Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами

Дан обзор исследований о цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях. Описана математическая модель прогноза поверхностных длинных волн, наиболее широко применяемая для описания распространения цунами в ограниченных бассейнах переменной глубины. Дана характеристика возможностей использования модели...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Дата:	2012
Автор:	Доценко, С.Ф.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2012
Теми:	Катастрофические явления и минимизация их последствий
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56883
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами / С.Ф. Доценко // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2012. — Вип. 26, том 2. — С. 287-300. — Бібліогр.: 34 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56883
record_format	dspace
spelling	Доценко, С.Ф. 2014-02-26T21:23:34Z 2014-02-26T21:23:34Z 2012 Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами / С.Ф. Доценко // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2012. — Вип. 26, том 2. — С. 287-300. — Бібліогр.: 34 назв. — рос. 1726-9903 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56883 551.466.62 Дан обзор исследований о цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях. Описана математическая модель прогноза поверхностных длинных волн, наиболее широко применяемая для описания распространения цунами в ограниченных бассейнах переменной глубины. Дана характеристика возможностей использования модели для раннего предупреждения цунами. Приведены примеры сценариев развития цунами в морях и распределения максимальных высот волн вдоль побережья. Дано огляд досліджень про цунамі в Чорному, Азовському і Каспійському морях. Описано математичну модель прогнозу поверхневих довгих хвиль, яка найбільш широко застосовується для опису розповсюдження цунамі в обмежених басейнах змінної глибини. Дана характеристика можливостей використання моделі для раннього попередження цунамі. Наведено приклади сценаріїв розвитку цунамі в морях і розподілу максимальних висот хвиль вздовж узбережжя. A review of research on the tsunami in The Black Sea, The Sea of Azov and The Caspian Sea. The mathematical model for prediction of surface long waves, the most widely used to describe the propagation of tsunamis in closed basins of variable depth. The characteristic features of the model for early warning tsunami are given. The examples of scenarios development in the seas and tsunami distribution of maximum tsunami wave heights along the coast are presented. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Катастрофические явления и минимизация их последствий Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами Numerical simulation of tsunami in The Black Sea, The Sea of Azov and The Caspian Sea as an essential element of tsunami early warning regional systems Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами
spellingShingle	Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами Доценко, С.Ф. Катастрофические явления и минимизация их последствий
title_short	Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами
title_full	Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами
title_fullStr	Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами
title_full_unstemmed	Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами
title_sort	численное моделирование цунами в черном, азовском и каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами
author	Доценко, С.Ф.
author_facet	Доценко, С.Ф.
topic	Катастрофические явления и минимизация их последствий
topic_facet	Катастрофические явления и минимизация их последствий
publishDate	2012
language	Russian
container_title	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
format	Article
title_alt	Numerical simulation of tsunami in The Black Sea, The Sea of Azov and The Caspian Sea as an essential element of tsunami early warning regional systems
description	Дан обзор исследований о цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях. Описана математическая модель прогноза поверхностных длинных волн, наиболее широко применяемая для описания распространения цунами в ограниченных бассейнах переменной глубины. Дана характеристика возможностей использования модели для раннего предупреждения цунами. Приведены примеры сценариев развития цунами в морях и распределения максимальных высот волн вдоль побережья. Дано огляд досліджень про цунамі в Чорному, Азовському і Каспійському морях. Описано математичну модель прогнозу поверхневих довгих хвиль, яка найбільш широко застосовується для опису розповсюдження цунамі в обмежених басейнах змінної глибини. Дана характеристика можливостей використання моделі для раннього попередження цунамі. Наведено приклади сценаріїв розвитку цунамі в морях і розподілу максимальних висот хвиль вздовж узбережжя. A review of research on the tsunami in The Black Sea, The Sea of Azov and The Caspian Sea. The mathematical model for prediction of surface long waves, the most widely used to describe the propagation of tsunamis in closed basins of variable depth. The characteristic features of the model for early warning tsunami are given. The examples of scenarios development in the seas and tsunami distribution of maximum tsunami wave heights along the coast are presented.
