Мореходство и морские науки
Морской форум 12 февраля 2008 г
Дальневосточные моря отличаются высокой штормовой активностью, обусловленной прохождением здесь тихоокеанских циклонов и тропических тайфунов. Значительные размеры Охотского моря, частые и сильные ветры над ним обусловливают развитие крупных волн, достигающих порой 10–11 м. Это обосновывает высокую востребованность научных исследований в области создания систем оперативного контроля обстановки на море для своевременного обнаружения потенциально опасных морских явлений, что в первую очередь необходимо для обеспечения эффективности и безопасности мореплавания на дальневосточных морских коммуникациях России.
В работе Р. П. Бернгардта [1] приведены результаты сравнительного анализа опасности природных катастроф в разных странах на разных континентах, опубликованные в работе [3]. Обобщения американских ученых по всему земному шару опубликованы в работе [2] и дают следующую картину опасности природных катастроф (табл. 1).
Таблица 1. Суммарное число жертв на Земле за период с 1947 по 1970 г.
| № п/п | Вид природной катастрофы | Количество жертв |
| 1 | Циклоны, тайфуны, штормы на побережьях океанов и морей | 760 000 |
| 2 | Землетрясения | 190 000 |
| 3 | Наводнения на суше (вне побережья морей) | 180 000 |
| 4 | Грозы (поражения молнией) | 20 000 |
| 5 | Цунами | 15 000 |
| 6 | Извержения вулканов | 7 500 |
| 7 | Внезапная жара | 5 000 |
Эти данные подтверждают японские метеорологи, утверждающие, что в Японии при штормах за каждые 10 лет разрушается домов и гибнет людей примерно в 7–10 раз больше, нежели при землетрясениях и цунами вместе взятых [3]. Действительно, бедствия, возникающие при штормовых нагонах, ужасны и неотвратимы.
Вычислительные эксперименты в длинноволновой гидродинамике, основанные на современных математических моделях и программном обеспечении общедоступных компьютеров, могут быть эффективно использованы для оценки динамики уровня моря и течений на акваториях портов и морских рейдах, в том числе при проектировании новых гидротехнических сооружений или для поиска безопасных мест штормового укрытия судов в прибрежных бухтах и морских заливах. При специальной подготовке цифровых батиметрических массивов численное моделирование способно обеспечить оперативный прогноз развития опасных явлений на море, наивысшая эффективность которого будет достигаться при автоматизированной адаптации всей оперативной информации, поступающей по телеметрическим каналам сбора данных от действующих постов наблюдения и систем дистанционного мониторинга состояния моря. Опыт численного моделирования и сопоставления результатов с реальными наблюдениями за динамикой моря при прохождении штормов и цунами позволил определить основные механизмы воздействия морских наводнений и экстремальных течений на конкретные участки побережья и гавани морских портов, аналитическое обобщение которых и стало целью настоящего исследования. Все действующие варианты программ, с помощью которых получены настоящие выводы и методические разработки, опубликованы в Интернет на Корабельном портале (бывшем сайте «Наука»): www.ShipDesig.ru/SoftWare, – и предлагаются для свободного использования.
Рассмотрим два примера длинноволнового воздействия на побережье острова Сахалин по результатам численного моделирования реального штормового нагона 1995 г. и гипотетического цунами с катастрофической магнитудой в очаге подводного землетрясения с охотоморской стороны от Северных Курил, соизмеримого по энергии с Чилийским землетрясением и цунами 1960 г.
По данным Сахалинского УГМС, траектория циклона 7–8 ноября 1995 г. проходила по акватории Японского моря.
