1. Архитектура Системы связи СПЦ:

- верхний уровень (обмен сообщениями между российскими и зарубежными Центрами цунами, донесения в Росгидромет, МЧС и т.д.);

- нижний уровень (сбор данных от автоматических постов (АП) наблюдения за уровнем моря, обмен телеграммами с ГМС).

2. Состояние системы сбора данных:

Камчатка. В настоящее время из 7 имеющихся АП работают 5 (Корф, Никольское, Озерная, Петропавловск и Семячик)). В 1 кв. 2019 г. поступило 97.6 %. измерений (показатель работы связи). Сбор данных от этих АП составил 96.0 %. 

Сахалин. В настоящее время из 11 имеющихся АП работают 5 (Корсаков, Поронайск, Стародубское, Углегорск, Холмск). В 1 кв. 2019 г. поступило 95.6 %. измерений (показатель работы связи). Сбор данных от этих АП составил 95.6 %.

Приморье. Сбор данных от всех 6 АП Приморского УГМС осуществляется устойчиво. В 1 кв. 2019 г. составил 99.4 %.

Дальневосточное УГМС. В Дальневосточном УГМС работает 1 АП. В 1 кв. 2019 г. работа связи достигла 100 %. Средний процент сбора данных составил 99.9 %.

3. Проведение учебных тревог цунами в Камчатском, Сахалинском и Приморском УГМС.

В докладе представлены результаты реализации методики вероятностного цунамирайонирования побережья, известной под названием РТНА (Probabilistic Tsunami Hazard Assessment) как для создания обзорных карт цунамиопасности Дальневосточного побережья РФ, так и для получения необходимых оценок для малых акваторий и их побережья. Обсуждаются методологические основы подхода, проблемы построения сейсмотектонических моделей основных цунамигенных зон, численные методики получения расчетных каталогов высот волн на побережье.

Приведены примеры обзорных карт и локальных оценок для различных повторяемостей, построенных с применением методики РТНА и представленных с помощью созданного веб-приложения WTMap. Упоминаются также некоторые проблемы применения методики РТНА, связанные как с недостаточностью имеющихся наблюдательных данных, так и со сложностью выполнения большого объема сценарного численного моделирования.

В докладе рассматривается возможность снижения ресурсоемкости серийных сценарных расчётов распространения волн цунами с учетом эффектов нелинейности и дисперсии при помощи телескопически вложенных сеток. При наличии высокочастотных компонент в начальном возмущении свободной поверхности или при длительном распространении волн целесообразно учитывать их частотную дисперсию, поэтому для таких случаев предлагается использовать НЛД-модель мелкой воды второго приближения.

На границе вложенных подобластей используется интерполяция по пространству и времени искомых величин на детальную сетку с менее детальной. Работоспособность алгоритма проверяется на модельных задачах с дном постоянной глубины путем оценки амплитуд волн, отражённых от этих «внутренних» границ. В задачах с батиметрией, моделирующей рельеф дна в окрестности Курило-Камчатского желоба, исследуется возможность комбинирования НЛД- и бездисперсионной моделей мелкой воды на разных уровнях вложения. Такая методика также способствует снижению требований к необходимым вычислительным ресурсам. Показано, что адекватный выбор иерархии вложенных подобластей обеспечивает достаточную точность воспроизведения характеристик моделируемых волн на самой детальной равномерной сетке.

Рассмотрена проблема идентификации и учета сильнейших мега-цунами, которые вносят основной вклад в оценки цунамиопасности на морских побережьях.

В настоящей работе выполнен анализ тревог цунами Российской СПЦ для побережья Курильских островов на основании каталогов проявлений цунами в северо-западной части Тихого океана, у побережья островов Японского архипелага.

Проведены вычислительные эксперименты для исторических очагов цунами в районе исследования. На основании результатов представленных в данной работе вычислительных экспериментов могут быть приняты решения о детализации магнитудно-географического критерия цунамиопасности в зависимости от положения очага цунамигенного землетрясения. Это повысит эффективность Службы предупреждения о цунами, как за счет сокращения числа ложных тревог, так и за счет снижения риска фатального пропуска цунами.

