Вычислительное моделирование длинноволновой динамики океана в оперативном режиме и при выполнении экспертных работ

В. Н. Храмушин
Вычислительный центр Санкт-Петербургского государственного университета
 

Вводные замечания

Сахалинская область - единственная область в Российской Федерации, которая расположена на многочисленных островах в Японском, Охотском морях и в Тихом океане. Она является уникальным для России морским регионом, географическое положение которого обязывает заниматься задачами наблюдения и контроля в дальневосточных морях, поддерживать работоспособность и действенность систем предупреждения об опасных морских, метеорологических и сейсмических явлениях. По ряду объективных причин, в настоящее время следовало бы вести речь не столько о совершенствовании действующих служб, сколько о восстановлении и воссоздании утраченных систем наблюдения. Однако, в надежде на улучшение экономической ситуации в нашей стране мы будем говорить здесь о том, какими, по нашему мнению, должны быть названные службы.

На рисунке 1 показана обзорная схема пунктов наблюдения за сейсмической и гидрофизической обстановкой. Оперативный сбор информации с постов наблюдения и автономных регистраторов необходим для оценки сейсмической обстановки, а также для выполнения прогнозов опасных морских явлений и выработке решений об объявлении тревоги цунами. Создание современной телеметрической сети, в которую должны быть включены действующие посты наблюдения и новые автономные регистрирующие станции, является необходимым условием для реального контроля состояния окружающей среды и предупреждения в чрезвычайных ситуациях природного характера.

С чисто организационной точки зрения представляется целесообразным объединить все системы наблюдения за состоянием окружающей среды по крайней мере на информационном уровне в единую систему с центром (центрами) обработки данных и оперативного оповещения всех заинтересованных организаций и лиц о возможных предстоящих экстремальных явлениях на море. Рис.2 показывает примерную схему такой системы.

Здесь необходимо сделать важнейший вывод о том, что затянувшийся с 50-х годов опыт создания Советской дальневосточной системы оперативного наблюдения за состоянием моря, когда все организационно-технические решения принимались очень далекими от приморских реальностей центральными ведомствами, закончился с абсолютно отрицательными результатами. Приведенная на рисунке 2 блок-схема показывает один из наименее болезненных способов преодоления накопившихся ведомственных противоречий, когда вся ответственность за решение задач, связанных с организацией оперативных наблюдений за морем, свойственных только Дальнему Востоку России, переносится на региональный сахалинский (и дальневосточный) уровень.

Именно региональный уровень ответственности за развертывание и использование оперативных систем контроля обстановки на море полностью соответствует успешному опыту создания аналогичных служб в соседних Японии, Аляске, Канаде и США.

Вкратце покажем особенности работы службы оперативного контроля обстановки на море, как одной из региональных подсистем единой Тихоокеанской системы наблюдения за опасными морскими явлениями.

Для выработки решения об объявлении тревоги цунами, сеть наблюдения за состоянием моря должна предоставлять информацию в центр ее обработки с задержками не выше одной минуты. Это обусловлено тем, что цунами представляет опасность сразу же, как только волна достигает побережья. Период волн цунами, для близких источников землетрясения может составлять 3-4 минуты, для Курильских землетрясений - это, обычно, 10-12 минут, для далеких землетрясений, происходящих у побережья Америки или в Юго-Восточной Азии - на Курилах и Сахалине может наблюдаться цунами с периодом 30-40 минут.

Штормовые нагоны и вызываемые ими тягуны в морских портах, могут быть охарактеризованы как длинные волны с периодами от часов до нескольких суток. Тем не менее, время реагирования сети наблюдения на изменение уровня моря, в случае прохождения тайфуна, не должно превышать нескольких минут. Здесь должна решаться задача о фиксации опасного отклонения уровня моря и скорости течения от их характерной динамики, которая проявляется при приливах и стандартных (безопасных) циклонах. Вычислительные эксперименты, в этой задаче (так же, как и в задаче о цунами), должны обеспечить выполнение автономных прогностических расчетов, а также проводить интерполяцию данных между постами наблюдения и экстраполяцию на большие расстояния от них с целью восстановления гидродинамического режима в существенно большей акватории, чем та, по которой могут быть получены данные от автоматизированных оперативных постов наблюдения (последних в Сахалинской области пока не имеется). Это необходимо для принятия решений при выполнении своевременных и обоснованных прогнозов опасных морских явлений.

При оперативном анализе информации, непрерывно поступающей по телеметрическим каналам связи, могут, также, использоваться данные от других систем наблюдения, к примеру, материалы дистанционного зондирования Земли, но все эти разрозненные во времени и пространстве данные должны увязываться с помощью единой модели состояния моря и атмосферы, построенной на основе непрерывного численного моделирования гидрофизических процессов в морских акваториях. Комплексное решение такой задачи облегчается замкнутостью Охотского и Японского морей, что позволяет учитывать влияние большого Тихого океана косвенно, например, - путем задания изменяющихся во времени динамических граничных условий в Курильских проливах.

Основное содержание второй части книги - это описание структуры и регламента функционирования единого (вневедомственного) регионального Сахалинского оперативного информационного центра (СОИ Центра) наблюдения за состоянием моря, и некоторых технических предложений по организации самой системы наблюдения за морем, вытекающих из идеи комплексного использования (комплексной обработки) всех данных о состоянии окружающей среды. При этом численное моделирование длинноволновых процессов выступает как необходимый элемент программного обеспечения оперативной работы такой системы. Поскольку такой системы и службы в Сахалинской области пока не существует, имеющиеся наработки по моделированию цунами, штормовых нагонов и циклонов (тайфунов) предложены для практического использования в действующих оперативных службах Сахалинского УГМС и его Центра цунами.

Реализованные и предлагаемые к внедрению вычислительные комплексы готовы к выполнению исследовательских и поверочных расчетов, которые должны быть выполнены для тестирования вычислительных моделей в реальной практике служб наблюдения за морем, а также с целью выработки регламента использования вычислительных экспериментов в оперативных службах, несущих круглосуточное дежурство.

Для ускорения собственных исследований и адаптации вычислительных комплексов к потребностям действующих служб, авторами принято решение о свободном распространении всего комплекса океанологических программ, вместе со всеми исходными текстами и подробной документацией к программам и форматам баз данных. В случае использования программных комплексов в оперативных службах и режимных отделах территориальных УГМС, штабах по делам ГОиЧС и др., программы и математические модели будут перестраиваться и адаптироваться к потребностям этих служб.

Реальное внедрение современных информационно-аналитических комплексов в действующую службу предупреждения об опасных морских явлениях неизбежно потребует ее дооснащения современными средствами наблюдения и передачи данных.

В настоящее время имеет место несоответствие между существующей вычислительной техникой и устаревшими средствами сбора и передачи исходной информации, а также организационной структурой соответствующих служб. Сделанное замечание относится и к наблюдательным подсистемам (сейсмической и гидрофизической) службы предупреждения о цунами и службы прогноза опасных и особо опасных морских явлений. В соответствующем месте книги излагается наше видение того, как с минимальными затратами можно было бы дооснастить гидрофизические наблюдательные подсистемы этих служб и организовать их в единую службу оперативного наблюдения за морем в Сахалинской области или, в целом, на Дальнем Востоке России.

Показать, что наработанные вычислительные комплексы уже готовы к интегрированию в оперативные службы наблюдения за морем и службы реагирования на опасные явления, было главной задачей настоящей части книги. Поэтому авторы сочли возможным опустить дискуссионные вопросы о методах моделирования и сравнения собственных результатов с аналогичными достижениями других авторов. Такой анализ затруднил бы изложение организационно-технических предложений по службе в целом и сильно увеличил бы объем книги. Авторы надеются вернуться к детальной проработке опущенных вопросов, к анализу и сравнению различных вычислительных моделей в своих дальнейших публикациях.

Материал второй части распределен по главам и приложениям следующим образом. Последовательность изложения глав подчиняется логике проектирования «сверху - вниз», когда под базовую идею подбираются методы ее материального воплощения. При этом, описываемые комплексы программ и технические предложения по организации службы создавались ранее по логике проектирования «снизу-вверх», то есть не свободны от излишней детализации.

В первой главе описаны уже реализованные комплексы программ, дано обобщенное описание их назначения и возможностей, а также сказано о возникших технических и математических проблемах, некоторые из которых сформулированы, другие же только осознаны.

Во второй главе рассказывается об основных математических моделях, алгоритмах и методах их использования при проведении вычислительных экспериментов, которые реализованы в действующих программных комплексах.

Третья глава посвящена организационно-техническим вопросам совершенствования действующей службы цунами, показана необходимость комплексного подхода к решению задачи предупреждения о цунами. Сбор и анализ оперативных данных о текущем состоянии моря должен использоваться не только при выработке тревоги цунами, но также и при выполнении прогнозов и предупреждении о штормовых нагонах на побережье и о тягунах в морских портах. В этой же главе перечислены подготовительные работы, которые должны предшествовать внедрению уже реализованных программных комплексов (оцифровка карт, уточнение эмпирических коэффициентов и адаптация искусственных поправок). Приводятся примеры моделирования Южно-Курильского цунами 1994 года, показано решение задачи о прохождении циклона в ноябре 1995 года, представлены результаты моделирования приливного режима в Охотском море.

В последней, шестой главе даются краткие практические инструкции по использованию программных комплексов для подготовки и анализа исходных данных, и выполнения вычислительных экспериментов по моделированию длинноволновой динамики океана. Более детальное описание программ, команд управления вычислениями, а также описание форматов данных, вынесено в приложения А и Б.

Мы полагаем (надеемся), что описанные в этой части книги действующие комплексы математического обеспечения окажутся полезными для работы соответствующих подразделений всех заинтересованных УГМС (Сахалинского, Камчатского, Магаданского, Приморского и Хабаровского) и штабов по делам гражданской обороны. Территориально авторы тяготеют к Сахалину (являются жителями Южно-Сахалинска), поэтому так часты в тексте ссылки на Сахалинское УГМС, Центр цунами которого являлся естественным полигоном для обкатки всех математических наработок и программных комплексов.

Важно отметить, что практически все представленные здесь методики и программы являются результатом коллективного творчества сотрудников лаборатории цунами Института морской геологии и геофизики и лаборатории Вычислительной гидромеханики и океанографии СКБ средств автоматизации морских исследований ДВО РАН в течение последних 10-15 лет. Научное руководство и авторство на существенную часть базовых математических моделей и алгоритмов принадлежит Исааку Вениаминовичу Файну. Сценарий использования программ и алгоритмы проведения кинематических расчетов реализовывалась под пристальным вниманием и непосредственным руководством Александра Александровича Поплавского. Базы данных исторических событий и программы для работы с ними строились совместно и для Го Чан Нама. Особо хочется отметить помощь в решении математических задач, и поблагодарить за создание технических условий для успешной разработки программ, заведующего лаборатории цунами Виктора Михайловича Кайстренко.

Глава 1. Вычислительные эксперименты. Задачи и проблемы

Современное состояние вычислительной математики, компьютерных технологий и электронных средств передачи информации позволяет выполнение реальных оперативных и экспертных работ по контролю обстановки на море с использованием достаточно сложных программно-вычислительных комплексов. Актуальной задачей для дальневосточных (сахалинских) оперативных служб является создание системы для комплексного наблюдения за сейсмической, гидрофизической, метеорологической и экологической обстановкой в дальневосточных морях России. Это необходимо также и для выполнения прогнозов и предупреждений населения и флота в случае чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Ниже будут рассматриваться вопросы совершенствования службы предупреждения о цунами, некоторые особенности оперативной работы которой можно с пользой перенести на другие службы предупреждения об опасных морских явлениях и обеспечения безопасности мореплавания. В качестве важнейшего звена в системе наблюдения за обстановкой на море должны быть использованы гидродинамические вычислительные эксперименты, из которых моделирование длинноволновых процессов в прибрежной зоне океана доведено до уровня, позволяющего вести речь о внедрении их в действующие службы и режимные отделы Сахалинского и других дальневосточных УГМС.

Классифицируем вычислительные эксперименты и связанное с ними математическое обеспечение по уровням сложности. Это позволит сформулировать основные правила и допуски на использование новых программных комплексов в действующих оперативных службах:

Исследовательское математическое обеспечение, к которому относятся все представленные в данной работе программы. Оно предназначено для отработки методов моделирования и интерпретации результатов исследований. Данное матобеспечение может быть предложено для опытной эксплуатации в ведомственные службы, к которым относится Центр цунами и Морской Отдел Сахалинского УГМС;

В процессе опытной эксплуатации исследовательского математического обеспечения, пользовательские интерфейсы программ могут быть доведены до уровня автоматизированных рабочих мест инженеров-океанологов, которые в будущем превратятся в инструментарий для автоматизированной обработки океанологических материалов.

В процессе эксплуатации программ в условиях реальной океанологической практики, вычислительные эксперименты могут быть адаптированы к реальной гидрофизической обстановке в дальневосточных морях, а алгоритмы обработки оперативных данных будут формализованы в автоматизированные системы, которые могут быть использованы в единой системе наблюдения за морем.

Вычислительные модели и методики обработки океанографической информации разрабатывались с учетом необходимости их использования в действующих оперативных службах, ведущих наблюдение за состоянием моря. Это означает, что в программных комплексах заложены возможности анализа применимости математических моделей, отдано предпочтение высокоскоростным методам вычислений. Дополнительные факторы, уточняющие расчеты, задаются с помощью специальных команд. К таким факторам относится сферичность и вращение Земли, притяжение Луны и Солнца, учет внешних возмущений, придонное трение, перепады атмосферного давления и ветра и др.

