А. А. Поплавский, В. Н. Храмушин
Институт морской геологии и геофизики
Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований
ДВО РАН
Южно-Сахалинск, Россия.

in English

Введение

Любая СПЦ должна включать в себя две подсистемы наблюдений (сейсмическую и гидрофизическую), центр обработки данных и принятия решений, подсистему связи и оповещения о цунами. Реально, СПЦ может представлять как физически и юридически независимую систему, так и виртуальную, входящую в состав других систем мониторинга, связи и оперативного оповещения. В последнем случае СПЦ организуется по сигналу системы сейсмического мониторинга и функционирует в течение ограниченного "тревожного" интервала времени. С точки зрения экономии средств на создание и эксплуатацию этот вариант организации новой СПЦ в Индийском океане кажется наиболее предпочтительным. В этом случае основные усилия должны быть сосредоточены на создании информационной инфраструктуры СПЦ и ее алгоритмическом и программном наполнении. В уже существующие системы сейсмического и гидрофизического мониторинга, вероятно, должны быть внесены лишь незначительные изменения.

Данная работа состоит из двух частей. Ее первая часть посвящена вопросу об оптимальном размещении станций измерения уровня моря в составе СПЦ Индийского океана с точки зрения максимального использования уровенной информации для уточнения прогноза цунами в процессе развития явления. Полученные результаты позволяют определить, как должна быть дополнена существующая система гидрофизического мониторинга, чтобы она оказалась наиболее полезной для нужд СПЦ.

Вторая часть посвящена описанию программно реализованных методов уточнения первоначального (сейсмологического) прогноза цунами по данным последующего гидрофизического мониторинга.

В работе использован метод численного моделирования кинематики и динамики распространения цунами реализованный в виде специализированных комплексов программ.

В данной статье, применительно к бассейну Индийского океана, используются идеи и методы, изложенные в работах [1 – 8].

Полезность СПЦ, прежде всего, определяется ее способностью начать регистрацию полезного сигнала с определенным опережением относительно момента самого раннего подхода волны к прикрываемым населенным пунктам (участкам побережья).

Полезный сигнал для сейсмической подсистемы наблюдений – упругие возмущения в твердой земле, для гидрофизической подсистемы – сама волна цунами.

Необходимый минимальный интервал опережения регистрации события Дt наблюдательными подсистемами СПЦ, отсчитываемый от момента начала землетрясения, складывается из следующих непересекающихся отрезков времени:

• D t₀ – времени ожидания сигнала в наблюдательных подсистемах СПЦ;
• D t₁ –длительности регистрации сигнала, необходимой для его обработки;
• D t₂ – времени прохождения тревоги по каналам связи;
• D t₃ – длительности процесса эвакуации.

Если фактическое опережение регистрации опасного события в сейсмической подсистеме будет меньше необходимого, то СПЦ не сможет своевременно предупредить потребителя об угрозе цунами. Произойдет фатальный (неизбежный) пропуск цунами.

Аналогичная неблагоприятная ситуация в гидрофизической подсистеме будет означать, что наблюдения за уровнем моря не могут быть использованы для оперативного предупреждения о цунами.

Все вышеприведенные величины могут и должны быть строго определены, как для сейсмической, так и для гидрофизической подсистемы. От этого зависят величины необходимого минимального опережения регистрации для сейсмической – D t(сейсмо) и гидрофизической – D t(гидро) подсистем.

Пусть i = 1, 2,…I – имена прикрываемых пунктов побережья и j = 1, 2,…J – имена станций измерения уровня. Тогда условие заблаговременности получения предупреждения о цунами в пункте i от сейсмической подсистемы СПЦ будет

T(i) ³ D t(сейсмо).

Оно означает, что своевременное предупреждение получат только те пункты, время ожидания цунами T(i) (время пробега цунами от конкретного источника до пункта i) в которых будет не меньше необходимого времени опережения регистрации.

Аналогичное условие для гидрофизической подсистемы будет

T(i) – T(j) ³ D t(гидро).

Это означает, что своевременное уточнение прогноза цунами получат те пункты i и от тех станций j, разность времен ожидания цунами в которых будет не меньше необходимого времени опережения регистрации.

Записанные условия имеют прозрачную географическую интерпретацию: если из пункта i провести (обратную) изохрону, равную D t(сейсмо), она ограничит на акватории область вероятных источников цунами, о которых этот пункт не получит своевременного предупреждения от сейсмической подсистемы СПЦ. Эту область мы называем сейсмической слепой зоной (ССЗ). Цунами от реального источника, пересекающего такую зону, будет пропущено сейсмической подсистемой для пункта i.

Аналогично, изолиния разности времен ожидания цунами в пункте i и на мареографе j, равную D t(гидро), ограничит на акватории гидрофизическую слепую зону (ГСЗ). Цунами от реального источника, пересекающего такую зону, будет пропущено мареографом j для пункта i.

Сказанное иллюстрирует рис 1, на котором изображены ССЗ и ГСЗ для пункта А, находящегося вблизи береговой линии модельного бассейна с плоским наклонным дном, и мареографов, установленных в точках В, С и D для минимального времени опережения регистрации D t(сейсмо)= D t(гидро)=10 минут.