issn	1726-9903
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56883
citation_txt	Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами / С.Ф. Доценко // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2012. — Вип. 26, том 2. — С. 287-300. — Бібліогр.: 34 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT docenkosf čislennoemodelirovaniecunamivčernomazovskomikaspiiskommorâhkakneobhodimyiélementregionalʹnyhsistemrannegopredupreždeniâocunami AT docenkosf numericalsimulationoftsunamiintheblackseatheseaofazovandthecaspianseaasanessentialelementoftsunamiearlywarningregionalsystems
first_indexed	2025-11-25T22:45:36Z
last_indexed	2025-11-25T22:45:36Z
_version_	1850571825258430464
fulltext	287 © С.Ф. Доценко, 2012 КАТАСТРОФИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И МИНИМИЗАЦИЯ ИХ ПОСЛЕДСТВИЙ УДК 551.466.62 С.Ф. Доценко Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦУНАМИ В ЧЕРНОМ, АЗОВСКОМ И КАСПИЙСКОМ МОРЯХ КАК НЕОБХОДИМЫЙ ЭЛЕМЕНТ РЕГИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ РАННЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ О ЦУНАМИ Дан обзор исследований о цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях. Описана математическая модель прогноза поверхностных длинных волн, наиболее широко применяемая для описания распространения цунами в ограниченных бас- сейнах переменной глубины. Дана характеристика возможностей использования модели для раннего предупреждения цунами. Приведены примеры сценариев раз- вития цунами в морях и распределения максимальных высот волн вдоль побережья. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : Черное море, Азовское море, Каспийское море, цунами, прогнозирование, сценарии событий, районирование побережья. Введение. В последние годы интерес к изучению цунами в районах Мирового океана, где это явление наблюдается сравнительно редко, суще- ственно усилился, особенно после произошедших в различных районах Земли катастрофических цунами сейсмического происхождения. Эти собы- тия привлекли внимание мировой общественности и стимулировали развер- тывание европейской системы раннего предупреждения о цунами в северо- восточной Атлантике, Средиземном и Черном морях [1]. Помимо этого, за- планировано также создание систем раннего предупреждения о цунами в Индийском океане и Карибском бассейне. В Украине проблема черномор- ских цунами рассматривается в контексте морских природных катастроф в Азово-Черноморском регионе, включая такие опасные природные явления, как сгонно-нагонные колебания уровня моря, штормовые волны, волны- убийцы, сейши, тягун в портах и др. [2]. Они могут увеличивать реальные высоты цунами, а в результате усиливать негативное воздействие волн на население, инфраструктуру и экологию побережья. Исследовательские программы для расчета цунами в бассейнах с реаль- ной батиметрией давно получили широкое распространение. Разработка компьютерной системы прогноза цунами – более сложная задача. Такая система предполагает возможность быстрого приспособления к новым рай- онам Мирового океана, гибкость по отношению к изменениям разрешения модели, телескопирование, простую процедуру изменения положения и па- 288 раметров очага цунами, визуализацию волновых полей, расчет мареограмм, нахождение экстремальных характеристик волн и другой информации. Дав- но и успешно работы по разработке компьютерных систем для прогноза волн цунами проводятся в лаборатории цунами Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (Сибирское отделение Российской академии наук, Новосибирск, Россия) [3], в дальневосточных организациях (Южно-Сахалинск, Владивосток) [4], в Центре исследования цунами Национального управления океанических и атмосферных исследо- ваний (Сиэтл, США) [5] и др., предназначенных, в основном, для расчета распространения цунами в бассейне Тихого океана. В работах [6, 7] описаны версии компьютерной системы прогноза цу- нами в Черном море. Они могут быть использованы для исследовательских или прикладных работ, оперативных прогнозов, в частности, в качестве элемента системы раннего предупреждения о черноморских цунами. Ниже дан обзор исследований о цунами в Черном, Азовском и Каспий- ском морях, относящихся к морям средиземноморского пояса. Описана ма- тематическая модель прогноза поверхностных длинных волн с учетом донно- го трения, наиболее широко применяемая для описания распространения цу- нами в ограниченных бассейнах переменной глубины. Изложены некоторые результаты исследования явления цунами в этих морских бассейнах и дана характеристика возможностей использования математической модели для раннего предупреждения цунами. Наконец, приведены примеры сценариев