Высокая эффективность использования вычислительного моделирования может стать явной только при условии быстрого поступления оперативной информации о текущем состоянии моря по телеметрическим каналам сбора данных от действующих постов наблюдения. В настоящее время, в Сахалинской области такая сеть отсутствует, поэтому скорейшее освоение и запуск в реальную эксплуатацию программ океанологического моделирования, поможет инженерам оперативных служб выработать наиболее эффективные решения при создании единой сахалинской сети сбора и рассылки оперативной информации по контролю состояния окружающей среды, и с целью выполнения действий по предупреждению и защите населения от опасных морских явлений и катастроф.

Уже реализованный комплекс вычислительных процедур предназначен, в первую очередь, для совершенствования инструментальных средств океанолога - исследователя и оформлен в виде графической экспертно - информационной среды, которая в будущем могла бы унифицировать обработку океанологической, метеорологической и сейсмической информации в проблеме цунами, морских наводнений и других опасных морских явлениях.

Комплекс состоит из нескольких взаимосвязанных программ:

С помощью указанных программ поддерживаются файлы (базы данных), которые опознаются в настройках операционной системы по «расширению» имен файлов (второму трехбуквенному имени, которое в полном имени файла указывается после точки):

• .inf -> .int, .byt, .dat батиметрические данные с описанием постов наблюдения;
• .chk полный образ данных остановленного вычислительного эксперимента;
• .mar приливы и другие временные ряды наблюдений на морских и сейсмических постах наблюдения;
• .tim данные о приливных постах и гармонических постоянных;
• .lts списки сейсмических и цунами событий;
• .tv, pcx черно-белые и цветные рисунки, снятые с экрана ЭВМ в формате принтера Epson и графической программы Paintbrush.

В 1994 году был разработан эмулятор в среде Windows 3.1, для всех графических примитивов, задействованных программах. В конце 1995 года все программы были адаптированы для работы на третьей операционной платформе - в защищенном режиме под управлением DPMI-16. В Windows и DPMI практически не существует ограничений на размеры батиметрических карт и объемы мареографных баз данных. Во всех программах предусмотрены базовые сервисные функции, такие как, возможность ручного редактирования графического изображения на экране ЭВМ, сохранение этого изображения в файле, печать его на принтере и др.

Из вышеперечисленных, необходимо выделить две крупные программные разработки, одна из которых ориентирована на проведение вычислительных экспериментов: “ANI”, другая для анализа наблюдений за уровнем моря: “MARIO” . Они представляют из себя единые модули, в которых объединено множество процедур для решения различных гидрофизических и океанологических задач. Эти модули объединены форматами используемых данных и единообразным графическим интерфейсом. При разработке программ учитывались потребности, пожелания и особенности работы Сахалинской службы предупреждения о цунами. Хочется выразить надежду, что реализованные программы могут быть в полной мере использованы (и частично уже используются) при подготовке к несению службы и во время проведения тревоги цунами.

Первый программный модуль - ANI. Он предназначен для проведения вычислительных экспериментов по длинноволновой динамике океана. Он состоит из следующих процедур:

• Ведение базы данных батиметрического материала.
• Ведение списков мареографных постов наблюдения.
• Комплекс задач на основе кинематики волновых фронтов.
• Комплекс задач для проведения вычислительного эксперимента в океанологии для цунами, приливов и штормовых нагонов.

Вторая программа - MARIO. Это информационно-вычислительный комплекс изначально ориентированный на обработку мареографных данных, получаемых в результате вычислительных экспериментов. Он характеризуется наличием двух больших комплексов процедур:

• База данных для хранения и обработки мареографных рядов.
• База данных для работы с годовыми приливными рядами и их гармоническими постоянными.

В указанные комплексы программ встроены утилиты для работы с каталогами землетрясений и цунами, а также добавлены фоновые процедуры для обработки и печати графических изображений.

1.1. Вычислительные процедуры комплекса программ «ANI» - моделирование длинноволновых процессов в океане

По состоянию разработок в 1997 году, основной программный модуль: ANI, позволяет решать следующие задачи:

Процедура “Chart”. Ведение библиотеки батиметрических карт, оцифрованных на меркаторской или географической сетке, с полным комплексом операций по редактированию и трансформации батиметрических данных. Здесь могут быть выполнены работы по подготовке батиметрических карт к проведению вычислительных экспериментов. Реализованы операции по трансформации карт в географических и меркаторских проекциях, при этом в интерактивном режиме могут быть подготовлены оптимальные расчетные области заданного размера, ориентации и шага сетки. Здесь же реализованы алгоритмы, в которых при замене батиметрии производится переинтерполяция всех расчетных полей, созданных в процессе проведения вычислительных экспериментов, а также перенос всех постов наблюдения в строгом соответствии с географическими координатами;

Процедура “Mario”. Расстановка и редактирование списка постов наблюдения за уровнем моря, расстановка осуществляется либо в диалоге с программой, либо путем вписывания координат в информационные файлы, описывающие батиметрию. При проведении вычислительных экспериментов, в отмеченных постах наблюдения будет отслеживаться уровень моря, они же задействуются для визуализации времени регистрации и экстремальных амплитуд волн цунами. Здесь же реализованы алгоритмы измерения углов и расстояний с учетом сферичности Земли, что необходимо при оптимизации расстановки постов наблюдения. Предусмотрена, также, возможность корректировки глубин, что может быть использовано для моделирования защитных береговых сооружений;

Процедура “Time”. Построение карт волновых фронтов и лучевых картин для источников произвольной формы, для группы из нескольких источников, в том числе начинающих свое излучение по заданному временному расписанию, а также построение разностей прихода волн от группы источников излучения в комплексе с точками на защищаемом побережье. Кроме того реализован целый комплекс запросов к программе и специальных задач и алгоритмов, которые могут быть использованы как для предварительной экспертизы цунами-защищенности побережья, так и в оперативных службах предупреждения о цунами.

Процедура “Simulation”. Проведение вычислительного эксперимента при оперативном или исследовательском моделировании длинноволновых процессов в океане от различных источников, которое допускает решение нижеперечисленных задач.

Процедура “Seismic List”. База данных с графическим и табличным представлением истории сейсмических и событий цунами, которые представляются в режиме иллюстративной графики. События из этой базы данных могут выбираться непосредственно из процедур кинематического (Time) и динамического (Simulation) моделирования.

1.2. Интерпретация океанологических данных и результатов вычислений
с помощью программного комплекса MARIO

Второй крупный программный модуль - MARIO, предназначен для организации хранения и обработки временных рядов наблюдения за уровнем моря и приливным режимом, он может быть использован также при работе с сейсмологическими и другими данными. Форматы для представления мареографных рядов создавались с целью унификации представления наблюдений за уровнем моря и для обеспечения доступности ранее накопленных материалов для широкого круга исследователей. С каждым временным рядом связано его описание, которое состоит из названия пункта, его географических координат, времени начала наблюдений, дискретности, длины ряда и способа его представления в базе данных.

В процессе решения различных задач по обработке результатов наблюдений за уровнем моря управляющая программа пополнялась соответствующими алгоритмами. В настоящее время с рядами можно проделывать операции по редактированию, восстановлению и интерполяции. Реализовано множество арифметических операций, 4 алгоритма фильтрации, пересчеты наблюдений с морских точек на береговые, а также с моря на мареограф и обратно. Предусмотрено также обращение к приливной базе данных, из которой автоматически выбирается приливной ряд для текущей записи.

Программа Mario поддерживает базу данных для работы с годовыми приливными рядами и их гармоническими постоянными, которая состоит из интерактивной системы для работы с приливными гармоническими постоянными и процедурами поддержки годовых рядов наблюдений за уровнем моря в специализированном формате, который учитывает цифровки мареограмм на гидрометеопостах.

Программа Mario адаптирована к нуждам оперативной службы предупреждения о цунами и позволяет визуализировать текущее состояние приливного режима в виде географической карты, на которой нанесены названия защищаемых пунктов и двухсуточные кривые приливной волны. Приливные данные могут быть представлены виде комплекта графиков суточных приливов и высот опасных волн цунами на фоне прилива.

1.3. Выполненные научные разработки и нерешенные проблемы

В плане научной новизны методов, реализованных в вычислительном эксперименте, в первую очередь необходимо отметить собственно алгоритмическую реализацию всего интерактивного программного комплекса ANI в целом. В данном случае речь идет о проектировании сложной графической системы, в которой алгоритмические методы программирования используются с целью достижения максимальной скорости вычислений, а также с учетом необходимости поддержания удобного диалога с исследователем. Собственно стилистическая основа вычислительной среды исполнена в правилах “функционального программирования” [Баррон, 1980], где математические модели могут изменяться без опасности разрушения основной структуры программы.

В основе графической системы и математики для картографических преобразований заложена полная тензорная схема преобразования координат с сохранением прямой и обратной матрицы трансформации. Это позволяет пользоваться простыми и наглядными правилами координатных преобразований, и, как оказалось, такое решение задачи о преобразовании координат требует минимального числа вычислительных операций.

Для моделирования кинематики волновых фронтов была разработана специальная четырехточечная расчетная схема, в которой используются производные по направлению. В отличие от известных схем с 8-и и 16-и точечными шаблонами, которые при расчетах на ровном дне дают соответствующие многоугольники, данная схема рисует криволинейные фронты по форме очень близкие к окружности. В новой 4-х точечной схеме полностью отсутствует проблема перескакивания волнового фронта через “тонкие острова”, более точно отслеживаются особенности рельефа морского дна, расчет ведется существенно быстрее и для хранения линии фронта требуется соответственно в 2 или в 4 раза меньше оперативной памяти ЭВМ.

В новом алгоритме расчета волновых фронтов достигнута достаточно высокая гладкость линии фронта, что позволило реализовать быстрый расчет коэффициентов усиления волны цунами на основе модели «сверхдлинных» волн (не зависящих от периода волны). В данной модели используются уравнения одномерного наката с учетом сходимости лучевых трубок (с учетом кривизны фронта). К сожалению, так как при расчетах волновых фронтов по четырехточечному шаблону, на ровном дне, все-таки не получается формы точной окружности, то погрешности в кривизне линии фронта накапливаются при проведении расчетов коэффициентов усиления, что не позволяет говорить о готовности данного метода к использованию в действующих оперативных службах. Тем не менее, при определенных условиях задания исходных данных на реальной батиметрии, указанный метод расчетов амплитуды первого вступления волны цунами дает погрешности в пределах 15-20 % и может быть рекомендован к использованию при экспертных оценках воздействия цунами на побережье.

Суть неразрешенной проблемы кроется в том, что для получения гладких и точных линий волновых фронтов в процессе счета необходимо получать в каждой точке расчетной области с высокой точностью решение следующего неявного уравнения, относительно величины T - уточненного времени в центральной точке расчетного шаблона:

Опробованные нами стандартные методы решения этого уравнения, дающие необходимую точность, требуют чрезмерно большого времени счета, а использованный нами быстрый метод решения собственного изобретения не дает желаемой точности.

Для построения лучевой картины были разработаны алгоритмы, использующие дополнительную матрицу, в которой хранятся углы подхода волнового фронта. Затем подобраны схемы интегрирования с автоматически центрирующимися шаблонами, которые позволяют вычислять лучи и фронты с высокой точностью и с очень высокой скоростью, достаточной для быстрой прорисовки луча и фронта вслед за курсором, движущимся по экрану ЭВМ. Необходимо отметить, что для оптимальной прорисовки лучевой картины, нет возможности автоматического выбора углового шага, так как обычно лучи сильно искривлены и часто образуют “каустики” - линии в которые собираются все лучи. Поэтому ускоренное изображение лучей на экране ЭВМ, с ручной отметкой наиболее показательных лучевых линий, является единственным и оптимальным способом графического изображения лучевых полей. Такой же метод необходим для выявления участков побережья с интенсивной сходимостью лучей, участков, на которых будет происходить концентрация волновой энергии в момент первого вступления волны цунами.

В качестве вычислительной модели динамики океанских волн был выбран метод "Конечного объема" [Андерсен и др, 1990] позволяющий описывать физику явления непосредственно в компьютерной или вычислительной терминологии. В данном случае - это модель длинных волн, заданная в потоках, и определенная на сферической Земле с равномерной сеткой в меркаторской проекции. Вычислительная модель построена таким образом, чтобы все дополнительные физические характеристики, как сферичность и вращение Земли; трение о морское дно и воздействие атмосферы, могли бы отделяться или добавляться к основным уравнениям по команде исследователя, в любое время в процессе моделирования. Такие уравнения можно определить как разделяющиеся по физическим параметрам [Белоцерковский, Давыдов, 1982]. Так как при построении вычислительной модели не делалось никаких допущений о малости конвективных и других членов уравнений, то можно считать, что она основана на полных уравнениях гидромеханики [Астарита, Маруччи, 1978], для которых, конечно, необходимо дополнительное исследование реологических свойств моделируемой жидкости [Храмушин, 1990], но такая задача выходит за рамки организационно-технических вопросов, освещаемых в данной книге.

Реализовано также моделирование воздействия атмосферного циклона или тайфуна, который может двигаться по произвольной криволинейной траектории, заданной временным расписанием движения, где вдоль траектории плавно меняются размеры атмосферного вихря, величина давления воздуха в его центре, скорость максимального ветра и коэффициент поверхностного напряжения на границе вода-воздух. Данная реализация сделана таким образом, чтобы без специальной переработки структуры программы можно было бы подключить оперативные карты реального атмосферного давления и распределения ветра.

Простейший способ введения в расчетную область приливной волны - это генерация внешнего возмущения на свободных границах с помощью периода и амплитуды входящей волны, которые могут быть заданы с помощью приливных гармонических постоянных. В настоящей версии программы реализовано прямое воздействие на поверхность моря со стороны Луны и Солнца, а также обращение к базе данных приливных гармонических постоянных. При простейшем использовании этой базы данных, может быть выбран один комплект гармоник, который впоследствии будет применяться как обычная входящая волна на свободных границах. Для моделирования же реального приливного режима реализован метод возмущения уровня моря вблизи мареографных постов, для которых известны реальные гармонические постоянные. Таким образом, для восстановления приливного режима полузакрытого моря или океанского побережья, необходимо провести длительное предварительное моделирование, до стабилизации переходного режима, когда вынужденные колебания, генерируемые в окрестностях мареографных постов, придут к полному согласованию с вынужденными колебаниями во всей водной акватории. Моделирование приливного режима в Охотском море, результаты его приведены в третьей главе, показало качественное восстановление полусуточной и суточной составляющей прилива, которая нагнетается в Охотское море из Тихого океана. В главе показывается принципиальная возможность непрерывного вычислительного мониторинга приливного режима в Охотском море. Но, к сожалению, в настоящее время удовлетворительного решения еще не получено, по нижеследующим причинам.

