работах В.В.Тимонова и А.В.Некрасова, а для различных длинноволновых явлений в целом -широко использовался в монографии В.В.Ефимова, Е.А.Куликова, А.Б.Рабиновича и И.В.Файна "Волны в пограничных областях океана" (1985).
Основной акцент в работе делается на исследовании волновых особенностей соответствующих явлений, понимание которых позволяет оценивать их возможные опасные и катастрофические проявления и делает более эффективным прогноз и борьбу с ними. Исследование опасных природных явлений, вызывающих многочисленные человеческие жертвы и приносящих значительный экономический ущерб, выявление механизма формирования этих явлений, разработка методов их краткосрочного и долгосрочного прогноза определяют актуальность и практическую значимость данной работы.
Основные цели и задачи исследования
Основной целью настоящей работы является исследование колебаний уровня океана и связанных с ними течений в широком диапазоне периодов: от нескольких десятков секунд до нескольких десятков суток, с особым акцентом на опасные и катастрофические природные явления. Основное внимание уделяется физическим особенностям, характеру проявления и возможности прогноза следующих форм длинноволновых колебаний:
Инфрагравитационные волны, прибойные биения;
Анемобарические волны, метеоцунами;
Цунами;
Сейши;
Штормовые нагоны;
Приливы.
При этом целью исследования является выявление динамических характеристик процессов в конкретных районах Мирового океана и учет их возможной суперпозиции, что необходимо для получения вероятностных оценок экстремальных (катастрофических) колебаний уровня океана.
В соответствии с поставленными целями, непосредственными задачами исследования были следующие:
1) Организация натурного эксперимента и/или сбор необходимых
гидрометеорологических данных и информации;
-
Разработка алгоритмов и программ исследования полученного/собранного материала с использованием современных возможностей анализа временных рядов;
-
Выявление физических особенностей исследуемых процессов в конкретных районах Мирового океана;
-
Разработка теоретических моделей с целью описания соответствующих процессов, объяснения выявленных особенностей и выявления физического механизма их формирования;
-
Построение прогностических (во времени или пространстве) моделей данных процессов, оценка возможной суперпозиции различных процессов, долгосрочный прогноз экстремаьных событий.
Научная новизна работы и основные результаты
D работе впервые с единых позиций описываются разнообразные длинноволновые процессы и опасные природные явления в океане (цунами, штормовые нагоны, приливы, прибойные биения и пр.). Показано, что характер проявления и физические особенности этих явлений обуславливаются прежде всего их волновой структурой, т.е. теми волновыми составляющими, которые участвуют в формировании этих явлений. В свою очередь эти составляющие (волна Кельвина, краевые, шельфовые и излученные волны, собственные колебания заливов и бухт и пр.) определяются геометрией и батиметрией соответствующих акваторий. Теоретический анализ собственных волновых решений для различных частотных диапазонов позволил объяснить, а порой и предсказать поведение и свойства различных процессов в зоне шельфа и вблизи берега, в том числе представляющих угрозу для жизнедеятельности человека.
Так автором совместно с В.В.Ефимовым (1978) было теоретически предсказано существование на шельфе Курильских островов суточных приливных шельфовых волн и высказано предположение, что следствием этих волн должно быть присутствие в этом районе аномально сильных суточных приливных течений и мелкомасштабных вариаций гармонических постоянных суточных приливов. Последующие наблюдения придонных течений в районе Южных Курил полностью подтвердили это предположение. Позже аналогичный эффект был обнаружен автором также на северо-восточном шельфе о. Сахалин. Автором (совместно с Г.В.Шевченко) было показано, что шельфовые волны играют важную роль в диссипации энергии суточных приливов, в зоне шельфа реализуется "двухтактный механизм диссипации приливной энергии": 1) за счет рассеяния на пеоднородносгях рельефа энергия крупномаштабных приливных волн (типа Кельвина) переходит в мелкомасштабные (шельфовые); 2) последние (имеющие высокие скорости течений) быстро диссипиругот. Иначе говоря, вначале потенциальная энергия переходит в кинетическую, а потом последняя диссипирует за счет донного трения. Дальнейшее доказательство важной роли шельфовых волн в формировании суточных приливов, и особенно приливных течений, было получено с помощью спутниковых дрифтеров, которые показали, что в проливах Курильской гряды суточные течения, связанные с шельфовыми волнами, превышают 2 м/с.