развития цунами в морях и оценки возможных высот волн вдоль побережья. Основные блоки математической модели прогноза цунами. Компь- ютерная система прогноза цунами в Черном море включает следующие ос- новные блоки [7]: – ввод данных; – расчет параметров начального возмущения моря и эволюции волны цунами в Черном море; – выходные данные по результатам вычислительного эксперимента. Входными данными компьютерной системы являются сетка глубин и топографии местности, параметры эллиптической зоны генерации цунами (длины осей эллипса, смещение дна в центре очага, ориентация большой оси эллипса по отношению к параллелям), задаваемые пользователем, шаг интегрирования по времени, пункты регистрации расчетных мареограмм. Выходные данные включают поле уровня моря, его экстремальные подъемы и понижения в заданные моменты времени и мареограммы для выбранных точек бассейна. В систему вводится топография Черноморской впадины на квадратной сетке, имеющей 2 397 × 1 779 узлов с пространственным шагом 500 м. На границе бассейна глубина принята равной 5 м. Для задания параметров очага цунами использованы эмпирические формулы для осей эллипса, найденные по данным для евроазиатского ре- гиона [8], и максимальные смещения дна в центре очага для тихоокеанского [9]. Формулы имеют вид: 289 );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; М – магнитуда землетрясения. 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 >=≤      = rr r a 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 компьютерной системе реализован конечно-разностный алгоритм расчета полей на основе системы нелинейных уравнений динамики поверх- ностных длинных волн в полных потоках с учетом квадратичного по скоро- сти донного трения [10]: 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: Vn = 0. (6) Начальные условия задаются в виде U = V = 0, ζ = ζ0(x, y) (t = 0). (7) 290 В начально-краевой задаче (3) – (7) переменные x, y − зональная и ме- ридиональная координаты; t − время; U(x, y, t) и V(x, y, t) − проекции векто- ра полного горизонтального 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 − полная (динамическая) глубина жидкости; H(x, y) – глубина бассейна в невозмущенном состоянии; ),( yxgHC = – ло- кальная скорость распространения длинных волн; g − ускорение свободного падения; k = 0,013 − параметр Маннинга. Решение задачи (3) – (7) находилось методом конечных разностей по явно-неявной по x, y и одношаговой по времени t схеме на разнесенных для проекций полного потока и смещений поверхности моря сетках (сетка Ара- кавы С) с шагами, соответствующими сетке глубин бассейна [7]. Шаг по времени – 1 с. Аналогичная схема расчета волн цунами из распределенных зон генера- ции была применена для описания распространения длинных поверхностных волн без дисперсии в Азовском и Каспийском морях и оценки экстремаль- ных подъемов и понижений уровня моря вдоль побережья. Цунами в Черном море. Все известные черноморские цунами можно разделить на две группы. Первая включает события, которые в силу истори- ческой давности, удаленности зон проявления от гидрометеопостов или иных причин не были зарегистрированы инструментально, но описаны оче- видцами, отмечены как разрушительные для населения прибрежных рай- онов в летописях и легендах. Во вторую группу входят события, при кото- рых аномальные колебания уровня зафиксированы мареографами. Пункты и даты проявления черноморских цунами, отнесенных к первой группе событий, показаны на рис. 1. Рис . 1. Пункты (■) и годы наблюдения цунами вдоль побережья Черного моря без инструментальной регистрации колебаний уровня. Карта включает 21 цунами за последние две тысячи лет [11 – 15]. События характеризуются различной степенью достоверности, а именно, от возможных 48° 44° 40° Ш и р о та , с ев ер н ая 26° 34° 42° Долгота, восточная Черное море 291 событий, относящихся в первую очередь к древним временам, до исторических событий, не вызывающих сомнения. Вопрос достоверности информации о черноморских цунами первой группы с использованием специальной шкалы надежности исторических данных обсуждался ранее в статье [12]. Цунами наблюдались вдоль всего побережья Черного моря. Их подав- ляющая часть вызвана землетрясениями в море, некоторые генерировались землетрясениями на суше. Исторические свидетельства позволяют говорить, что цунами в районах Сухуми (20 г.), Севастополя (103 г.), Варны (543 г.), Босфора (557 г.), Евпатории (1341 г.), Фороса (1427 г.), у восточного побе- режья Черного моря (1909 г.) и на севере Турции (1598 г.) были, весьма ве- роятно, катастрофическими с высотами волн до 2 – 3 м. Наибольший интерес для оценки параметров черноморских цунами у по- бережья