1. До настоящего времени еще не в полной мере завершена работа по учету приливообразующих сил, вызываемых влиянием Луны и Солнца непосредственно на поверхности Охотского моря

   В 1997 году указанная работа уже выполнена и проведены первые пробные расчеты моделирующие непосредственное воздействие Луны и Солнца на океанскую поверхность всего Земного шара, Тихого океана, а также Охотского моря. По мнению авторов полученные пред-варительные результаты можно определить как вполне удовлетворительные и качественно со-ответствующие известным распределениям амплитуд приливов вдоль побережья. К сожале-нию, утвердительные выводы о полном соответствии разработанной вычислительной модели и динамики реального прилива еще не делались, что в немалой степени обусловлено недостаточ-ными вычислительными ресурсами, имеющимися у авторов для проведения комплексных и длительных во времени вычислительных экспериментов

2. Тестовые расчеты требуют огромного времени вычислений, особенно в случае подключения к расчету динамических факторов непосредственного влияния Луны и Солнца (в этом случае, кроме нескольких арифметических операций на каждую расчетную ячейку, определяющих дифференциальные уравнения гидродинамики, добавляются несколько тригонометрических функций для вычисления видимых из каждой расчетной ячейки угловых координат Луны и Солнца, что фактически обесценивает внедренные в программу разработки по ускорению вычислений, и приводит к существенному снижению скорости вычислений).
3. Пока нет возможности для подбора и комплектования необходимого количества генерирующих мареографных постов, численность которых должна быть достаточной для перекрытия районов со свободными границами, так чтобы расстояния между ближайшими генераторами не превышали пространственной протяженности приливной волны (в открытой печати нет достаточного количества данных о гармонических постоянных, относящихся к Курильским проливам, так же как и к другой информации о гидродинамических процессах в территориальных водах России).
4. Для постановки качественного вычислительного эксперимента, необходимо предварительное решение задачи о выборе места генераторов волн вблизи побережья, которые по частотным и фазовым характеристикам должны соответствовать реальным мареографным постам, на которых производилось вычисление гармонических постоянных (это означает эквивалентное смещение фаз приливных волн с помощью подбора местоположения и глубины моря в районе мареографных постов так, чтобы произошло согласование реальных и расчетных времен пробега длинных волн по мелководному шельфу). Для выполнения указанной работы необходимо выполнить кинематический анализ времен прохождения длинных волн, а также выработать поправки к фазовым характеристикам «генераторов» прилива, работа, для выполнения которой необходимо иметь достаточно точные цифровые карты с батиметрическим описанием морского дна в районах установки мареографных постов, и которые к настоящему времени недоступны (или их вовсе не существует).

1.4. О методах обеспечения качества численного моделирования длинноволновых процессов

При создании системы программ для проведения вычислительного эксперимента, особое внимание уделено выполнению аппроксимационных критериев для правильного описания геометрической формы волны. Известно, что при подходе к мелководному шельфу, волна цунами становится очень короткой, при проведении вычислительного эксперимента это грозит тем, что она может стать меньше чем шаг расчетной сетки. Если же длина моделируемой волны становится равной двум шагам сетки, что соответствует частоте Найквиста, то соответствующая ячейка становится источником вынужденных колебаний с очень высокой добротностью. Активизация возмущений от таких точек может полностью исказить характер отражения волны цунами от побережья.

Внешне, механизм разрушения решения выглядит следующим образом. На трехмерной картине волнообразования "осциллирующая" точка выглядит как малоподвижный пик стоячей волны с высокой амплитудой. Образуются такие пики в районах мелководья. При этом в смежных точках, в которых глубина существенно больше, начинают возбуждаться высокочастотные колебания со столь же огромной амплитудой. В математическом плане это означает, что производится дифференцирование совсем не малых величин, что не соответствует постановке задачи об аппроксимации плавных функций с помощью конечных разностей.

Если же аппроксимационные критерии нарушаются в нескольких смежных точках или в целой расчетной области, то в этом районе можно наблюдать высокочастотные пространственные осцилляции, где во всех смежных точках амплитуда волны имеет различные знаки, что должно восприниматься как явный признак полного нарушения аппроксимационных критериев, которые приводят к разрушению решения во всей расчетной области.

Для решения указанной проблемы задействован целый комплекс средств, и первый из них - это наблюдение за ходом отражения волны цунами от побережья, для чего весь процесс решения визуализируется в виде мультфильма на графическом терминале ЭВМ. Во вторых, предусмотрен механизм отсечения мелководья, превращением его в береговую зону, это по крайней мере не позволит возникнуть осциллирующим точкам, с непредсказуемой частотой генерируемых волн. И коренное решение проблемы происходит, если при подходе волны цунами к заданному участку побережья, произвести смену батиметрии на более подробную и охватывающую меньший регион, после чего все физические поля переинтерполируются и переносятся на более подробную расчетную сетку, с улучшенными аппроксимационными свойствами.

Чтобы осуществить практическую реализацию предложенной методики, в программном комплексе предусмотрена возможность контроля периода волны во времени в соответствии с количеством аппроксимирующих эту волну точек в пространстве. Предусмотрено несколько методов визуализации волнового поля, которые могут быть осуществлены в виде квази-трехмерного поля, поля изолиний уровня, или цветных штриховых закрасок и комбинации из этих изображений. На эти поля также могут быть наложены стрелки векторного поля потоков или скоростей течения. Моделирование распространения волн может быть остановлено по команде с клавиатуры, и затем произведена перестройка расчетной области или физических характеристик численной модели, добавлено новое внешнее возмущение и продолжен расчет.

2.1. Кинематическая модель волновых фронтов и лучей

Для обобщенного и качественного анализа расчетной области удобно использовать упрощенную модель, которая позволяет построить поле времен добегания волн от произвольного источника цунами. Это кинематическая модель, известная как алгоритм быстрого расчета волновых фронтов. В ее основе лежит сортировка точек на линии фронта волны по временам пробега, полученным на основе принципа Гюйгенса для точечных излучателей. Основная часть алгоритма основывается на поиске фронтовой точки (среди точек включенных в специальный список), у которой текущее время (пробега) является минимальным. Найденная точка используется в качестве излучателя, вовлекая в список фронтовых точек ближайшие смежные точки, сама же излучающая точка при этом исключается из фронтового списка.

В процедуре Time, программы ANI, реализован новый фронтовой шаблон - типа “крест”, на котором кроме вычисления минимальных времен производится уточнение времени в центре шаблона с помощью оценки направления излучения по всем четырем лучам шаблона.

Для уточнения времени в центре шаблона используется следующее неявное уравнение:

В версии программы ANI за 7 января 1996г., поправка ко времени в центре шаблона аппроксимируется следующим приближенным выражением:

где: S_X,S_Y - шаг расчетной сетки; T₀,T_X,T_Y - расчетное время прихода фронта волны в центре и на концах крестового шаблона; DT₀ - поправка времени прихода волны в центральную точку шаблона; dT_X=T_X-T₀ , dT_Y=T_Y-T₀ - разности времен прихода волн между центральной и концевыми точками шаблона; С - скорость распространения волны в центре шаблона; Н - глубина моря.

Поле времен получается достаточно гладким, и по нему возможно восстановление лучевой картины для визуализации распространения фронта волны. С целью ускоренной прорисовки волновых лучей и фронтов, которая выполняется в темпе движения курсора по графическому экрану ЭВМ, а также для повышения точности интегрирования, в оперативной памяти выделяется дополнительная матрица для сохранения косинусов углов подхода фронта волны к расчетной ячейке.

Указанную вычислительную модель можно отнести к гидродинамическому моделированию нулевого порядка, которое допускает построение поля коэффициентов усиления волны цунами на основе предположения о сверхдлинных волнах, в котором коэффициент усиления вычисляется из условия сходимости лучевых линий (кривизны фронта) и не зависит от периода волны. В случае четырехточечного шаблона, результат вычисления коэффициента усиления может быть определен с помощью операции суммирования, которая осуществляется в процессе выбора фронтовых точек, при вычислении поля времен добегания фронта волны:

где: N,W,S,E - отсчеты времени в точках шаблона, отмеченных сторонами света; dN, dW, dS, dE - разности времен между концевыми точками шаблона и его центром; z _D - величина уровня моря в точках шаблона, отмеченных направлением d.

Реализованная в программе возможность быстрого построения и прорисовки волновых лучей может быть использована для визуального определения участков побережья, на которых происходит концентрация волновой энергии, связанная с фокусировкой фронта для первого вступления волны цунами.

Достоинством нулевого (или кинематического) приближения при проведении вычислительного эксперимента является высокая скорость при проведении расчетов времен пробега волн и выявления участков побережья с наибольшим усилением амплитуды первого вступления волны цунами. Недостатком является то, что результаты справедливы только в первые моменты времени вступления волны цунами. Оценки коэффициента усиления полученные на фронте волны цунами, по вышеуказанной методике, не могут быть отнесены к реально опасной амплитуде волны, так как максимальная волна цунами может образоваться у побережья после прохождения нескольких волн, и иметь амплитуду обусловленную как собственным периодом цунами, так и частотными свойствами маршрута ее движения. Если рядом с береговым пунктом имеется обширная шельфовая зона, то развитие волнового процесса вблизи берегов будет подчиняться геометрическим свойствам мелководного шельфа, на котором может образоваться аккорд из нескольких “собственных” волн, усиленных воздействием цунами.

Более реальную волновую картину можно получить путем постановки прямого вычислительного эксперимента, в основе которого лежат уравнения гидродинамики с граничными условиями, согласованными со свойствами прибрежной топографии и реологией жидкости.

2.2. Уравнения длинных волн в полных потоках

Уравнения первого порядка обычно называют линейными уравнениями длинных волн, которые определяются с помощью уравнения движения и условия неразрывности жидкости [Егоров, 1974]. Уравнения определены на Меркаторской картографической проекции и скорректированы поправками на вращение Земли и вязкостные свойства жидкости [Byung Ho Choi, 1980]:

Уравнение неразрывности:

Уравнения движения:

Поправки Кориолиса:

Поправка на донное трение:

D [м] глубина спокойного моря

z [м] отклонение уровня моря от равновесного состояния;

j , j 0 широта в расчетной точке и приведенная широта Меркаторской карты

вектор полного потока жидкости

осредненная по глубине скорость жидкости

Если уравнения используются в приведенных операциях интегрирования без дополнительных алгебраических преобразований, то суть этих операций необходимо связывать с описанием существенно нелинейных процессов [Белоцерковский, Давыдов, 1982]. Последнее особенно справедливо в отношении Курило-Камчатского региона, где рельеф океанского дна очень сильно изрезан, с большими поверхностными градиентами в глубоководном желобе, и обширными зонами мелководного шельфа в районе Северных и Южных Курил.

Сделаем здесь предположение, что вышеупомянутые нелинейные вычислительные факторы в реализованных вычислительных моделях все-таки отвечают физике естественных процессов в океане, и скорее уточняют результаты моделирования, нежели вносят случайные погрешности в процессы вычислений [Храмушин, 1988]. Тем не менее для удовлетворительного решения при таких предположениях, необходимо учитывать весь комплекс аппроксимационных свойств, присущих разностным вычислительным схемам для нестационарных систем дифференциальных уравнений.

2.3. Условия и критерии моделирования

Граничные условия вблизи побережья специально не ставятся, так они выполняются по естественному правилу: , где скорость волны обращается в ноль вместе с глубиной на побережье. Это естественное условие, которое соответствует реальным физическим процессам в океане, где отражение волновой энергии происходит не от побережья, а в полной мере обусловлено геометрией океанского дна, свалами глубин и зонами захвата волновой энергии, которые на мелководных участках шельфа обладают высокой добротностью.

На глубоководных “свободных” границах расчетной области задаются условия излучения, которые экстраполируют форму волнового поля на одну ячейку за пределы расчетной области. В аналогичных уравнениях аэродинамики такая экстраполяция выполняется с помощью пространственного дифференцирования более высокого порядка, что соответствует вычислению скорости распространения возмущений. В океанологии такое дифференцирование не приводит к устойчивому результату, так как скорость длинных волн находится в прямой зависимости от глубины моря. Если же предположить, что амплитуда волны цунами мала по сравнению с глубиной моря, что для “свободных” границ в задаче о цунами вполне справедливо, то скорость распространения возмущений на этих границах может быть успешно заменена обычным соотношением для скорости распространения длинных волн на мелкой воде: .

Обычно, здесь же удобно наложить внешнее возмущение, заданное с помощью дифференциала (приращения) во времени:

где: скорость волны; контрольный размер ячейки; по определению - есть градиент наклона поверхности моря.

Приведенные уравнения аппроксимируются явной схемой первого порядка на центрированном разностном шаблоне. Устойчивость расчетной схемы во времени определяется критерием Куранта, который определяется через минимальное время, за которое свободная волна пересекает противоположные границы одной расчетной ячейки:

При вычислении D T производится анализ всей расчетной области и выбирается минимальная величина D T, которая зависит как от изменяющихся размеров ячеек d y, d x, так и от глубины моря.

