Компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья
Дано описание компьютерной системы прогноза цунами в Черном море для произвольно расположенного распределенного источника генерации. Описаны входные данные, математическая модель эволюции цунами, как длинноволнового процесса, выходная информация и интерфейс системы. Приведены примеры рассчитанных...
Saved in:
| Published in: | Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112497 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья / С.Ф. Доценко, А.В. Ингеров // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 24. — С. 225-234. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859613983055544320 |
|---|---|
| author | Доценко, С.Ф. Ингеров, А.В. |
| author_facet | Доценко, С.Ф. Ингеров, А.В. |
| citation_txt | Компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья / С.Ф. Доценко, А.В. Ингеров // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 24. — С. 225-234. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу |
| description | Дано описание компьютерной системы прогноза цунами в Черном море для
произвольно расположенного распределенного источника генерации. Описаны
входные данные, математическая модель эволюции цунами, как длинноволнового
процесса, выходная информация и интерфейс системы. Приведены примеры рассчитанных с использованием компьютерной системы прогноза цунами сценария
развития событий и распределения максимальных высот волн вдоль побережья.
|
| first_indexed | 2025-11-28T17:18:42Z |
| format | Article |
| fulltext |
225
© С .Ф . Доценко , А .В . Ингеров , 2011
УДК 0 0 4 .9
С.Ф. Доценко, А.В. Ингеров
Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь
КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА ПРОГНОЗА ЦУНАМИ
И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ЦУНАМИРАЙОНИРОВАНИЯ ПОБЕРЕЖЬЯ
Дано описание компьютерной системы прогноза цунами в Черном море для
произвольно расположенного распределенного источника генерации. Описаны
входные данные, математическая модель эволюции цунами, как длинноволнового
процесса, выходная информация и интерфейс системы. Приведены примеры рас-
считанных с использованием компьютерной системы прогноза цунами сценария
развития событий и распределения максимальных высот волн вдоль побережья.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : Черное море, цунами, прогнозирование, компьютерная
система, сценарии событий, районирование побережья.
Введение. Интерес к изучению цунами в районах Мирового океана, где
это явление происходит сравнительно редко, существенно усилился, осо-
бенно после произошедших в последние годы в различных районах Земно-
го шара катастрофических цунами. Эти события привлекли к проблеме
внимание мировой общественности и стимулировали развертывание евро-
пейской системы раннего предупреждения о цунами в северо-восточной
Атлантике, Средиземном море и прилегающих морях, включая Черное мо-
ре [1]. В МГИ НАН Украины проблема черноморских цунами рассматрива-
ется в контексте морских природных катастрофических явлений в регионе,
включая сгонно-нагонные колебания уровня моря, штормовые волны, вол-
ны-убийцы, сейши и др. [2].
Исследовательские программы для расчета цунами в бассейнах с ре-
альной батиметрией давно получили широкое распространение. Разработка
компьютерной системы прогноза цунами – более сложная задача. Такая
система предполагает возможность быстрой адаптации к новым районам
Мирового океана, гибкость по отношению к изменениям разрешения моде-
ли, возможность телескопирования, автоматического изменения положения
и параметров очага цунами, визуализацию волновых полей, мареограмм,
нахождение экстремальных характеристик волн и другой информации.
Давно и успешно работы по разработке компьютерных систем для прогноза
волн цунами проводятся в лаборатории цунами Института вычислительной
математики и математической геофизики СО РАН (Новосибирск, Россия)
[3], в дальневосточных организациях (Южно-Сахалинск, Владивосток) [4],
в Центре исследования цунами Национального управления океанических и
атмосферных исследований (Сиэтл, США) [5] и др., ориентированных, в
основном, на тихоокеанские цунами.
Ниже описаны основные модули компьютерной системы прогноза цу-
нами в Черном море. Она может быть использована для исследовательских
целей и прикладных работ, для оперативных прогнозов, в частности, в ка-
честве элемента системы раннего предупреждения о черноморских цунами.
