автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование и информационное обеспечение в исследованиях по проблеме цунами

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВОЗБУЖДЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЦУНАМИ.

§1.1. Постановка задачи и построение решения в рамках упругой модели возбуждения цунами.

§1.2. Анализ условий возбуждения цунами в зависимости от параметров источника и среды.

§1.3. Расчет энергии волн цунами.

§ 1.4. Вычисление начальных смещений в очаговой области цунами.

§1.5. Численное моделирование возбуждения и распространения цунами в зонах островных дуг (на модельном рельефе Курило-Камчатской зоны).

§1.6. Численное моделирование реальных исторических цунами в Тихом океане.

§ 1.7. Сейсмотектонические условия возбуждения цунами.

ГЛАВА 2. ПРОБЛЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО ПРОГНОЗА ЦУНАМИ.

§2.1. Методологические и технические основы и основные проблемы оперативного прогноза цунами.

§2.2. Принципы построения и общая структура автоматизированной системы предупреждения о цунами для Курило-Камчатского региона.

§2.3. Алгоритмическое и программное обеспечение системы обработки данных сейсмической подсистемы ЕАСЦ.

§2.4. Планирование сети сейсмологических наблюдений ЕАСЦ.

§2.5. О возможности использования гидрофизических данных в оперативном прогнозе цунами.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ДОЛГОСРОЧНОГО ЦУНАМИРИСКА И

ЦУНАМИРАЙОНИРОВАНИЯ ПОБЕРЕЖЬЯ.

§3.1. Постановка задачи о цунамирайонировании побережья, основные понятия и определения, анализ существующих подходов к этой проблеме.

§3.2. Получение оценок долгосрочного цунамириска на основе вероятностного подхода для отдельных пунктов Курило-Камчатского побережья.

§3.3. Получение оценок долгосрочного цунамириска на основе детерминированного подхода (на примере цунамирайонирования Беринговоморского побережья

Камчатки).

§3.4. Новая методика цунамирайонирования побережья на основе сейсмотектонического пробабилизма».

ГЛАВА 4. ИСТОРИЧЕСКИЕ КАТАЛОГИ И БАЗЫ ДАННЫХ ПО ПРОБЛЕМЕ

ЦУНАМИ.

§4.1. Типы и форматы данных, используемых для описания источников цунами и их воздействия на побережье.

§4.2. Проблемы построения баз данных по цунами и специализированных графических оболочек для них.

§4.3. Каталоги цунами в формате HTDB для Тихого и Атлантического океанов и

Средиземного моря.

§4.4. Геологические методы изучения следов цунами. Возможность использования сведений о палеоцунами в каталогах и базах данных.

ГЛАВА 5. ИНФОРМАЦИОННО-ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА «ЦУНАМИ»

§5.1. Принципы построения, область применения и структура ИЭСЦ.

§5.2. Подсистема картографической поддержки.

§5.3. Подсистема хранения и выборки данных.

§5.4. Подсистема обработки и анализа данных.

§5.5. Подсистема моделирования возбуждения и распространения цунами.

§5.6. Применение ИЭСЦ для решения задач оперативного прогноза цунами.

§5.7. Применение ИЭСЦ для изучения условий генерации цунами подводными землетрясениями Тихого океана.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Проблема оценки цунамиопасности подводных землетрясений является одной из важных практических задач сейсмологических исследований в тихоокеанском регионе, в котором сильнейшие землетрясения происходят в прибрежных частях океана и часто сопровождаются возникновением разрушительных волн цунами. По числу жертв и суммарному ущербу цунами находятся на пятом месте в ряду стихийных бедствий и катастроф, после землетрясений, наводнений, тайфунов и вулканических извержений. Хотя их доля в общем числе жертв природных катастроф в XX столетии (более 4 миллионов жизней) относительно невелика и составляет всего 0.5%, они оказывают разрушительное воздействие на общественно-экономические структуры в наиболее развитых и плотно заселенных частях суши, какими в большинстве стран являются участки морского побережья. В последние десятилетия в этих зонах было построено большое число промышленных объектов (водозаборы атомных электростанций, крупные портовые терминалы, предприятия химической и нефтеперерабатывающей промышленности, нефтяные и газовые платформы), характеризующихся высоким риском техногенных катастроф при их повреждении или разрушении. Повсеместное развитие индустрии туризма приводит к тому, что прибрежные территории во многих странах превращаются в сплошную курортную зону, которую посещают десятки миллионов людей в год. Большинство этих людей не являются жителями побережья и не знакомы с такой природной опасностью как цунами.

Ущерб, наносимый цунами, усиливается их полной внезапностью, быстротечностью, тяжелыми разрушениями и высокой вероятностью фатальных исходов среди людей, оказавшихся в зоне воздействия этих волн. Проблема эффективной защиты от этого стихийного бедствия осложняется редкостью его проявления на отдельном участке побережья. Даже в наиболее цунамиактивных регионах Тихого океана катастрофические цунами происходят в среднем раз в 100-150 лет, сильные цунами - раз в 30-50 лет. Эти периоды намного превышают повторяемость, например, ураганов и наводнений и сопоставимы с периодами повторяемости землетрясений и вулканических извержений. Благодаря особенностям механизма возникновения, а также ввиду наличия постоянных возмущений уровня моря, обусловленных ветровым волнением, штормами и приливами, цунами обладают некоторым естественным порогом, ниже которого они практически ненаблюдаемы, а выше него сразу становятся опасными. Отчасти поэтому при возникновении этого стихийного бедствия степень готовности населения к нему оказывается недопустимо низкой.

Изучение проблемы цунами в России было начато после Камчатского землетрясения 4.11.1952г., которое сопровождалось разрушительным цунами. Исследования теоретического профиля опирались в значительной степени на общие достижения советской гидродинамической школы. В работах Л.Н.Сретенского, А.С.Ставровского, С.С.Войта были предложены первые математические модели этого явления, в работах С.Л.Соловьева и Е.Ф.Саваренского изучалась связь цунами с подводными землетрясениями. В Сибирском отделении АН СССР и затем РАН изучение цунами, начатое по инициативе М.А.Лаврентьева в середине 60-х годов Е.И.Биченковым, Р.М.Гариповым и А.И.Янушаускасом, продолжалось затем в коллективах, возглавляемых А.С.Алексеевым и Ю.И.Шокиным. Другими центрами, ведущими исследования этой проблемы в РФ, являются Южно-Сахалинск (ИМГиГ ДВО РАН), Петропавловск-Камчатский (ИВ и ИВГиГ ДВО РАН), Красноярск (ИВМ СО РАН), Нижний Новгород (ИПФ РАН, ГПИ), Москва (ИО РАН, МГУ).

С практической точки зрения двумя наиболее важными прикладными задачами исследований проблемы цунами являются оперативный прогноз и предварительное цунамирайонирование побережья. Оперативный прогноз осуществляется специальными службами предупреждения о цунами (СПЦ), существующими во многих странах Тихоокеанского бассейна. Однако качество их прогнозов, основанных на обработке сейсмических и мареографных наблюдений, часто оказывается неудовлетворительным. Значительный разброс интенсивности цунами при землетрясениях одной и той же магнитуды приводит к большому числу (до 70%) ложных тревог, не исключая при этом пропуски опасных цунами. Предварительное цунамирайонирование побережья выполняется для получения долгосрочных оценок цунамириска, необходимых при строительстве в потенциально опасных зонах и планировании защитных мероприятий. Здесь главной проблемой является недостаточность данных по высотам цунами в конкретном пункте побережья, в результате чего долгосрочный прогноз (на 500-1000 лет), требуемый по нормам строительства крупных объектов, приходится делать на основе коротких рядов наблюдений (50-100 лет).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью настоящей работы является исследование средствами математического моделирования основных стадий развития цунами (возбуждение в очаговой области, распространение в глубоком океане и в зоне мелководья) и создание информационно-вычислительных комплексов и баз данных, пригодных для решения практических задач по проблеме цунами.