Пространственноя картина волнообразования может быть охарактеризована аппроксимационной гладкостью, качество которой определяется количеством опорных точек, участвующих в построении пространственного полупериода волны. Для гиперболической системы уравнений, описывающей динамику океанских волн, аппроксимационный критерий может быть связан с минимальной глубиной моря, на которой моделируемая длинная волна аппроксимируется минимально-допустимым количеством узлов K:

D_min- минимальная глубина моря, при условии отсутствия которой в расчетной области, моделирование в целом можно считать справедливым; Т_min- минимальный период длинных волн, который может проявиться после задания начальных условий, либо искусственно сгенерирован в процессе вычислений; K - минимальное допустимое количество точек, аппроксимирующих волну с периодом Т_min на участке моря с глубиной D_min.

Обычно этот минимум достигается в шельфовой зоне или непосредственно вблизи побережья. Так как нас интересует именно близбереговая зона, то последний критерий является также условием выбора минимальной глубины моря, на которой еще допускается моделирование движущейся со стороны океана волны цунами. Из практики вычислений известно, что при моделировании первых одного - двух периодов волны цунами - К может быть принято в пределах: 4 ё 6, для длительного же моделирования волнообразования в шельфовой зоне или при восстановлении приливного режима, этот критерий должен быть увеличен до: K і 24.

Глава 3. Использование вычислительного моделирования в действующих службах предупреждения об опасных морских явлениях

Служба оперативного предупреждения о цунами является достаточно сложной как в техническом так и в организационном плане. В последние годы Сахалинская служба предупреждения о цунами не получала достаточного развития, что обусловлено не только отсутствием средств в самой службе, более существенные проблемы связаны с замораживанием научных исследований в области создания средств оперативного контроля и мониторинга состояния моря. Исходя из этого, авторами принято решение о опубликовании особенностей функционирования сахалинской службы предупреждения о цунами, с целью привлечения российской научной общественности к решению этой интересной и очень важной для Сахалина задачи.

Ниже представлена информация о сахалинской службе цунами, при этом наибольшее внимание уделяется техническим, математическим и организационным вопросам, которые разработаны в лаборатории цунами. Изложенные материалы необходимо воспринимать как технические предложения, подкрепленные соответствующими наработками сахалинских ученых. Авторы будут признательны при получении замечаний о предложенных концепциях и математических моделях, и очень благодарны за любые новые идеи, которые могут улучшить и ускорить решение задачи совершенствования сахалинской службы предупреждения об опасных морских явлениях и цунами.

3.1. Действующий регламент проведения тревоги цунами

В качестве основы рассмотрим действующую Службу предупреждения о цунами в Сахалинской области, которая отвечает за проведение тревоги по острову Сахалину, Курильским островам и по всему Российскому побережью Японского моря.

В состав службы входит Центр цунами Сахалинского УГМС, сейсмические станции "Южно-Сахалинск" и “Северо-Курильск”, Сахалинская ТТС АООТ Сахалинэлектросвязь, а также штаб по делам ГО и ЧС Сахалинской области, Оперативный Дежурный Службы Наблюдения за Флотом (ОДСНФ) управления “Сахрыба” и АООТ предприятие связи “Сахалинморсвязь”. Сейсмостанции “Южно-Курильск” и “Малокурильское” были выведены из службы цунами весной 1994 года, во время землетрясения 5 октября 1994 года эти сейсмостанции были разрушены. (Данные по состоянию на апрель 1996 года).

Выработка решения о необходимости подачи тревоги цунами возложена на сейсмостанцию "Южно-Сахалинск", если землетрясение происходит в ближней зоне, то есть в радиусе 3000 км от Южно-Сахалинска. По своему регламенту сейсмостанция "Южно-Сахалинск" сразу же предупреждает Центр цунами и штаб по делам ГО и ЧС Сахалинской области о начале регистрации сильного землетрясения и указывается время начала регистрации P-волны. Сейсмостанции отводится 10 минут для определения координат эпицентра и магнитуды землетрясения.

За это время Центр цунами и штаб по делам ГО и ЧС должны привести все средства связи и вычислительную технику в тревожный режим.

Тревога цунами подается сейсмостанцией «Южно-Сахалинск», после чего все действия связанные с проведением и отменой тревоги, выполняются Центром цунами СахУГМС, так как после объявления о координатах эпицентра и магнитуде землетрясения, сейсмостанция переходит к решению внутренних задач, напрямую не связанных с несением Службы цунами.

Тревога подается немедленно, если магнитуда составит M? 7 для Курило-Камчатских землетрясений. Для оповещения населенных пунктов на побережье задействуются регламентные средства связи Сахалинской ТТС и штаба по делам ГО и ЧС. (В настоящее время это, как правило, телетайпы, для Приморья непривилегированный телеграф, или обычные междугородние телефоны и радиосвязь службы ОДСНФ).

Если магнитуды находятся в пределах от 6 до 7, то Центр цунами отдает указание для всех метеопостов, расположенных вблизи берега, о начале наблюдения за уровнем моря. В этом режиме тревога цунами подается по факту наблюдения цунами на побережье. В настоящее время в Сахалинской области имеется около 20 прибрежных постов, большинство из которых таежные.

Центр цунами может также объявить тревогу цунами без участия сейсмостанции, для чего он включен в международные списки оповещения и оборудован средствами связи с зарубежными службами предупреждения о цунами.

В последнее время надежность сейсмической службы существенно снижена, что обуславливается закрытием сейсмостанций на Курильских островах, а также внезапными отключениями сейсмостанции "Южно-Сахалинск" от электроэнергии. В связи с этим по СахУГМС издан приказ о несении службы цунами всеми метеопостами Сахалинской области, суть которого сводится к тому, что в случае факта ощущаемого землетрясения, метеопосты должны немедленно выходить на связь с Центром цунами. На основании такой информации Центр цунами может объявить тревогу цунами в ближней зоне без участия сейсмостанции "Южно-Сахалинск".

В течение всего времени проведения тревоги цунами, Центр цунами находится на дежурстве, отвечая за решение вопроса о времени окончания или о расширении тревоги на другие регионы.

В настоящее время для расчетов времен добегания волн цунами до защищаемых пунктов используется математическое обеспечение для расчета времен добегания, разработанное в ИВЦ СОАН Новосибирска [Марчук и др., 1983]. Предвычисление приливного уровня моря и автоматизированное формирование комплекта тревожных телеграмм осуществляется с помощью математического обеспечения разработанного в лаборатории цунами ИМГиГ.

3.2. Предложения об использовании вычислительных экспериментов при проведении тревоги цунами

В настоящее время готовые математические комплексы для оперативного прогноза амплитуд и времени действия цунами, разработанные в лаборатории цунами, переданы в Центр цунами Сахалинского УГМС для опытной эксплуатации. В процессе опытной эксплуатации комплексы должны быть доведены до уровня оперативных географических экспертных систем, способных выполнять вычислительное моделирование распространения волны цунами сразу же после подготовки комплекта тревожных телеграмм и сообщений.

В Центре цунами заполненные бланки телеграмм передаются на соседний компьютер, соединенный с ведущим компьютером с помощью локальной сети. По регламенту действующей на сегодня службы, со второго компьютера начинается рассылка телеграмм и ведущий компьютер останавливается в "ожидании следующего землетрясения".

Таким образом, на первом компьютере возможно выполнение расчетов прогнозируемых амплитуд волны цунами на защищаемом побережье, которое может выполняться последовательно в три этапа.

Расчет коэффициентов усиления на основе поля времен распространения фронта волны цунами, где используются зависимости, связанные со сходимостью лучей (или с кривизной волнового фронта). Данный алгоритм позволяет оценить амплитуду первого вступления волны цунами, которая является максимальной для открытого побережья.

На втором этапе необходимо определить влияние шельфовой зоны на процесс трансформации и усиления волн цунами, которое будет происходить спустя некоторое время после первого проявления цунами на побережье. Такой анализ обстановки на различных участках побережья может быть сделан с помощью информационной системы (или базы данных), в которой должны быть собраны исторические и расчетные данные о проявлениях цунами в зависимости от двух параметров, - это период и направление подхода цунами к шельфовой зоне. Здесь предполагается оценивать максимальный заплеск волн цунами с учетом собственных частот близберегового шельфа. Экстремумы таких заплесков могут быть не на первой волне цунами. Так, к примеру для порта Корсаков первая волна цунами может быть менее полуметра, тогда как третья-четвертая волна может быть в три-четыре раза больше и достигать полутора метров.

Первые два оценочных расчета могут быть выполнены в считанные секунды и повторены в случае поступления новых данных о цунами с береговых постов наблюдения или сразу же после повторного уточнения координат и интенсивности землетрясения. При этом повторные оценочные расчеты могут быть выполнены на компьютере связи, после окончания регламентной рассылки телеграмм. Это означает, что на ведущем компьютере может быть начат длительный во времени вычислительный процесс полного моделирования динамики распространения цунами. В качестве начальных условий можно воспользоваться эмпирическими оценками очага цунами, сделанными на основе оперативной информации о местоположении и магнитуде эпицентра землетрясения. Цунами от далеких землетрясений могут быть смоделированы с помощью генерации волн на свободных границах расчетной области, где направление подхода может быть взято из расчета времен добегания и установлена единичная амплитуда волны с наиболее характерным периодом.

Конечно же нет полной уверенности в правильности такого задания начальных условий или граничных, однако эти параметры могут быть скорректированы в дальнейшем по данным поступающим от береговых наблюдателей, в результате чего могут быть введены поправки в расчеты, либо моделирование приостановлено и начато заново с новыми исходными данными об очаге цунами.

С помощью опережающего численного моделирования можно сделать наиболее обоснованные прогнозы о степени опасности цунами для конкретных населенных пунктов и участков побережья. Такое моделирование также необходимо для экспертизы решений о распределении сил при оказании экстренной помощи пострадавшим береговым поселениям.

Вопросы корректности расчетов и методы ускорения вычислений рассматриваются в следующем разделе. Отметим здесь только то, что к сожалению полная автоматизация вычислительных экспериментов по моделированию таких высокочастотных волновых процессов, как цунами, пока невозможна.

3.3. Регламент вычислений для уточненного прогноза цунами

Учитывая доступность эффективной вычислительной техники (в Сахалинском Центре цунами на дежурстве задействован компьютер IBM486DX-33), а также на основе многолетнего опыта исследования и реализации вычислительных экспериментов, предлагается выполнить комплекс работ по организационно-техническому совершенствованию службы цунами, с целью введения в регламент ее действий в тревожном режиме экспертно-прогностических работ с использованием комплекса гидродинамических вычислительных экспериментов.

Схема проведения вычислительного эксперимента, в котором задействованы все средства контроля аппроксимационных критериев, может быть представлена в виде нескольких этапов:

Первый этап подготовительный. Суть его состоит в подготовке комплектов батиметрических карт для каждого из защищаемых участков побережья, на которых должна быть произведена обкатка всех возможных источников цунами, и на основании этих работ составляется регламент проведения вычислений в тревожном режиме. Если защищаемые берега распадаются на группы, то в соответствии с количеством этих групп должно быть подготовлено такое же количество процессоров (компьютеров), объединенных в локальную сеть, для совместного решения задачи предупреждения всех пунктов одновременно. В процессе выполнения этого этапа должны быть также проведены тренировки дежурного персонала по использованию вышеупомянутого регламента в различных конкретных случаях.

При объявлении о цунамигенном сейсмическом событии, выбирается генеральная карта батиметрии, из условия покрытия всей области очага землетрясения с включением больших участков подробных карт второго уровня, по которым проходят маршруты волн цунами, в направлении защищаемых пунктов. Как правило, вся близбереговая зона, до глубины 200-500 метров, на этом этапе отсекается во избежание появления осцилляций в зонах нарушения критериев пространственной аппроксимации. Вычисления ведутся до тех пор, пока фронт волны цунами не достигнет зоны отсечения в том районе, по которому проходит основной поток энергии в направлении защищаемых пунктов. По достижении этой границы решение приостанавливается, и в случае, если моделирование ведется для группы защищаемых пунктов, то записывается образ программы из памяти ЭВМ, который может быть использован как для продолжения расчетов на другом компьютере, так и для повторения моделирования, с записанной “контрольной точки”, для участков побережья отложенных во вторую очередь.

На основном (первом) компьютере производится смена батиметрии на более подробную, у которой линия отсечения проходит ближе к защищаемому побережью. Для запуска параллельных расчетов на других компьютерах, на них выполняется рестарт с контрольной точки, записанной ведущим компьютером, затем, либо сразу же производится смена батиметрии, либо продолжается прерванный расчет для доведения волны цунами до другой зоны отсечения на маршруте распространения волн цунами.

Описанный процесс размножения решений для разных регионов может повторяться многократно и асинхронно для всех процессоров включенных в работу. Завершение переходов с карты на карту должно происходить либо в том случае, когда аппроксимационное ограничение глубины уменьшается до 1-2 метров, либо, когда волна входит в замкнутые акватории, в которых существенное влияние оказывает переотражение волн от оконтуривающих эту область границ. К примеру, если волна входит в замкнутый со всех сторон Южно-Курильский пролив, то необходимо оставить расчеты волнения в нем на длительный срок для оценки времени воздействия волны цунами на побережье, которое в данном случае оценивается сроком не менее 10-ти часов, а максимальная волна в Южно-Курильске может проявиться через 2-4 часа после фронта первого вступления цунами. При этом ничто не мешает дождаться пока волна дойдет до линии отсечения в районе Южно-Курильска и произвести для него уточненный расчет непосредственно до самой кромки побережья.

Возможно осуществление перехода с подробной карты на укрупненную, что необходимо делать, к примеру, если землетрясение происходит у япономорских берегов Японии, тогда для точного описания очага цунами необходимо воспользоваться уточненной картой, на которой происходит генерация волны цунами и осуществляется моделирование отражения этой волны от побережья Японии. Так как расстояние от Японии до Приморья не может быть покрыто единой мелкосеточной картой, что было бы и неразумно ввиду многократного увеличения времени вычислений, то в данном случае можно воспользоваться переносом решения на загрубленную генеральную карту, по которой волна цунами доводится до зоны отсечения вблизи Приморья и Сахалина, затем снова осуществляется переход на более подробную карту для моделирования воздействия цунами на Российском побережье, с учетом основной волны цунами и ее отраженной от побережья Японии составляющей.

