Южно-Сахалинск
1997
УДК 551.446.33/62:681.3
Поплавский А.А., Храмушин В.Н., Непоп К.И., Королев Ю.П. Оперативный прогноз наводнений на морских берегах Дальнего Востока России: Владивосток, Южно-Сахалинск: ДВО РАН, 1997. 272 с.
Книга состоит из двух частей с приложениями.
В части 1 исследуются условия, возможности и способы достижения необходимой для эвакуации населения заблаговременности предупреждения о цунами, когда источник волн и предупреждаемые объекты находятся близко друг к другу, в реальной географической обстановке дальневосточных побережий России. Показывается, что обеспечение безопасности населения требует не только определенных изменений конфигурации наблюдательных подсистем Системы оперативного предупреждения о цунами, но и учета ее реальных возможностей давать заблаговременные предупреждения о цунами в конкретные населенные пункты. Предлагаются методики прогнозной оценки опасности цунами по минимальным данным о землетрясении и их уточнения по данным наблюдений минимального числа гидрофизических станций.
В части 2 рассматриваются вопросы использования вычислительного моделирования длинноволновой динамики океана с целью выполнения прогнозов и предупреждения об опасных морских явлениях, при этом основное внимание уделяется использованию реализованных вычислительных моделей в процессе проведения тревоги цунами. Приводятся материалы и документы о функционировании Сахалинской службы предупреждения о цунами. В приложениях подробно описываются комплексы программ для персонального компьютера типа IBM PC, предназначенные для проведения вычислительных экспериментов и моделирования цунами, приливов и приливных течений, а также взаимодействия океана и атмосферы с целью выполнения прогнозов штормовых нагонов и тягунов в портах. Программное обеспечение предлагаются к свободному использованию всеми заинтересованными службами и организациями.
Книга представляет интерес для научных работников, специализирующихся в области океанологических исследований, для лиц и организаций, занимающихся оперативным прогнозом опасных морских явлений, таких как цунами и штормовые нагоны и ликвидацией их последствий в составе соответствующих служб (центральные и территориальные подразделения Гидрометеослужбы и МинЧС Российской Федерации).
Книга издается при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 97.05.66037 «Математическое и вычислительное моделирование приливного режима и режима течений в Охотском море».
Ответственный редактор: А.И. Иващенко.
Рецензенты: Кайстренко В.М., Грабовский А.И. Утверждено к печати Ученым советом Института морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения РАН.
ISBN 5-7442-1022-9
© ИМГиГ, СКБ САМИ, 1997 г.Часть 1 Анализ сейсмической и гидрофизической подсистем оперативного предупреждения о цунами с позиции заблаговременности
Глава 1. Критерии качества функционирования и эффективность системы предупреждения о цунами.
1.1. Заблаговременность предупреждения о цунами. Условия заблаговременности
1.2. Критерии качества работы и источники ошибок СПЦ
1.3. Эффективность работы СПЦ, как ее “коэффициент полезного действия”
1.4. Риск при цунами и социальная эффективность СПЦ
1.5. Экономическая эффективность СПЦ
1.6. Выводы
Глава 2. Некоторые свойства полей времен пробега цунами и их разностей
2.1. Оптимальная установка гидрофизической станции в бассейне с горизонтальным плоским дном
2.2. Поля времени добегания и разности времен добегания цунами до пары точек в бассейне с плоским наклонным дном
2.3. Некоторые практические приемы анализа времен добегания и их разностей в реальных бассейнах с точки зрения достаточной заблаговременности доставки тревожного сообщения в населенные пункты
Глава 3. Заблаговременность предупреждения о цунами в ближней зоне Российской СПЦ
3.1. Юго-западный беринговоморский сейсмический регион
3.2. Камчатский сейсмический регион
3.3. Курильский сейсмический регион
3.4. Япономорский сейсмический регион
3.5. Выводы
Глава 4. Цунами как макросейсмический эффект подводного землетрясения
4.1. Вероятность возбуждения цунами землетрясением произвольной магнитуды как вероятность возникновения в его эпицентре 9-бальных сотрясений
4.2. Определение вида зависимости начальной высоты цунами от магнитуды и глубины очага землетрясения
