Введение к работе
Актуальность проблемы. Практическая деятельность человека тесно связана с океаном. Это в первую очередь рыбный промысел и морской транспорт, требующие к тому же строительства портов и прибрежных сооружений. Кроме того, в связи с истощением месторождений на суше активно развивается добыча нефти и газа на шельфе с использованием плавучих и стационарных буровых платформ. В настоящее «ремя уже более трети мировой добычи углеводородного сырья приходится на морские месторождения.
Но успешное освоение океана невозможно без знания волнового режима в морях, океанах и резонансных особешюстей прибрежного рельефа. Опыт рыбного промысла показывает, что учет приливных течений и флюктуации температуры воды районов лова позволяет добиться высоких уловов. Строительство портов и зданий в прибрежной полосе, установка буровых платформ без данных о динамике вод и донного грунта, волнового режима конкретного побережья ведет к разрушению построек.
Кроме того, при решении задач самой океанологической науки - исследовании генерации, распространения, трансформации доплшых волн и их связи с барическими возмущениями оказываются необходимыми синхронные наблюдения за колебаниями уровня, температуры воды, атмосферным давлением и придонными течениями.
Под длинными волнами в океанологической литературе понимают колебания с периодами от нескольких минут до нескольких месяцев. Линейные масштабы этих волн от десятков до десятков тысяч километров. Сам термин "длинные волны" связан с известным в гидродинамике приближением для волновых процессов, у которых горизонтальные масштабы значительно превосходят глубину жидкости. Тішичньїе примеры длинных волн в океане: приливы, волны цунами, штормовые нагоны. Эти волны в той или иной степени определяют характер большинства гидро- и геофизических процессов, протекающих в океане и его пограничных областях, включая осадконакопление, формирование береговой зоны, короткопериодные колебания климата, изменение биопродуктивности определенных районов океана и др. Поэтому, учитывая еще и интерес самой океанологической науки, становится очевидной важность проведения наблюдений за колебаниями уровня морей и океанов.
4 Однако до недавнего времени такие измерения на шельфе и в открытом
океане носили эпизодический характер из-за отсутствия специальной приборной
базы. Существующие серийные мареографы, предназначенные для регистрации
приливных волн у берега, являются громоздкими сооружениями и не обеспечивают
достаточной точности измерений в другом частотном диапазоне таких типов волн,
как, например, цунами и сейши. Для их изучения требуется аппаратура с высоким
разрешением, дающая возможность проводить измерения в широком частотном
диапазоне с фильтрацией шумовых.
Важность теоретических и экспериментальных исследований вопросов создания измерительных комплексов для наблюдения длинных волн в океане, оказывающих существенное влияние на динамику океана, перенос масс, эрозию и многочисленные нужды практики, а также отсутствие качественных данных наблюдений в диапазоне волн цунами, и определяют актуальность данной работы.
Цели и задачи настоящей работы: - изучение вопросов создания измерительных комплексов для наблюдения длинноволновых процессов в береговой зоне и в открытом океане, главным образом для диапазона волн цунами, и проведение экспериментальных натурных исследований с использованием разработанных технических средств. При этом ставились следующие задачи: 1) определить требования к измерительным средствам, позволяющие создать оптимальные измерительные комплексы предназначенные для наблюдения длинных волн в океане; 2) на основашш этих требований определить возможные структурные варианты измерительных комплексов; 3) исследовать вопросы применимости различных типов датчиков; 4) исследовать проблемы разработки функциональных узлов аппаратуры и рассмотреть примеры ее исполнения; 5) изучить факторы, влияющие на погрешности измерительных приборов; 6) изучить вопросы касающиеся механических конструкций приборов; 7) разработать измерительные комплексы и провести с их использованием наблюдения длинноволновых процессов, 8) провести наблюдение и исследование поля скорости течения в придонном пограничном слое океана, 9) исследовать особенности приливных течений, 10) провести изучение особенностей поля длинных волн в краевой области океана, 11) выполнить исследования по уточнению оценки цунамиопасности морского побережья.