Предложен принципиально новый подход к анализу волн цунами и разработан соответствующий метод, позволивший разделить влияние топографии и источника и восстановить спекгр исходного очага цунами. Данный метод успешно использован для анализа ряда цунами в Тихом, Атлантическом океанах и Японском море. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования Системы предупреждения о цунами.
Автором показано, что естественный длинноволновой шум в диапазоне частот цунами в значительной степени генерируются за счет нелинейного перехода энергии ветровых волн в инфрагравитационные движения, при этом соответствующий процесс резко активизируется во время штормов, вызывая эффект, сходный с "отрицательной вязкостью". Впервые рассмотрен эффект влияния завихренности жидкости на длинноволновые колебания в гаванях, получены оценки нелинейного демпфирования этих колебаний, показано, что этот эффект может быть использован для борьбы с явлением тягуна.
Проведено исследование природы и механизма генерации экстремальных сейш (метеоцунами) в различных районах Мирового океана, показано, что подобные колебания формируются в результате двойного резонанса, различные типы которого описаны. Выполнено детальное исследование явления риссага (катастрофических сейш в районе Балеарских островов), выявлен физический механизм формирования этого явления. Выполнены исследования и расчеты сейш в различных акваториях Мирового океана, в том числе впервые проведены расчеты собственных колебаний Каспийского моря с учетом вращения Земли и реальной топографии.
Разработан (совместно с Е.А.Куликовым) оригинальный метод анализа нестационарных векторых временных рядов, который оказался чрезвычайно эффективным при обработке лагранжевых наблюдений за течениями и позволил, в частности, обнаружить суточные шельфовые волны на шельфе Курильской гряды, выявить эффект допплеровского смещения инерционной частоты при взаимодействии инерционных колебаний с вихревыми образованиями и исследовать механизм генерации инерционных движений атмосферными возмущениями.
Разработан численный метод расчета вынужденных колебаний уровня океана в зоне шельфа - континентального склона. Впервые предложен физический механизм, объясняющий существенные отличия реакции уровня океана на вариации атмосферного давления для тихоокеанского и охотоморского побережья Курильской гряды, причины нарушения "закона обратного барометра" для колебаний уровня океана на охотоморском побережье и механизм образования разрушительных штормовых на этом побережье.
Предложен метод оценки экстремальных колебаний уровня океана как совместной плотности вероятности сезонных колебаний, приливов, штормовых нагонов и цунами, впервые провдена оценка относительного влияния различных составляющих для конкретных объектов, в частности для побережья Японского моря и охотоморского побережья о. Сахалин.
Эги результаты являются наиболее важными и носят приоритетный характер.
В целом автором сформировано новое направление в изучении морских природных катастрофических явлений в прибрежной зоне и длинноволновых процессов в океане, основанное на комплексном характере проводимых исследований и тесном сочетании теории и эксперимента.
Данные наблюдений, использованные в работе
Основной эмпирический материал, использованный в работе, следующий:
Данные глубоководных измерений длинноволновых колебаний уровня откытого океана, полученные во время Первой (1975) и Второй (1978) Советско-американских экспедиций по проблеме цунами;
Данные мареографных и гидрометеорологических наблюдений за 1971-1992 гг на станциях Дальневосточного региона;
Синхронные многомесячные наблюдения уровня моря, атмосферного давления, ветра и ветровых волн на 18 российских и южнокорейских станциях в Японском море и Корейском проливе;
Продолжительные наблюдения длинных волн и микрофлуктуаций атмосферного давления на юго-западном шельфе п-ва Камчатка, полученные во время комплексных экспериментов КАМШЕЛ-87, КАМШЕЛ-88;
Многомесячные регистрации длинных волн и микорфлуктуаций атмосферного давления в районе о. Шикотан (Курильские острова) и Балеарских островов (Испания);
Измерения течений на северо-восточном шельфе о. Сахалин и на шельфе Южных Курил;
Мареограммы цунами в Тихом океане, Японском и Охотском морях, а также в Атлантическом океане;
Данные около 100 дрифтеров в северной части Тихого океана за 1990-1996 гг, установленных по Международной программе Исследования океанической циркуляции (WOCE).
Высокое качество материала, использование современных методов при его обработке, сопоставление результатов, полученных разными методами, сравнение теоретических расчетов с данными наблюдений и (где это возможно) с наблюдениями и расчетами других авторов определяют достоверность результатов, полученных в работе. Обоснованность основных результатов подтверждается также их публикацией в центральных отечественных и зарубежных изданиях.