4.3. Геометрия макросейсмического источника и начальная энергия цунами
4.4. Выводы
Глава 5. Способ оперативного прогноза цунами по данным удаленных уровенных станций
5.1. Общие соображения
5.2. Вывод соотношений взаимности для нестационарных длинных волн
5.3. Оценка цунами для осесимметричного источника
5.4. Оценка цунами для неоднородного источника
5.5. Способ оценки цунами по данным удаленных уровенных станций
Заключение к первой части
Глава 1. Вычислительные эксперименты. Задачи и проблемы
1.1. Вычислительные модели и методы моделирования в океанологии
1.2. Интерпретация океанологических данных и результатов вычислений
1.3. Выполненные научные разработки и нерешенные проблемы
1.4. О методах обеспечения качества численного моделирования длинноволновых процессов
Глава 2. Математические и вычислительные модели
2.1. Кинематическая модель волновых фронтов и лучей
2.2. Уравнения длинных волн в полных потоках
2.3. Условия и критерии моделирования
2.4. Эмуляция плоского наката
3.1. Действующий регламент проведения тревоги цунами
3.2. Предложения об использовании вычислительных экспериментов при проведении тревоги цунами
3.3. Регламент вычислений для уточненного прогноза цунами
3.4. Пример оценки заблаговременности предупреждения гидрофизической подсистемы цунами для острова Сахалин
3.5. Пример оперативного моделирования цунами 5 октября 1994 г
3.6. Опыт вычислительного моделирования приливного режима в Охотском море
3.7. Поверочное моделировании штормового нагона 7-8 ноября 1995 года
3.8. Экспериментально-вычислительная оценка длинноволновых процессов на Сахалинском шельфе
3.9. Предложения по техническому оснащению Сахалинской службы предупреждения об опасных морских явлениях
Глава 4. Анализ эффективности сахалинской Службы предупреждения о цунами за период ее существования
4.1. О принципах оценки качества работы Службы предупреждения о цунами
4.2. Показатели работы гидрофизической подсистемы и в целом Службы за 1958-1994 годы
4.3. О прямых оценках экономической эффективности (ущерба) от функционирования гидрофизической подсистемы и Службы в целом
4.4. Выводы
Глава 5.Анализ действий Центра Цунами и отдельных звеньев Службы при тревогах цунами за период 1986-1995 годы
5.1. О функциях Центра цунами
5.2. Показатели работы Центра и в целом Службы за 1986-1995 годы
5.3. О причинах ухудшения работы Службы и основных ее подсистем в последнее десятилетие
5.4. Анализ ошибок и сбоев различных звеньев Службы при тревогах цунами за период 1986-1995 гг
5.5. Основные недостатки действующей службы предупреждения о цунами, их причины и следствия
5.6. Предложения по улучшению службы цунами
5.7. Подсистема связи и оповещения
6.1. Расстановка мариографных постов наблюдения
6.2. Редактирование батиметрических карт
6.3. Кинематические расчеты волновых фронтов и лучей
6.4. Моделирование распространения волны цунами
6.5. Моделирование приливного режима
6.6. Прохождение атмосферного циклона и прогноз штормовых нагонов
Приложение А. ANI - программный модуль вычислительного моделирования гидродинамики океана
1. Особенности и дополнительные функции графической среды
2. Расстановка постов наблюдения и картографические измерения
3. Сохранение обновленных данных
4. Редактирование и интерполяция батиметрических карт
5. Процедура расчетов и построения кинематических полей
6. Проведение полного вычислительного моделирования
7. Доступ к исторической информации о землетрясениях и цунами
Приложение Б. MARIO - утилита ведения временных рядов в океанологии
1.Система команд
2. Параметры числового ряда: < E > edit
3. Настройка изображения: < S > Screen
4. Редактирование ряда: < Enter >
5. Три комплекса математических преобразований: < F >
6. Ввод / Вывод инородных данных: < I > input; < O > output
7. Форматы данных: < R > Read; < W > Write
8. Структура базы данных для приливных гармоник
Приложение В. Справочные материалы о тревогах проведенных Сахалинским Центром Цунами в 1986-1995 годах
1. Список землетрясений с магнитудой 7.0 и более по Курило-Камчатской впадине, Японскому и Охотскому морям за период 1986-1995 гг, информация о которых поступала в Центр цунами из различных источников
2. Хронометраж действий дежурных смен центра цунами при некоторых тревогах цунами за период 1986-1995 г.
