Штормовые нагоны представляют собой стихийное гидрометеорологическое явление, существенно затрудняющее жизнедеятельность человека. Во многих прибрежных районах Мирового океана во время нагонов затапливаются населенные пункты, гидротехнические сооружения, транспортные коммуникации, что приводит к значительному материальному ущербу, а иногда – к человеческим жертвам. Например, во время штормового нагона 13 ноября 1970 г. на побережье Бенгальского залива погибли 300 тысяч человек. Во время нагона 31.01 – 1.02. 1953 г. на побережье Северного моря были размыты защитные дамбы на побережье Нидерландов и затоплена значительная часть территории страны. Широко известны наводнения в г. Санкт-Петербурге .

  На побережье Охотского моря, в первую очередь, ввиду слабой заселенности прибрежной зоны, штормовые нагоны не вызывают таких катастрофических последствий. Тем не менее, во многих районах штормовые нагоны, сопровождающиеся интенсивным ветровым волнением, приводят к существенным убыткам. Например, во время нагона 6 - 7 октября 1983 г. были затоплены 12 км шоссейной дороги г. Николаевск-на-Амуре – п. Чныррах, частично разрушен рыбозавод в п. Нижнее Пронге (только для этого пункта ущерб составил 500 – 700 тысяч рублей). 13 – 14 ноября 1957 г. во время штормового нагона на западном побережье полуострова Камчатка, в результате возникшего переливания морских вод через береговые косы с расположенными на них поселками и рыбокомбинатами, народному хозяйству был нанесен ущерб более 30 млн. рублей [Охотское море, 1998]. Более подробная информация о наиболее разрушительных нагонах на побережье Охотского моря приводится в Приложении 1.

  Значительная протяженность Охотского моря, сложность его ледового режима и морфометрии, разнообразие характера атмосферных процессов над морем определяют необходимость детализации условий формирования и режима штормовых нагонов по отдельным районам. Малочисленность пунктов с продолжительными рядами наблюдений над уровнем моря не позволяет получить для большинства районов надежные характеристики штормовых нагонов непосредственно по материалам наблюдений, поэтому для некоторых из них для анализа привлекались результаты численного гидродинамического моделирования.

  Штормовые нагоны в данном районе в основном формируются «южными» циклонами, выходящими с Японского моря через южную часть о. Сахалин на акваторию Охотского моря (рис. 1.1) [Приятелева, 1961, Любицкий, 1985]. Наиболее часто максимумы нагонов возникают в результате совместного влияния падения приземного атмосферного давления и действия ветра эффективных нагонных направлений (юго-восточного – восточного - северо-восточного) в передней части циклона. Иногда нагоны вызываются циклонами, зарождающимися в Тихом океане восточнее о. Хонсю и передвигающимися в северном направлении в центральную часть Охотского моря [Приятелева, 1961]. Наиболее значительные нагоны возникают при небольших скоростях движения циклонов, что приводит к длительному действию ветров эффективных нагонных направлений [Като, Миськов, Шевченко, 2001].

  По исследованиям Л.П. Приятелевой, некоторые нагоны также формируются «континентальными» циклонами, перемещающимися с Амурской области или северного Китая на акваторию Охотского моря, но такие нагоны имеют небольшую величину [Приятелева, 1961].

  Нагоны в основном достигают наибольшей величины осенью (рис. 1.2) [Като, Миськов, Шевченко, 2001], в это же время они возникают наиболее часто. Причинами данной особенности является влияние ледяного покрова в зимнее время и слабая циклоническая активность летом [Приятелева, 1961, Особо опасные гидрометеорологические явления, 1973].

  В сочетании со штормовым волнением, нагоны вызывают затопление низменных участков побережья, а также подпор вод в устьях рек, впадающих в Охотское море, что приводит к наводнениям на их пойменных участках [Особо опасные гидрометеорологические явления, 1973].

  Значительные штормовые нагоны с максимальной величиной более 1 метра на юго-восточном побережье о. Сахалин наблюдаются довольно редко. В основном они возникают в заливе Терпения и в прилегающих к нему районах (табл. 1.1, 1.2, Приложение 2). Тем не менее, практически на всем побережье, исключая вершину залива Анива, величина нагона, возможного 1 раз в 100 лет (эмпирические функции распределения годовых максимумов аппроксимировались двойным экспоненциальным законом), превышает значение 100 см (табл. 1.3) [Шевченко, 1997а].