Аппробапия результатов
Отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на XIV Тихоокеанском научном конгрессе (Хабаровск, 1979), 2-м Съезде советских океанологов (Ялта, 1982), 1-м Международном симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг Мирового океана" (Таллинн, 1983), 2-м Всесоюзном симпозиуме "Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов" (Таллинн, 1984), Всесоюзном симпозиуме "Динамика механических систем" (Томск - Нижневартовск, 1986), на конференции по межведомственному проекту "Волна" (Севастополь, 1988), на Всесозных симпозиумах по цунами (Владивосток, 1980; Южно-Сахалинск, 1981; Горький, 1984; Обнинск, 1988; Горький, 1990), на 1-ми 2-м Совещаниях по природным катастрофам и стихийным бедствиям (Южно-Сахалинск, 1988, 1990), на 5-м и 6-м Международных симпозиумах по Японскому и Восточно-Китайскому морям (Каннын, респ. Корея, 1989; Фукуока, Япония, 1991), на 24-м Конгрессе Канадского метеорологического и океанографического общества (Виктория, Канада, 1990), на 1-м Международном совещании по Желтому морю (Сеул, 1992), на Международных симпозиумах по цунами (Новосибирск, 1989; Вакаяма, Япония, 1993; Болдер, США, 1995), на 5-ой Международной конференции по природным катастрофам (Циндао, Китай, 1993), на 24-ой Европейской сейсмологической ассамблее (Афины, 1994), на Рабочем совещании "Измерения волн цунами" (Эстес-Парк, США, 1995), на 21-ой Ассамблее Международного геофизического союза (IUGG) (Болдер, США, 1995), на 21-ой Ассамблее Международной ассоциации по физическим наукам в океане (IAPSO) (Гонолулу, США, 1995), на 2-м Международном симпозиуме по накату цунами (Фрайдей-Харбор, США, 1995), на Международной конференции "Динамика атмосферы и океана" (Москва, 1995), на 5-ой Ежегодной международной конференции по
Северной части Тихого океана (PICES) (Нанаймо, Канада, 1996), на семинарах отдела цунами Института морской геологии и геофизики ДВО РАН (Южно-Сахалинск, 1980-1992), Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН (Владивосток, 1983, 1985, 1988), Морского гидрофизического института (Севастополь, 1983, 1988), Государственнного океанографического института (1982, 1984, 1988, 1990, 1997), Института океанологии РАН им. П.П.Ширшова (1995, 1997), Сеульского национального университета (респ.Корея, 1989, 1991,1993), а также ряда других университетов и научно-исследовательских институтов респ. Корея (1989-1993), Токийского Университета (Япония, 1991, 1993), Иститута океанских наук (Сидней, Канада, 1990-1996), Тихоокеанской морской лаборатории окружающей среды (Сиэтл, США, 1993-1996), Университета Вашингтон (Сиэтл, США, 1993, 1996), Гавайского университета (Гонолулу, США, 1993), Университета Британской Колумбии (Ванкувер, Канада, 1993, 1995), Университета Балеарских островов (Пальма-де-Мальорка, Испания, 1994,1996), а также в других университетах и институтах, занимающихся исследованиями Мирового океана, волновых процессов, природных катастроф и стихийных бедствий.
Основные материалы представленных исследований опубликованы в монографиях: В.В.Ефимова, Е.А.Куликова, А.Б.Рабиновича и И.В.Файна "Волны в пограничных областях окена", Л.: Гидрометеоиздат, 1985 (Введение, главы 1, 2, 3 и 6) и А.Б.Рабиновича "Длинные гравитационные волны в океане: захват, резонанс, излучение", СПб.: Гидрометеоиздат, 1993, а также в 52 статьях в отечественных и зарубежных журналах, из них 10 лично, а остальные в соавторстве. Наиболее значимые результаты опубликованы в журналах "Доклады АН", "Океанология", "Физика атмосферы и океана", "Natural Hazards", "Journal of Geophysical Research", "Journal of Oceanography", "Science of Tsunami Hazards". Коллективный характер исследований, связанных с проведением экспериментов, получением и обработкой данных, обусловил публикацию части полученных результатов совместно с коллегами по работе. В большинстве работ, выполненных с соавторами, научные идеи, организация эксперимента, анализ данных и их интерпретация принадлежат автору.
Объем и структура работы