представляет вторая группа событий, к которой отнесены волны, заре- гистрированные инструментально. Известно четыре таких события. Явление сопутствовало подводным землетрясениям 26.06.1927 г. и 11 – 12.09.1927 г. к юго-западу и к югу от Южного берега Крыма с магнитудами М = 5,5 и 6,5 со- ответственно, разрушительному Эрзинджанскому землетрясению 26.12.1939 г. (М = 7,9 – 8,0) с эпицентром на суше в 150 км от северо-восточного побере- жья Турции и подводному землетрясению 12.06.1966 г. (М = 5,8) на восточ- ном берегу моря в районе Анапы. Эпицентры этих землетрясений указаны на рис. 2. В работе [16] обобщены и уточнены мареографические данные для этих цунами. Каждое событие зарегистрировано несколькими мареографами вдоль крымского и кавказского участков побережья Черного моря. Пункты регистрации цунами на побережье Черного моря и в Азовском море указаны на рис. 2. Рис . 2. Эпицентры цунамигенных землетрясений (οοοο) и пункты регист- рации (■) цунами: 1 – Одесса; 2 – Евпатория; 3 – Севастополь; 4 – Ялта; 5 – Феодосия; 6 – Керчь; 7 – Опасное; 8 – Мариуполь; 9 – Новороссийск; 10 – Геленджик; 11 – Туапсе; 12 – Поти; 13 – Батуми. Явление цунами наблюдалось вдоль всего побережья Черного моря. Волны возбуждались как подводными землетрясениями, так и землетрясе- Ш и р о та , с ев ер н ая 48° 45° 42° 40° 25° 31° 37° 43° Долгота, восточная Черное море 292 ниями на суше. Колебания уровня носили нерегулярный характер, пред- ставляли собой наложение волн с различными характерными частотами. В ряде случаев они были модулированы по амплитуде. Весьма вероятно пред- положить многократное отражение волн цунами от берегов Черного моря. Отмечено прохождение цунами 11 – 12 сентября 1927 г., 28 декабря 1939 г. и 12 июля 1966 г. из Черного в Азовское море через Керченский пролив: отголоски этих цунами зарегистрированы в пунктах Опасное или Мариу- поль Азовского моря [17]. Крымский полуостров частично экранирует вол- ны зонального направления. Так, в Одессе отмечены только слабые отголо- ски одного из зарегистрированных цунами [17]. Приход цунами сопровож- дался возбуждением и усилением сейш в бухтах Черного моря. Оцифровка мареографических данных и компьютерный анализ полу- ченных временных рядов позволил уточнить и найти ряд характеристик ре- альных цунами в Черном море [16]. Рассчитаны высоты первых из пришед- ших волн цунами, максимальные высоты и характерные периоды волн, зна- ки вступления первой волны, время распространения волн из зон генерации до береговых пунктов регистрации и др. Для определения периодов волн использованы расчеты частотных спектров [18]. Распределение высот черноморских цунами вдоль побережья моря очень неравномерно. Высота первой волны в пунктах наблюдения изменя- лась в диапазоне от 0,015 до 0,52 м, а высота волн цунами в целом – от 0,03 до 0,52 м. Для большинства пунктов побережья видна заметная тенденция к увеличению высот волн с ростом магнитуды землетрясения. Как правило, цунами характеризуются первоначальным подъемом уровня моря, а первая волна не являлась наибольшей по высоте. Максимальные высоты цунами не превысили 0,52 м, однако в некоторых пунктах побережья смещения уровня моря составили по визуальным оценкам 1 – 2 м [12]. Максимальные перепа- ды уровня моря в пакетах волн цунами для рассматриваемых мареограмм соответствовали как понижениям, так и повышениям уровня моря. Время распространения цунами до ближайших к зоне сейсмической ге- нерации пунктов регистрации составило 9 мин, а до ближайших участков побережья волна распространялась за 5 мин и менее. Время распростране- ния волн до удаленных точек берега значительно больше: волны цунами 1927 г. распространялись из зоны генерации до Одессы приблизительно 3 ч, до Мариуполя более 4,5 ч. Только численное моделирование позволяет описать процесс распро- странения волн в морском бассейне в целом или в его частях. Остановимся на организации вычислений для участка моря, примыкающего к Южному берегу Крыма и восточному побережью моря [19]. Расчеты волн цунами выполнены для 24 эллиптических очагов (рис. 3) с центрами на изобатах 200, 1 000 и 1 800 м материкового склона. Такой выбор положений очагов мотивирован одинаковыми перепадами глубин в направлении берега, что создает почти равные исходные условия (для каждого из трех рядов очагов) с точки зрения усиления волн цунами при распространении к берегу. Большие оси очагов ориентированы вдоль изобат. Для расчета параметров начального сейсмического возмущения моря использованы формулы (1) и (2). Очаги покрывают Южнобережную (Крым- ско-Кавказскую) зону повышенной сейсмической активности, которая соз- 293 дает наибольшую потенциальную цунамиопасность для Крымского полу- острова и северо-восточного побережья Черного моря. Южнобережная сейсмоактивная зона Черноморской впадины характеризуется наибольшим выделением энергии в верхнем 15-километровом слое литосферы и значи- тельным вкладом землетрясений с магнитудами М ≥ 5 [20]. Очаг 1 близок к зоне сейсмической генерации цунами 26 июня 1927 г. Рис . 