Существующие стратегии численного моделирования цунами несейсмического происхождения, как, впрочем, и сейсмического, подразумевают использование различных моделей на разных стадиях, от образования начального возмущения на поверхности до наката волн на сушу. Современный уровень развития вычислительных технологий, которые уже применяются в инженерной практике при проектировании высокотехнологичных технических изделий, позволяет перевести моделирование в проблеме цунами на качественно новый уровень. Адаптация и доработка существующих алгоритмов численного решения уравнений Навье-Стокса позволит объединить моделирование всех стадий цунами воедино, что, несомненно, скажется на качестве исследований процесса в целом. Уровень развития схем дискретизации позволит с достаточной детализацией описывать требуемые отдельные физические и амплитудные характеристики, а адаптация существующих суперкомпьютерных технологий ускорения расчета позволит в приемлемые сроки просчитать распространение цунами на любые расстояния. В настоящей работе представлено описание технологии расчета цунами, основанной на уравнениях Навье-Стокса [1, 2]. Представлено описание полностью неявного метода интегрирования и технология ускорения расчетов, основанная на многосеточном методе, позволяющая моделировать цунами в реальных акваториях Мирового океана [1]. Метод реализован в пакете программ ЛОГОС – программном продукте инженерного анализа, предназначенном для решения сопряженных трехмерных задач конвективного тепломассопереноса, аэродинамики и гидродинамики на параллельных ЭВМ [2].

 

1.    Kozelkov A.S., Kurkin A.A., Pelinovsky E.N., Tyatyushkina E.S., Kurulin V.V., Tarasova N.V., Landslide-type tsunami modelling based on the Navier-Stokes Equations // Science of tsunami Hazards, Journal of Tsunami Society International, 2016, vol. 35, №3, p.106-144.

2.    Kozelkov A. S., Kurkin A. A., Pelinovskii E. N., Kurulin V. V. and Tyatyushkina E. S., Modeling the Disturbances in the Lake Chebarkul Caused by the Fall of the Meteorite in 2013 // Fluid Dynamics, 2015, Vol. 50, No. 6, p. 134–149.

Характерные особенности волн цунами: амплитуда накатывающейся волны, ее длительность, – являются главными определяющими ее воздействие на берега, сооружения. Для цунамирайонирования побережья и расчета разрушительной силы цунами необходима информация о высотах возможных заплесков, продолжительность затопления берега волной цунами. Накат цунами определяется не столько периодом главной составляющей в спектре цунами, сколько амплитудой и длительностью головной волны.

Цунами в океане представляется как длинная волна с практически неизменным периодом и относительно медленным затуханием. Согласно другим представлениям, цунами – волна, на эволюцию которой оказывает влияние дисперсия. Эффекты проявления дисперсии в реальных волнах цунами и условия применимости перечисленных моделей не исследованы.

В работе представлены результаты анализа трансформации некоторых реальных цунами от источника до побережья: изменение амплитуды и длительности головной волны с расстоянием (временем пробега до точки регистрации). Для длинных волн в зависимости от времени пробега t затухание амплитуды оценивается как a ~ t^^-1/2, длительность первого периода ожидается постоянной. Для диспергирующих волн затухание амплитуды оценивается как a ~t^^-1 , увеличение длительности первого периода – как T ~ t^^1/3.

Цунами, возбужденные землетрясениями с M=7.4–8.3: Симуширские 2006, 2007 и 2009 гг., Аляскинское 2018 г., и слабое цунами 9.03.2011 г., практически от очага до точек регистрации являлись диспергирующими. Цунами, возбужденные землетрясениями с M=8.0–9.1: Перуанское 2007 г., Чилийское 2014 г. Чилийское 2015 г., Тохоку 2011 г. – практически в течение всего времени распространения (15–17 час.) можно отнести к длинным волнам, лишь на последнем этапе распространения (от 17 до 24 час.) увеличение периода может свидетельствовать о проявлении дисперсии.

Влияние дисперсии на цунами, возбужденные в очагах с большой глубиной океана, проявляется гораздо раньше, чем на цунами, возбужденные в мелководных очагах.

В настоящее время оперативный прогноз цунами осуществляется на основе магнитудно-географического метода. Как следствие, службы предупреждения о цунами объявляют свыше 75 % ложных тревог.

Повысить качество прогноза возможно на основе гидрофизических методов, использующих данные глубоководных станций о цунами в открытом океане (станции системы DART). Очевидно, что оперативность, заблаговременность прогноза зависит от близости станций к очагу цунами. Данные таких станций могут содержать шумы сейсмического происхождения, наложенные на полезный сигнал. Разделить полезный сигнал и шум в такой ситуации, по-видимому, невозможно. Это обстоятельство может стать препятствием для получения адекватного прогноза. В условиях оперативного режима требуется за короткое время оценить степень опасности цунами, не вдаваясь в проблему разделения сигналов.