3. Анализ отдельных тревог цунами
Список литературы
Памяти
Сергея Леонидовича Соловьева
посвящается
Предлагаемая вниманию специалистов по цунами книга состоит из двух частей: часть 1 - “Анализ сейсмической и гидрофизической подсистем оперативного предупреждения о цунами с позиций заблаговременности”; и часть 2 - “Вычислительное моделирование длинноволновой динамики океана в оперативном режиме и при выполнении экспертных работ”.
В первой части делается попытка систематического исследования наиболее неблагоприятной ситуации, в которой может оказаться население и хозяйство подверженных цунами побережий, когда очаг сильного землетрясения - потенциальный источник цунами - располагается в непосредственной близости к каким-либо пунктам и хозяйственным объектам, и Система оперативного предупреждения о цунами (всюду далее - СПЦ) не всегда будет иметь достаточно времени для выработки и доставки заблаговременного предупреждения о цунами в эти пункты. Возможность возникновения такой ситуации вполне реальна, что явствует из следующих двух примеров. Так, при землетрясении 26 мая 1983 года в Японском море, японская служба оперативного предупреждения о цунами передала сигнал тревоги в систему оповещения через 13 минут после начала его регистрации. Однако первая волна подошла к ближайшему (к источнику цунами) участку побережья через 9-10 минут и унесла несколько десятков жизней [Гусяков В.К. и др., 1988]. При Шикотанском землетрясении 4 октября 1994 года весь остров Шикотан, оказавшийся в плейстосейстовой области землетрясения, опустился примерно на 60 см. Волна цунами должна была начать накатываться на берег практически одновременно с землетрясением. Это подтверждается свидетельствами очевидцев.
Специалисты по цунами давно обратили внимание на малую эффективность существующих СПЦ в случаях близких к прикрываемым пунктам источников. В регионах, где такие случаи возможны, рекомендуется [Bernard, 1990, Bernard at al, 1988] создавать локальные СПЦ, которые реагировали бы на опасное событие быстрее, чем существующие. Международная СПЦ имеет характерное время реакции на событие ~1 час, для действующих национальных служб это время составляет ~10 минут. Локальные СПЦ должны реагировать в течение ~2 минут.
Скорость реакции СПЦ на возникающее землетрясение есть лишь одно из трех условий, обеспечивающих реальную полезность тревожных сообщений для прикрываемых пунктов. Два другие - скорость их доставки и длительность эвакуации населения (а также движимого имущества) в безопасные места. Учет действия всех названных факторов в понятии «заблаговременность» предупреждения о цунами (в данном случае равносильном понятию «полезность» предупреждения) и стал одной из основных задач первой части данной книги.
Соответственно, центральная проблема, вокруг которой концентрируется излагаемый материал, есть проблема заблаговременного предупреждения о цунами. Различным аспектам этого вопроса и посвящены главы 1 - 5.
В главе 1 дается строгое определение понятия заблаговременности и выводятся два условия достаточной заблаговременности оперативного предупреждения о цунами, получаемого, соответственно, по сейсмическим и гидрофизическим данным. Географический смысл этих условий состоит в том, что к каждому прибрежному населенному пункту последовательно примыкают со стороны акватории три области, каждая точка которых, принятая в качестве "пробного" источника цунами, либо не удовлетворяет этим условиям, либо удовлетворяет только одному из них (сейсмическому), либо удовлетворяет обоим. Соответственно, мы называем их сейсмической зоной молчания СПЦ (сокращенно, СЗМ), гидрофизической зоной молчания (сокращенно, ГЗМ), когда заблаговременный прогноз цунами может быть получен только по данным сейсмических наблюдений,и зоной достоверного прогноза (когда он, в принципе, может быть получен как по сейсмическим, так и по гидрофизическим данным).
Если источник пересекает сейсмическую зону молчания какого-либо пункта, то это означает, что даже при самом благоприятном стечении обстоятельств (СПЦ выдала правильный прогноз с максимальной возможной оперативностью) волна цунами достигнет его до того, как в нем будет завершена эвакуация, а значит тревожное сообщение в этот пункт будет доставлено не заблаговременно.
Если источник не пересекает названную зону, но пересекает гидрофизическую зону молчания, то в соответствующий населенный пункт может быть доставлено заблаговременно только тревожное сообщение, выработанное по данным сейсмических наблюдений.
Если же он целиком помещается в зоне достоверного прогноза, то в населенный пункт может быть заблаговременно доставлено тревожное сообщение, выработанное на основе сейсмического прогноза, проконтролированное наблюдениями за уровнем океана.