  По результатам численного гидродинамического моделирования (см. п. 2.2.2 А) возможные величины нагонов на юго-восточном побережье о. Сахалин и его шельфе могут достигать 75 – 250 см (рис. 1.3) [Шевченко и др., 1994], т.е. значительно превышать их оценки малой вероятности, полученные по материалам наблюдений (см. табл. 1.3). Следует отметить, что данные характеристики вероятно завышены, так как рассчитаны для гипотетических условий однородности в пространстве направления и скорости (40 м/с) ветра и приземного атмосферного давления (965 гПа) в пределах всего исследуемого объекта. Тем не менее, результаты численного моделирования подтверждают выводы, полученные при анализе данных натурных измерений, о существенной пространственной изменчивости величин нагонов на юго-восточном побережье о. Сахалин, об их увеличении в районе пролива Лаперуза и, в особенности, в вершине залива Терпения (см. рис. 1.3).

  Численные эксперименты помогают также объяснить причину формирования большей части максимальных за год величин нагонов в различных береговых пунктах юго-восточного побережья о. Сахалин в разное время (см. табл. 1.2). Данное явление определяется различием эффективных нагонных направлений ветра для отдельных участков побережья (см. рис. 1.3). Следовательно, при перемещении циклонов даже по относительно близким траекториям, их ветровые поля могут формировать разное пространственное распределение характеристик нагонов.

Даже по материалам непродолжительных наблюдений над уровнем моря величина нагонов на северо-восточном побережье о. Сахалин сопоставима с величиной приливов (табл. 1.4). Продолжительность нагонов (за время начала/окончания нагона принимался момент устойчивого перехода непериодической составляющей уровня моря через отметку 15 см) изменяется в значительных пределах, но в основном составляет 1,5 – 4 суток (табл. 1.5).

  Значительные нагоны в основном формируются в осенне-зимний период в результате интенсификации атмосферной циркуляции в данное время [Путов, Шевченко, 1991, Любицкий, Швецов, 2000].

  Штормовые нагоны на северо-восточном побережье о. Сахалин возникают при перемещении глубоких циклонов по двум генеральным направлениям: «южные» циклоны, возникающие над акваторией Тихого океана, Желтого или Восточно-Китайского морей, обычно проходят с юго-запада на северо-восток; «континентальные» циклоны, сформировавшиеся над материком, движутся с запада на восток через бассейн Амура и о. Сахалин (рис. 1.4). В основном нагоны начинаются после выхода циклонов на акваторию Охотского моря и заканчиваются при их перемещении за пределы моря. Нагоны достигают максимальной величины при расположении центров циклонов над южной или центральной частями акватории Охотского моря (см. рис. 1.4), в районе северных островов Курильской гряды [Любицкий, Швецов, 2000].

  Штормовые нагоны на северо-восточном побережье о. Сахалин в основном формируются ветром. Тем не менее, в отдельных случаях преобладает влияние приземного атмосферного давления, что свидетельствует о необходимости учета обоих факторов при расчете и прогнозе нагонов в данном районе.

  По материалам наблюдений для северо-восточного побережья о.Сахалин нагонными в основном являются ветры северных румбов. Например, в зал. Пильтун нагоны главным образом формируются при ветрах в секторе СЗ-С-ЮВ, в зал. Набиль – СЗ-С-СВ, на м. Терпения – З-СЗ-С (рис. 1.5). Полученные различия могут определяться небольшим объемом данных, используемых для анализа, а также локальными особенностями расположения пунктов гидрометеорологических наблюдений.

  Данные результаты хорошо согласуются с выводами А.В. Савельева [Савельев, 1989], сделанными на основании численных гидродинамических расчетов ветровых нагонов в исследуемом районе (см. п. 2.2.2 Б). В выполненных численных экспериментах рассчитывалось положение стационарной поверхности уровня моря при однородном в пространстве ветре одного из восьми основных направлений со скоростью, изменяющейся по линейному закону от нулевого начального значения до 10, 20 или 30 м/с и остающейся затем постоянной.

  Установлено, что пространственное распределение относительных величин ветрового нагона при различных скоростях ветра аналогично. Нагоны в основном формируются северными, северо-восточными, восточными ветрами (рис. 1.6). Максимальная величина ветровых нагонов при скорости ветра 30 м/с достигает 50 – 90 см [Савельев, 1989]. Полученные результаты позволяют сделать предположение, что суммарная (с учетом барометрического фактора) величина штормовых нагонов на северо-восточном побережье о. Сахалин может достигать 100 – 150 см.

  Рассчитанные методом экстремальных статистик величины нагонов малой вероятности [Шевченко и др., 1990, Путов, Шевченко, 1991] подтверждают данное предположение (табл. 1.6).