226
Основные модули компьютерной системы прогноза цунами. Ком-
пьютерная «Система прогноза цунами в Черном море», блок схема которой
показана на рис. 1, включает следующие основные модули: модуль ввода
данных; модуль расчета параметров начального возмущения моря и эволю-
ции волны цунами в бассейне Черного моря; модуль выходных данных,
полученных в результате вычислительного эксперимента.
Рис . 1 . Блок-схема «Системы прогноза цунами в Черном море»
Входными данными компьютерной системы являются сетка глубин и
топографии местности, параметры эллиптической зоны генерации цунами
(оси эллипса, смещение дна в центре очага, ориентация большой оси эл-
липса по отношению к параллелям), задаваемые пользователем, шаг интег-
рирования по времени, пункты регистрации расчетных мареограмм (их пе-
Модуль ввода данных
Батиметрия
Параметры эллиптического
очага цунамигенного
землетрясения: (магнитуда,
местоположение эпицентра,
ориентация большой оси)
Пункты регистрации
расчетных
мареограмм
на изобате 5 м
Расчетный модуль
Расчет размеров очага и
максимальной высоты
начального возмущения
поверхности моря по
эмпирическим формулам
Конечно-разностный аналог
нелинейной модели длинных
волн в полных потоках с
учетом квадратичного по
скорости донного трения
Модуль выходных данных
в текстовой и графической формах
Расчетные
мареограммы
Карты эволюции
волн цунами
Экстремальные подъемы,
опускания и высоты волн
в пунктах регистрации
расчетных мареограмм
Спектральные характеристики
колебаний уровня моря в
пунктах регистрации
расчетных мареограмм
Оценки времени
распространения волн
до заданных пунктов
побережья
227
речень в зависимости от поставленной задачи может изменяться). Выход-
ные данные в графической и текстовой формах включают поле смещений
уровня моря, его экстремальные подъемы и понижения в бассейне в задан-
ные моменты времени и мареограммы для выбранных точек бассейна.
В данной версии системы вводится топография Черноморской впадины
на квадратной сетке, имеющей 2 397 × 1 779 узлов с пространственным ша-
гом 500 м. На границе бассейна глубина принята равной 5 м.
Для задания параметров эллиптического очага цунами использованы
эмпирические соотношения для осей эллипса по данным для евроазиатско-
го региона [6] и максимальные смещения дна в центре очага для тихооке-
анских цунами [7], определяемые по магнитуде М землетрясения:
);5,6( 16,024,0lg ; <−== MMLWL ,
6,5); ( 42,015,0lg ;5,26,0lg ≥+=−= MMWML (1)
6,50,8 lg 0 −= Ma ,
где L и W – большая и малая оси эллипса соответственно (в км), a0 – макси-
мальное смещение дна (начальное смещение уровня моря в м) в эпицентре.
Формулы (1) использованы в расчетном модуле системы для нахожде-
ния начального смещения поверхности моря в эллиптической области с
центром в точке (x0, y0) по формуле
( ) )1( 0 ),1( 2/cos 0
2
00 >=≤= rrra ζπζ , (2)
где
2
1
2
12
+
=
W
y
L
x
r ,
x1 = (x − x0)cosα + (y − y0)sinα, y1 = (y − y0)cosα − (x − x0)sinα; α − угол на-
клона продольной оси эллипса к оси х, отчитываемый против часовой
стрелки.