Очевидно, что один и тот же источник цунами может находиться в разных условиях по отношению к разным населенным пунктам, различающихся по заблаговременности и качеству передаваемого СПЦ прогноза. Отсюда становится очевидной необходимость подачи индивидуальных (адресных) сообщений в каждый населенный пункт. В главе предложен вариант способа оценки критериев качества функционирования СПЦ с учетом выполнения индивидуальных условий заблаговременности тревожного сообщения для каждого из предупреждаемых населенных пунктов, а также вводится понятие о социальной и экономической эффективности СПЦ, как коэффициенте ее полезного действия, в сравнении со случаем, когда она отсутствует (не функционирует).
Строгий учет возможности неблагоприятных случаев незаблаговременных предупреждений при оценке критериев качества и эффективности СПЦ показывает, что высокая эффективность СПЦ не может быть достигнута только за счет улучшения качества ее работы, определяемого научно-техническим уровнем ее оснащения (технический фактор). На него существенно влияют еще по крайней мере два независимых фактора, которые необходимо учитывать.
Первый, названный нами географическим фактором (или географическими условиями) функционирования СПЦ, определяется взаимным расположением населенных пунктов и ближайших к ним вероятных источников цунами и, в конце концов, тем, каковы времена пробега цунами до населенных пунктов от ближайших к ним вероятных источников, позволяют ли временные нормативы работы СПЦ достичь необходимой заблаговременности прогнозов цунами.
Второй, названный нами культурным фактором (или культурными условиями) функционирования СПЦ, определяется отношением населения и местных властей к существующей опасности цунами и необходимости дополнительных затрат на специальные исследования и работы, направленные на ее ослабление, начиная с выбора мест строительства новых объектов и кончая таким выбором и обустройством мест эвакуации по тревоге, которые обеспечивали бы минимальное время ее выполнения.
Игнорирование вышеназванных факторов в лучшем случае не позволит достичь максимальной ("теоретической") эффективности СПЦ, а в худшем - может привести к тому, что следование ее прогнозам будет приносить больше экономического ущерба, чем полное игнорирование опасности цунами.
Неблагоприятное действие географического фактора может быть минимизировано выбором наиболее подходящей, с позиции заблаговременности, конфигурации наблюдательных (сейсмической и гидрофизической) подсистем. Это становится возможным благодаря тому, что конфигурация введенных выше зон молчания для каждого населенного пункта фиксирована при фиксированной конфигурации наблюдательных подсистем СПЦ. Следовательно эти зоны могут быть заранее построены и изучены, и на основании этого могут быть выработаны какие-то практические рекомендации по изменению конфигурации наблюдательных подсистем и алгоритмического наполнения СПЦ, направленные на уменьшение возможного числа незаблаговременных прогнозов цунами.
Построение и исследование зон заблаговременности сводится к построению и исследованию полей времен добегания цунами до населенных пунктов и разностей времен добегания цунами до пар точек населенный пункт - станция измерения уровня моря. Возможности такого исследования на простейших моделях бассейнов с плоским дном показываются в главе 2. Там же приводятся некоторые полезные практические приемы исследования и выбора рациональной, с точки зрения заблаговременности, конфигурации гидрофизической подсистемы СПЦ в реальных бассейнах.
В главе 3 с позиций заблаговременности анализируются географические условия, в которых находятся прикрываемые Российской СПЦ населенные пункты и другие объекты, и показывается, что многие из них часто не могут быть обеспечены заблаговременными прогнозами цунами, выработанными по данным сейсмологических наблюдений при существующих конфигурации и временных нормативах работы СПЦ. При этом, для большинства этих пунктов принципиально невозможно полностью избежать таких случаев незаблаговременного прогноза. Отсюда следуют некоторые практические предложения (выраженные в самом общем виде), касающиеся дополнения существующей сейсмической подсистемы СПЦ новыми пунктами сейсмологических наблюдений и регламента их работы в случае регистрации сильного близкого землетрясения.
В этой же главе изучаются принципиальные возможности гидрофизической подсистемы СПЦ (независимо от ее конкретной существующей конфигурации) и показывается, что они сильно различаются в разных подрегионах зоны ответственности Российской СПЦ. Здесь же даются некоторые предварительные рекомендации по рациональному размещению ее датчиков. Эта глава по существу представляет собой попытку исследования влияния географического фактора на работу Российской СПЦ.