В соответствии с этим непосредственными задачами исследований были:

• построение математической модели возбуждения цунами, учитывающей упругие свойства земной коры и сжимаемость жидкости;

• получение зависимости интенсивности цунами на побережье от параметров сейсмического источника и среды распространения;

• изучение кинематических и динамических особенностей распространения цунами на реальных участках акватории Курило-Камчатской зоны;

• создание пакета программ для сквозного моделирования цунами от очага до выхода на берег;

• создание параметрических каталогов и баз данных по наблюдениям цунами в основных цунамигенных районах мирового океана;

• создание информационно-вычислительных комплексов для решения задач по оперативному прогнозу и цунамирайонированию побережья.

На основе решения этих задач выводятся закономерности, определяющие свойства волн цунами в зависимости от параметров источника и свойств трасс распространения, изучаются особенности очаговых зон цунами в Тихом и Атлантическом океанах, формулируются рекомендации для оптимальной реорганизации службы предупреждения о цунами в Курило-Камчатском регионе, предлагаются новые подходы к решению задачи оценки долгосрочного цунамириска.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе впервые в рамках единой методологии исследований, объединяющей реалистичные модели и базы данных по наблюдениям цунами, проанализированы основные аспекты проблем оперативного прогноза цунами и оценки долгосрочного цунамириска (цунамирайонирования побережья). На основе созданной численной модели исследованы особенности процесса возбуждения цунами, выявлены фундаментальные характеристики, контролирующие генерацию волн очагом подводного землетрясения и сделаны заключения о принципиальных ограничениях краткосрочного прогноза цунами по сейсмическим и гидрофизическим данным. Получены оценки доли полной энергии землетрясения, идущей на образование цунами, проанализирована зависимость этой доли от глубины и механизма очага. Впервые получена теоретическая зависимость интенсивности цунами на побережье от момент-магнитуды подводного землетрясения, полученная зависимость сопоставлена с данными наблюдений реальных цунами, возникающих в зонах островных дуг. В рамках системного подхода проанализированы структура, принципы построения и результаты работы существующих на Тихом океане служб предупреждения о цунами. На этой основе, а также используя результаты математического и численного моделирования, сделаны рекомендации по модернизации системы предупреждения о цунами в Курило-Камчатском регионе. Выполнено оптимальное планирование системы сейсмических наблюдений Дальневосточной СПЦ, разработана структура технических и программных средств, созданы компоненты ее программного обеспечения. Впервые созданы полные параметрические каталоги цунами для Тихого и Атлантического океанов, покрывающие всю акваторию этих регионов (включая окраинные моря) и весь период исторических наблюдений. На основе анализа этих каталогов получены оценки цунамиактивности по различным сейсмотектоническим зонам. Впервые исследована связь цунамигенности подводных землетрясений с уровнем сейсмической активности и с положением основных осадочных зон Тихого океана. Обнаружено, что зоны повышенной цунамигенности хорошо коррелируют с положением зон максимального осадконакопления, что свидетельствует о значительном вкладе обвальной компоненты в процесс возбуждения цунами. Созданные каталоги конвертированы в базы данных и снабжены специализированными графическими оболочками, построенными на принципах ГИС-технологий. Создан программный комплекс для быстрого расчета карт изохрон цунами, предназначенный для использования в службах прогноза цунами. Разработанные математические модели, численные алгоритмы и базы данных по наблюдениям цунами интегрированы в состав информационно-экспертной системы для обеспечения исследований по проблеме цунами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ определяется прежде всего ее направленностью на решение двух основных задач проблемы цунами - задачи оперативного прогноза и предварительного цунамирайонирования побережья. Проблема оперативного прогноза цунами рассматривается применительно в задаче реорганизации Службы предупреждения о цунами, существующей на Дальневосточном побережье РФ с 1959 года. На основе анализа принципов построения и алгоритмов работы аналогичных служб в других странах сформулированы требования к ее основным подсистемам, разработана структура ее программного и алгоритмического обеспечения. Применительно к конкретным условиям Курило-Камчатского региона проведено оптимальное планирование подсистемы сейсмических наблюдений. Выполнено цунамирайонирование северо-восточного побережье Камчатки, получены оценки повторяемости цунами для ряда населенных пунктов Курило-Камчатского побережья. Основные результаты исследования не только представлены в виде рекомендаций и научных публикаций, но и воплощены в виде конечного продукта -информационно-экспертной системы по проблеме цунами, которая получила широкое распространение как внутри страны, так и за рубежом при проведении исследований по проблеме цунами, при оперативном прогнозе и предварительном цунамирайонировании побережья. Созданный программный комплекс для быстрого расчета карт изохрон цунами используется в службах оперативного прогноза цунами в Курило-Камчатском, Карибском и Чилийском регионах. Экспертная база данных по тихоокеанским цунами рекомендована Межправительственной океанографической комиссией (МОК) ЮНЕСКО для распространения среди стран-членов Международной координационной группы по системе предупреждения о цунами на Тихом океане (МКГ/СПЦ).

ВОСТРЕБОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИВМиМГ СО РАН по теме «Методы математического моделирования в геофизике» (номер государственной регистрации 01.9.30001319), в рамках государственных научно-технических программ «Сейсмология и сейсмостойкое строительство» (проблема 0.74.03), «Глобальные изменения природной среды и климата» (проект № 2.5.6) и «Перспективные информационные технологии» (проект № 1054), по хоздоговорам с ОМСП ИВ ДВО РАН (№ 1-95), в рамках программ сотрудничества с организациями Государственного комитета по гидрометеорологии и охране окружающей среды СССР и РФ, по контрактам с Межправительственной океанографической комиссией ЮНЕСКО (SC/RP 207.556.6, SC-298.210.7, SC-07.557.0), с Национальной службой погоды США (40WFNW900080, 40WFNW000121, 40WFNW100075), с Центром исследований и развития университета Пуэрто Рико (98-000134, 01-000232), поддерживалась грантами РФФИ (проекты 93-05-14499, 95-07-19335, 96-05-65938, 98-07-90233, 01-07-90199, 02-0564519) и INTAS-RFBR (95-1000).

В основе МЕТОДОЛОГИИ ИССЛЕДОВАНИЙ лежит применение системного подхода, математического моделирования и современных информационно-вычислительных технологий для изучения основных стадий возникновения и развития волн цунами. Как отмечалось выше, цунами в каждом конкретном районе побережья - это редкое природное явление, которое лишь немногим исследователям удалось наблюдать непосредственно. Очаги большинства цунами находятся далеко в океане, скрыты под толщей воды и, как правило, недоступны для непосредственного наблюдения. Большинство имеющихся инструментальных записей цунами получены на береговых мареографах, находящихся далеко от мест их зарождения. В силу большого пространственного масштаба (сотни и тысячи километров) физическое (лабораторное) моделирование таких крупномасштабных процессов имеет ограниченный характер. В этих условиях математическое моделирование является почти единственным средством, позволяющим изучить закономерности этого процесса. При этом возникает задача проверки адекватности используемых физических и математических моделей существу рассматриваемого природного процесса, а также тестирования применяемых численных алгоритмов.

Проверка полученных в работе закономерностей выполнялась на материале наблюдений реальных цунами. При проведении такой проверки особо важное значение приобретает анализ сущности наблюдаемых параметров и способов их получения, что требует анализа систем и технических средств наблюдений и оценки их разрешающей способности по тому или иному параметру. Весьма важным является также наличие возможно более полных и достоверных каталогов и баз данных по наблюдениям цунами. В рамках настоящего исследования создан наиболее полный параметрический каталог наблюдений цунами в Тихом и Атлантическом океанах (включая Средиземноморский регион), на материале которого осуществлялась проверка всех основных выводов и заключений диссертационной работы. Созданные базы данных представляют большой интерес для исследовательских центров, оперативных служб предупреждения о цунами, а также для других исследователей. Поэтому большое внимание было уделено применению современных информационно-вычислительных технологий для создания удобных интерактивных средств взаимодействия с данными и моделями. Исходя из положения, что адекватная визуализация геофизических данных является ключевым элементом их правильной интерпретации, на основе методов цифровой картографии и ГИС-технологий была создана специализированная картографическая оболочка GIMAS (Geographic Interactive MApping System) для хранения, выборки и визуализации данных наблюдений цунами на конкретной картографической основе. Эта картографическая оболочка составила затем основу информационно-экспертной системы «Цунами» (ИЭСЦ), в составе которой интегрированы математические модели, расчетные программы, данные наблюдений, средства их обработки и представления результатов.