В расчетном модуле компьютерной системы реализован конечно-
разностный алгоритм расчета полей на основе системы нелинейных урав-
нений динамики поверхностных длинных волн в полных потоках с учетом
квадратичного по скорости донного трения [8]:
22
3/7
22
VUU
D
gk
x
gD
D
UV
yD
U
xt
U +−
∂
∂−=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂ ζ
, (3)
22
3/7
22
VUV
D
gk
y
gD
D
V
yD
UV
xt
V +−
∂
∂−=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂ ζ
, (4)
0=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
y
V
x
U
t
ζ
(5)
с условием скольжения на твердой береговой границе, означающем равен-
ство нулю нормальной к границе проекции полного потока жидкости:
228
Vn = 0. (6)
Начальные условия задаются в виде
U = V = 0, ζ = ζ0(x,y) (t = 0). (7)
В задаче (3) – (7) переменные x, y − зональная и меридиональная коор-
динаты; t − время; U(x, y, t) и V(x, y, t) − проекции вектора полного горизон-
тального потока жидкости на оси x и y соответственно; ζ(x, y, t) − смещения
поверхности жидкости от горизонтального положения; ζ0(x,y) − начальное
смещение свободной поверхности жидкости (2); D = H(x, y) + ζ(x, y, t) > 0 −
динамическая глубина жидкости; H(x, y) – глубина бассейна в невозмущен-
ном состоянии; ),( yxgHC = – локальная скорость распространения
длинных волн; g − ускорение свободного падения; k = 0,013 − параметр
Маннинга.
В расчетном модуле находится решение задачи (3) – (7) методом ко-
нечных разностей по явно-неявной по x, y и одношаговой по времени t схе-
ме на разнесенных для проекций полного потока и смещений поверхности
моря сетках (сетка Аракавы С) с шагами, соответствующими заданию ба-
тиметрии бассейна [8]. По результатам вычислительных экспериментов
шаг по времени принят равным 1 с.
Программный комплекс позволяет визуализировать и сохранять в па-
мяти компьютера карты распространения волн из зон генерации эллипти-
ческой формы в Черноморском бассейне, находить мареограммы в
69 пунктах морского побережья, оценивать время распространения цунами
от сейсмических источников до побережья, рассчитывать спектры колеба-
ний морской поверхности, находить экстремальные смещения уровня и вы-
соты волн. Прибрежные пункты регистрации мареограмм пронумерованы
против часовой стрелки, начиная с Одессы. Перечислим некоторые опор-
ные пункты: 1 – Одесса; 5 – Черноморское; 8 – Евпатория; 12 – Херсонес-
ский маяк; 17 – Ялта; 21 – Судак; 30 – Анапа; 34 – Туапсе; 36 – Сочи; 39 –
Сухуми; 42 – Батуми; 59 – Варна; 65 – Вилково; 69 – Ильичевск.
Интерфейс системы (без и в режиме увеличения масштаба) приведен
на рис. 2. Выходные данные представляют собой карты смещений уровня в
определенные пользователем моменты времени в виде файлов GS Surfer
ASCII ∗.grd формата, содержащих поле уровня моря в заданный момент
времени. На экран выводится графическое отображение мареограммы для
выбранного пункта регистрации и числовые файлы в ASCII delimited фор-
мате ∗.dat для мареограмм в выбранных пользователем (из 69) прибрежных
пунктах.
Интерфейс системы включает стандартные элементы (меню, панель
кнопок быстрого доступа, строку состояния), а также область задания началь-
ных условий, список пунктов регистрации мареограмм, карту и область для
визуализации мареограмм, кнопки управления. Система позволяет задавать
положение эпицентра и новых пунктов регистрации цунами, автоматически
определяет текущие координаты, расстояния, допускает процедуры масшта-
бирования.
229
Рис . 2 . Вид главного окна компьютерной «Системы прогноза цунами в
Черном море»: а – номинальный масштаб; б – увеличенный масштаб.
а
б
230
Электронная карта формируется послойно и включает базовую карту
Черного моря, изобаты, расчетную сетку, пункты регистрации волн цуна-
ми, а так же слой, отображающий поле уровня моря в процессе работы мо-
дели.
Пункты регистрации снабжены всплывающими подсказками с наиме-
нованием пункта и его государственной принадлежностью. Все пункты ре-
гистрации отнесены к изобате 5 м.
Поле уровня моря динамически обновляется через заданный пользова-
телем временной интервал (в приведенном примере 20 с). Файл с расчет-
ным полем уровня моря сохраняется каждые 100 с. Назначение основных
кнопок быстрого доступа описано в таблице.