Главная задача работы – прогноз цунами по данным о цунами с шумом. Представлял интерес выяснить, насколько наличие шума в записи уровенной станции влияет на результат прогноза.

Расчеты (прогноз) выполнены для северо-западной и северной части Тихого океана для событий 2006–2009 гг. (Симуширские цунами) и 2018 г. (Аляскинское цунами с эпицентром вблизи о. Кодьяк). Рассчитывались формы ожидаемого цунами в точках нахождения удаленных станций DART и в некоторых точках вблизи пунктов о. Хоккайдо, о. Кунашир и Западного побережья США с доступными данными о цунами.

Вопреки предположению, что сейсмический шум в записи цунами на ближних к очагу станциях может повлиять на качество прогноза, численный эксперимент показал, что наличие шума оказывает незначительное влияние на результаты прогноза.

Представлены методика и комплекс компьютерных программ для быстрой предварительной оценки времен прихода волн цунами от эпицентра землетрясения в заданные пункты наблюдений, а также автоматического выделения волн цунами на записях станций DART. Оценка времени пробега волны цунами строится по грубой схеме, не требующей сеточного решения дифференциальных уравнений. Используется простейшее интегрирование медленности (обратной скорости) волны по заданному лучу. Локальная медленность вычисляется по встроенной в программу карте глубин мирового океана. Показано, что расчет времен пробега волн по кратчайшим лучам, приводит к недопустимо большим ошибкам, достигающим нескольких часов. Однако замена единственного кратчайшего луча на пучок трасс, идущих по малым кругам сферы, соединяющим заданные точки, и выбор из них минимального времени пробега позволяет значительно уменьшить ошибки до допустимой величины в первые минуты. Программы включают встроенный набор координат всех современных станций DART. Поэтому для вычисления времен прихода волн цунами в точки, где расположены эти станции, требуется лишь указание времени и координат землетрясения. Расчет времен пробега для нескольких десятков трасс занимает на обычном компьютере всего несколько секунд. Вторая задача, выделение волны цунами на записях станций DART, решается с использованием предыдущей методики, по которой находится время начала полезного участка записи. Окончание записи определяется из эмпирического соотношения по магнитуде землетрясения. Проводится устранение приливной составляющей уровня океана. Помимо волны цунами программа выделяет также сейсмическую волну, записанную станцией DART. Приведены многочисленные примеры выделения волн цунами от сильнейших землетрясений последних лет.

Одним из главных подходов к решению задачи цунамирайонирования является использование синтетического каталога землетрясений, моделирующего сейсмический процесс в исследуемом регионе. Каталог должен обладать статистическими свойствами максимально приближенными к потоку реально наблюдаемых событий для всех параметров землетрясений, влияющих на возникновение и распространение цунами. Результатом работы является компьютерная программа, реализующая генератор случайной последовательности модельных землетрясений. Частоты появления параметров модельных событий соответствуют эмпирическим распределениям, построенным на основе изучения региональной сейсмичности верхней (цунамигенной) части зоны субдукции. Каталог охватывает всю Камчатскую и север Курильской зон субдукции на протяжении ~900 км и до глубин ~70 км. К параметрам, для которых построены распределения, относятся: географическое положение, глубина и механизм землетрясения, размеры очага и величина подвижки в нем. В распределениях учтены тренды в изменении параметров вдоль простирания зоны субдукции. Размеры синтетических очагов и амплитуда подвижки определяются эмпирическими соотношениями, связывающими их с магнитудой события. Для удобства использования в задаче районирования результирующие синтетические каталоги выдаются отдельно для каждой фиксированной магнитуды. Поэтому графики повторяемости магнитуд программой не используются и, при необходимости, должны задаваться дополнительно. Результирующий каталог, включающий все перечисленные параметры, выдается в виде стандартной электронной таблицы, а также может быть представлен в графическом виде.

Впервые в районе устья р. Кедровая (побережье Кроноцкого залива) летом 2018 г. были проведены палеосейсмологические исследования. При описании геологических шурфов и торфяных кернов нами были идентифицированы отложения 30 цунами произошедших за последние ~5200 лет. Наиболее полная летопись событий цунами и их параметров была получена для последних ~2000 лет, включая и исторические цунами 1737, 1792, 1841, 1923, 1952 гг. В двух шурфах были идентифицированы отложения Чилийского телецунами 1960 г. Судя по полученным данным, средняя повторяемость сильных цунами в Кроноцком заливе составляет 70–90 лет.