Таблица 2. Траектория циклона по данным Сахалинского УГМС
| Дата | Время (ч:м) | Широта (°’) | Долгота (°’) | Давление (мб) | Диаметр (км) | Примечание |
| 1995.11.07 | 18:00 | 40°00’ | 138°30’ | 975 | 800 | Размер циклона 950 км |
| 1995.11.08 | 00:00 | 46°00’ | 140°30’ | 965 | 600 | |
| 06:00 | 47°30’ | 142°00’ | 950 | 500 | ||
| 12:00 | 48°00’ | 142°30’ | 950 | 500 | Циклон остановился | |
| 18:00 | 48°00’ | 142°30’ | 950 | 500 | ||
| 1995.11.09 | 00:00 | 48°30’ | 144°00’ | 965 | 600 |
Когда циклон приблизился к заливу Анива вечером 7 ноября, то восточным ветром в верхнем крыле циклона был вызван активный сгонный поток через пролив Лаперуза в сторону Японского моря. Только после того как циклон поднялся выше пролива Лаперуза, на поверхности Анивского залива образовалось ветровое напряжение (скорость юго-западного ветра у мыса Крильон – 60 м/с; в Корсакове – 45 м/с), приведшее к перетоку воды в северную часть залива и образованию там значительного штормового нагона, по которому в город и порт Корсаков стали заплескиваться гребни штормовых волн.
На рис. 1 приведен пример построения и проведения вычислительного эксперимента по моделированию морских наводнений, возникших при прохождении глубокого циклона по Татарскому проливу 7–8 ноября 1995 г. Величина гидродинамического нагона в районе порта Пригородное составила величину порядка двух метров, на фоне которого действовали стоячие длинные волны (сейшевые колебания уровня моря) с периодами от 6 до 25 мин, периодически удваивавшие величину морского наводнения вблизи побережья и одновременно пропускавшие к береговому урезу и к открытым морским причалам в порту Корсаков крупные волны зыби из открытого моря, которые по большой воде легко достигают возвышенного берегового уреза.
Ураганным ветром и волнением в порту Корсаков были уничтожены три портальных крана и значительно повреждены остальные 15 портальных кранов. 11 железнодорожных вагонов отброшены на 20–30 м. Повреждено и размыто железнодорожное полотно на протяжении 400 м. Разрушено покрытие пирсов, повреждены гидротехнические сооружения, испорчен и разбросан груз, находящийся на пирсах.
Потерпели крушения следующие морские суда: шхуна «Одиссей-2», получившая ранее пробоину, и катер «Рейдовый» затонули в ковше порта Корсаков; судно «Яков Синяков» затонуло у пирса; плашкоут СУ-26 выбросило на пирс; теплоход «Комета» получил пробоину; сели на мель в районе Первой Пади залива Анива судно «Триас», зверобойные шхуны «Серебрянка» и «Зверево», гондурасская шхуна «Кармитозе» и у поселка Песчанское сел на мель танкер «Филатов».
Результаты численного моделирования воздействия атмосферных циклонов на акваторию Анивского залива можно признать вполне удовлетворительными. Упреждающее проведение таких вычислительных экспериментов, которые могут быть построены в том числе по данным типовых штормовых прогнозов, необходимо признать обязательным для всех портовых служб Сахалинской области.
В действующей версии программы реализовано прохождение атмосферного циклона по гладкой (сплайновой) траектории. Границы циклона задаются с помощью «малого круга», очерченного на поверхности сферической Земли. Внутри этого круга плавно изменяется атмосферное давление и скорость ветра в зависимости от расстояния до центра циклона. Поле ветра по спирали направлено к центру циклона.
Для оценки отклика северо-восточного шельфа острова Сахалин сначала был использован гипотетический циклон с перепадом давления в центре порядка 50 мб и скоростью ветра 30 м/с.
С первых же шагов вычислительного эксперимента было обнаружено образование захваченной длинной волны, которая двигалась на север по сахалинскому шельфу со значительным опережением атмосферного циклона. Механизм образования такого опережающего штормового нагона обусловлен захватом в волновой процесс свала глубин Курильской котловины. Вдоль свала глубин волновая энергия на большой скорости была перенаправлена на север и затем сфокусирована в районе лагуны Чайво. Такое «атмосферное» цунами, или метеоцунами, с большой скоростью достигшее нефтепромысловых районов сахалинского шельфа, по высоте оказалось в пять раз больше гидростатического подъема уровня моря, который к этому времени удерживался в районе мыса Терпения.