Глава 4посвящена обоснованию нескольких вариантов алгоритма количественной оценки опасности цунами по минимальным данным сейсмологических наблюдений, когда известны лишь положение эпицентра и магнитуда землетрясения. Эти и подобные алгоритмы являются единственным средством оперативного прогноза высоты цунами, когда источник находится в пределах гидрофизической зоны молчания в непосредственной близости к границе сейсмической зоны молчания.
Гидрофизический метод прогноза цунами будет наиболее полезен для оперативного прогноза в том случае, если он будет независим от сейсмических данных об источнике цунами. В главе 5 для волн цунами показывается справедливость принципа взаимности, известного из акустики, и на этой основе предлагаются теоретические основы метода прогноза максимальной высоты цунами в окрестности ее переднего фронта, вблизи того или иного участка берега по данным наблюдений одной или трех станций измерения уровня океана (в зависимости от принимаемых самых общих априорных предположений о форме начального возвышения в источнике цунами), требующий только информации о положении источника. Разработку алгоритма и его программное воплощение еще предстоит выполнить. Заметим, что сейчас данные наблюдений за уровнем океана используются в оперативной работе лишь для качественного подтверждения факта возникновения цунами после землетрясения и для отбоя тревоги цунами, но не для прогноза количественных характеристик волны у побережий.
Основное содержание части 2 посвящено решению гидродинамических задач, связанных с прогнозами опасных морских явлений, раскрываются особенности вычислительного моделирования цунами, штормовых нагонов и приливного режима, ставятся проблемы и задачи, решение которых необходимо для внедрения автоматизированных информационных систем и вычислительного моделирования динамики океана в повседневную практику оперативных служб наблюдения за состоянием моря. В этой же части приводится подробное описание действующей на Сахалине службы предупреждения о цунами, показываются методы ее совершенствования, обсуждаются проблемы и способы их решения с целью повышения эффективности и надежности этой службы, действующей в тесной увязке со службой сейсмических наблюдений и системой оперативной связи и оповещения. Обсуждается регламент и варианты использования информационной системы исследователя-океанолога и автоматизированного рабочего места (АРМ) инженера-океанолога, в том числе в реальных условиях работы оперативных служб наблюдения за состоянием моря (подразделения Сахалинского управления гидрометслужбы). Эта часть снабжена собственными вводными замечаниями, в которых достаточно подробно описаны ее содержание и структура.
Авторы в разной степени участвовали в работе над материалами всех разделов книги. Ответственность за возможные ошибки и текстуальные недочеты распределяется между ними следующим образом: Введение, Главы 1 - 4, Заключение Части 1 - Поплавский, Глава 5 Части 1 - Королев, Часть 2 - Храмушин и Непоп.
Авторы приносят глубокую благодарность Исааку Вениаминовичу Файну, когда-то работавшему в лаборатории цунами ИМГиГ, в то время ДВО АН СССР, который начинал эту работу еще в 1986 году, и продолжающий плодотворное сотрудничество с нами до сего дня. И.В. Файн не только заложил базис вычислительных работ лаборатории цунами и составил первый в нашем институте вариант упомянутого выше АРМ - для анализа времен пробега и динамики волн цунами, но и предложил некоторые практические приемы рационального, с точки зрения заблаговременности, размещения станций измерения уровня океана.
Авторы благодарны преподавателям и сотрудникам научно-исследовательского сектора математического факультета Иркутского Университета В.А. Терлецкому и Н.И Пекуровой, выполнивших по просьбе авторов небольшое, но очень полезное исследование экстремальных свойств времен добегания цунами и их разностей, формы их изолиний в бассейнах с плоским горизонтальным и наклонным дном, заведующему лабораторией цунами ИМГиГ В.М. Кайстренко и всем сотрудникам этой лаборатории за внимание и терпение при обсуждении результатов этой работы по мере их представления на семинарах лаборатории.
Авторы испытывают глубокую благодарность к недавно (в 1994 году) и безвременно умершему академику С.Л. Соловьеву, инициатору и родоначальнику работ по цунами в нашем институте и бывшему безусловным лидером в области цунами в нашей стране. Без его мощного влияния ни один из авторов просто не стал бы специалистом в области цунами, поэтому памяти его и посвящается данная книга. Это посвящение лишь в самой малой степени отражает то огромное уважение, которое мы испытываем к этому незаурядному человеку.
Книга издается при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 97.05.66037 «Математическое и вычислительное моделирование приливного режима и режима течений в Охотском море».