Цунами от источника Src1 не будет пропущено сейсмической подсистемой, так как он находится за пределами ССЗ. Гидрофизическая подсистема в виде мареографов, располагаемых в точках B, C и D окажется бесполезной, так как этот источник находится в пределах ГСЗ для всех трех положений мареографа.

О цунами от источника Src2 пункт А будет предупрежден заблаговременно как по данным сейсмической, так и гидрофизической подсистем, при условии, что мареограф будет установлен в точке С.

Этот рисунок иллюстрирует также важное экстремальное свойство ГСЗ. Зависимость площади этой зоны от положения мареографа немонотонная и имеет единственный минимум, когда мареограф устанавливается на оси симметрии ССЗ на расстоянии в 2 раза большем ее диаметра (в точке С), независимо от величины наклона дна. Отношение соответствующих времен ожидания цунами в точках А и В равно Ö 2. Это свойство используется ниже при выборе конкретных мест для мареографов открытого моря в реальных бассейнах.

В действительности величины, входящие в условия заблаговременности, либо не определены, либо определены весьма неточно. На основании наших собственных грубых оценок примем далее, что D t(сейсмо) = D t(гидро) = 30 минут.

Известно, что абсолютное большинство эпицентров землетрясений в Индийском океане концентрируется вблизи побережья Индонезии в полосе шириной до 400 – 500 км, примыкающей к островам. Именно эта область является генератором цунами. Согласно [Гусяков] с 1900 г по настоящее время в ней произошло 20 землетрясений с магнитудой М ³ 7, 12 из которых сопровождались волнами цунами с интенсивностью I ³ 0.

На рис 2 показана карта изохрон цунами от обобщенного источника цунами, океанская граница которого является границей области наибольшей концентрации эпицентров. Из рисунка видно, что большая часть побережья Индийского океана имеет достаточный запас времени для решения об эвакуации населения от береговой черты в случае возникновения цунами у берегов Индонезии.

Соответствующие расчеты показывают, что существующая система гидрофизических наблюдений обеспечивает опережение регистрации цунами более 30 минут относительно самого раннего момента подхода волны к любому периферийному (относительно Индонезии) участку побережья.

В неблагоприятном положении находятся лишь океанские берега самого Индонезийского побережья.

Побережья, примыкающие к обобщенному очагу цунами, находятся в наиболее неблагоприятных условиях, так как реальные цунами могут возникать в любом месте акватории, занимаемой этим очагом. Это значит, что неизбежны пропуски цунами, связанные с нарушением условий заблаговременности – фатальные пропуски. Однако существует возможность сведения вероятности таких пропусков к разумному минимуму.

Известно, что рельеф дна вблизи берегов реальных бассейнов очень неоднороден: обширные зоны прибрежного мелководья сменяются тесно примыкающими к берегу глубоководными зонами. Очевидно, что волна цунами достигнет ближайшей к источнику береговой черты сначала в точках, к которым примыкают глубоководные зоны, а затем пересечет соседние, обширные зоны мелководья. На этом свойстве прибрежной батиметрии основан метод отыскания положения совокупности береговых точек, которых волна цунами всегда будет достигать раньше, чем соседних (окруженных зонами обширного мелководья). Он состоит в следующем.

1. Модельная волна цунами излучается из протяженного источника, состоящего из N точек, располагаемого вблизи берега и параллельно ему (например, вблизи какой-либо мелководной изобаты).
2. В соответствии с принципом Гюйгенса, для каждой отдельной точки i источника можно выделить такую область акватории, которую пересекает волна цунами, испущенная из этой точки. Эту область мы называем районом ответственности точки i.
3. Для района ответственности точки i справедливо следующее утверждение: волна, излученная из этой точки, пересечет ее собственный район ответственности раньше, чем волны, излученные из остальных (N-1) точек.
4. В силу принципа взаимности последнее утверждение эквивалентно следующему: волна цунами, излученная из источника произвольной формы, располагающегося в пределах района ответственности точки i, достигнет ее раньше, чем всех остальных (N-1) точек.
5. Районы ответственности всех N точек покрывают всю площадь исследуемой акватории. Но в силу неоднородности прибрежного рельефа дна они будут сильно различаться по размерам.
6. Множество точек, имеющих наиболее обширные районы ответственности, и образует искомое множество точек побережья.

Именно в этих точках следует размещать станции измерения уровня вблизи берега.

На рисунке 3 показана карта районов ответственности 153 точек (выделенных крестиками) побережья островов Суматра и Ява.

Из 153 районов ответственности выбрано 11 наиболее обширных. Соответствующие им точки можно рассматривать как вариант плана расстановки прибрежных мареографов. На рис 5 они выделены крестиками.

Затем, для этих точек были найдены оптимальные морские точки. Установка мареографов в найденных морских точках обеспечивает минимум площади 30-минутной ГСЗ в пределах района ответственности соответствующей береговой точки.