Постоянное сопоставление результатов решения модельных задач с данными наблюдений, обширность и высокое качество использованных каталогов и баз данных по наблюдениям цунами (в том числе созданных в рамках настоящего исследования), применение современных средств обработки данных, сопоставление с результатами, полученными другими авторами и по другим методикам, определяют ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных выводов и результатов исследования. Обоснованность основных результатов подтверждается также широким знакомством с ними научной общественности путем представления их на ведущих международных конференциях и симпозиумах, публикацией в центральных отечественных и зарубежных изданиях.

АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных симпозиумах по проблеме цунами (Веллингтон, Новая Зеландия, 1974; Виктория, Канада, 1985; Ванкувер, Канада, 1987; Новосибирск, СССР, 1989; Вена, Австрия, 1991; Боулдер, США, 1995; Мельбурн, Австралия, 1997; Бирмингем, Англия, 1999; Сиэттл, США, 2001), на сессиях Международной координационной группы МОК/ЮНЕСКО по системе предупреждения о цунами на Тихом океане (Виктория, Канада, 1985; Пекин, КНР, 1987; Новосибирск, СССР, 1989; Папиете, Таити, 1995; Лима, Перу, 1997; Сеул, Южная Корея, 1999; Картагена, Колумбия, 2001), Европейской сейсмологической комиссии (Киль, ФРГ; 1986, Афины, Греция, 1994; Рейкьявик, Исландия, 1996), на Генеральных Ассамблеях Европейского геофизического общества (Ницца, Франция, 2001, 2002), на XXVI Генеральной Ассамблее МАСФЗН (Салоники, Греция, 1997), на VI Международной конференции по природным катастрофам (Ханья, Греция, 1998), на Всесоюзных совещаниях, школах и конференциях по проблеме цунами (Минск, 1979; Владивосток, 1980; Звенигород, 1983; Горький, 1984, 1990; Иркутск, 1984; Обнинск, 1985; Шушенское, 1986, 1987), на заседаниях Междуведомственного Совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству (Москва, 1981, 1982, 1985), на 27-м Международном геологическом конгрессе (Москва, 1984), на научных семинарах Института геофизики Гавайского университета (1991, 1995), Тихоокеанской морской исследовательской лаборатории НОАА (1988, 1998), факультета наук о Земле университета штата Вашингтон (1993), факультета океанографии университета Майами (1993), инженерного факультета университета Южной Калифорнии (2000), Центра исследований и развития университета Пуэрто Рико (1997), Института изучения землетрясений Токийского университета (1985, 1988, 1993), отдела твердой Земли Национального центра данных по геофизике НОАА США (1996, 1999), Института морской геологии и геофизики ДВО РАН (1989, 1992), Института вулканологии ДВО РАН (1996), Института океанологии РАН им. П.П.Ширшова (2001), Института геофизики СО РАН (2002).

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Всего по теме диссертации опубликовано более 50 работ. Основные результаты диссертации содержатся в работах, опубликованных лично (Гусяков, 1976, 1978а, 19786, 1984, 1988, 2000; Gusiakov, 1983, 1997, 2000, 2001а, 2001b, 2001с, 2001d) и в соавторстве. В работах по упругой модели возбуждения цунами (Алексеев, Гусяков, 1984; Gusiakov, Alekseev, 1977, 1978) математическая постановка задачи была предложена академиком А.С.Алексеевым, тогда как автору принадлежит построение решения и реализация численных алгоритмов. В совместных с Л.Б.Чубаровым, Ан.Г.Марчуком и В.В.Титовым исследованиях по созданию численных моделей возбуждения и распространения цунами (Гусяков и др., 1978; Гусяков, Чубаров, 1982, 1987; Гусяков, Марчук, Титов,1992; Chubarov et al., 1984; Chubarov, Gusiakov, 1985; Gusiakov, Marchuk, Titov, 1989) автору принадлежит концепция исследований, постановка задачи, расчеты начальных смещений в очаге цунами, планирование и проведение вычислительных экспериментов, анализ и интерпретация результатов. В совместных с А.В.Осиповой работах по созданию исторических каталогов и баз данных (БД) по проблеме цунами (Гусяков, Осипова, 1992а, 19926; Gusiakov, Osipova, 1993а, 1993b) автором выполнена разработка структуры данных и формата HTDB, конвертирование в этот формат данных опубликованных каталогов, компиляция и ввод в состав БД основного объема параметрических данных. Им выполнен также большой объем переопределений положений очагов и интенсивности цунами. Автор являлся инициатором, организатором и участником полевых экспедиционных работ по поиску и изучению следов палеоцунами на Камчатке, результаты которых опубликованы в работах (Minoura et al., 1993, 1996, Pinegina et al., 1997, Пинегина и др., 2000), а также координатором и участником международной экспедиции по обследованию последствий Шикотанского землетрясения и цунами 4 октября 1994 года, результаты которой отражены в работах (Иващенко и др., 1996; Yeh et al., 1995). В совместных с Ан.Г.Марчуком, А.В.Осиповой, И.В.Марининым работах, связанных с созданием графических оболочек баз данных и информационно-экспертной системы «Цунами» (Gusiakov, Marchuk, Titov, 1995; Gusiakov, Marchuk, Osipova, 1997; Gusiakov, Marinin, 2000), автором выполнялась разработка общей концепции и архитектуры системы, проектирование интерфейса, разработка и тестирование алгоритмов обработки данных, комплексное тестирование оболочек. В работе (Омельченко, Гусяков, 1996) по оптимальному планированию систем сейсмических наблюдений, выполненной совместно с О.К.Омельченко, а также в носящей концептуальный характер работе (Gusiakov, McCreery, Yeh, 1997) вклад соавторов можно оценить как равный. В большинстве совместных работ, за исключением (Омельченко, Гусяков, 1996; Пинегина и др., 2000; Minoura et al., 1993, 1996), написание текста, а также подготовка графического материала, осуществлялась автором собственноручно.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЯВЛЕНИИ ЦУНАМИ. Вполне точного научного определения явления цунами до сих пор нет. Чаще всего под этим названием, составленным из японских слов «tsu» - гавань и «nami» - волна и ставшим международным научным термином, понимается эффект внезапного наводнения на морском берегу, вызываемый длиннопериодными (в диапазоне от 2 до 200 мин) колебаниями уровня океана, причинами которых могут быть сильные подводные землетрясения, вулканические извержения, оползни и обвалы (Соловьев, 1968).

С цунами сходно явление штормовых нагонов, возникающее при подходе к побережью сильного циклона с выраженной центральной областью низкого давления. Подъем уровня воды в этих случаях может достигать нескольких метров, что в сочетании с динамическим воздействием ветра и накатом сильных штормовых волн может вызывать затопление побережья на большую глубину (в низко лежащих местах до нескольких километров). Иногда это явление называют «метеорологическим цунами» и в ряде мест (например, на побережье Бенгальского залива, в Карибском бассейне) оно представляет собой гораздо более серьезную угрозу для прибрежного населения, чем цунами сейсмического происхождения.

Существенное влияние на распространение цунами оказывает подводный рельеф дна океана, причем не только на скорость волн, но и на распределение амплитуд вдоль фронта. В частности, протяженные подводные хребты могут служить волноводами, над которыми происходит концентрация высот волн. Скорость распространения цунами в открытом океане хорошо описывается формулой V = -sfgH , где Н - глубина воды, g - ускорение силы тяжести.

В Тихом океане, средняя глубина которого порядка 4 км, скорость цунами составляет около 700 км/час. Распространяясь со столь высокой скоростью, волны цунами за 22-24 часа способны пересечь весь Тихий океан, сохраняя при этом свой разрушительный потенциал. Однако ввиду относительно малой амплитуды на глубокой воде (1-2 метра) и большой длины волны (100-200 км) волны цунами в открытом океане незаметны и не представляют опасности для судов.