По результатам изучения геологического строения морской аккумулятивной террасы в районе р. Кедровая, три палеоземлетрясения вызвавших цунами в Кроноцком заливе сопровождались крупноамплитудными (1–2 м) вертикальными косейсмическими опусканиями побережья. Еще два косейсмических опускания (вероятно с меньшими амплитудами) удалось идентифицировать по резкой смене условий осадконакопления в прибрежных торфяниках.

В ходе исследований были отобраны образцы торфа на радиоуглеродное датирование и образцы тефры для проведения электронной микроскопии и определения состава вулканического стекла. На основе данных анализов была создана надежная тефрохронологическая шкала и определен возраст отложений и форм рельефа, связанных с цунами и косейсмическими деформациями.

Для близких к эпицентру подводного землетрясения регионов предупреждение о цунами должно быть выдано уже через 5–15 минут после землетрясения. Это требование фактически ограничивает широкий перечень классических методов прогноза цунами только магнитудным критерием. Магнитудный критерий практически исключает вероятность пропуска цунами, но приводит к недопустимо высокому количеству ложных тревог и не позволяет дифференцировать степень угрозы.

Одним из перспективных новых способов раннего предупреждения о цунами для близких к эпицентру землетрясения побережий является использование данных Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), полученных на прибрежных стационарных пунктах наблюдений, с целью оперативного моделирования очага землетрясения. ГНСС-подсистемы служб предупреждения о цунами уже начинают функционировать в Японии и Индонезии, но они нацелены на сильнейшие (M > 8.5) землетрясения в зонах субдукции.

В работе на основе численных экспериментов показано, что ГНСС-данные могут использоваться и для оперативного моделирования цунами, вызванных землетрясениями с магнитудой 7–8. На примере российского побережья Японского моря показана перспективность применения данных ГНСС для целей предупреждения о цунами. В Приморском крае в XX веке отмечено не менее пяти случаев опасных цунами, вызванных произошедшими у западного побережья о-вов Хоккайдо и Хонсю землетрясениями таких магнитуд. В работе показано, что подсистема предупреждения о цунами, использующая данные ГНСС-станций в Японии и Приморье, может быть создана уже сегодня.

Регулярные отколы айсбергов от ледового покрова Антарктиды вызывают локальные цунами-подобные волны. В период с 1 декабря 2000 г. по 10 января 2001 г. удалось зарегистрировать 20 таких возмущений уровня высотой до 2 м у побережья Южного залива о. Ливингстона во время проведения Болгарской Антарктической национальной экспедиции (BANE 2000–2001) [Ranguelov, 2002]. Заплески таких волн четко отслеживались визуально на берегу вблизи Болгарской Антарктической базы «Св. Климент Охридский», принадлежащей Болгарскому Антарктическому институту Софийского университета. Наблюдения прерывались вследствие непогоды. Замеренные заплески (с точностью 0.1 м) корректировались на прилив. Откол айсбергов также вызывал сейсмический сигнал, регистрировавшийся сейсмографом.

Анализ последовательности цунами-подобных возмущений показал, что она приближенно пуассонова, так же, как и цунами [Geist and Parsons, 2008]. Анализ повторяемости зарегистрированных высот заплесков был проведен по методике, описанной в [Kaistrenko, 2014]. Эмпирическая функция повторяемости, как и в случае сильных цунами, имеет экспоненциальный вид.

Рис. Эмпирическая функция повторяемости

высот цунами-подобных волн, вызванных отколами айсбергов

у побережья о. Ливингстона, Антарктида.

 

1. Geist, E.L. Distribution of tsunami interevent times / E.L. Geist, T. Parsons // Geophys. Res. Lett. – 2008. -Vol. 35, L026l2.

2. Kaistrenko, V. Tsunami Recurrence Function: Structure, Methods of Creation, and Application for Tsunami Hazard Estimates / V. Kaistrenko // Pure Appl. Geophys. – 2014. -Vol. 171. – P. 3527-3538.