Таблица . Назначение кнопок быстрого доступа
«Системы прогноза цунами в Черном море»
Кнопка Назначение
Отображение пунктов регистрации;
Отображение расчетной сетки;
Переход в режим редактирования перечня пунктов регистрации
расчетных мареограмм (возможность добавления, удаления,
изменения параметров существующих пунктов регистрации);
Режим визуального задания (по карте) положения эпицентра;
Задание условий для нового варианта вычислений;
Запуск вычислительного эксперимента;
Пауза в расчетах;
Остановка вычислительного эксперимента;
Выделение региона для последующего увеличения;
Увеличение (может выполняться многократно);
Возврат к предыдущему масштабу карты;
Возврат к исходному масштабу карты.
Применение компьютерной системы в исследовательских целях.
Применим описанную выше прогностическую систему для нахождения
волнового поля и характеристик цунами вдоль черноморского побережья.
На рис. 3 приведены поля уровня в различные моменты времени в слу-
чае цунами, возбужденного подводным сейсмическим источником, нахо-
дящимся в море к югу от Крымского полуострова.
Цунами в Черном море характеризуется усилением волн при распро-
странении к берегу и их сильным захватом шельфовой зоной бассейна и
представляет наибольшую опасность для ближайшего к очагу цунами уча-
стка берега [9].
Типичные расчетные мареограммы для пяти пунктов в случае очага
цунами, положение которого показано на рис. 2, приведены на рис. 4. На
них четко прослеживается зависимость времени начала колебаний уровня
от расстояния между береговым пунктом и очагом цунами.
231
Рис . 3 . Эволюция волны цунами из зоны подводного
землетрясения магнитудой 7 единиц в Крымской сейсмо-
активной зоне: а – t = 0; б – t = 5,7 мин; в – t = 8,7 мин
а
в
б
232
-0.15
0.00
0.15
-0,60
0,00
0,60
-0.40
0.00
0.40
-0.60
0.00
0.60
0 100 200 300t, мин
-0.20
0.00
0.20
Рис . 4 . Расчетные мареограммы в пунктах: а – Одесса;
б – Ялта; в – Сочи; г – № 52 на побережье Турции; д – Варна.
Компьютерная система прогноза цунами может быть применена для
выполнения районирования побережья Черного моря по степени опасности
волновых колебаний уровня моря. На рис. 5 дано распределение экстре-
мальных подъемов и понижений поверхности моря во всех 69 береговых
пунктах, вызванных приходом цунами из очага, показанного на рис. 2. Они
0,15
0,00
-0,15
0,60
0,00
-0,60
0,40
0,00
-0,40
0,60
0,00
-0,60
0,20
0,00
-0,20
а
б
в
г
д
0 100 200 300
Текущее время, мин
О
тк
л
о
н
е
н
и
е
у
р
о
в
н
я
м
о
р
с
к
о
й
п
о
в
е
р
х
н
о
с
ти
, м
233
найдены по расчетным колебаниям уровня моря в прибрежном пункте в
течение 5 ч.
1 13 25 37 49 61
Пункт
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
ζ, м
Рис . 5 . Экстремальные подъемы (ζ > 0) и по-
нижения (ζ ≤ 0) уровня Черного моря в 69 пунк-
тах побережья. Очаг цунами совпадает с пока-
занным на рис. 2, б
Результаты расчетов показывают (см. рис. 5), что для заданного поло-
жения зоны генерации подъемы уровня моря у берега не превышают зна-
чения в очаге цунами, хотя понижения уровня по модулю могут превышать
его. Распределение высот волн вдоль побережья моря крайне неравномер-
но. Как и ранее, волны наибольшей высоты образуются на ближайшем к
сейсмическому источнику участке побережья. В данном случае – это район
пос. Кацивели. Для проведения районирования черноморского побережья
по интенсивности цунами необходимо выполнить серии вычислительных
экспериментов для различных положений и магнитуд очагов цунами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. First session of Intergovernmental coordination group for the tsunami early warning
and mitigation system in the North-East Atlantic, the Mediterranean and connected
seas (ICG/ NEAMTWS). Rome, Italy, 21 – 22 November, 2005 // UNESCO, IOC,
2005. – 67 p.