3. Расчетная область АБВГДА численной модели эволюции цунами с указанием 27 береговых пунктов для анализа расчетных мареограмм и 24 эллиптических зон сейсмической генерации волн (М = 7). Обобщенные оценки интенсивности цунами, вызванных землетрясе- ниями в Крымско-Кавказской сейсмической зоне, приведены на рис. 4 для диапазона магнитуд 6 – 7, характерного для Черноморской впадины. Это максимально возможные (для всей системы эллиптических зон ге- нерации, показанных на рис. 3) высоты ζ1 первых гребней волн цунами в К о о р д и н а та у , к м Координата х, км 0 0.5 1 1.5 ζ1, ì1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Ï óí ê ò M = 6 M = 6,25 M = 6,5 M = 6,75 M = 7 П у н к ты п о б ер еж ь я 0 0,5 1,0 1,5 ζ1, м Рис . 4. Максимально возмож- ные (для всей системы эллипти- ческих зон генерации) высоты ζ1 первых гребней волн цунами в пунктах побережья 1 – 27 при землетрясениях различной маг- нитуды в диапазоне 6 – 7. 294 пунктах побережья 1 – 27. Распределения высот гребней волн вдоль берега крайне нерегулярны. Участки побережья с высоким уровнем цунамиопасности перемежаются с зонами, где высоты волн цунами относительно невелики. Важное свойство черноморских цунами, установленное численно, сле- дующее: максимальные подъемы уровня моря в данном пункте побережья генерируются ближайшим к пункту сейсмическим очагом. Сейсмические источники, расположенные на различных изобатах материкового склона Черноморской впадины, возбуждают волны с близкими амплитудными ха- рактеристиками, несмотря на существенное отличие глубин моря для раз- личных очагов цунами. Это свойство эволюции волн можно объяснить кон- куренцией двух факторов: – во-первых, ослаблением двумерных волн за счет их пространственной расходимости; – во-вторых, усилением волн за счет увеличения перепада глубин меж- ду очагом генерации цунами и шельфовой зоной. Цунами в Азовском море. О цунами сейсмогенной природы в Азов- ском море практически ничего не известно [12]. В значительной степени от- сутствие информации о цунами связано с практической асейсмичностью этого региона. Эпицентры исторических относительно слабых подводных землетря- сений сосредоточены в южной и юго-западной частях Азовского моря [20]. Наиболее сильные землетрясения зафиксированы в 1978 и 1990 гг. в се- верной и южной частях моря. Глубины очагов для них составили около 33 км, а магнитуды не превысили 4,5. Описанная выше численная модель распространения цунами в ограни- ченных бассейнах переменной глубины применена для анализа цунамио- пасности побережья при различных положениях очага цунами в акватории Азовского моря. Численный анализ эволюции волн выполнен для 18 круго- вых очагов генерации A, B, … R (см. рис. 5), которые достаточно равномер- но распределены по акватории Азовского моря [21]. Характеристики волн анализировались по расчетным мареограммам в точках бассейна 1 – 15. 100 200 300 x0 50 100 150 200 250 y , км , км A B C D E F G H I J K L M N O P Q R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1315 14 Бердянск Мариуполь Таганрог Керчь Невское Игоревка Ачуево Приморско- Ейск Ахтарск 10 м 5 м 0 Рис . 5. Азовское море. Круговые очаги генерации цунами радиуса 12,56 км для магнитуды М = 6,5, использованные в вычислительных эксперимен- тах, отмечены буквами А, B, … R. Цифрами 1 – 15 обозначены точки бас- сейна, в которых рассчитывались колебания уровня моря. Координата х, км 0 100 200 300 400 250 200 150 100 50 0 К о о р д и н а та у , к м 295 Эволюцию цунами из очага Н, расположенного у входа в Керченский пролив, иллюстрирует рис. 6. На начальной стадии формируется близкая к кольцевой знакопеременная волна (рис. 6, а). Она обладает слабой направ- ленностью распространения (серповидная волна понижения уровня, сле- дующая за головной волной повышения) в сторону больших глубин в цен- тральной части моря. В последующем близкая к кольцевой головная волна цу- нами распространяется в сторону северного побережья (рис. 6, б). В результате отражений от берегов формируется волновое поле типа волновой толчеи, охва- тывающее всю акваторию Азовского моря (рис. 6, в). Некоторое локальное усиление волнового поля происходит вблизи участков нерегулярностей берего- вой черты (песчаных кос вдоль северного побережья) и банки Еленина. Усиле- ния волн в Таганрогском заливе для рассмотренного временного интервала не происходит. Аналогичный вывод следует и из расчетов эволюции начального поднятия уровня в зоне Керченского пролива, представленных в работе [22]. 