Опасность такой волны состоит в появлении высокоскоростных течений вдоль сахалинского шельфа, и особенно на мелководьях вблизи мыса Терпения. При более длительном воздействии или стационировании циклона с северо-восточными ветрами в районе сахалинского шельфа, особенно в зимнее время, должен наблюдаться экстремально быстрый дрейф льда. Это будет представлять чрезвычайную опасность для любых морских и прибрежных инженерных сооружений. При усилении течений может размываться грунт на участках расположения стамух вблизи побережья, и морские сооружения будут испытывать большие нагрузки под ударами быстродвижущихся ледовых гор.
Скорости течений в районе Корсакова не превышали 0,17 м/с и 1 м/с – у мыса Анива, что в принципе не вызывает нареканий по качеству используемых математических моделей.
В качестве источника цунами выбран макросейсмический очаг землетрясения с магнитудой Ms=8,5, сопоставимый по энергии с чилийским цунами 1960 г. Такое цунами может возникнуть в результате взрыва активных подводных вулканов, расположенных в Охотском море в районе Северных Курильских островов.
Высота цунами в источнике составляет 2,6 м, размер макросейсмического очага 136х418 км. Глубина моря в области землетрясения составляет 1000 м, что соответствует длинноволновому очагу цунами с периодом 22 мин.
Основная энергия цунами от катастрофического землетрясения на Северных Курилах перенаправляется на север Охотского моря (рис. 3), что обусловлено рельефом морского дна и лучевыми каналами распространения первого фронта длинных волн в прилегающей акватории. При распространении цунами в сторону Магадана высота фронта волны постоянно растет, усиливаясь за счет обратного искривления изохрон и схождения лучевых трубок. А следом к этому же побережью будут устремляться волны, отраженные от сахалинского шельфа и западного побережья Камчатки (рис. 4).
В результате столь сильного землетрясения в глубоководной северной части Охотского моря образуются волны цунами с высотой около 2 м, которые способны привести к катастрофическим последствиям вблизи побережья Магаданской области, с заплесками на побережье более 10 м. В то же время высота первого вступления волны цунами на северо-восточном шельфе Сахалина не прогнозируется более чем 3–3,5 м; в заливе Анива – 2 м.
В основе анализа особенностей проявления волн цунами и морских наводнений у конкретных участков морского побережья может быть использовано разделение процессов воздействия длинных волн на побережье по этапам прохождения первых волн цунами и последующего возбуждения шельфовых акваторий (рис. 4), зависящих от геометрических особенностей прибрежного рельефа морского дна:
A – Прогрессивная, быстродвижущаяся к берегу волна цунами обрушивается на все побережье крутым фронтом. Отмели в заливе Чайво немного задерживают подход цунами, одновременно фокусируя удар волны на небольшом участке берегового уреза, где волна цунами будет максимально большой высоты и потому наиболее опасной.
B – При длительном длинноволновом воздействии извне волновая поверхность систематизируется так, что более длинные и потому более высокие волны концентрируются на изобате от 15 до 30 м, а вблизи берегового уреза собираются пространственно короткие волны малой высоты, как бы защищая берег от заплесков и размыва.
C – Однако некоторые участки побережья не всегда поддерживают стационарность общего длинноволнового процесса на шельфе и, словно по волноводам, вытягивают волновую энергию на себя, заливая берег штормовыми наводнениями.
Характер воздействия на морское побережье волн цунами заметно отличается от постоянно существующих длинноволновых процессов в прибрежных мелководьях открытого моря, зарождающихся под воздействием метеорологических факторов или вынужденных волновых колебаний, привносимых из удаленных штормовых акваторий.
В результате серии вычислительных экспериментов по моделированию длинноволновых процессов вблизи побережья выявлено, что при прохождении пакета волн цунами со стороны открытого моря, на маршруте по шельфовым акваториям от границы океанического свала глубин, волны увеличивают свою высоту в среднем в 4–6 раз, в то время как постоянно действующая длиннопериодная зыбь усиливается на этом же участке шельфовой акватории не менее чем в 20–30 раз.