2. Доценко С.Ф., Иванов В.А. Возможные источники и механизмы формирования
повышенной гидродинамической активности на шельфе Черного моря // Экологи-
ческая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование
ресурсов шельфа. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2005. – вып. 13.
– С. 73-94.
3. Сайт «Tsunami Laboratory». [Электронный ресурс]. http://tsun.sscc.ru/tsun_hp.htm
(Проверено 03.05.2010).
ζ, м
0,5
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
1 13 25 37 49 61
Номер наблюдательного пункта
234
4. Поплавский А.А., Храмушин В.Н., Непоп К.И., Королев Ю.П. Оперативный
прогноз наводнений на морских берегах Дальнего Востока России. – Южно-
Сахалинск: ДВО РАН, 1997. – 272 с.
5. Сайт «NOAA Center for Tsunami Research» [Электронный ресурс]. http://nctr.
pmel.noaa.gov/model.html (Проверено 05.06.2010).
6. Уломов В.И., Полякова Т.П., Шумилина Л.С., Чернышева Г.В. и др. Опыт кар-
тирования очагов землетрясений // Сейсмичность и сейсмическое районирова-
ние Северной Евразии. – 1993. – вып. 1. – М.: ИФЗ РАН. – С. 99-108.
7. Пелиновский Е.Н. Нелинейная динамика волн цунами. – Горький: ИПФ АН
СССР, 1982. – 226 с.
8. Liu P.L.-F., Cho Y.-S., Briggs M.J., Lu U.K., Synolakis C.E. Runup of solitary waves
on a circular island // J. Fluid Mech. – 1995. – v. 302. – P. 259-285.
9. Доценко С.Ф., Ингеров А.В. Численное моделирование распространения и уси-
ления волн цунами у Крымского полуострова и северо-восточного побережья
Черного моря // Морской гидрофизический журнал. – 2010. – № 1. – С. 3-15.
Материал поступил в редакцию 1 0 .0 1 .20 1 1 г .
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112497 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1726-9903 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T17:18:42Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Доценко, С.Ф. Ингеров, А.В. 2017-01-22T15:41:49Z 2017-01-22T15:41:49Z 2011 Компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья / С.Ф. Доценко, А.В. Ингеров // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 24. — С. 225-234. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1726-9903 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112497 004.9 Дано описание компьютерной системы прогноза цунами в Черном море для произвольно расположенного распределенного источника генерации. Описаны входные данные, математическая модель эволюции цунами, как длинноволнового процесса, выходная информация и интерфейс системы. Приведены примеры рассчитанных с использованием компьютерной системы прогноза цунами сценария развития событий и распределения максимальных высот волн вдоль побережья. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Катастрофические и другие явления в Азово-Черноморском бассейне Компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья Article published earlier |
| spellingShingle | Компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья Доценко, С.Ф. Ингеров, А.В. Катастрофические и другие явления в Азово-Черноморском бассейне |
| title | Компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья |
| title_full | Компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья |
| title_fullStr | Компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья |
| title_full_unstemmed | Компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья |
| title_short | Компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья |
| title_sort | компьютерная система прогноза цунами и ее применение для цунамирайонирования побережья |
| topic | Катастрофические и другие явления в Азово-Черноморском бассейне |
| topic_facet | Катастрофические и другие явления в Азово-Черноморском бассейне |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112497 |
| work_keys_str_mv | AT docenkosf kompʹûternaâsistemaprognozacunamiieeprimeneniedlâcunamiraionirovaniâpoberežʹâ AT ingerovav kompʹûternaâsistemaprognozacunamiieeprimeneniedlâcunamiraionirovaniâpoberežʹâ |