По мере удаления от источника амплитуда волн в линейном приближении убывает обратно пропорционально квадратному корню из расстояния - по минимально возможному с точки зрения сохранения энергии закону, обусловленному только цилиндрическим расхождением волн. Это обстоятельство, а также эффект фокусировки энергии волн, возникающий вследствие сферичности Земли, делает опасными цунами, порожденные даже весьма удаленными источниками. Так, при сильнейшем в этом столетии Чилийском цунами 22 мая 1960 года волны за 22 часа пересекли весь Тихий океан и обрушились на побережье Японии, Камчатки и Курильских островов с высотами до 6-8 метров, производя во многих местах значительные разрушения и вызвав многочисленные человеческие жертвы Эти волны стали причиной гибели 61 человека на Гавайях и вызвали ущерб размером в 33 млн. долл. В Японии от этого цунами погибло 199 человек, более 5000 домов было разрушено, сильнее всего пострадали провинция Тохоку и восточное побережье о-ва Хоккайдо.

Самым разрушительным в истории Гавайских островов было цунами 1 апреля 1946 года, очаг которого располагался за 3.5 тыс. км к северу от них в районе Алеутской островной дуги. На северном побережье островов высота волн достигала 10 метров, погибло 173 человека, общий материальный ущерб составил 26 млн. долларов. Это событие послужило толчком к организации службы предупреждения о цунами на Тихом океане, оперативный центр которой был создан на базе метеорологической обсерватории в Гонолулу (Гавайи) в 1948 году.

Достигая береговой области, цунами подвергаются значительной трансформации. Скорость волн резко падает, но одновременно увеличивается их высота, достигая своих максимальных значений вблизи уреза воды. Во многих случаях эта высота может еще увеличиваться в процессе наката на сухой берег. За счет рефракции волновая энергия концентрируется над мелководными участками и вблизи выступающих в море мысов. Ограничение свободного пространства по бокам, например, при входе цунами в узкие заливы и устья рек, приводит к значительному возрастанию высот волн. Эти большие волны, высота которых при сильных цунами может достигать 10-20, а при катастрофических даже 30-50 метров, и представляют главную опасность, производя разрушительное воздействие на побережье, по своей силе превосходящее все другие стихийные бедствия. Масштабы и опасность этого воздействия связаны прежде всего с тем, что волна цунами, в отличие от обычных штормовых волн, есть возмущение, захватывающее всю толщу океана, при ее прохождении в движение приводятся огромные массы воды, что и делает цунами грандиозным катастрофическим явлением. Даже умеренные цунами с высотами 2-3 метра могут угрожать жизни людей и вызывать значительный материальный ущерб, связанный с затоплением побережья на большую глубину, повреждением судов и портовых сооружений. Волны с высотами 10-15 метров разрушают все на своем пути, от прочных бетонных зданий подчас остаются одни фундаменты.

Цунами различной силы сравниваются между собой по шкале интенсивности, предложенной С.Л.Соловьевым (Соловьев, 1972) в развитие существовавшей ранее шкалы Имамура-Ииды для магнитуды цунами. В соответствии с ней балл интенсивности / вычисляется как логарифм по основанию 2 от средней высоты волн h на ближайшем к очагу участке побережья. При изменении средней высоты волн в два раза балл интенсивности меняется на единицу. Катастрофические цунами в этой шкале имеют интенсивность 4, сильные разрушительные - 3, умеренно сильные - 2, слабые с высотой до 1-2 метров - 1-0. Для слабых цунами высотой несколько десятков сантиметров, выделяемых только на записях мареографов, значения балла интенсивности могут быть отрицательными.

В системе мер противодействия и защиты от этого опасного природного явления может быть выделено две главных группы мероприятий. Первая из них связана с долгосрочными мерами и сводится в конечном итоге к решению задачи предварительного цунамирайонирования побережья, т.е. определения для заданных пунктов побережья максимально возможных высот цунами с указанием их обеспеченности (вероятности превышения в течении заданного промежутка времени). Не останавливаясь здесь на способах решения такой задачи (подробнее об этом см. в главе 3), отметим только, что в конечном итоге получение обоснованных оценок невозможно без решения проблемы долгосрочного прогноза сейсмической активности и получения оценок параметров «максимально сильного возможного землетрясения» для сейсмоактивных зон, угрожающих данному участку побережья.

Вторая группа относится к краткосрочным мероприятиям и связана с оперативным прогнозом интенсивности цунами на побережье, даваемым по факту возникновения подводного землетрясения. Принципиальная возможность такого прогноза заключается в резком различии скоростей распространения сейсмических волн от землетрясения в земной коре (3-6 км/ сек) и волн цунами в океане (0.1-0.2 км/с), благодаря чему создается некоторый запас времени между регистрацией землетрясения и приходом волн цунами. К сожалению, в силу сейсмотектонических особенностей Тихоокеанского региона, очаги большинства цунамигенных землетрясений лежат достаточно близко к побережью (в особенности, в зонах островных дуг), что сокращает запас времени для принятия решения и выполнения защитных мероприятий до минимально возможных значений (15-20 мин).

Эффективность и надежность прогноза цунами основывается на понимании физических процессов, лежащих в основе этого сложного природного явления, затрагивающего как водную, так и упругую оболочку Земли. Интенсивность проявления цунами на побережье зависит от трех основных факторов: (1) начальной амплитуды волн в области возбуждения; (2) эффектов распространения в глубоком океане; (3) эффектов набегания на берег и взаимодействия с бухтами и заливами. Для успеха оперативного прогноза цунами фактор (1) является наиболее важным, поскольку оба других фактора могут быть исследованы заранее путем физического либо численного моделирования, а также анализа данных наблюдений. Решение же вопроса о вероятности возбуждения цунами подводным землетрясением необходимо производить каждый раз заново, причем в условиях крайнего дефицита времени.

В настоящее время прогноз крупных трансокеанских цунами с достаточной эффективностью осуществляется Международной системой предупреждения о цунами с центром в Гонолулу (США), в которой участвует 28 стран Тихоокеанского бассейна. Наиболее сложной проблемой является прогнозирование региональных цунами, возникающих при местных землетрясениях, удаленных от побережья на 100-200 км. В силу малого времени распространения (15-20 мин) предупреждение о таких цунами основывается почти исключительно на использовании сейсмических данных. Несмотря на наличие региональных и национальных служб предупреждения (такие службы сейчас имеются в США, Японии, России, КНР, Чили, Французской Полинезии) близкие цунами продолжают представлять угрозу для населения прибрежных районов. Цунами 2 сентября 1992 года, вызванное подводным землетрясением весьма умеренной силы (магнитуда 7.2) вблизи побережья Никарагуа, обрушилось на город Эль-Транзито несколькими волнами с высотами до 10 метров и унесло жизни более 100 человек. Серьезно пострадал ряд других прибрежных городов и поселков вдоль всего западного побережья этой страны.

При разрушительном цунами в Индонезии 12 декабря 1992 года погибло 987 человек. Максимальная высота волн достигала 26 метров. На небольшом острове Баби в море Флорес волны цунами полностью разрушили две рыбацкие деревни, оставив от домов только фундаменты, большинство жителей погибло. Южная часть этого острова, размерами всего в два километра, хорошо защищена от обычных штормов, приходящих с севера, и эти деревни безопасно существовали на протяжении десятков лет. Однако этот остров не смог послужить защитой от волны цунами, также пришедшей с севера, но беспрепятственно обогнувшей его, поскольку длина ее превосходила размеры островка во много раз.

При последнем цунами в Японском море, вызванном сильным подводным землетрясением с магнитудой 7.8, происшедшем 12 июля 1993 года вблизи западного побережья Хоккайдо, серьезно пострадал небольшой остров Окушири, на котором максимальный заплеск волн достиг 30 метров. Японская служба предупреждения, одна из наиболее оперативных и технически совершенных среди национальных служб, выпустила сигнал тревоги через 11 минут после землетрясения, однако он не смог спасти жизни 185 человек, погибших от цунами на этом острове.

В Российской Федерации угрозе цунами в той или иной мере подвержено практически все Тихоокеанское побережье. Наиболее опасными местами являются восточное побережье Камчатки, Курильские острова и южная часть Приморья. В целом по этому региону катастрофические цунами происходят раз в 50-100 лет, опасные цунами с ощутимыми последствиями - раз в 10-15 лет, слабые цунами, способные тем не менее нанести определенный материальный ущерб и требующие защитных мероприятий, случаются раз в 2-3 года.