Опыт работы по проведению подобных вычислительных экспериментов при моделировании реальных цунами показывал очень хорошие результаты, которые, по нашему мнению, дают достаточно хорошее соответствие с мареографными записями цунами на интервале времени соответствующем количеству волн, сохраненных при переходе с одной карты на другую. Вполне удовлетворительные результаты получены также при оценке длительности процесса цунами, которую представилось возможным выполнить при моделировании цунами в октябре 1994 года.

3.4. Пример оценки заблаговременности предупреждения гидрофизической подсистемы цунами для острова Сахалин

Вблизи мыса Левенорна на острове Сахалин расположен хорошо оснащенный гидроакустический стационар СКБ САМИ ДВО РАН. В соответствии с программой ЕАСЦ, в начале 90-х годов на этом стационаре был установлен и испытан донный глубоководный регистратор цунами. Это кабельный прибор, вынесенный более чем на 20 км в море, который зондирует поверхность моря гидроакустическими методами.

По нашим оценкам, гидроакустические методы могут оказаться наиболее эффективными в случае создания систем непрерывного и оперативного контроля морских течений, изменчивости уровня моря и характеристик штормового волнения, а также ледовой обстановки в шельфовой зоне и сейсмического фона Земли. Необходимо также учитывать, что задачи наблюдения за состоянием моря должны решаться комплексно, то есть на каждом береговом посту наблюдения должны стоять приборы контроля гидрофизических, гидрометеорологических и сейсмических параметров окружающей среды. В задачах же заблаговременного оповещения об опасных морских явлениях и природных катастрофах важную роль играет географическое положение такого оперативного поста наблюдения (см. также часть 1 настоящей книги).

Рис.3. Южная часть Охотского моря и зоны заблаговременного предупреждения для береговых пунктов в Корсакове, Поронайске и в Ногликах, обеспечиваемые гидрофизической станцией на мысе Левенорна

Указанному критерию для острова Сахалин вполне удовлетворяет полигон СКБ САМИ на мысе Левенорна, который ближе всего подходит к глубоководной Курильской котловине и на котором уже установлен комплекс гидрофизического, гидроакустического и метеорологического оборудования, где имеются береговые лабораторные и жилые помещения.

Максимальное время, которое может обеспечить гидрофизическая станция на мысе Левенорна для выполнения действий по тревоге цунами, составляет 90 минут. Учитывая близость мыса Левенорна к Курильской котловине, оперативная регистрация скорости течения и изменения уровня моря позволит использовать установленный здесь гидрофизический пост в качестве опорной точки при вычислительном моделировании гидродинамических процессов в Охотском море, которое необходимо выполнять с целью прогноза не только цунами, но также штормовых нагонов и тягунов в портах всего Охотоморского побережья Сахалина и Курильских островов.

Рис. 4. Кинематическая картина длинноволнового взаимодействия между побережьем Сахалина и Курильскими островами. На рисунке также отмечена стационарная гидроакустическая трасса СКБ САМИ, на которой до 1992 года выполнялось изучение глобальных гидрометеорологических и гидрофизических процессов в южной части Охотского моря

На рисунке показан кинематический расчет волновых фронтов от источника вытянутого вдоль Курило-Камчатского желоба. Хорошо видно, что на мысе Левенорна ранее всего регистрируются отклики на длинноволновые процессы в Тихом океане и на Охотоморском побережье Курильских островов. Комплексная гидрофизическая станция вблизи этого мыса может быть эффективно использована при прогнозе опасных морских явлений как цунами и штормовые нагоны.

Задействование в постоянном режиме акустического канала между Сахалином и Итурупом, может позволить, также, оперативно контролировать гидрофизику и гидродинамику во всей южной части Охотского моря, в том числе характер ветрового волнения и зыби, а также позволит регистрировать акустическими методами состояние сейсмической активности с целью прогноза землетрясений и извержений подводных вулканов.

3.5. Пример оперативного моделирования цунами 5 октября 1994 г.

Шикотанское цунами 5 октября 1994 г. относится к наиболее значительным событиям на Курильских островах за последние годы. Его описание можно найти в [Иващенко и др., 1996], куда включен в сокращенном виде и материал настоящего раздела, включая рисунки. На рисунке 5 приведена обзорная схема этого события.

Самая первая попытка моделирования цунами производилась непосредственно в сахалинском Центре цунами, утром 5 октября 1994 года. Вычислительные ресурсы компьютера, стоящего на дежурстве (PC-386/25), в соответствии с аппроксимационными критериями, позволяли проводить волну по Южно-Курильскому проливу с периодом не менее 12 минут. Расчетная область выбиралась исходя из скорости вычислений на данном компьютере, и размер ее был таким, что очаг землетрясения оказывался вне этой области. Тогда в качестве источника была выбрана одиночная волна с периодом 12 минут, входящая в Южно-Курильский пролив с юго-востока.

По результатам расчетов был определен характер распределения амплитуд цунами по Южным Курильским островам, где коэффициент усиления амплитуды цунами был оперативно скорректирован по сообщению с судовой радиостанции о высоте цунами в Малокурильской бухте, равной двум метрам. На основании вычислительного эксперимента была определена групповая структура волновых пакетов, которые проявлялись максимальными заплесками на побережье островов Южно-Курильского пролива с периодичностью приблизительно равной двум часам. Тревога цунами была отменена в 8ч 45м сахалинского времени, а по результатам расчетов последняя крупная волна цунами проходила около Южно-Курильска в 9 часов утра, что, в частности, отмечалось в процессе оперативных переговоров с наблюдателями в Южно-Курильске (в протоколах ведения тревоги цунами такая отметка отсутствует).

Рис.5. Обзорная схема Шикотанского цунами 5.Х.1994г. и максимальные наблюденные высоты цунами на побережье (по результатам полевого обследования):
1-3 - эпицентры: 1- главного толчка 5.Х.1994г.; 2 - афтершоков с М? 6,8 в первые 6ч после главного толчка; 3 - сильнейших исторических землетрясений (указаны год и магнитуда землетрясения); 4-5 - контуры очагов цунами: 4 - сильнейших исторических цунами; 5а - цунами 5.Х.1994г., по сильнейшим афтершокам за первые 6ч; 5б - то же, по области афтершоков первой недели; 6 - пункты на побережье и максимальные наблюденные в них высоты цунами; 7 - обратные изохроны добегания цунами, построенные от пунктов на побережье; 8 - ось глубоководного желоба [Иващенко и др, 1996].

В последующем, по мере накопления материалов о землетрясении и цунами на Южных Курилах, была произведена новая серия вычислительных экспериментов, с использованием более мощного компьютера: IBM-PC 486/66. В первую очередь был произведен расчет обратных изохрон от Кусиро, Ханасаки, Малокурильска и Южно-Курильска, которые с двух сторон касаются очага цунами. К сожалению мы не имеем достоверных данных о характеристиках волны цунами с островов расположенных к северу от очага землетрясения. Известны только экспедиционные измерения заплесков в бухте Касатка, где мареограф не работает с 1983 года, а в Северо-Курильске цунами не превышает уровня волн зыби и не может быть надежно выделено по записи на мареографе.

Наиболее показательными являются три варианта численного моделирования цунами 5 октября 1994 года, которые были сделаны до получения данных об экспедиционных наблюдениях на Курильских островах.

1 Оперативный очаг цунами строился по эмпирическим формулам А.А. Поплавского, которые предназначены для оперативного использования в службе предупреждения о цунами. В данном случае в качестве исходных данных используется только магнитуда землетрясения 7.9 и координаты очага. Очаг строится в виде эллиптического поднятия уровня воды с амплитудой 2.7 м и размерами осей 130x40 км. Ориентация задается с помощью направления малой полуоси, в соответствии с усредненным градиентом наклона дна под очагом, в сторону уменьшения глубины.

2 “Сахалинский” очаг цунами строился в соответствии с координатами афтершоков землетрясения, полученными на Южно-Сахалинской сейсмостанции. В данном случае используется разлом длиной 160 км, ориентированный поперек Курильского глубоководного желоба, при этом к северу происходит подъем уровня на полтора метра, а к югу такое же опускание. В источнике цунами задается начальное поле скоростей в направлении опускания дна. Размеры очага задаются исходя из требования численной аппроксимации, так чтобы период волны цунами был не менее 8 минут.

3 “Японский” очаг цунами был получен по FAX-у из Японии от Shuto N. (Tohoku University). Его размеры приблизительно 160 км вдоль желоба, где тихоокеанская сторона поднимается на 1.8 м, а остров Шикотан опускается на 70 см. При этом необходимо отметить, что японские измерения координат землетрясения сильно отличаются от сахалинских, а также от координат полученных из американских источников.

Первый вариант расчета имел период волны цунами в источнике приблизительно 3.5 минуты, что недопустимо по аппроксимационным критериям. Для удовлетворения этих критериев, через двадцать минут расчетного времени в Южно-Курильском проливе была произведена смена расчетной карты на более подробную. В это время волна цунами только еще подходила к острову Шикотан, и столь ранняя смена карты привела к потере достаточно большой части волновой энергии цунами, что привело к занижению амплитуд на всех Тихоокеанских мареографных точках (соответствующие значения помечены в таблице 1 звездочкой).

Таблица 1. Результаты расчетов по основным географическим пунктам

Второй вариант очага цунами наилучшим образом согласуется с наблюдениями цунами на побережье. Только в этом случае получается достаточно слабое цунами в бухте Касатка, и сильное цунами на тихоокеанском побережье Хоккайдо, как это и наблюдалось в действительности.

Вариант с японскими данными, где очаг расположен вдоль Курильского желоба, дает волну цунами которая, должна существенно сильнее проявиться на островах Кунашир, Итуруп и Зеленом, и не должен был образовывать сильного всплеска в сторону Тихоокеанского побережья Хоккайдо.

По результатам уточненного моделирования цунами с помощью более точного задания очага, и после сравнения с результатами экспедиционных измерений и записями мареографов, оперативное численное моделирование 5 октября 1994 года можно признать вполне удовлетворительным и чрезвычайно полезным для использования в оперативной службе предупреждения о цунами, и особенно для экспертизы воздействия цунами на побережье, которая должна выполняться непосредственно в процессе проведения тревоги. Выявленные недостатки, связанные с занижением амплитуды цунами на границах расчетной области, могут быть легко устранены путем увеличения вычислительной мощности дежурных компьютеров, что было показано последующим моделированием по уточненным очагам.

Еще раз хочется отметить, что неточности в определении положения эпицентра землетрясения могут устраняться, а результаты оперативного численного моделирования будут существенно уточняться, по мере поступления оперативных данных о прохождении реального цунами на побережье.

Рис.6. Результаты численного моделирования Шикотанского цунами 5 Х 1994 в районе Южных Курил. а - форма очага возмущения уровня океана через 6 мин после землетрясения, максимальное возвышение в источнике 1,7 м; б - переход с обзорной расчетной батиметрии с шагом 1,8 км на более подробную (1км); в рамке изображен район Южно-Курильского пролива (новая расчетная область, см. в,г); в - прохождение первой волны цунами в Южно-Курильский пролив [Иващенко и др., 1996 г.]; г - образование групповой структуры волн цунами и запирание волновой энергии в мелководном Южно-Курильском проливе.

На рис.5 показаны формы возмущенной поверхности океана в различные моменты времени, на расчетных картах с различным масштабом и шагом сетки, иллюстрирующие ход вычислительного эксперимента по моделированию Шикотанского цунами 5.10.94г. Под каждым рисунком указаны координаты левого нижнего угла сетки, вид картографической проекции, время с момента начала землетрясения (ч,м,с) и градации по высотам уровня, которые служат масштабной шкалой.

Шикотанское цунами 5 октября 1994 г. /А.И.Иващенко, В.К.Гусяков, В.А.Джумагалиев, Г.Йех, Л.Д.Жукова, Н.Д.Золотухина, В.М.Кайстренко, Л.Н.Като, А.А.Клочков, Ю.П.Королев, А.А.Кругляков, Е.А.Куликов, В.Н.Куракин, Б.В.Левин, Е.Н.Пелиновский, А.А.Поплавский, В.В.Титов, А.А.Харламов, В.Н.Храмушин, Е.В.Шельтинг. - ДАН, 1996, том 348, № 4. -C. 532 - 538.

3.6. Опыт вычислительного моделирования приливного режима в Охотском море

Охотское море является уникальным регионом для полноценного исследования численных алгоритмов моделирующих приливной режим и режим течений.

Это в первую очередь обуславливается большой разностью широт между Пенжинской губой на севере и островом Хоккайдо на южной границе моря, наличием обширных шельфовых зон в районе Шантарских островов, заливах Терпения и Анивском, в которых зарождаются сильнейшие аккорды собственных высокочастотных колебаний. Большие сложности связаны также с мелководностью Пенжинской губы и обширного мелководного района вблизи Шантарских островов, здесь зарождаются собственные длинноволновые колебания уровня моря с периодом близким к суточному и с очень большими амплитудами приливных волн в вершинах заливов.

Положительным фактором для Охотского моря является его замкнутость и изученность приливного режима во многих пунктах его побережья [Таблицы приливов, 1960], что позволяет проводить качественную проверку численных моделей, граничных условий и методов генерации волновых колебаний уровня и течений.

Такое моделирование может быть использовано при обработке экспедиционных измерений, для более точного разделения приливной и постоянной составляющих течения. Любопытно также рассмотрение задач о восстановлении поля скоростей течений. По-видимому, в зоне мелководного шельфа реализованная задача будет давать корректные результаты, в глубоководных же регионах решение задачи о приливах в полных потоках дает только дополнительную (интегральную) информацию, которая может быть использована при обработке результатов экспедиционных измерений течения на различных горизонтах.