Научная новизна диссертационной работы заключается прежде всего в детальном экспериментальном исследовании характера и особенностей длинноволновых процессов в прибрежной зоне океана, турбулентной структуры придонного пограничного слоя океана (ППС). В результате такого исследования удалось выяснить необходимость пересмотра роли натурного эксперимента при детальном цунамирай-онировании побережья; выяснить особенности генерации, распространения длинных волн в краевой области океана и их связи с барическими возмущениями; объяснить реально наблюдаемые особенности флуктуации поля скорости течения в погранслое. Проведенные измерения позволили обнаружить сильные приливные течения с частотой Ог , значительно превосходящие по своей величине течения на друпгх приливных частотах, т.е. было подтверждено теоретически предсказанное выборочное резонансное усиление шельфом приливных течений. В результате наблюдений поля длинных волн удалось установить, что в регистрируемых флуктуациях уровня доминируют стоячие колебания в то время как волна цунами является прогрессивной; фоновые колебания уровня моря в полосе частот цунами слабо связаны с атмосферными флуктуациями, но сильно коррелируются с активностью морской поверхности. Процесс возбуждения длинных волн похож на эффект "отрицательной вязкости", то есть идет передача энергии от мелкомасштабных к крупномасштабным движениям. Значимым результатом работы является подгверждеіше на основании теоретической модели и экспериментальных данных предположения о том, что в приливном потоке мелкомасштабная турбулентность успевает выйти на квазистационарный режим и параметры ППС океана могут быть вычислены с помощью соотношений полуэмпирической теории турбулентности. Кроме того, проведено исследование вопросов создания аппаратуры для измерения длинных волн в океане. В результате удалось определить технические требования, выбрать структурные схемы и разработать измерительные комплексы. Определены факторы, влияющие на точность измерительных приборов и оценена их погрешность.
Сами наблюдения за длинными волнами большой продолжительности и высокой точности в северо-западной части Тихого океана, полученные с использованием разработанных комплексов, являются новыми.
Практическая ценность результатов работы заключается с одной стороны в разработанных комплексах приборов, которые помимо своего основного назначения могут использоваться в различных областях науки и промышленности. Кроме того, в результате разработок получены авторские свидетельства на изобретения и патенты, которые также могут применяться в различных областях науки и техники. С другой стороны, данные натурных наблюдений, полученные с использованием разработанной аппаратуры могут использоваться для практических целей. Так, например, по данным колебаний уровня моря, полученным в течение экспедиции "КАМШЕЛ - 87" были рассчитаны таблицы приливов для населенных пунктов рыболовецких колхозов западного побережья полуострова Камчатка. В результате резко сократилось количество посаженных на мель судов, а рыбаки используют таблицы для увеличения вылова рыбы. Разработанные комплексы были использованы при оценке цуна-миопасности Восточного побережья КНДР для строительства АЭС.
Автор непосредственно разрабатывал всю аппаратуру, принимал участие в организации и проведении экспедиционных работ с целью выполнения наблюдений и проверки приборных комплексов в районе Курильской гряды, западного побережья полуострова Камчатка, Приморье, КНДР.
Обоснованность и достоверность выбранных концепций построения аппаратуры подтверждена полученными высококачественными натурными данными, обработка которых доказала правильность критериев и технических решений, принятых при создании приборов. Данные, полученные с использованием описанных в настоящей работе технических средств, легли в основу более чем двух десятков научных статей и докладов по длинноволновым процессам как у нас в стране, так и за рубежом. По решению международного симпозиума 1989 г. по проблеме цунами, где представлялся доклад "Investigation of long waves on the southwestern shelf of Kamchatka", было предложено опубликовать статью в журнале Natural Hazards, что несомненно указывает на высокое качество проводимых наблюдений и их анализа. Исследования проведенные на основе материала наблюдений, согласуются с результатами других авторов и выводами теоретических моделей и определяют достоверность результатов, полученных в работе.
Апробация. Результаты работы докладывались на семинарах лаборатории цунами ИМГиГ (Южно-Сахалинск, 1975-1996), отдела взаимодействия атмосферы и океана (Севастополь, 1978- 1989), кафедры физики моря и вод суши МГУ (Москва, 1982), Сеульского национального университета (Сеул, респ. Корея, 1991), Пусанско-го рыбного университета (респ. Корея, 1991), Корейского исследовательского океанографического института KORDI (респ. Корея, 1991), Fluke Corporation (Сиэтл, США, 1996), Pacific Marine Environmental Laboratory NOAA (Сиэтл, США, 1996), Всесоюзных совещаниях по техническим средствам изучения мирового океана (Геленджик, 1978, 1982), совещании "Теоретические основы, методы и аппаратурные средства прогноза цунами" (Обшшск, 1988), Международном симпозиуме по проблеме цунами (Новосибирск, 1989), Всесоюзной конференции "Проблемы метрологии гидрофизических измерений", (Москва, 1990), международном симпозиуме "Okhotsk Sea, Sea Ice & Peoples" (Момбетсу, Япония, 1995), международной конференции "PACON" (Гонолулу, США, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 работа, из которых 10 -авторские свидетельства на изобретения и патенты, одна монография Ковалева П. Д. "Технические средства для измерения длинных волн в океане". Из опубликовашшх работ 18 лично, а остальные в соавторстве.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Основной текст работы содержит 295 страниц, в том числе 86 рисунков, список литературы из 228 наименований на 23 стр. Диссертация содержит приложение с 4 актами на внедрение результатов работы.