В силу культурно-исторических особенностей этого региона, более или менее достоверные данные о проявлениях цунами здесь имеются лишь за последние 150 - 200 лет, а отсутствие пропусков даже сильных цунами может быть гарантировано лишь для последних 70-80 лет. Эта величина является весьма малой сравнительно с продолжительностью сейсмического цикла (промежуток времени между двумя последовательными сильными землетрясениями в одном тектоническом блоке), который для зон островных дуг оценивается величиной, примерно равной 190±40 лет (Викулин, 1987) Для сравнения, каталог цунами для соседней Японской зоны покрывает период в 1300 лет и содержит втрое больше региональных событий. Из достоверно известных для Курило-Камчатского региона событий наиболее сильным было цунами, вызванное катастрофическим Камчатским землетрясением 1737 года, когда высота волн на отдельных участках достигала 30-60 м (Крашенинников, 1994а). Цунами такой силы, случись оно в наши дни, вызвало бы полную катастрофу на протяжении сотен километров побережья и сопровождалось бы невосполнимым материальным ущербом.

В нашем столетии наиболее сильное цунами произошло 4 ноября 1952 года и было вызвано подводным землетрясением с магнитудой 8.3, происшедшем практически в том же регионе (северная часть Курил и юг Камчатского полуострова). При этом цунами практически полностью был разрушен город Северо-Курильск и большая часть его жителей погибла (Саваренский, 1956). Официальных данных о числе жертв этого цунами нет до сих пор, по имеющимся оценкам оно составляет от 1 до 2 тысяч человек. За последующие 50 лет таких катастрофических цунами, сопровождавшихся столь многочисленными жертвами, в регионе, к счастью, не происходило.

Среди наиболее сильных за этот период было Урупское цунами 20 октября 1963 года, когда высоты волн достигали на отдельных участках 7 - 8 м, Озерновское цунами 23 ноября 1969 года в Беринговом море, проявившееся на северо-восточном (практически незаселенном) побережье Камчатки с высотами до 10 - 15 м, Шикотанское цунами 4 октября 1994 года (высоты волн до 8-10 м). Исследования геологических следов палеоцунами, интенсивно проводящиеся на Камчатке в последние годы, позволили обнаружить большое количество (до 50) неизвестных ранее сильных событий, происшедших вблизи восточного побережья Камчатки в течение последних 2000 лет (Pinegina, Bourgeois, 2001).

КРАТКИЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ ОБЗОР. В силу сложности природы явления цунами, затрагивающего как упругую (земная кора), так и водную (океан) оболочки Земли и имеющего геологические, геофизические, океанологические и социальные аспекты, литература, посвященная этой проблеме, весьма обширна. Например, библиографическая база данных, составленная в рамках выполнения проекта HTDB (Historical Tsunami DataBase) содержит более двух тысяч публикаций. Существует ряд библиографических указателей (Григораш, 1964; Annotated bibliography., 1964; Chavla, 1978) обзорных работ (Виген, 1984;

Войт, 1987; Соловьев, 1968; Carrier, 1971; Preisendorfer, 1971; Soloviev, 1978; Van Dorn, 1965) и монографий (Кононкова, Показеев, 1985; Марчук, Чубаров, Шокин, 1983; Мурти, 1981; Пелиновский, 1982, 1996; Понявин, 1965; Щетников, 1981; Bryant, 2001; Dudley, Lee, 1998), посвященных этой проблеме. Дать сколько-нибудь полный обзор даже важнейших из этих публикаций здесь не представляется возможными. Необходимые ссылки и анализ предшествующих работ по отдельным аспектам этой проблемы даются в соответствующих главах диссертации. Во введении мы ограничимся общим обзором состояния изученности проблемы цунами, акцентируя внимание на изменениях в направленности и тематике исследований, происходивших на различных временных этапах.

В изучении проблемы цунами можно выделить три периода, отличающихся целями и методологией исследований, их географическими рамками, используемыми техническими средствами сбора и обработки данных наблюдений, а также уровнем понимания проблемы. Первый период (от начала нашего века до середины 60-х годов) был связан с первоначальным накоплением сведений о цунами, попытками понять физические механизмы их возникновения и распространения и оценке возможностей создания защиты от этого стихийного бедствия. Второй период (от середины 60-х до начала 90-х годов) характеризовался интенсивным применением математического и физического моделирования для изучения основных этапов жизни волны цунами (возбуждение, распространение в глубоком океане и набегание на берег), созданием служб предупреждения о цунами в основных цунамигенных регионах Тихого океана и попытками наладить оперативный обмен данными и международное сотрудничество в этой области. Наконец, в третий период (с начала 90-х годов по настоящее время) началось по-настоящему комплексное изучение этого сложного природного явления, на основе использования новых технических средств наблюдения и регистрации цунами, применения суперкомпьютинга и информационных технологий, привлечения специалистов из смежных дисциплин, интенсивного международного сотрудничества, что привело к резкому расширению географии исследований, как в отношении районов возникновения цунами, так и в отношении участия специалистов из разных стран.

В ходе первого этапа основные исследования проблемы цунами выполнялись, в основном, в Японии, США и СССР, т.е. в странах с высоким научно-техническим потенциалом, побережья которых достаточно часто подвергались воздействию цунами. В этот период были созданы первые каталоги наблюдений (Соловьев, Ферчев, 1961; Berninghausen, 1962, 1964; Heck, 1947; Iida, 1956; Imamura, 1942, 1949) и осознана физическая сущность цунами как длинных гравитационных волн в океане, возбуждаемых импульсным источником (очагом подводного землетрясения) на дне (Саваренский, 1956; Попов, 1961; Van Dorn, 1965). Отражением этого понимания являлось их название «морские сейсмические волны» (seismic sea waves), которое широко использовалось в этот период в англоязычной литературе. На основе формулы для скорости распространения длинных волн V для ряда исторических цунами были построены обратные рефракционные диаграммы (Федотов, 1962; Miyabe, 1937; Omote, 1947; Takahasi, Hatori, 1961), которые показали, что источник сейсмотектонических цунами, как правило, совпадает с областью очага землетрясения, устанавливаемой, в свою очередь, по проявлению афтершоков.

К этому же периоду относятся первые попытки применения ЭВМ для численных расчетов цунами, которые выполнялись для простейших постановок (идеальная жидкость постоянной глубины, линейный или осесимметричный источник в виде мгновенного поднятия участка дна). Решения таких задач строились путем использования интегральных преобразований Фурье по временной координате и Фурье-Бесселя или Лапласа-Меллина по пространственной координате. Для получения смещений затем использовались методы численного интегрирования либо асимптотические методы для оценки смещений в дальней зоне. В таких постановках формирование начального возвышения в очаге цунами и его дальнейшая эволюция изучалась в работах (Сретенский, Ставровский, 1961; Ichie, 1958; Kajiura, 1963; Momoi, 1964а, 1964b, 1965; Takahasi, 1942, 1945, 1947). Многие результаты теоретического рассмотрения формирования цунами были подтверждены путем лабораторного моделирования волн в бассейнах и волновых лотках. Так было показано, что скорость распространения волн хорошо описывается длинноволновым приближением

V=-yJgH , за исключением начального участка пути, где скорость распространения головной волны заметно больше (Takahasi, Hatori, 1962).

Основным моментом, характерным для второго периода изучения цунами, было широкое применение ЭВМ для численных расчетов всех этапов жизни волны: возбуждения, распространения и наката на берег. Применение численных методов для прямого решения системы уравнений, описывающих распространение цунами в океане с реальным рельефом дна, позволило создать пакеты и комплексы программ для сквозного моделирования цунами от очага до выхода на берег (Чубаров, 1978; Goto, Shuto, 1983). Содержательный обзор математических моделей, использованных на этом этапе, дан, например, в работе (Shuto, 1991). В различных странах были выполнены серии расчетов реальных исторических цунами, к которых было показано, что основные особенности волнового поля цунами могут быть воспроизведены в численных экспериментах, при условии, что рельеф дна и параметры источника цунами известны с достаточной степенью точности (Бухтеев, Плинк, 1978, 1980; Abe, 1978, 1979а, Aida, 1974, 1978; Ando, 1982; Hwang, Divoky, 1970; Hwang et al., 1971). Однако в этих же численных экспериментах выявилось, что во многих случаях численная модель дает заниженные (иногда в 2-3 раза) максимальные высоты волн на побережье. На тот момент эти расхождения относили на счет недостатка точности в моделировании последнего завершающего этапа жизни цунами - выхода волны на сухой берег.