Алгоритм восстановления приливного поля реализован для использования в условиях оперативных служб, осуществляющих наблюдение за наводнениями и цунами. Предполагается, что на одном из компьютеров будет производиться непрерывное моделирование приливного режима, а в случае получения прогноза о маршруте и интенсивности циклона, или при поступлении данных о цунамигенном землетрясении, на другом компьютере можно будет продублировать моделирование прилива и по сбалансированному (установившемуся) приливному полю поставить моделирование штормовых нагонов или волн цунами.

Вычислительное моделирование динамики вод Охотского моря является новой задачей, которая конечно же требует продолжения исследований с целью выработки решений для ускорения процесса восстановления приливного режима, а также для решения проблем, связанных с сеточной вязкостью, отсутствием законченных исследований о характере донного трения и влияния льдов в Охотском море. В действующей версии программы, к сожалению, не реализован учет приливообразующих сил (геопотенциала), не достаточно отработаны вопросы, связанные с законами управления уровнем моря в точках генерации приливной волны. Пока это достаточно сложные вопросы, так как их исследование требует значительных вычислительных ресурсов и времени для проведения численных расчетов.

Для восстановления приливного режима в Охотском море необходимо установить генераторы изменяющегося уровня моря в максимально большом количестве точек со свободными границами в Курильских проливах и в проливе Лаперуза. Для описываемого вычислительного эксперимента такие генерирующие точки имелись для Северо-Курильска, острова Матуа, бухты Касатка, Курильска и поселка Малокурильское, для пролива Лаперуза имелись точки на мысе Крильон и вблизи порта Корсаков. Генераторы приливных волн ставились также в районе Магадана и Охотского. Оценка качества восстановленного прилива производилась по точкам в вершине Пенжинской губы и в районе Шантарских островов. К сожалению качество используемых данных по наблюдениям за уровнем моря нельзя назвать удовлетворительным, данные были собраны из случайных источников [Kim Kye Yong, 1992, Таблицы приливов, 1960], не производилась адаптация фаз гармонических постоянных к смещениям генераторов в море, но основной недостаток исходных материалов состоит в том, что таких генерирующих точек было слишком мало, которые к тому же не перекрывали самый глубоководный пролив Курильской гряды - пролив Фриза.

Наиболее подробная карта, на которой производилось моделирование прилива, имела шаг 10 км на 52° широты и размерность матрицы 325х374. В этом случае необходимо около 3-х мегабайт оперативной памяти, а вычисления на компьютере IBM-PC 482DX2-66 выполняются со скоростью близкой к реальному времени. В этом случае, в соответствии с аппроксимационными критериями, 4-х часовая приливная гармоника может моделироваться до 2-х метровой минимальной глубины у побережья.

При использовании 20 км сетки требуется около 750 кб оперативной памяти, минимальная глубина для 4-х часовой волны равна 8 метрам, а вычисления на том же компьютере ведутся со скоростью одна минута в секунду. Но оказалось, что даже на этой батиметрии возникла проблема большого расстояния между генераторами приливных волн. По изображению на экране было видно, что высокочастотная составляющая приливов образует “круги на воде”, при этом большая часть волновой энергии рассеивалась и гасилась в Курильских проливах. Проявление такого эффекта не позволяло восстановить единый фронт для приливной волны излучаемой от Курильских островов в целом. Суточные же составляющие прилива восстанавливались на 20-ти километровой батиметрии вполне удовлетворительно.

Лучшие результаты с высокочастотной составляющей прилива были получены на батиметрии с шагом 39х33 км, которая давала аппроксимационные ограничения для 4-х часовой волны, равные 30-ти метрам. В связи с недостаточностью генерирующих точек в Курильских проливах, на этой батиметрии тоже происходило гашение полусуточной составляющей прилива, тем не менее по остатку можно было сделать выводы о корректности моделирования на качественном уровне. Размерность матрицы 64х64 позволила в два приема произвести вычислительный эксперимент перекрывающий интервал времени около 1-го года.

Рис.7. Карта приливного режима для побережья Охотского моря, построенная с использованием гармонических постоянных [Огура, 1933г]

Постановку полной задачи на восстановление приливного режима предваряло исследование отклика Охотского моря на полусуточную составляющую прилива М2, которая очень быстро восстанавливается в случае задания гармонических постоянных вдоль всей Курильской гряды. Особенностью приливной компоненты М2 для Охотского моря является то, что один из ее котидальных узлов расположен на шельфе в северной части Сахалина, и положение этого узла оказалось очень чувствительным к используемому в вычислительной модели коэффициенту придонного трения. Так, если, основываясь на литературных источниках [Kim Kye Yong, 1992], воспользоваться коэффициентом: K_v = 0.0025, то котидальный узел исчезает с поверхности Охотского моря, смещаясь далеко вглубь острова Сахалин. Если же положить K_v = 0, то узел смещается от побережья Сахалина далеко в море. Результаты вычислительного эксперимента становятся удовлетворительными при K_v = 0.0013, когда котидальный узел устанавливается в районе Сахалинского шельфа. При этом подобранное таким образом значение K_v не следует воспринимать как оценку реального коэффициента донного трения, так как разница d K_v = 0.0012 со значением, приведенным выше, может быть обусловлена вязкостными свойствами вычислительной модели.

Рис.8. Мареографные записи уровня моря в различных постах наблюдения, зарегистрировавшие начальный период вычислительного эксперимента по моделированию приливного режима в Охотском море. Вычисления производились на батиметрической карте с шагом сетки 20 километров. Цифры справа показывают максимальные и минимальные значения уровня моря, зарегистрированные в изображенном интервале времени. Отметки на левой границе задают масштабную шкалу с шагом 1 метр

На рисунке 8 показаны записи, полученные в процессе установления приливного режима, на основании которых можно сделать вывод о том, что установление формы приливных колебаний происходит примерно через неделю расчетного времени. Этому факту соответствует приведение в соответствие фазовых и амплитудных характеристик моделируемого и реально наблюденного прилива. На основе численного анализа этих мареограмм можно найти длительность процесса установления приливных (вынужденных) колебаний Охотского моря, который равен примерно 1-му месяцу. Этому сроку соответствует стабилизация среднего уровня моря во всех точках расчетной области, - очень любопытного процесса, который можно использовать для моделирования постоянных течений, возникающих в том случае, если средний уровень в точках генерации приливных волн не удерживать на нулевой отметке, а попытаться вывести на какой-либо другой средний уровень.

Рис.9. Продолжение вычислительного эксперимента с целью попарного сравнения наблюденного (верхний ряд) и восстановленного прилива (нижний ряд в паре)  в нескольких пунктах Охотского моря, удаленных от генераторов вынужденных колебаний. Цифры справа показывают максимальные и минимальные значения уровня моря

По рисунку 9 можно сделать вывод о факте качественного восстановления приливного режима в Охотском море. Тем не менее, различие в ширине темной полосы означает, что в вычислительном эксперименте занижена высокочастотная составляющая прилива. Нельзя не заметить вычислительной проблемы, связанной с полугодовым изменением хода огибающей прилива в пункте Эвенск.

Таким образом, приливные гармоники Охотского моря, близкие к суточным и более длинным, хорошо моделируются с помощью “генераторов волн” установленных вдоль Курильской гряды, однако полусуточные и более высокочастотные колебания быстро угасают, так как в приведенном вычислительном эксперименте не учитывалось влияние приливообразующих сил, действующих непосредственно на поверхности Охотского моря.

3.7. Поверочное моделирование штормового нагон а 7-8 ноября 1995 года

Для моделирования взаимодействия атмосферы и океана реализованы алгоритмы, которые допускают использование реальных или прогнозируемых полей атмосферного давления и ветра. Для тестирования этих алгоритмов и математических моделей в действующей версии программы реализовано прохождение модельного циклона по гладкой (сплайновой) траектории. Границы циклона задаются с помощью «малого круга», очерченного на поверхности сферической Земли, радиус которого задается в километрах. Динамическое взаимодействие океана и атмосферы задается только внутри этого «малого круга», путем плавного изменения давления в зависимости от расстояния до центра циклона. При необходимости может быть задано, также, вихревое поле ветра, спирально сходящееся к центру циклона.

Рис.10. Траектория центра и границы циклона 7-9 ноября 1995 года. В расчетах задавалась скорость ветра с экстремальным значением 30 м/с

Здесь приводятся результаты первых пробных расчетов, которые сравнивались с реальным штормовым нагоном, вызванным циклоном, прошедшим над Сахалином 7-8 ноября 1995 года. К сожалению, в отличие от моделирования цунами и приливов, у авторов существенно меньше уверенности в корректности используемой математической модели, которая определяет взаимодействие океана и атмосферы. То есть, для доведения вычислительной модели до уровня, позволяющего говорить о реальном прогнозировании штормовых нагонов и тягунов, необходима отладка и совершенствование математических моделей и эмпирических зависимостей, по фактическим материалам, которые имеются в Сахалинском УГМС, и интерпретация которых возможна только совместно со специалистами их морского отдела.

Таблица 2. Траектория циклона по данным Сахалинского УГМС

Из протокола, полученного в результате вычислительного эксперимента, экстремальные величины штормовых нагонов равны: в Корсакове - 1.27 м; на мысе Крильон - 1.97 м; в Холмске - 3.7 м; в Невельске - 3.5 м; в районе Углегорска - 4.5 м, а также огромные нагоны в Александровске - 7.3м, Ванино - 4.2 м, Де-Кастри - 7.2 м

Рис.11. Распределение экстремальных значений уровня моря на период прохождения циклона над Анивским заливом.

По неподтвержденным данным, в Корсакове вода поднималась на 8 метров, по данным Сахалинского УГМС штормовой нагон не превышал 2-х метров. Для получения возможных экстремальных оценок штормового нагона в Анивском заливе, был выполнен дополнительный расчет воздействия циклона проходящего непосредственно через Анивский залив, имеющего относительный перепад давления в центре 50 мб (абс. = 950 мб), максимальную скорость ветра 70 узлов и размер около 300 км.

Рис.12. Изменение уровня моря под действием циклона  7-8 ноября 1995 года, в правой части приведены  расчетные значения экстремальных уровней моря

Рис.13. Приливной режим в основных пунктах показывает, что период нагонной волны примерно соответствует приливной, а их экстремумы во времени практически совпадают

Последний вариант расчета показал экстремальный уровень штормового нагона в Корсакове 3.5 м, Озерске 4.1 м. В мелководной северной части Анивского залива была зафиксирована скорость течения около 60 узлов (не исключено, что это завышенное значение обусловлено аппроксимационными погрешностями при вычислениях). По данным сводной таблицы, на глубинах 20 и более метров, максимальные скорости нагонных течений находятся в пределах 1-3^М/_С (2-6 узлов).

При вычислительном моделировании штормовых нагонов удовлетворительные результаты получаются на открытых берегах, к которым относятся Южно-Курильск, Северо-Курильск, Камчатка и северное побережье Охотского моря. Возникают вопросы по поводу результатов моделирования в регионах с большими мелководными участками, в частности, в Татарском проливе возникают огромные штормовые нагоны при любом циклоне, пересекающем северную часть Японского моря. Можно также сделать вывод, что реализованная вычислительная модель корректно работает с атмосферным давлением, но по поводу ветрового воздействия уже можно сказать, что выявлена необходимость пересмотра исходных уравнений (может быть поиск алгоритмической ошибки).

3.8. Экспериментально-вычислительная оценка длинноволновых процессов на Сахалинском шельфе

Рис.14. Изображение на экране ЭВМ в процессе численного моделирования прохождения циклона вдоль Сахалинского шельфа. Столбиками обозначены экстремальные уровни моря в 22 постах наблюдения, стрелки показывают мгновенное поле течений. В нижней правой части рисунка приведена масштабная шкала и экстремальные значения уровня моря и течения для всей расчетной области.

В процессе моделирования прохождения циклона 8 ноября 1995 года над полуостровом Терпения, было обнаружено зарождение интенсивной шельфовой волны, движущейся вдоль Сахалинского шельфа на север.

На рисунке 14 показано образование шельфовой сейши, которая движется на север вдоль Сахалинского шельфа, и существенно опережает атмосферный циклон, располагающегося в южной части, - в районе мыса Терпения. Моделирование показывает, что в северных районах Сахалинского шельфа происходит усиление сейшевой волны штормового нагона, амплитуда которой превосходит аналогичный нагон в зоне действия циклона.

Механизм образования такого опережающего штормового нагона обусловливается отражением длинноволновой энергии от мелководных акваторий полуострова Терпения, которая затем перешла в северную часть Сахалинского шельфа вдоль свала глубин Курильской котловины.

Рис.15. Результаты численного моделирования длинноволновых процессов на Сахалинском шельфе, где в качестве источников возмущения задавался быстродвижущийся циклон и одиночная волна цунами, движущаяся со стороны пролива Фриза Наблюдения за изменением уровня моря и течений выполнялись на 10-метровой изобате. Красными линиями отмечены результаты моделирования   цунами, синими и зелеными - за атмосферным циклоном.

На рисунке 15 показаны обобщенные результаты численного моделирования штормовых нагонов и цунами для прибрежных районов Сахалинского шельфа. Результаты моделирования могут быть использованы для быстрой оценки опасности наводнений, путем сопоставления результатов измерения в удаленных точках с участками побережья для которого делается такая оценка. При необходимости, такое моделирование может быть выполнено для уточнения возможной опасности морских наводнений и связанных с ними течений, когда в качестве исходных данных будут использованы оценки амплитуды и периода приближающейся к Сахалину сгонно-нагонной волны, сделанные в удаленных точках или, даже, в районе Курильских островов.

Из рисунка видно, что после того, как циклон приблизился к полуострову Терпения, на север Сахалина стала распространяться волна «атмосферного цунами» со скоростью распространения сейшевой волны. При этом отраженная от полуострова волна оказалась больше, чем последующее прямое воздействие циклона на северную часть Сахалинского шельфа.