0 50 100 150 200 250 y, км м -0.2 0 0.2 0.4 0 50 100 150 200 250 y, км м -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 100 200 300x 50 100 150 200 250 y, км , км м -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0 Рис . 6. Распространение волны цунами из очага H (М = 7): а – t = 1 ч; б – t = 3 ч; в – t = 5 ч. 250 200 150 100 50 0 250 200 150 100 50 0 а б в Координата х, км 0 100 200 300 400 250 200 150 100 50 0 К о о р д и н а та y ,к м К о о р д и н а та y ,к м К о о р д и н а та y ,к м 0,4 0,2 0 -0,2 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6 296 По полученным оценкам вызванные землетрясениями максимальные подъемы и минимальные понижения уровня моря в различных точках побе- режья Азовского моря не превышают по абсолютной величине значения 0,3\|a0\| (при магнитуде землетрясения 7). Наибольшие подъемы уровня соот- ветствуют волнам цунами, излученным из ближайшего к пункту побережья очага генерации волн. В целом можно утверждать, что уровень цунами- опасности побережья Азовского моря невысок, а вероятность сейсмической генерации сильных цунами в этом бассейне невелика. Цунами в Каспийском море. Освоение природных ресурсов Каспия требует изучения физико-статистических характеристик и разработки эф- фективных методов прогноза цунами как одного из опасных природных яв- лений региона. Каспийские цунами изучены недостаточно в силу низкой повторяемости событий, практического отсутствия измерений сопутствую- щих явлению колебаний уровня моря и малого объема даже описательной информации о цунами в регионе. В настоящее время можно говорить о 14 исторических цунами или слу- чаях аномальных колебаний уровня [23 – 28], годы и районы наблюдения ко- торых показаны на рис. 7. Только для события 1962 г. имеется невыразитель- ная мареограмма колебаний уровня моря у иранского побережья Каспия [28]. Рис . 7. Районы (■) и годы наблюдения цунами или аномальных низкочастотных колебаний уровня в бассейне Каспийского моря. Знаком € отмечено положение сильного землетрясения, которое могло вызвать цунами. 48° 46° 44° 42° 40° 38° 36° Ш и р о т а , с е в е р н а я 46° 48° 50° 52° 54° 56° Долгота, восточная 297 По визуальным наблюдениям высоты исторических цунами не превы- сили 1 – 2 м. По оценкам работы [24], высоты каспийских цунами могут достигать 0,5 – 2,6 м. Аномальные колебания уровня моря в 743, 918, 957, 1895, 1902, 1960, 1962, 1986, 1989 и 1962 гг. наблюдались после землетря- сений в море или на суше. События 1868, 1876, 1933 и 1939 гг. могли быть вызваны неизвестными местными землетрясениями, подводными оползня- ми, извержениями грязевых вулканов или иными источниками. Заметим здесь, однако, что по оценкам работы [24] грязевые вулканы не могут яв- ляться эффективными энергетическими источниками волн цунами. При недостаточном для анализа каспийских цунами объеме данных на- турных наблюдений особую значимость приобретает математическое моде- лирование явления и численное исследование возможных сценариев развития событий в регионе. Численная модель распространения цунами была приме- нена для описания закономерностей эволюции волн из наиболее вероятных зон сейсмической генерации и оценивания высот волн у побережья Каспия в зависимости от параметров и положения сейсмического источника. Амплитудные характеристики каспийских цунами анализировались в работах [29 – 32]. По полученным оценкам сильные землетрясения создают реальную угрозу возбуждения цунами с катастрофическими последствиями для отдельных участков побережья моря. Как следует из работ [29 – 33], можно прогнозировать сейсмическую генерацию цунами в Каспийском мо- ре в среднем один раз в 17 – 18 лет, а цунами большой интенсивности – не чаще одного раза в 60 лет. Определяющее влияние на характер распространения цунами в Каспий- ском море оказывают особенности Каспийской котловины: впадины в Среднем и Южном Каспии, разделяющий их Апшеронский порог и обшир- ные мелководные области бассейна, включая всю зону к северу от Ман- гышлакского порога. На глубины H ≤ 100 м приходится около 62 % всей площади моря [34]. Показано, что для всех зон генерации наблюдается эффект сильного за- хвата цунами шельфом, что приводит к существенному ослаблению излуче- ния волновой энергии в открытую часть бассейна. При отражении головной волны от ближайшего берега формируются две группы волн, распростра- няющихся вдоль берега в противоположных направлениях от зоны наката. Наибольшему усилению подвержена вдольбереговая волна, которая на- правлена в