В этот период продолжалось накопление фактических данных о наблюдениях реальных цунами и их публикация в виде исторических каталогов (Соловьев, 1978; Соловьев, Го, 1974, 1975; Berninghausen, 1966, 1968, 1969; Iida, 1984; Lander, Lockridge, 1989; Lander et al., 1993 Lockridge, 1985; Pararas-Carayannis, 1977). Появилось большое количество инструментальных записей цунами, однако, все они были получены на береговых мареографных установках, предназначенных, вообще говоря, для других целей (регистрации приливов и ветрового волнения) и во многих случаях значительно искажавших записи цунами (Satake et al., 1988). К этому же периоду относятся первые попытки получения инструментальных записей цунами на глубокой воде с помощью донных датчиков давления, соединенным с берегом подводным кабелем (Дыхан и др., 1981; Соловьев и др., 1986; Bottom pressure., 1984).

На Тихом океане в этот период к действующим службам предупреждения о цунами в США, Японии и СССР добавились региональные службы на Аляске, в Чили и во Французской Полинезии. Техническое оборудование служб продолжало совершенствоваться, был налажен оперативный обмен сейсмическими и приливными данными между основными центрами, однако эффективность работы служб продолжала оставаться практически на том низком уровне (не более 25-30% оправдывающихся тревог), как и в начальный период их создания. Предпринимались многочисленные попытки обнаружения прогностических признаков цунамигенности путем непосредственного сопоставления сейсмограмм цунамигенных и нецунамигенных землетрясений (Бурымская, 1983, Гусяков, 1981, 1984; .Иващенко и др., 1977; Иващенко, Поплавский, 1980; Копничев, Нерсесов, 1981; Соловьев, Бурымская, 1981), однако ни один из них в конечном итоге не нашел практического применения в работе служб предупреждения. Детальный анализ их эффективности, выполненный на ретроспективном материале наблюдений цунамигенных землетрясений 60-х и 70-х годов, показал, что ни один признак в отдельности, ни любая их совокупность не могут дать существенного повышения оправдываемости сейсмических прогнозов по сравнению с корректным применением магнитудно-географического критерия (т.е. при исключении грубых ошибок в оперативных оценках положения и магнитуды очага).

Начало третьего этапа в изучении волн цунами можно отнести к 1991-92 гг., когда стали проводиться первые международные экспедиции по изучению последствий современных цунами. Этот период совпал с резким увеличением числа цунамигенных событий на Тихом океане. Только за период с 1992 по 1994 год произошло 13 случаев цунами, 6 из которых сопровождалось человеческими жертвами, что дало повод даже специалистам по этой проблеме говорить о «возрастании цунамиактивности на Тихом океане». На самом деле, ретроспективный анализ полного тихоокеанского каталога показывает (см. гистограмму рис.5.4.2), что повышенная цунамиактивность 90-х годов выглядит таковой лишь на предшествующем фоне абсолютного (за последние 200 лет) минимума цунамиактивости 80-х годов. В целом ее уровень за истекшее десятилетие оказался близок к долговременному среднему.

Участие специалистов в обследовании воздействия цунами на побережье непосредственно после события, инструментальные измерения высот заплеска, исследования очаговой области подводных землетрясений с помощью локаторов бокового обзора и даже глубоководных подводных аппаратов (Kawata et al., 1999) дали неизмеримо более качественный материал для интерпретации и понимания особенностей механизма возбуждения цунами (Пелиновский, 1996). Группой экспертов Межправительственной океанографической комиссии ЮНЕСКО было составлено руководство по обследованию районов воздействия цунами (Post-tsunami survey field guide, 1998), которое сыграло существенную роль в унификации процедур изучения последствий цунами. По результатам таких экспедиций опубликовано несколько сборников статей, в частности (Tsunamis: 19921994, 1995), Проявления конкретных цунами ., 1997). В этот же период стали доступными (в том числе по сети Интернет) цифровые широкополосные записи сильных землетрясений, определения тензора сейсмического момента, выполняемые Национальным центром информации о землетрясениях Геологической службы США в Голдене (Колорадо) (http://wwwneic.cr.usgs.gov/current seismicity.shtml) и лабораторией сейсмологии Гарвардского университета (http://www.seismology.harvard.edu/CMTsearch.html) практически в режиме реального времени. Это дало возможность определения тонкой структуры очагов цунамигенных землетрясений и сопоставления механизмов очагов с детальной картиной распределения высот цунами на побережье (Satake, 1993; Satake, Kanamori, 1991; Satake, Tanioka, 1995).

В этот период существенно вырос уровень международной кооперации в изучении цунами. Большую роль в координации усилий ученых из разных стран сыграла организация в 1992 году специальной электронной информационной сети (Tsunami Bulletin Board), основанной на принципах рассылки электронных сообщений по списку зарегистрированных пользователей. Первоначально организованная на сервере Тихоокеанской морской исследовательской лаборатории НОАА в Сиэттле (США), она особенно активно использовалась в периоды организации и проведения международных экспедиций по цунами, благодаря чему исследователи в лабораториях могли получать данные наблюдений непосредственно с мест измерения, подчас находящихся даже в таких удаленный районах, как Маркизские о-ва (экспедиция Гавайского университета по поиску и измерению следов цунами 1.04.1946г), архипелаг Вануату (цунами 26.11.1999г.), Папуа Новая Гвинея (цунами 17.07.1998г.), побережье Перу (цунами 23.06.2001г.). Наличие развитых пакетов для моделирования цунами и стремительный рост возможностей портативных персональных компьютеров позволяли выполнять многие расчеты непосредственно в ходе экспедиционных работ (Titov, Gonzalez, 1997; Titov, Synolakis, 1998). Многие мареографные станции были подключены в телеметрическим каналам и их записи стали доступны через Интернет в режиме реального времени (см., например, сайты Аляскинского центра предупреждения о цунами http ://wcatwc. gov/subpage2 .htm. Тихоокеанской морской исследовательской лаборатории НОАА http://tsunami.pmel.noaa.gov/dartqc/WaveWatcher, мареографной сети Австралии http://www.ntf.flinders.edu.au/TEXT/PRJS/NRTM/nrtm.html.

В этот же период произошел пересмотр многих представлений о механизмах возбуждения цунами, вынесенных из упрощенных модельных подходов, применявшихся в 70-е и 80-е годы. Выявилась существенная (если не лидирующая) роль подводных оползней и обвалов в процессе образования цунами (Мелекесцев, 1995; Kulikov et al., 1996; Pelinovsky, Poplavsky, 1996; Rzadkiewicz et al., 1996; Tinti et al, 1994, Watts, 2000, 2002). В частности, образование такого обвала было доказано (Geist, 2000; Tappin et al., 2001) при землетрясении весьма умеренной магнитуды (7.1), происшедшем 17 июля 1998 года вблизи северного побережья о-ва Новая Гвинея, жертвами 15-метровых волн цунами от которого стали более 2000 человек (Davies, 1999), а также при землетрясении 12 декабря 1992 года вблизи о-вов Флорес в Индонезии (Imamura, Giga, 1996). В работе (Fryer, Watts, 2001) на основании новых данных о распределении высот разрушительного Алеутского цунами 1.04.1946г. и анализа детальных батиметрических карт очаговой области этого землетрясения была обоснована гипотеза о формировании огромного (объемом до 300 км3) оползня на материковом склоне в районе о-ва Унимак. Ранее (Kanamori, 1972) высокая интенсивность этого цунами приписывалась особенностям очагового механизма самого землетрясения (в частности, медленности процесса образования разрыва). Определенный вклад в понимание важности вклада подводных оползней в генерацию цунами был внесен также работами (Гусяков, 2000; Gusiakov, 2001), позволившими связать цунамиэффективность подводных землетрясений в различных географических зонах с уровнем осадконакопления в бассейне Тихого океана.