Есть две причины слабого проявления длинноволновой зыби, принципиально отличающие характер ее гидродинамического воздействия на морское побережье от аналогичного воздействия со стороны цунами:
1. Постоянно действующая и потому стабилизированная вблизи побережья до состояния стоячих волн, длиннопериодная зыбь получает постоянную энергетическую подкачку со стороны открытого океана. На морской границе шельфовой зоны эти длинные волны имеют высоту не более 2–3 см, в то время как волна цунами может подходить со стороны океана с заметно большей высотой, нередко достигающей метровых величин, что в немалой степени обусловливает столь интенсивное и запоминающееся проявление цунами на побережье.
2. Установившиеся длинноволновые колебания вблизи мелководного побережья, возникающие в результате длительного и равномерно распределенного штормового воздействия, так же, как и при непрерывной подкачке энергии в виде длинноволновой зыби из удаленных штормовых акваторий, характеризуются равномерным пространственным распределением волновой энергии. Критерием такой равномерности является сохранение угла волнового склона установившихся длинноволновых колебаний, а так как геометрические размеры длинных волн тем больше, чем глубже акватория, то это объясняет факт исчезающе слабого проявления установившихся колебаний на береговом урезе, где традиционно проводятся мореографные наблюдения.
Из второго вывода также следует, что установившиеся колебания длинноволновой зыби должны иметь максимальную высоту волн на глубинах порядка 15–25 м, как раз в той полосе прибрежной акватории открытого моря, где располагаются гидротехнические сооружения завода сжиженного природного газа (СПГ) и выносные причальные устройства (ВПУ) компании «Сахалин Энерджи».
Аналогичный эффект ослабления при выходе фронта волны на мелководье практически невозможен, так как в момент первого вступления период волны редко соотносится с собственными колебаниями уровня моря у конкретных участков побережья, и потому первый фронт волны цунами подходит к берегу с постоянным увеличением высоты, вплоть до обрушения гребня волны. Последующие за первым фронтом волны могут попасть в резонанс с собственными длинноволновыми колебаниями на мелководье или внутри заливов. В этом случае цунами сначала задержится на резонирующем участке, а затем обрушится на берег, увеличившись сопоставимо с динамикой длиннопериодной зыби, то есть до 15–20 крат. Такой берег должен быть признан чрезвычайно опасным, так как любое сейсмическое или метеоцунами будет вызывать катастрофически большие наводнения, многократно превышающие средние заплески по окружающему побережью (бухты Русская и Моржовая на Камчатке).
Если прибрежная акватория характеризуется монотонным наклоном морского дна, без каких-либо горизонтальных поверхностей и закрытых заливов, то это является условием отсутствия собственных длинноволновых колебаний для такого побережья. Однако именно такие участки морского дна могут стать своеобразным проводником длинных волн с большой амплитудой непосредственно до побережья, так как такой нерезонирующий «волновод» способен откачивать на себя длинноволновую энергию из близлежащих акваторий и рассеивать ее в виде волн большой амплитуды на побережье (Большерецк на Камчатке, Ныйский залив, побережье к востоку от мыса Юноны в заливе Анива).
Не менее катастрофичные последствия будут наблюдаться в случае нарушения стационарности длиннопериодной зыби, что может произойти, например, при быстром изменении штормовых условий в случае перемещения циклона из открытого моря на побережье или в результате изменения приливного уровня моря. Аналогичные по характеру нестационарности наводнения могут вызываться через определенное время после вступления первого фронта волны цунами, что в пространстве будет наблюдаться как своеобразное перемещение вдоль побережья длинноволнового пакета, последовательно вызывающего наводнения во всех пунктах вдоль побережья на маршруте его перемещения (Южно-Курильский пролив, порт Корсаков).
Интенсивность длинноволновых процессов на морском шельфе и вызываемых ими морских наводнений на побережье в существенной степени зависит от гидродинамических условий поддержания стабильности собственных длинноволновых колебаний уровня моря, проявление которых зависит от геометрических свойств рельефа морского дна на подходах с моря к этому побережью.