3. Ranguelov B. Complex geological and geophysical investigations in Antarctica // Annual of the University of Mining and Geology "St. Ivan Rilski". Geology. Vol.45, partI. Sofia, 2002, P. 117-120

Данные наблюдений очень низкочастотных и низкочастотных (ОНЧ/НЧ) электромагнитных сигналов, зарегистрированных на принимающих станциях в Петропавловске-Камчатском, Южно-Сахалинске и Мошири (Япония), были использованы для анализа возмущений в нижней ионосфере при прохождении волн цунами, вызванных Курильским землетрясением 2006 г., Японским землетрясением 2011 г., Чилийским землетрясением 2010 г. и землетрясением 2004 г. вблизи о-ва Суматры в Индонезии. Аномалии в ночное время в амплитуде и фазе сигналов были найдены после землетрясений во время прохождения волн цунами вдоль трасс передатчик-приемник. Спектральные характеристики ОНЧ вариаций показали хорошее совпадение частотных максимумов с данными in-situ записей колебаний уровня моря на DART и GPS станциях, расположенных по трассе передатчик - приемник. Полученные результаты подтверждают, что обнаруженные возмущения в нижней ионосфере вызываются внутренними гравитационными волнами, создаваемыми цунами.

Существующие подходы к численному моделированию цунами подразумевают использование принципиально разных математических моделей на стадиях генерации в источнике, распространения в океане и наката волн на сушу. Однако, современный уровень развития вычислительных технологий, которые уже применяются в инженерной практике, позволяет перевести моделирование цунами на качественно новый уровень. Наиболее адекватной гидродинамической моделью, позволяющей учесть особенности оползневых цунами на всех стадиях, является система уравнений Навье-Стокса [1]. В докладе представлена математическая модель моделирования всех стадий цунами оползневого происхождения. Основу математической модели составляют трехмерные уравнения Навье-Стокса и метод VolumeofFluid(VOF) [2]. Это позволяет единым образом моделировать движение и взаимное влияние оползневой, водной и воздушной сред. Доклад содержит решение задач верификации численного алгоритма для трех стадий оползневых цунами: возникновение, распространение и накат. В качестве примерарассматривается задача об оползневом цунами вблизи о. Сахалин.

 

1.    Козелков А.С. Методика численного моделирования цунами оползневого типа на основе уравнений Навье-Стокса // Вычислительная механика сплошных сред, 2016, том 9, №2, стр. 218-236.

2.    Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries // J. Comput. Phys., Vol. 39, p. 201-225., 1981, Ubbink O. Numerical prediction of two fluid systems with sharp interfaces // PhD thesis, Imperial College, University of London, 1997.

История развития гидрофизической сети побережья Камчатки. С чего все началось, и что из себя представляет гидрофизическая сеть на сегодняшний день.

Новая система предупреждения о цунами на Дальнем Востоке России, созданная в 2006–2010 гг., находится в эксплуатации уже девять лет. Она пришла на смену устаревшей СПЦ, которая была разработана после Большого Камчатского землетрясения 1952 г. и запущена в эксплуатацию в 1958 г. Основой СПЦ-2010 по-прежнему остается сейсмический метод, опирающийся на магнитудно-географический критерий. Поэтому Сейсмическую подсистему можно назвать ключевой для всей СПЦ, и ее характеристики определяют характеристики всей системы.

В данной работе, на основе накопленного эмпирического материала исследуется вопрос о реальных характеристиках СП СПЦ, влияющих на эффективность работы всей системы предупреждения о цунами: времени реакции системы и точности оценок координат землетрясений. Детальный анализ этих характеристик проведен на примере Камчатки. Этот регион выбран по причине самой высокой сейсмической активности на Дальнем Востоке и приемлемой обеспеченности сейсмическими наблюдениями. Оказалось, что СП СПЦ демонстрирует стабильно высокие характеристики на протяжении всего периода эксплуатации. Время реакции системы и точность оценок удовлетворяют требованиям, заложенным при проектировании СП СПЦ. Детальный анализ пространственного распределения времени реакции системы и точности оценок координат позволил заключить, что большая часть камчатского сейсмоактивного региона обеспечивается точными и своевременными оценками параметров землетрясений в рамках СПЦ и службы срочных сейсмических донесений. В то же время, выделены районы, для которых качество оценок параметров землетрясений находится вблизи предельных значений (согласно регламентам СПЦ). К таким районам относятся Северные Курилы и сегмент Алеутской дуги восточнее Командорских островов. Основная причина пониженного качества работы СП СПЦ при обработке землетрясений происходящих в этих районах – это недостаточная обеспеченность наблюдениями Курильских и Алеутских островов.