Со второй половины 90-х годов во многих странах (в первую очередь в США) началось выполнение программы создания карт цунамиопасности для населенных пунктов, расположенных на тихоокеанском побережье (Bernard, 1998). В основу метода создания таких карт был положен так наз. сценарный метод прогноза и хорошо развитые пакеты программ расчета распространения цунами и набегания на берег (Shuto, Imamura, 1997; Titov et al., 2001). Такие карты были созданы и опубликованы для многих пунктов побережья штатов Аляска, Вашингтон, Орегон и Гавайи (Bernard et al., 1994) а также для ряда городов на тихоокеанском побережье Чили (Elaboracion carta de inundacion ., 1997). He останавливаясь здесь на методике расчетов цунамиопасности по этому методу (подробнее о нем см.§3.1), отметим только что итоговый результат (карта высот заливания) в сильной степени зависит от выбора параметров «расчетного события», который делается на основе экспертных суждений без четко сформулированных критериев оценки их обоснованности и качества, так что к ним в полной мере могут быть отнесены все замечания и претензии, высказываемые в статье (Hanks, 1977) по поводу надежности карт сейсморайонирования.

Завершая этот краткий исторический экскурс по развитию методов исследования цунами, следует несколько более подробно остановиться на работах в области изучения процессов их возбуждения, поскольку этот вопрос является одним из центральных в диссертационной работе. Обычный подход в теоретическом изучении процесса возбуждения цунами - это решение линеаризованных уравнений гидродинамики для потенциального движения идеальной тяжелой жидкости, лежащей на жестком дне. Линеаризация может быть выполнена либо в предположениях теории волн малой амплитуды, либо в предположениях теории длинных волн при пренебрежении членами конвективной инерции. В таких постановках был решен целый ряд задач о возбуждении гравитационных волн в слое несжимаемой жидкости постоянной глубины при заданных подвижках дна той или иной формы (Газарян, 1955; Сретенский, 1956; Сретенский, Ставровский, 1961; Черкесов, 1966; Honda, Nakamura, 1951; Ichie, 1958; Keller, 1963; Momoi, 1964).

Обычный круг вопросов, рассматриваемых в таких задачах, - это нахождение формы начального возвышения поверхности воды, исследование процесса его распада, определение профиля головной волны и характера убывания ее амплитуды с расстоянием. Были рассмотрены самые разнообразные подвижки дна - от простых блоковых, возникающих мгновенно, до описываемых весьма сложными функциями координат и времени, выбранными часто лишь из соображений математического удобства. В работе (Газарян, 1955) получено интегральное представление потенциала гравитационной волны, возникающей при смещении участка дна поршневого характера. Для случая мгновенных смещений проведено исследование волн на больших расстояниях от источника и дан критерий применимости полученных результатов для случая смещений дна, происходящих за конечный промежуток времени. В работе (Черкесов, 1966) была рассмотрена плоская пространственная задача о неустановившихся волнах на поверхности жидкости при малых вертикальных колебаниях дна бассейна в случае, когда плотность жидкости непрерывно изменяется с глубиной. В работе (Сретенский, Ставровский, 1961) произведен численный расчет подъема воды, возникающего на отвесном прямолинейном берегу вследствие происходящего с некоторой конечной скоростью поднятия линейного, бесконечно тонкого участка дна, параллельного берегу и расположенного недалеко от него. Наиболее полное решение, охватывающее большинство частных случаев, дал К. Каджиура (Kajiura, 1963), использовавший метод функций Грина для нахождения общего решения такой задачи.

Одна из первых попыток решения задачи о возбуждении и распространении волн в слое жидкости с переменной глубиной принадлежит К. Кэрриеру (Carrier, 1966). Основное внимание было уделено исследованию волнового поведения на больших расстояниях, где длинные волны достигают берегового склона. Теоретических мареограмм смещений в волнах цунами в этой работе получено еще не было, однако использованный им простой метод решения линеаризованной задачи возбуждения, основанный на применении интегральных преобразований, представлял для того времени определенный интерес.

Е.Так и Л.Хванг в работе (Tuck, Hwang, 1972) рассмотрели плоскую задачу о возбуждении волн движением дна на подводном склоне, используя уравнения линейной теории длинных волн для описания волнового поведения. Уравнения решались аналитически для произвольного движения дна, которое считалось возникающим мгновенно у берегового края жидкой области. Волны затем распространялись в жидкости, глубина которой линейно возрастала. Были вычислены волновые профили ?](х) и мареограммы t](t) для случая, когда максимум смещения дна щ происходил у точки х=0 (урез воды) и экспоненциально уменьшался для х>0, и исследована область применимости линейного длинноволнового описания.

Дальнейший прогресс в теоретическом изучении цунами был связан с применением численных методов, позволивших решать задачу о возбуждении для жидкого слоя переменной глубины и произвольных подвижек дна. Одной из первых и часто упоминаемых работ по расчетам реального цунами на конкретных участках акватории океана была работа (Hwang, Divoky, 1970), посвященная численному моделировниию Аляскинского цунами 1964 года. В ней авторы применили нелинейную (первого порядка) систему уравнений теории длинных волн, игнорирующую вертикальные движения воды и, таким образом, все эффекты частотной дисперсии. Эти уравнения преобразовывались в конечно-разностную форму и решались численно на сетке с шагом около 0.5, покрывающей область очага и прилегающие к ней участки океана. Были вычислены волновые профили в нескольких точках вблизи очага; их совпадение с реальными не проверялось, поскольку в наличии нет записей этого цунами на глубокой воде. В одной точке побережья вычисленные колебания были сравнены с наблюденными и обнаружено их удовлетворительное соответствие. В последующей работе (Hwang et al., 1971) эта модель была улучшена введением поправок на кривизну Земли путем записи основных уравнений в сферических координатах. Позднее она применялась для численного моделирования цунами от Чилийского 1960г. и некоторых других сильнейших землетрясений, характер подвижек дна при которых более или менее известен.

В работах (Aida, 1974, 1978) аналогичный подход был применен для численного моделирования двух реальных цунами - Ниигатского в 1968г. и в районе Токачи-Ока 1964г. Для первого из них характер подвижек дна был определен инструментальными измерениями. В качестве первого приближения было принято, что подвижки происходили мгновенно, поэтому форма начального возвышения поверхности повторяет форму донных смещений. Дальнейшая эволюция этого начального возвышения определялась численно учетом реальной топографии дна. Рассчитанные теоретические мареограммы на побережье обнаружили хорошее соответствие с наблюденными. Для второго цунами характер подвижек дна был известен лишь в самых общих чертах, однако имелось большое количество его мареографных записей на побережье. Было рассмотрено несколько вариантов подвижки, и путем сравнения рассчитанных мареограмм с наблюденными выбрана модель с наилучшим соответствием.

В заключение этого обзора остановимся кратко на работах Дж. Хэммака (Hammack, 1972, 1973), посвященных изучению генерации волн подвижками жесткого дна и распространения цунами в ближней зоне. В них освещается важный вопрос о пределах применимости линейного описания процессов возбуждения и распространения цунами. К достоинствам этих работ следует отнести то, что в них детальный теоретический анализ сопровождается тщательно выполненными модельными экспериментами в волновом лотке. Дж. Хэммак рассмотрел возбуждение гравитационных волн в слое идеальной жидкости постоянной глубины Н при заданных подвижках дна фc,t) в плоском и осесимметричном случаях. Численные расчеты и измерения в лотке выполнены для частного случая блоковой подвижки дна с конечной амплитудой д> и шириной 2Ь. В работе получены три безразмерных параметра, характеризующие волну в области ее возбуждения: %/Н - амплитудный масштаб подвижки, Ь/Н - пространственный масштаб подвижки и tc-sfgH/b- так называемое пространственно-временное отношение, где tc - характеристическое время подвижки, параметр, аналогичный времени нарастания разрыва в очаге. (Физический смысл последнего отношения ясно виден - это отношение расстояния, на которое распространяется волна цунами за время tc к горизонтальному размеру подвижки.) По величине пространственновременного отношения подвижки разделены на импульсные (tcy[gH /Ь<< 1), промежуточные (tc-JgH /Ь~ 1) и медленные (tc*JgH /b»1).