Использованный при моделировании циклон вызвал сейшевую волну с коэффициентом усиления ~5, относительно перепада давления в центре циклона. Опасность такой волны состоит в появлении высокоскоростных постоянных течений вдоль Сахалинского шельфа, которое в приведенном примере достигало 10 м/с (около 20 узлов). Если такие процессы будут происходить в зимнее время, то ледовые подвижки с 20-ти узловыми скоростями будут представлять чрезвычайную опасность для любых морских и прибрежных инженерных сооружений, которые могут быть размыты или разрушены торошащимися ледовыми полями.

Следует сделать выводы, что амплитуда волны цунами в районе Сахалинского шельфа усиливается, по крайней мере, в шесть раз, и возбуждает относительно более длительные во времени высокочастотные колебания уровня моря, чем аналогичное длинноволновое «атмосферное цунами» (в приведенном расчете период волны цунами около 12 минут).

Учитывая, что прямое численное моделирование требует сравнительно большого времени счета, в процессе его возможно использование текущих результатов с целью выполнения экспресс-анализа или предварительных прогнозов последствий опасных морских явлений, в том числе с использованием эмпирических моделей. По крайней мере такое моделирование должно выполняться с целью оценки времени угасания опасных колебаний уровня моря и вызванных им течений.

3.9. Предложения по техническому оснащению сахалинской службы предупреждения об опасных морских явлениях

Для организации оперативного сбора гидрофизической информации о цунами и штормовых нагонах на Дальнем Востоке России, необходимо:

1) дооснащение береговых гидрометеорологических станций и постов наблюдения аппаратурой дистанционного измерения уровня моря;

2) предоставление им каналов прямой связи для непрерывной передачи информации в единый центр обработки гидрофизических данных (Центр цунами, расположенный в городе Южно-Сахалинске);

3) доведение технической оснащенности этого Центра до уровня, достаточного для выполнения экспертных работ по анализу обстановки на море в оперативном режиме.

Посты наблюдения. Для оснащения гидрометеорологических станций и постов наблюдения, в первую очередь необходимо приобретение цифровых регистраторов уровня моря, которые отслеживают процесс развития цунами и других опасных морских наводнений. Регистраторы должны работать в автономном режиме и результаты измерения уровня моря (и других гидрофизических параметров) непрерывно передаваться, по одному из протоколов электронной передачи данных, через узел управления региональной сетью, в центр оперативной обработки гидрофизических данных.

Гидрометеорологические станции, расположенные в населенных пунктах, особенно те, которые задействованы в службе предупреждения о цунами, должны быть дополнительно оснащены вычислительной техникой, с помощью которой будет вырабатываться решение о подаче тревоги цунами в зоне их ответственности. Имеются в виду математические и технические комплексы, которые на основе измерения скорости изменения уровня моря и критических отклонений от приливного режима, активизируют местные системы тревожных оповещений и по местным телефонным линиям вызовут ответственных инженеров - океанологов для принятия экспертных решений об объявлении тревоги. Конечно же, такие местные центры предупреждения могут быть дооснащены оборудованием для отслеживания сейсмических, экологических и других опасных явлений.

Таежные гидрометеорологические посты и автономные станции должны оснащаться оборудованием, которое не требует специально подготовленного персонала для его установки, обслуживания и контроля работоспособности. Здесь необходима выработка решения о создании единой сети сбора телеметрической информации, в которой должны быть электронные сети передачи данных, морские и войсковые системы радиосвязи и даже спутниковые системы сбора данных с автономных регистраторов.

Особо следует выделить важнейшую подсистему гидрофизического мониторинга, которая использует удаленные от берега датчики. В системе предупреждения о цунами морские регистраторы уровня должны устанавливаться на расстоянии от берега до 100 или 200 км и на глубинах до 3000-4000 м, что осуществимо только в случае полностью автономных датчиков, работающих из-под поверхности воды. Последнее обуславливается ледовой обстановкой во всех Российских дальневосточных морях.

Ориентировочная стоимость оборудования для ответственных гидрометеорологических станций превысит 25-50 млн.руб. (в ценах 1995 года). Сюда же добавятся расходы по организации прямых линий связи или высокочастотных радиоканалов (3-50 млн.руб), а в случае необходимости переоснащения районных узлов связи, может добавиться стоимость установки телепроцессоров, которая составляет около 25 млн.руб. Ориентируясь на дооснащение 10 гидрометеостанций, стоимость их технического переоснащения превысит 1 млрд. руб.

Переоборудование таежных постов наблюдения и установка автономных станций может составить 25 млн.руб на пост и около 50 млн. руб на средства оперативной связи. Для 10 постов наблюдения эта сумма может превысить 750 млн. руб.

Центр управления связью, в основе которого лежит оборудование для передачи и накопления цифровой информации. В основные обязанности такого центра должно входить предоставление цифровых и аналоговых каналов связи для сбора оперативной информации с гидрометеорологических станций и постов наблюдения. Второй задачей этого центра является обеспечение скоростной оперативной связи для объединения вычислительных ресурсов и экспертных систем в ведомственных центрах обработки информации. В данном случае имеются ввиду другие государственные службы, обеспечивающие жизнедеятельность на островах Сахалинской области, - это сейсмологический, экологический и метеорологический мониторинг, службы обеспечения безопасности мореплавания и рыбопромыслового контроля.

Технология, на которой должен базироваться центр управления сетью передачи оперативных данных, достаточно хорошо отработана в мировой практике, и не является слишком дорогостоящей. После сдачи узла электронной связи и сети передачи данных в эксплуатацию, новая система связи может быть задействована в других задачах по управлению государственными службами и системами жизнеобеспечения в Сахалинской области.

Оборудование узла связи должно быть установлено на территории линейно-аппаратного зала (ЛАЗ) телеграфно-телефонной станции (ТТС) города Южно-Сахалинска, где выполняются условия по гарантированному энергоснабжению, обслуживанию, и куда сходятся все городские и междугородние прямые линии связи.

Этот электронный узел связи может быть представлен дуплексом из двух компьютеров класса IMB-PC, работающих под управлением UNIX - системы, обслуживающей несколько десятков прямых и коммутируемых соединительных линий. На магистральные линии связи и на многотерминальные каналы передачи данных должны быть предусмотрены протоколы пакетной передачи данных класса X25 или TCP/IP, единичные терминалы и автономные регистраторы должны быть обеспечены каналами передачи данных, оптимизированными в соответствии со скоростью и объемами передаваемой информации.

Ориентировочные затраты на оборудование для Южно-Сахалинского Центра управления узлом электронной связи и сетью передачи оперативных данных, составят 250 млн.руб. Примерно столько же будет составлять годовой бюджет этой службы.

Центр обработки информации, (Центр цунами) должен быть укомплектован высококвалифицированными дежурными инженерами - океанологами, и оснащен вычислительной техникой и оборудованием цифровой связи для приема исходной гидрофизической информации, оперативного картирования текущего состояния гидрофизических параметров и проведения численного моделирования в реальном времени, с помощью которого будут отслеживаться опасные морские явления, и вырабатываться экспертные оценки не только для пунктов сбора оперативных данных, но и для всего побережья Сахалина и Курильских островов.

По минимальной схеме, для совершенствования службы цунами и организации предупреждения о других опасных морских наводнениях, информационный центр оперативной обработки гидрофизических данных должен быть оснащен следующими техническими средствами (нумерация в порядке подготовленности действующего Центра цунами к выполнению задач оповещения).

1. Два высокопроизводительных компьютера класса DEC-ALFA 10000 (или быстрее). Один для выполнения численного моделирования приливного режима в Охотском море в реальном времени. Второй компьютер должен выполнять задачи опережающего численного моделирования с целью оперативного прогнозирования волновых процессов в прибрежной зоне для конкретных цунами и штормовых нагонов на основе приливных полей, снимаемых с первого компьютера. Оперативное моделирование может проводиться с использованием приливных полей, которые непрерывно рассчитываются на первом компьютере. Указанный комплекс для проведения вычислительного моделирования может быть реализован в настоящее время, в его основу будут положены разработки лаборатории цунами ИМГиГ. В качестве исходных данных для моделирования будут служить эмпирические модели очагов цунами и атмосферных циклонов, которые, в процессе проведения тревоги, будут адаптироваться к оперативным данным поступающим от действующих постов наблюдения по телефонным и телеграфным каналам связи.

2. Дуплекс дежурных компьютеров класса IBM-PC, подключенных к узлу электронной связи по многотерминальному протоколу класса X-25. На эти компьютеры должна стекаться вся информация, со всех постов наблюдения включенных в единую систему гидрофизического мониторинга. На графических мониторах этих компьютеров должна отображаться информация о состоянии регистрирующей аппаратуры и каналов связи, а также представляться географические карты с полями измеряемых гидрофизических параметров. Для службы цунами важно, чтобы на эти же компьютеры поступала информация о результатах сейсмического мониторинга, которая может быть доставлена из Опытно-методической сейсмологической партии (ОМСП, при условии, что там тоже будет создана сеть сбора оперативных данных между сейсмостанциями).

3. Локальная сеть ЭВМ, объединенная с помощью аппаратуры класса Eithernet. Внутренняя сеть Центра цунами должна обеспечить независимый съем информации с дежурных компьютеров. Это позволит вырабатывать другие экспертные решения, организовывать связь с Комиссией по чрезвычайным ситуациям и другими службами Сахалинской области. На основе этой же локальной сети должны отрабатываться новые задачи, с помощью которых будет обеспечиваться непрерывное совершенствование вычислительных моделей и экспертных систем. Здесь же должны решаться задачи тестирования и настройки нового телеметрического оборудования.

Ориентировочная стоимость оборудования для решения задачи об оперативном численном моделировании - 50 млн.руб на основе IBM-Pentium, или 250 млн.руб на основе DEC-Alfa. Но, на сегодняшний день службу цунами не восстановить без приглашения грамотных специалистов с материка, для которых существенно обеспечение всего комплекса бытовых услуг: как жилье, связь и заработная плата достойная специалиста высокого уровня и с высокой ответственностью.

Ориентировочная стоимость аппаратуры связи и дополнительных компьютеров не превысит 100 тыс.руб. Но если заказывать каналы связи по коммерческим правилам, по которым управление связи работает с ведомственными службами, то затраты на связь многократно превысят все затраты на поддержание оборудования и содержание персонала. Решение проблемы видится только с помощью постановлений правительства о создании единой системы наблюдения и контроля в Сахалинской области и на Дальнем Востоке России. Текущие же работы могут исполняться в соответствии с действующими постановлениями правительства Российской Федерации о создании автоматизированной информационно-управляющей системы предупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях (АИУС РСЧС).

Глава 6. Краткие инструкции по практическому использованию
вычислительных моделей и программных комплексов

Комплекс программ запускается в работу с помощью следующих команд.

При запуске программы можно указать имя информационного файла, в котором описываются батиметрические данные. Если такого имени не указывается, то программа выдает на экран оглавление библиотеки и делает запрос на ввод информационного файла.

Вызов программы обработки временных рядов наблюдения, с указанием имени файла мареографных данных.

>MARIO.exe D:\Path\FileName.tim

>WORLD.exe D:\Path\FileName.lts

Все программы переключают терминал ЭВМ IBM-PC в графический режим сразу же после старта и никогда не возвращается к обычному текстовому режиму. Все внутренние сообщения программы переведены на английский язык и представляются наборами ключевых слов, указывающих на характер выполняемых операций или тип обрабатываемых объектов. В информационных файлах и внутри каталогов данных могут содержаться сообщения на русском языке, если, конечно, DOS и Windows поддерживают соответствующие языковые кодовые таблицы (DOS-866; Windows-1251).

F2 Mario - на экране появляется подвижный курсор в виде крестика, который перемешается с помощью стрелок на клавиатуре или “мышки”. С помощью команды <F1 Inf> в левом верхнем углу экрана выставляется или убирается окно с информацией о местоположении подвижного курсора.

Для установки нового поста наблюдения, необходимо подвести курсор в нужную точку и нажать клавишу <Insert>. В нижнем левом углу появится запрос на ввод названия поста наблюдения.

Быстрая установка курсора на один из существующих постов наблюдения выполняется с помощью команд: <Enter> - с поиском ближайшего к курсору поста; <+> или <-> - перебор уже установленных точек по списку. Когда же курсор установлен на мареографную точку, то она может быть удалена по команде <Delete> или перемещена на другое место, если при перемещении курсора удерживать нажатой клавишу <Shift> . Закрепление поста на новом месте выполняется по команде <Shift+Enter>.

Если включено информационное окно <F1 Inf> и курсор передвигается с удерживаемой клавишей <Shift>, то в окне появляются две дополнительные строки с информацией о расстоянии и азимутах между двумя контрольными точками, которые соединены линией на изображенной на терминале карте. Вторая точка совмещается с подвижным курсором по команде <Shift+Delete>, по команде <Shift+BkSp> эти две точки меняются местами.

При включенном информационном окне может быть использована также команда <BkSp>, которая позволяет скорректировать значение глубины в точке под подвижным курсором.

Корректировка списка мареографных точек производится только в оперативной памяти программы ANI, поэтому, после завершения расстановки постов наблюдения необходимо выйти на главный уровень по команде <Escape>, и сохранить данные по команде <F3 Write>, указав, при необходимости, режим обновления информационного файла [Inf only].

F4 Chart - на экране появляется подвижная рамка, оконтуривающая текущую матрицу батиметрии. Стрелками на клавиатуре перемещается верхняя и правая границы рамки, если же удерживается клавиша <Shift>, то перемещается вся рамка. <Enter> переключает режимы смещения всей рамки и верхней - правой границы. Буква <R> вращает рамку против часовой стрелки, < r > - соответственно, в другую сторону.