В геометрически сложной акватории всегда присутствуют области со свойствами высокодобротных резонаторов, на которых аккумулируется энергия длинноволновых колебаний уровня моря на строго определенных периодах, определяемых ее топологическими и резонансными свойствами. Если пространственные экстремумы для собственных колебаний уровня моря находятся непосредственно вблизи побережья, то такой берег должен быть признан небезопасным для строительства прибрежных инженерных сооружений. Если же на берег будет выходить узловая линия между пучностями крупных стоячих волн, то у такого участка побережья может быть небезопасным строительство выносных морских причалов или организация якорных стоянок, даже в случае защищенности этих акваторий от прямого воздействия морской зыби и штормовых ветров.
Для оценки потенциальной опасности развития интенсивных собственных колебаний уровня моря и экстремальных течений в Анивском заливе и на северо-восточном шельфе острова Сахалин были проведены длительные вычислительные эксперименты для поиска прибрежных и шельфовых длинноволновых резонаторов, проявляющихся в результате воздействия на морскую акваторию единичного длинноволнового импульса с минимально возможным периодом исходной волны.
Выявленные в результате вычислительного эксперимента аккорды собственных длинноволновых колебаний отражаются во всех точках регистрации уровня моря, равномерно распределенных по всей расчетной области, где каждая из обнаруженных волн имеет характер стоячей волны и изменяет энергетический уровень относительно других волн внутри аккорда только при изменении пространственного местоположения точек регистрации. Картирование величины интенсивности энергетических спектров для обнаруженных волн показывает их точную привязку к конкретным локальным участкам морской акватории.
Вблизи этих же участков следует ожидать наиболее активного сгонно-нагонного отклика уровня моря и существенного усиления течений при проявлении любых метеорологических или сейсмических воздействий, в том числе происходящих на большом удалении от острова Сахалин.
Залив Анива является полузамкнутой морской акваторией. Каждый участок побережья залива способен аккумулировать сложные аккорды собственных длинноволновых колебаний уровня моря.
Вычислительные эксперименты, выполненные с использованием подробной батиметрической карты залива Анива с шагом сетки 250 м (рис. 6), позволили сделать выводы о том, что в целом залив Анива пассивен к длинноволновому воздействию с периодом волн менее 30 мин и морские наводнения могут возникнуть только при длительном воздействии внешних штормовых источников любо в результате невероятно мощного цунами. Образующиеся при этом собственные длинноволновые колебания уровня моря в заливе Анива способны перемещаться вдоль побережья в качестве захваченных волн с периодом 6 и более мин. Собственные колебания акваторий, примыкающих к его западному побережью (Кириллово, Анива и, возможно, бухта Лососей) соответствуют периодам волн 14,5 и 18,5 мин. Акватории, примыкающие к восточному побережью залива, поддерживают колебания порядка 7–9 мин. Вся акватория залива Анива может поддерживать и усиливать колебания с периодом 14,5 и 25 мин.
Новые методы для быстрой оценки опасности морских наводнений должны применяться в морских оперативных службах непосредственно в момент поступления штормовых предупреждений или сигналов о подводных землетрясениях [4].
1. Северо-восточный шельф острова Сахалин должен быть обеспечен своевременным предупреждением об опасности тихоокеанских и охотоморских цунами. Такое оперативное предупреждение должно вырабатываться на основе гидрофизических наблюдений за состоянием моря на Курильских островах (пр. Буссоль) или на мысе Анива на южной оконечности острова Сахалин, куда волна цунами приходит по глубоководной акватории с достаточно большой заблаговременностью.
2. Инженерные сооружения в порту Пригородное должны предупреждаться об опасности морских наводнений с использованием оперативных данных от гидрофизических станций, расположенных как непосредственно на морских причалах завода СПГ, так и вблизи мыса Анива. Получение достоверного и своевременного прогноза опасности морских наводнений и экстремальных течений в порту Пригородное, так же, как и обоснованное исключение ложных тревог, возможно только в случае организации непрерывной автоматизированной регистрации параметров гидродинамического режима в вышеуказанных пунктах наблюдения.