Показано теоретически и подтверждено экспериментальными измерениями для широкой области изменения параметра Ь/Н, что линейная теория точно описывает процесс возбуждения волн для импульсных и промежуточных подвижек, когда \4</Н |< 0,2. Для медленных подвижек линейная теория применима во всем диапазоне изменения амплитудного масштаба, т.е. для \4(/Н |< 1. Обнаружено что форма волн, выходящих из области возбуждения, не зависит от конкретного вида временной функции в источнике в случае импульсных подвижек и непосредственно определяется ее видом при медленных подвижках. Этот вывод находится в полном соответствии с результатами изучения процесса возбуждения цунами в рамках сейсмоупругой модели, изложенными в § 1.1 и § 1.2

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Объем диссертации 342 страницы, включая 116 рисунков и 13 таблиц. Список литературы содержит 475 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решены реалистичные модельные задачи по возбуждению и распространению волн цунами, к ходе которых установлены фундаментальные закономерности, определяющие свойства цунами в зависимости от параметров очага подводного землетрясения и его положения на материковом склоне:

• в рамках упругой модели возбуждения цунами проанализированы условия возбуждения цунами очагом подводного землетрясения, в частности, получена зависимость амплитуд цунами на глубокой воде от механизма очага, его глубины, скорости распространения разрыва и времени нарастания подвижки;

• получены оценки доли энергии цунами в общей энергии излучаемой очагом землетрясения и изучено изменение этой доли в зависимости от механизма и глубины очага;

• изучена зависимость распределения высот волн цунами вдоль побережья от механизма очага и его положения на береговом склоне, впервые получена теоретическая зависимость интенсивности цунами на побережье от момент-магнитуды подводного землетрясения;

• выполнено численное моделирование ряда реальных цунами Курило-Камчатского региона (Шикотанских цунами 17.06.1973г. и 6.10.1975г., Озерновского цунами 22.11.1969г., Камчатского цунами 4.11.1952г. и др.) на основе которого показана возможность использования созданных численных моделей для предвычисления ожидаемых высот цунами на побережье.

В рамках системного подхода проанализирована структура и принципы работы существующих на Тихом океане служб предупреждения о цунами. На основе полученных выводов, а также используя результаты численного моделирования возбуждения и распространения цунами на реальном рельефе северо-западной части Тихого океана:

• сделаны рекомендации для модернизации системы предупреждения о цунами, существующей на Дальневосточном побережье РФ;

• выполнено оптимальное планирование системы сейсмических наблюдений, ориентированной на прогноз цунами в Курило-Камчатском регионе;

• предложена структура технических и программных средств системы обработки сейсмических и мареографных данных для региональной системы предупреждения;

• даны оценки возможностей магнитудного и гидрофизического методов прогнозирования цунами в конкретных физико-географических условиях Курило-Камчатского региона.

Проанализированы существующие подходы к задаче получения оценок долгосрочного цунамириска и решен ряд задач по цунамирайонированию конкретных участков тихоокеанского побережья:

• на основе анализа каталога высот цунами для Курило-Камчатского региона получены оценки повторяемости цунами для ряда пунктов Курило-Камчатского побережья, в наибольшей степени обеспеченных наблюдениями высот волн;

• на основе «сценарного» подхода построена карта цунамиопасности Беринговоморского побережья Камчатки;

• предложен новый подход к решению задачи получения долгосрочных оценок цунамириска, основанный на методе «сеймотектонического пробабилизма», сочетающий в себе преимущества вероятностного и «сценарного» подходов; проанализированы условия его применимости в различных цунамигенных регионах мирового океана.

Впервые созданы полные параметрические каталоги цунами Тихого и Атлантического океанов, покрывающие всю их территорию (включая окраинные моря) и весь период исторических наблюдений. На основе анализа содержания этих каталогов:

• выполнены расчеты карт сейсмо- и цунамиактивности, получены оценки повторяемости цунами по основным цунамигенным регионам Тихого и Атлантического океанов;

• выявлены различия в цунамиэффективности подводных землетрясений с одинаковыми магнитудами, происходящих в различных сейсмоактивных регионах мирового океана;

• изучена корреляция условий возбуждения цунами с положением основных осадочных зон Тихого океана. Обнаружено, что основная масса событий с повышенной цунамиэффективностью происходит в пределах экваториальной, а также северной и южной гумидных зон, характеризующихся наиболее высокими скоростями осадконакопления (Лисицын, 1974).

Разработаны средства информационной поддержки фундаментальных и прикладных исследований по. проблеме цунами, в число которых входят:

• интерактивная система картографической поддержки GIMAS для построения цифровых карт рельефа морского дна и земной поверхности;

• графическая оболочка PDM для взаимодействия пользователя с каталогами цунами, коррекции их содержания и ввода новых данных;

• графическая оболочка WinHTDB для визуализации данных наблюдений цунами и результатов расчетов на конкретной картографической основе;

• программа расчета остаточных деформаций дна в очаговой области цунами;

• программа быстрого расчета карт времен распространения цунами на реальных участках акватории Тихого и Атлантического океанов;

• программа расчета распространения волн цунами на реальных участках акватории океана в рамках нелинейной модели мелкой воды.

На основе разработанных математических моделей и созданных программных средств создана информационно-экспертная система для обеспечения исследований по проблеме цунами (ИЭСЦ), в состав которой входят базы данных по наблюдениям цунами и землетрясений, большой массив цифровых географических данных по рельефу мирового океана, блоки расчета начальных смещений дна, карт изохрон и теоретических мареограмм цунами, блок анализа полноты и качества каталогов землетрясений и цунами, блок получения повторяемости землетрясений и цунами, блок получения оценок долгосрочного цунами риска для участков побережья. Система работает под управлением операционных систем MS-DOS, Windows 95, 98, 2000, NT 4.0 и ХР и обеспечивает автоматизацию решения широкого круга задач по исследованию проблемы цунами.

1. Аверьянова В.Н. Детальная характеристика сейсмических очагов Дальнего Востока, М.: Наука, 1968, 192 с.

2. Алексеев А.С., Гусяков В.К. Об оценке цунамиопасности подводных землетрясений // Землетрясения и предупреждение стихийных бедствий: Труды 27-го Международного геологического конгресса, Москва, 4-14 августа 1984г., Т.6, М.: Наука, 1984. С.127-133.

3. Алексеев А.С., Гусяков В.К., Чубаров Л.Б., Шокин Ю.И. Численное исследование генерации и распространения волн цунами при реальной топографии дна. Линейная модель // Изучение цунами в открытом океане, М.: Наука, 1978, С.5-20.

4. Аранович З.И. и др. Анализ некоторых характеристик сейсмологической информации и метрологические требования к системам регистрации // В сб.: Сейсмические приборы, М.: Наука, 1980, вып. 13, С.89-99.

5. Аранович З.И., Кондорская Н.В. К вопросу об оптимальной системе сейсмических наблюдений. // В кн.: Вопросы оптимизации и автоматизации сейсмических наблюдений, Тбилиси, 1977, С.3-26.

6. Атлас максимальных заплесков цунами. Отв.ред. С.Л.Соловьев, Владивосток: МГИ АН УССР, ДВНИГМИ, 1978, 61с.

7. Багриновский К.А., Годунов С.К. Разностные схемы для многомерных задач // ДАН СССР, 1957, Т. 115, № 3, С.431-433.

8. Балакина Л.М. Цунами и механизм очага землетрясений северо-западной части Тихого океана. // В кн.: Волны цунами: Труды СахКНИИ, вып. 29, Южно-Сахалинск, 1972, С.48-72.

9. Балакина Л.М. Ориентация разрывов и подвижек в очагах сильных землетрясений северной и северо-западной части Тихого океана. // Физика Земли, 1979, № 4, С.43-52.

10. Балакина Л.М. Сильные землетрясения 1974-1975 гг. в южной части Курильской островной дуги. Процессы в очагах. // Физика Земли, 1983, № 8, С.3-19.

11. Батасова B.C., Гаврилов В.А. Оптимальное расширение сейсмотелеметрических сетей Камчатки // Вулканология и сейсмология, 1990, № 1, С.91-103.

12. Бернштейн В.А. О локальном цунамирайонировании (постановка задачи и состояние методов ее решения) // Оперативный и долгосрочный прогноз цунами, 1983, С.143-149.

13. Бернштейн В.А., Го Ч.Н., Поплавский А.А. Способ оценки повторяемости высот цунами у произвольного участка берега. // Волны цунами: Труды СахКНИИ, вып.32, Южно-Сахалинск, 1973, С. 183-187.

14. Бойчук А.Н,. Капанина Л.И., Поплавская Л.Н. Оптимальная сеть сейсмических станций для определения эпицентров землетрясений Южных Курильских островов // В кн.:17