Все параметры батиметрической матрицы и ее картографической проекции могут быть определены в специальной таблице, которая вызывается по команде <F4 Edit>. Необходимо отметить, что когда в таблице изменяется сеточный шаг или размерность матрицы, и если нажимается <Enter> в тот момент, когда курсор находится в поле измененного числа, то программа пытается подстроить другие параметры карты так, чтобы рамка осталась на старом месте.

Для выхода из редактирования дается команда <Escape>, за которой следует запрос о способе выхода из процедуры. <Enter> означает, что исправления сделанные в процедуре принимаются, <BkSp> отменяет все корректировки. Если в процессе редактирования считывались другие карты, то по <BkSp> возвращается последняя из прочитанных батиметрических карт.

F5 Time - диалог построен также как в <F2 Mario>, здесь тоже можно редактировать список постов наблюдения и проводить измерение расстояний. В простейшем случае достаточно подвести курсор к заданной точке или выбрать эту точку из каталога исторических событий <F7 Seismic>, затем по команде <F4 Front> запустить процесс моделирования распространения фронта цунами. Времена пробега волны до отмеченных постов наблюдения могут быть просмотрены при вызове списка <F6 List>, а сформированный на экране список может быть выведен в текстовый файл с помощью команды <F2 Write>.

Если немного подождать, пока по команде <F5 Rays> будут подготовлены данные для быстрой прорисовки лучей и фронтов, то луч и (или) фронт будет рисоваться в том же темпе, что и движение активного маркера. Команда <Tab> закрепляет линию луча и фронта на экране.

Для задания сложного по форме источника или нескольких источников сразу, можно воспользоваться буквой <T> - для установки одного источника и задания относительного времени его срабатывания; буквой <O> - для задания одной точки источника с тем же относительным временем; <M> - начинают отмечаться все точки, по которым проходит курсор. Повторное нажатие клавиши <M> отменяет отметку точек источника, отметка отменяется также в случае запуска процесса расчета изохрон <F4 Front>.

Команда <F3 Save> переключает процедуру Time в режим расчета разностей времен добегания от различных точек регистрации фронта волны. В момент первого срабатывания <F3 Save> происходит сохранение поля времен пробега волн, которое затем всегда вычитается из последующих расчетов. Повторное исполнение <F3 Save> приводит к сохранению матрицы разностей, и последующие расчеты будут только корректировать сохраненные разности. Для удаления матриц разностей времен добегания и восстановления режима расчета поля времен добегания, необходимо вернуться на главный уровень программы ANI и снова войти в процедуру <F5 Time> .

Для прорисовки результатов можно вызвать <F2 Service>, где будут предложены обращения к программе рисования изолиний с матрицами данных, которые уже распределены в оперативной памяти. Здесь же происходит настройка режимов быстрого интегрирования лучей и фронтов, а также включение алгоритмов для расчета коэффициентов усиления и делается указание на заполнение поля идентифицирующего излучатели.

В настоящей версии программы не предусматривается получение других результатов, кроме как в форме протоколов со списками постов наблюдения, а также в виде графических изображений на экране ЭВМ, которые могут записываться в файлы растровых изображений или печататься на принтере.

F6 Simulation - вызов комплекса процедур для моделирования длинноволновой динамики океана. В предыдущей главе описывался регламент вычислительного моделирования цунами применительно к действующей службе предупреждения о цунами в Сахалинской области, который ориентирован на Центр цунами Сахалинского УГМС. Рассмотрим здесь последовательность команд для реализации численного моделирования распространения волн цунами. Моделирование, которое может быть использовано для анализа обстановки на побережье и предупреждения населения об опасности конкретной волны цунами.

Для запуска вычислительного эксперимента необходимо иметь батиметрическую карту охватывающую очаг землетрясения и защищаемое побережье. Желательно до начала моделирования сформировать в информационном файле список постов наблюдения за уровнем моря. Программа ANI должна получить информационный файл этого региона в качестве дополнительного параметра командной строки. После того как карта будет изображена на экране необходимо перейти в режим моделирования <F6 Simulation>.

Для установки очага землетрясения необходимо вызвать меню <F4 Source>, и заполнить в нем координаты очага землетрясения, задать размеры очага и амплитуду в источнике. Если размеры и амплитуда неизвестны, то можно воспользоваться командой <F7 Seismic>, которая доступна в режиме <F4 Source>, и задать магнитуду землетрясения, тогда размеры, ориентация и амплитуда в очаге будут вычислены автоматически, на основе эмпирических формул А.А. Поплавского. Необходимо обратить внимание на прогнозируемый период волны, который будет получен в результате применения эмпирических формул (указывается в первой строке меню), так как он может оказаться слишком малым для удовлетворения аппроксимационных критериев.

Если период мал, то его следует увеличить искусственно. При моделировании цунами, подходящего к побережью Сахалина или Курильским островам, этот период можно выбрать приблизительно, в зависимости от местоположения очага цунами (по историческим данным):

В том случае, если источник цунами выходит за пределы расчетной области, то волну цунами можно задать с помощью периода во времени и направления подхода ее к свободной границе расчетной области. Определение такой волны выполняется с помощью меню <F3 Period>, в котором необходимо заполнить ячейки с периодом волны, амплитудой и направлением ее подхода. Такая волна будет проникать в расчетную область через свободные границы, и этот процесс будет начат сразу же после запуска вычислительного эксперимента. Последнее означает только то, что при указании времени для физического процесса, необходимо делать поправку на время подхода волны к расчетной области.

До запуска расчетов желательно проверить согласование аппроксимационных критериев для заданного минимального периода волны цунами. С этой целью необходимо вызвать меню <F2 Service>, в трех окнах нижней строки которого реализован специализированный калькулятор. Необходимо выбранный период волны (в минутах) внести в окно “Time“, затем перейти в окно “Depth” и нажать на “ввод”. В окне “Depth” появится минимально допустимая глубина моря, до которой возможно моделирование волны цунами. Повторив команду <F2 ReDraw>, можно увидеть величину области отсечения на мелководье. Если эта область слишком велика, то можно попытаться уменьшить количество точек аппроксимирующих полуволну в среднем окне “Cells” до 4-х, и снова уточнить минимально допустимую глубину. Если этого мало, то необходимо вручную выставить минимальную глубину и количество аппроксимирующих ячеек, затем получить решение о минимальном периоде волны для данной батиметрической карты. Затем следует выставить период волны в источнике цунами в соответствии с периодом, минимально допустимым по аппроксимационным критериям.

Запуск процесса моделирования волны цунами производится по команде <F9 Start>. При первом запуске на экране появляется окно запроса на общее имя файлов протокола и мареографных данных, в этом же окне необходимо скорректировать физическое время начала вычислительного эксперимента и дискретность записи мареографных рядов. Вычислительный эксперимент может быть остановлен в любой момент времени по нажатию одной из клавиш на клавиатуре, для продолжения расчетов необходимо снова дать команду <F9 Start>, которая уже не будет сопровождаться дополнительными запросами.

По мере подхода волн цунами к мариографным постам наблюдения, на них будут появляться: сначала записи о времени регистрации первого изменения уровня; затем будут изображены столбики и надписи с экстремальными значениями уровня моря и временем его регистрации.

Если необходимо произвести уточненный расчет вблизи конкретного пункта на побережье, то можно воспользоваться методом “переката”, то есть замены одной батиметрии на более подробную, непосредственно в процессе вычислений. Для этого необходимо приостановить расчеты и вызвать редактор батиметрических карт по команде <F6 Chart>. В редакторе может быть назначена переинтерполяция текущей матрицы с целью уменьшения шага сетки, с соответствующим уменьшением размеров расчетной области, или по команде <F3 Read> может быть прочитана другая батиметрическая карта. После выхода из редактора будет интерполирована не только матрица батиметрии, но и все расчетные гидродинамические поля. До запуска вычислений на новой карте, желательно снова обратиться к меню <F2 Service>, где необходимо сделать повторное уточнение и установку минимальной глубины моря в соответствии с аппроксимационными критериями.

В программе ANI предусмотрена только временная блокировка файлов протокола и мареографных данных, которая делается только на моменты их обновления, обусловленные дискретностью записываемых временных рядов. Это означает, что текущие результаты вычислений могут быть просмотрены с другого компьютера, имеющего доступ к файлам результатов через локальную сеть. При этом текущие файлы результатов могут быть удалены или переименованы, программа ANI это обнаружит и оформит их заново, начиная с текущего момента времени.

Если в меню <F2 Service> установлен режим записи контрольных точек “CheckPoint“, то на другом сетевом компьютере может быть продублирован расчет, что может потребоваться для уточненного моделирования в нескольких береговых пунктах одновременно.

На первом этапе моделирования цунами, которое должно выполняться в оперативном режиме, требуется наискорейшее вычисление амплитуды и времени подхода максимальной волны цунами. Эта информация непрерывно показывается и обновляется на графическом экране ЭВМ. По трехмерному изображению волнового поля, которое тоже периодически обновляется на экране, можно сделать оценку времени угасания волнения, вызванного цунами, что требуется для принятия решения о прекращении тревоги цунами.

Основные результаты моделирования цунами, а также все характеристики расчетной области и параметры генерируемых волн записываются в виде текстового протокола, с помощью которого возможно точное воспроизведение всего вычислительного эксперимента.

6.5. Моделирование приливного режима

Моделирование приливных колебаний в Охотском море основывается на использовании приливных гармонических постоянных в качестве исходных данных для генерации волновых движений в окрестности мареографных постов, на которых эти гармоники измерялись.

Для моделирования приливного режима необходимо перестроить параметры математической модели, для этого вызывается меню <F2 Service> и устанавливается режим учета вращения Земли “Coriolis Forces“, добавляется учет вязкости “Friction = 0.0025“ (для Охотского моря 0.0013). При моделировании столь длительных во времени процессов, как приливные колебания, встает вопрос уже не о соблюдении аппроксимационных критериев, а об обеспечении аппроксимационной точности. Это означает увеличение количества аппроксимирующих волну ячеек до 24ё30 вместо 6ё4, использованных ранее для моделирования цунами.

Приливные гармоники и координаты мареографных постов хранятся в файле ANI.tim, который автоматически открывается из меню <F3 Time>, при обращении к окну “Tide\Wave“ в первой строке этого меню. При последующих вызовах “Tide\Wave“ будет предложено выбрать другой файл с приливными гармониками, по маске “*.tim”. Когда на экране изображен список приливных станций, то пробелом можно исключить некоторые из них из процесса генерации приливных волн, исключенные станции помечаются знаком “#”.

Если выйти из списка по команде <Escape>, то все доступные приливные станции будут работать в качестве генераторов приливных волн. Если же из списка выйти по команде <Enter>, то приливные гармоники той станции, на которую указывает курсор, будут использованы в качестве генератора приливных волн входящих через свободные границы. Первый вариант: <Escape> - может быть использован для восстановления приливного режима в больших полузакрытых областях, когда в восстановлении приливного поля задействуется весь комплекс наблюдений на открытых границах расчетной области. Второй вариант: <Enter> - может быть использован при восстановлении приливного поля в малых расчетных областях или при исследовании вынужденных колебаний от простых источников.

Запуск процесса вычислений производится по команде <F9 Start>, за которой следует более сложный запрос, где кроме имен файлов, времени начала и дискретности записи мариограмм, может быть сделан запрос на уточнение физического времени начала вычислений. Последнее учитывает тот факт, что запуск приливной волны делается с момента смены знака амплитуды приливной волны (когда волна имеет нулевую амплитуду). При моделировании приливного режима в Охотском море, процесс установления приливных колебаний длился около одной недели физического времени, качественные результаты по амплитудам и фазам приливных волн были получены примерно через один месяц вычислительного процесса.

Моделирование приливного режима может быть приостановлено на контрольной точке, при этом в файл рестарта будут записаны все данные, необходимые для восстановления вычислительного процесса, в том числе данные по батиметрии, постам наблюдения и приливным станциям. То есть для продолжения расчетов достаточно одного файла рестарта: “FileName.chk”.

Алгоритмы расчетов прилива еще не доведены до уровня, достаточного для включения в режим непрерывного моделирования, по нескольким причинам:

Это те вопросы, которые нуждаются в доработке, при этом первые два из них могут быть решены только при помощи или участии Сахалинского УГМС.

6.6. Прохождение атмосферного циклона и прогноз штормовых нагонов

Реализация алгоритмов моделирующих взаимодействие атмосферы и океана, изначально была ориентирована на использование реальных полей атмосферного давления и ветра. В настоящей же версии программы используется упрощенное представление атмосферного циклона, который на поверхности воды имеет форму окружности, внутри которой задано вихревое распределение скорости ветра с небольшим спиральным закручиванием к центру циклона.

Моделирование циклона производится в программе <F6 Simulation>, где для задания траектории и параметров циклона предусмотрена процедура <F5 Meteo>. На графическом экране ЭВМ циклон изображается в виде окружности, с осью ориентированной по меридиану. Если внутри циклона задается перепад давления или определяется скорость ветра, то внутри окружности появляются кривые линии, показывающие функции распределения этих полей.

Все параметры циклона могут быть определены в меню, которое вызывается по команде <Enter>. Позиционирование циклона может быть выполнено, также, с помощью стрелок на клавиатуре. Фиксация контрольной точки на траектории выполняется по <Insert>.

Команда <Space> - пробел, связывает подвижную отметку с ближайшей контрольной точкой на траектории циклона, такую же привязку можно сделать с помощью <+> и <->, где контрольные точки будут перебираться по списку. Если подвижная отметка связана с контрольной точкой, то ее можно удалить с помощью <Delete>, или передвинуть на новое место, для этого необходимо перемещать отметку удерживая нажатой клавишу <Shift>.

Моделирование циклона можно выполнять по тем же правилам что и цунами, но учитывая что циклон обычно покрывает большие расчетные области, необходимо ввести учет сферичности и вращения Земли, а также подобрать коэффициенты придонного трения.