область меньших глубин. Относительно мелководный Апшеронский порог оказывает существен- ное влияние на динамику волн цунами. Во-первых, он выступает в роли барь- ера для волн цунами, распространяющихся в меридиональном направлении, и по этой причине цунами, возбужденные в Среднем Каспии, не являются опасными для Южного Каспия и наоборот. Во-вторых, порог является вол- новодом для цунами, что приводит к повышенному уровню цунамиопас- ности на примыкающих к Апшеронскому порогу участках побережья. Вол- новодные свойства порога демонстрирует рис. 8. Численный анализ колебаний уровня, сопутствующих цунами, показал, что в большинстве случаев подъемы и понижения уровня моря на ближай- ших к зонам генерации участках шельфа не превышают по модулю высоты начального смещения поверхности моря. Относительно слабое усиление 298 волн при распространении к берегу может быть объяснено относительно малым перепадом глубин на разрезе от зоны генерации до ближайшего к очагу участка побережья Каспия. При магнитуде М = 7,5 время распространения головной волны цунами из зон генерации (районов наблюдения исторических цунами, рис. 7) до ближайшего берега составляет 15 – 45 мин, а периоды колебаний уровня лежат в диапазоне 30 – 90 мин. Наименьшие периоды колебаний отмечены на южном участке каспийского шельфа. Рис . 8. Волноводное распространение цунами из зоны ге- нерации (+) вдоль Апшеронского порога. Магнитуда под- водного землетрясения М = 7,5. Изолинии уровня приведе- ны для момента времени t = 40 мин. Для заданных положения и ориентации продольной оси зоны генерации цунами происходит монотонное увеличение высот головных волн с ростом магнитуды землетрясения. При значениях магнитуды М = 7; 7,5 и 8 высоты волн на ближайших к зоне генерации участках побережья достигают соот- ветственно значений 0,63; 2,73 и 7,36 м. С большой степенью уверенности можно говорить о реальной цунамиопасности для прибрежных районов подводных землетрясениях с магнитудами более 7,5. Заключение. Таким образом, в условиях дефицита данных наблюдений о цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях, вычислительный экспе- римент становится единственным источником получения новой количест- венной информации об этом опасном природном явлении в этих бассейнах. Более того, численному прогнозированию отводится центральная роль в опе- ративном описании сценариев эволюции цунами в морских бассейнах и в оп- ределении наиболее уязвимых в условиях чрезвычайной ситуации участков морских побережий, если известны параметры сейсмических источников. По этой причине численное моделирование – неотъемлемый элемент любой региональной системы раннего предупреждения о цунами, использующей существующие в регионе распределенные сети гидрометеорологических и сейсмологических наблюдений. Координата х, км 0 300 600 600 300 0 К о о р д и н а та у , к м 299 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. Природные катастрофы Азово-Черноморского ре- гиона. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2010. – 175 c. 3. Сайт «Tsunami Laboratory». [Электронный ресурс]. http://tsun.sscc.ru/tsun_hp.htm (Последнее обращение 23.10.2012). 4. Поплавский А.А., Храмушин В.Н., Непоп К.И., Королев Ю.П. Оперативный про- гноз наводнений на морских берегах Дальнего Востока России. – Южно- Сахалинск: ДВО РАН, 1997. – 272 с. [Электронный ресурс]. http://sakhgu.ru/ expert /Pub/Popl/Book/Index.html (Последнее обращение 23.10.2012). 5. Сайт «NOAA Center for Tsunami Research» [Электронный ресурс]. http://nctr. pmel.noaa.gov/model.html (Последнее обращение 23.10.2012). 6. Куркин А.А., Зайцев А.И., Ялчинер А. и др. Модифицированный вычислитель- ный комплекс «ЦУНАМИ» для оценки рисков, связанных с цунами // Известия Академии инженерных наук РФ. Прикладная математика и механика. – 2004. – Том 9. – С. 88-100. 7. Доценко С.Ф., Ингеров А.В. Компьютерная система прогноза цунами и ее при- менение для цунамирайонирования побережья // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2011. – Вып. 24. – С. 225-234. 8. 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. – М.: ИФЗ РАН. – 1993. – Вып. 1. – С. 99-108. 9. Пелиновский Е.Н. Нелинейная динамика волн цунами. – Горький: ИПФ АН СССР, 1982. – 226 с. 10. 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. – Vol. 302. – P. 259-285. 11. Ranguelov B. Tsunami vulnerability modelling for the Bulgarian Black Sea // Wat. Sci. Tech. – 1995. – Vol. 32, № 7. – P. 47-53. 12. Никонов А.А. Цунами на берегах Черного и Азовского морей // Известия РАН: Физика Земли. – 1997. – № 1. – С. 86-96. 13. Altinok Y. Tsunamis along the coasts of the Black Sea // Book of Abstracts, 2nd Bal- kan Geophys. Congr. and Exhibition., Istanbul, 5 – 9 July, 1999. – P. 46-47. 