В частности, гидрофизическая станция для телеметрических измерений уровня моря и течений вблизи мыса Анива (рис. 7) способна заблаговременно предупредить порт Пригородное об опасности любых морских наводнений и цунами более чем за 1 ч. Это же станция более чем за 1 ч предупреждает о подходе фронта волны наводнения на северо-восточный шельф Сахалина, если источники длинноволновой энергии находятся в южной части Охотского моря или на Курильских островах.
По факту превышения пороговых уровней в скорости изменения уровня моря или обнаружения опасных скоростей течений, независимо от типа вызвавшего их источника, необходимо незамедлительное проведение уточняющих гидродинамических вычислительных экспериментов с использованием всех доступных гидрометеорологических, сейсмологических и гидрофизических данных.
Штормовые наводнения являются существенно более опасными морскими явлениями, способными поднять суммарный уровень моря на высоту более 5 м под воздействием барических градиентов атмосферного давления, ветровых напряжений на поверхности акватории залива, дополненных интенсивными прибрежными длинноволновыми колебаниями уровня моря (длиннопериодной зыбью). В этом случае к берегу открывается доступ штормовым волнам, высота которых на открытых акваториях Анивского залива может достигать 8 м. Суммарное воздействие штормовых наводнений и штормовых волн и зыби представляет наибольшую опасность для всех инженерных сооружений и населенных пунктов как в северной части Анивского залива, так и в районе нефтегазопромыслов на сахалинском северо-восточном шельфе.
Исторические наблюдения за проявлениями цунами и численное моделирование воздействия волн от катастрофических очагов подводных землетрясений не подтверждают возможности появления столь же больших морских наводнений. Максимальная высота заплесков на побережье от цунами оценивается не выше чем 2 м в Анивском заливе и 3 м – на сахалинском побережье северо-восточного шельфа.
По результатам моделирования длительного воздействия градиентов давления атмосферы и штормового ветра 7–8 ноября 1995 г. в полной мере подтверждается возможность возникновения катастрофических наводнений в Анивском заливе. В результате указанного синоптического события в порту Корсаков были уничтожены 3 портальных крана и повреждены остальные 15; разрушены сотни метров железнодорожных путей и 11 вагонов; получили пробоины и затонули в порту 5 судов и 5 судов выброшены на мель в заливе Анива. Возможность больших нагонов на северо-восточном шельфе Сахалина подтверждают сообщения В. Красавцева из Экологической компании Сахалина (ЭКС) о том, что в этих районах весной 2003 г. были обнаружены выбросы плавника на значительной высоте над урезом: у м. Терпения, м. Беллинсгаузена – 7 м; у п. Пограничное – 7,5 м; у зал. Лунский – 3,5 м; у зал. Чайво – 2,5 м.
Вычислительные эксперименты, поставленные в режиме реального времени с использованием телеметрических исходных данных от морских гидрофизических постов наблюдения, позволяют с достаточной заблаговременностью предупредить гидротехнические объекты в заливе Анива и нефтегазовый флот о грозящей опасности и затем обосновать время окончания опасного явления. Установка группы телеметрических комплексов для регистрации динамики моря и атмосферы значительно повысит качество проведения таких вычислительных экспериментов, что очень важно для надежного функционирования морских служб, отвечающих за предотвращение аварий и катастроф на море, в том числе экологических для охотоморских акваторий России и Японии.
Благодарности
Авторы выражают искреннюю благодарность профессору Сахалинского государственного университета Роберту Павловичу Бернгардту за активные и плодотворные дискуссии по проблеме морских наводнений, а также за подготовку исторических справок и других аналитических материалов по данной проблеме.
Само же исследование и сопоставление опасности цунами и штормовых нагонов инициировано и выполнено при поддержке компании «Сахалин Энерджи» – пионера в создании сложнейшей морской нефтегазовой инженерной инфраструктуры на сахалинском шельфе. «Сахалин Энерджи» активно сотрудничает с сахалинскими океанологами, объединяя их как при совместных исследованиях по академическим программам, так и по общественной экспертизе нефтегазовых проектов по линии Русского географического общества, что безусловно способствует сохранению и поддержанию на современном уровне научного потенциала сахалинских морских инженеров.