На нижеследующей серии рисунков (4 - 6) показаны карты изолиний времени опережения регистрации цунами относительно пункта Джакьякарта (о-в Ява) для трех вариантов размещения мареографов. На рис 4 – дана карта упомянутых изолиний для существующих вблизи Индонезии мареографов (Андаман, Никобар, Паданг, Кокос). На рис 5 – для расстановки мареографов вблизи берега (в точках, помеченных крестиками) и на рис 6 – для мареографов открытого моря (точки помечены знаком *). На этих рисунках красным цветом выделены 30-минутные гидрофизические слепые зоны, а зеленым – области расположения вероятных источников цунами, предупреждение о которых, по данным соответствующих мареографов, поступит в Джакьякарту заблаговременно.

Оптимизированная в соответствии с разработанной методикой расстановка морских и прибрежных гидрофизических станций обеспечивает наискорейшую регистрацию волн цунами, движущихся от наиболее вероятных очагов подводных землетрясений. При этом гарантируется, что в избранных точках наблюдения гребень первого вступления волны цунами будет всегда меньше, чем на защищаемых участках побережья. Форма волны в этих точках будет наиболее точно отражать особенности гидродинамических процессов в очаге землетрясения, приведших к появлению цунами. Поэтому оперативная информация от оптимизированных гидрофизических постов может быть использована в качестве начальных условий для запуска прямых вычислительных экспериментов по моделированию движущейся к конкретным участкам берега волны цунами.

В рамках службы оперативного предупреждения о цунами, до подхода волны к прикрываемым берегам (пунктам побережья), может быть использовано три вида оценок, последовательно уточняющих первоначальный (сейсмический) прогноз цунами.

1. Сразу же после оценки параметров сейсмического очага подводного землетрясения рассчитываются кинематические карты времен подхода волны к различным участкам побережья. По сходимости лучевых трубок определяются участки побережья с наиболее опасными проявлениями первой волны цунами. Затем готовятся начальные условия, и запускается вычислительный эксперимент по оценке высоты цунами на прикрываемых берегах с использованием грубых эмпирических моделей очага цунами (рис.2);

2. После регистрации цунами на любой из гидрофизических станций определяются реальные параметры цунами (например, амплитуда и длительность первой полуволны). Вычислительные эксперименты по моделированию либо цунами адаптируются к реальным условиям, либо запускаются с новыми начальными условиями (рис.7). В результате получаются уточненные оценки ожидаемых высот цунами у берега.

3. При поступлении информации от нескольких гидрофизических постов, производится перерасчет гидродинамических параметров цунами, которые используются для решения о продлении или отмене тревоги цунами (рис 8).

Методика оптимизации размещения мареографов может быть с успехом применена при создании национальных служб предупреждения о цунами в Индийском океане. При этом система гидрофизических наблюдений может быть использована для оперативного прогноза не только цунами, но других опасных морских явлений, таких как штормовые нагоны.

Разработанное программное обеспечение позволяет оценивать и уточнять параметры цунами в темпе, опережающем развитие самого явления. С ним можно детально познакомиться и взять программные модули для практического использования на сайте www.science.sakhalin.ru.

Литература

1. Поплавский А. А. Исследование задачи об оптимальной расстановке гидрофизических станций с точки зрения достижения требуемой заблаговременности предупреждения о цунами //Всесоюзное совещание по вычислительным методам в проблеме цунами, сентябрь 1987 г., с. Шушенское: Тезисы докл. – Красноярск, 1987. – С. 105.
2. Поплавский А. А., Файн И. В. Некоторые особенности расстановки датчиков гидрофизической подсистемы ЕАСЦ //Всесоюзное совещание по вычислительным методам в проблеме цунами, сентябрь 1987 г., с. Шушенское: Тезисы докл. – Красноярск, 1987. – С. 105 – 106.
3. Поплавский А. А., Файн И. В. О рациональной расстановке гидрофизических станций ЕАСЦ с точки зрения достижения достаточной заблаговременности предупреждения о цунами //Совещание «Теоретические основы, методы и аппаратурные средства прогноза цунами»: Тезисы. докл. – Обнинск, 1988. – С. 123.
4. Поплавский А. А. Эффективность системы предупреждения о цунами (СПЦ) и рациональное размещение подсистемы гидрофизических станций //Вычислительные технологии. – Новосибирск, 1992. – Т. 1, № 3. – С. 90 – 106.
5. Бернштейн В. А. Задача о заблаговременности тревог цунами от одной гидрофизической станции в полубесконечном бассейне с полосовым дном. – Препринт. – Южно-Сахалинск, 1992. – 50 с.
6. Оперативный прогноз цунами на морских берегах Дальнего Востока России / А. А. Поплавский, В. Н. Храмушин, К. И. Непоп, Ю. П. Королев. – Южно-Сахалинск, 1997. – 273 с.
7. Поплавский А. А. Анализ возможностей заблаговременного прогноза цунами на тихоокеанском побережье Камчатки //Вулканология и сейсмология. – 2000. – №6. – С. 55-65.
8. Поплавский А. А. Основные особенности локального прогноза цунами для берегов Камчатки и Курильских островов //Локальные цунами: предупреждение и уменьшение риска. – М., 2002. – С. 152 – 157.