14. Доценко С.Ф. Оценка уровня цунамиопасности Черного моря // Вестник Москов- ского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. – 1998. – № 4. – С. 19-23. 15. Yalçiner A., Pelinovsky E., Talipova T., Kurkin A., Kozelkov A., Zaitsev A. Tsunami in the Black Sea: comparison of the historical, instrumental and numerical data // J. Geophys. Res. – 2004. – vol. 109, C12023, doi: 10.1029/2003JC002113. – 13 pp. 16. Доценко С.Ф., Ингеров А.В. Характеристики черноморских цунами по данным измерений // Морской гидрофизический журнал. – 2007. – № 1. – С. 21-31. 17. Григораш З.К. Обзор удаленных мареограмм некоторых цунами в Черном море // Тр. СахКНИИ ДВО АН СССР. – Ю.-Сахалинск: СахКНИИ, 1972. – Вып. 29. – С. 271-278. 18. Доценко С.Ф., Ингеров А.В. Спектры черноморских цунами // Морской гидро- физический журнал. – 2007. – № 5. – С. 21-30. 19. 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. 20. Пустовитенко Б.Г., Кульчицкий В.Е. Сейсмичность Черноморской впадины // Геофизический журнал. – 1991. – № 3. – С. 14-19. 300 21. Доценко С.Ф., Ингеров А.В. Численный анализ распространения и усиления волн цунами сейсмической генерации в Азовском море // Морской гидрофизи- ческий журнал. – 2011. – № 5. – С. 3-13. 22. Букатов А.Е., Завьялов Д.Д. Эволюция начального смещения свободной поверх- ности в Азовском море // Морской гидрофизический журнал. – 2008. – № 1. – С. 3-11. 23. Никонов А.А. Бывают ли цунами в Каспийском море? // Природа. – 1996. – № 1. – С. 72-73. 24. Пелиновский Е.Н. Предварительные оценки цунамиопасности Каспийского мо- ря // Н. Новгород, 1999. – 24 с. (Препринт № 480 / РАН. ИПФ). 25. Доценко С.Ф., Кузин И.П., Левин Б.В., Соловьева О.Н. Цунами в Каспийском море: сейсмические источники и особенности распространения // Океанология. – 2000. – Том 40, № 4. – С. 509-518. 26. Доценко С.Ф., Кузин И.П., Левин Б.В., Соловьева О.Н. Общая характеристика цунами в Каспийском море // Морской гидрофизический журнал. – 2000. – № 3. – С. 20-31. 27. Смирнова М.Н., Бражник В.А., Керимов И.А. Использование буровых и геофизиче- ских материалов при решении задач сейсмического районирования // ГНТП России «Глобальные изменения природной среды и климата». Сейсмичность и сейсмиче- ское районирование Северной Евразии. – 1993. – Вып. 1. – С. 139-142. 28. Ambraseys N.N. The Buyin-Zara (Iran) earthquake of September 1962: A field report // Bull. Seism. Soc. America. – 1963. – Vol. 53, № 4. – P. 705-740. 29. Доценко С.Ф., Кузин И.П., Левин Б.В., Соловьева О.Н. Цунами в Каспийском море: численное моделирование распространения из зон сейсмической генера- ции // Океанология. – 2001. – Том 41, № 3. – С. 364-369. 30. Доценко С.Ф., Кузин И.П., Левин Б.В., Соловьева О.Н. Прогностические оценки высот волн цунами в Каспийском море // Морской гидрофизический журнал. – 2001. – № 6. – С. 3-13. 31. Доценко С.Ф., Кузин И.П., Левин Б.В., Соловьева О.Н. Возможные проявления цунами от сейсмических источников в Каспийском море // Физика Земли. – 2003. – Том 39, № 4. – С. 49-55. 32. Доценко С.Ф., Кузин И.П., Левин Б.В., Соловьева О.Н. Расчет интенсивности цунами в Каспийском море с учетом протяженности очагов подводных земле- трясений // Физика Земли. – 2004. – Том 40, № 7. – С. 57-64. 33. Уломов В.И., Полякова Т.П., Медведева Н.С. Динамика сейсмичности бассейна Каспийского моря // Физика Земли. – 1999. – Том 35, № 12. – С. 76-82. 34. Каспийское море. Гидрология и гидрохимия. – М.: Наука, 1986. – 262 с. Материал поступил в редакцию 25 .10 .2012 г . АНОТАЦ IЯ Дано огляд досліджень про цунамі в Чорному, Азовському і Каспій- ському морях. Описано математичну модель прогнозу поверхневих довгих хвиль, яка найбільш широко застосовується для опису розповсюдження цунамі в обмеже- них басейнах змінної глибини. Дана характеристика можливостей використання моделі для раннього попередження цунамі. Наведено приклади сценаріїв розвитку цунамі в морях і розподілу максимальних висот хвиль вздовж узбережжя. ABSTRACT A review of research on the tsunami in The Black Sea, The Sea of Azov and The Caspian Sea. The mathematical model for prediction of surface long waves, the most widely used to describe the propagation of tsunamis in closed basins of variable depth. The characteristic features of the model for early warning tsunami are given. The examples of scenarios development in the seas and tsunami distribution of maximum tsu- nami wave heights along the coast are presented.

Численное моделирование цунами в Черном, Азовском и Каспийском морях как необходимый элемент региональных систем раннего предупреждения о цунами

Репозитарії

Схожі ресурси