  С помощью анализа всех имеющихся материалов наблюдений над уровнем моря, синоптических карт, описаний и каталогов стихийных и опасных гидрометеорологических явлений, результатов численных гидродинамических расчетов, в данном районе для периода 1953 – 1987 гг. идентифицированы 35 значительных штормовых нагонов, во время которых максимальная величина нагона хотя бы в одном из пунктов на побережье Амурского лимана составляла не менее 1 м (Приложение 3) [Любицкий, Швецов, 1994].

  Ежечасные наблюдения над уровнем моря во время этих нагонов выполнялись только в шести береговых пунктах: Москальво, о. Байдукова, м. Озерпах, м. Пронге, м. Джаоре, м. Лазарева, причем измерения в каждом из перечисленных пунктов производились только для 1 – 10 из указанных ситуаций. Слабая освещенность объекта материалами наблюдений привела к необходимости привлечения для оценки характеристик штормовых нагонов значений уровня моря, рассчитанных (восстановленных) с помощью численного гидродинамического моделирования (см. п. 2.2.2 В) по фактическим значениям гидрометеорологических параметров. При наличии данных натурных измерений им отдавалось предпочтение.

  Распределение повторяемости значительных штормовых нагонов по пятилетиям за 1953 – 1987 гг. имеет случайный характер (количество нагонов изменяется от трех до семи за пятилетие), тенденции увеличения или уменьшения числа нагонов со временем не прослеживаются. Три значительных штормовых нагона были сформированы в 1967 г., по два нагона наблюдались в течение семи лет, по одному – в течение 18 лет, в другие годы (девять) их не было [Любицкий, Швецов, 1994].

  Значительные штормовые нагоны в Сахалинском заливе и Амурском лимане в рассматриваемый период наблюдались только с третьей декады августа по декабрь включительно, причем наиболее часто они возникали в октябре и ноябре (их повторяемость в эти месяцы составляет 77,1 % от общего числа случаев). В октябре и ноябре штормовые нагоны в основном достигали и наибольшей величины. Отмеченные закономерности определяются особенностями гидрометеорологического режима объекта: летом циклоническая деятельность над ним ослаблена, в период значительного развития ледяного покрова формированию штормовых нагонов препятствует лед [Юркевич, 1961, 1967].

  Абсолютная максимальная величина штормовых нагонов в пределах почти всего исследуемого района превышает 125 см (табл. 1.7).Наибольших значений она достигает в южной части Сахалинского залива. В районе, прилегающем к устьевому участку Амура, величина нагонов несколько меньше, чем на побережье острова Сахалин (см. табл.1.7).

  Продолжительность значительных штормовых нагонов в Сахалинском заливе и Амурском лимане составляет 0,5 – 6 суток (табл. 1.8). В основном нагоны имеют продолжительность от одних до трех суток. Хорошо выраженные закономерности пространственных изменений продолжительности нагонов не прослеживаются.

  Характер изменения нагонной составляющей уровня моря во времени определяется вариациями приземного атмосферного давления и ветра. В большинстве случаев время подъема уровня от момента начала нагона до его максимума меньше времени спада.

  Значительные штормовые нагоны в Сахалинском заливе и Амурском лимане возникают при прохождении над морем глубоких циклонов по трем типам траекторий [Любицкий, Швецов, 1994].

  I тип (54 % от общего числа нагонов). Циклоны зарождаются над Монголией или Китаем и перемещаются в северо-восточном направлении через Татарский пролив и о. Сахалин на акваторию Охотского моря (рис. 1.7).

  II тип (20 % нагонов). Циклоны выходят с Амурской области или из Якутии через Сахалинский залив в северную часть акватории Охотского моря (см. рис. 1.7).

  III тип (23 % нагонов). Циклоны перемещаются с акваторий Японского моря или северо-западной части Тихого океана через Японские, Курильские острова, о. Сахалин на акваторию Охотского моря (см. рис. 1.7).

  В отдельных сложных ситуациях (3 % случаев) штормовые нагоны возникают в результате совместного влияния циклонов, движущихся по различным типам траекторий.

  Ввиду особенностей географического положения и конфигурации береговой черты Сахалинского залива и Амурского лимана, штормовые нагоны в пределах данного района возникают при расположении над ним и прилегающей акваторией Охотского моря тыловых или западных секторов циклонов. При наличии указанной синоптической ситуации над объектом формируются сильные и продолжительные ветры северного и северо-западного эффективных нагонных направлений.

  Значительные штормовые нагоны обычно достигают максимальной величины при выходе циклонов в район, расположенный несколько северо-восточнее о. Сахалин, ограниченный координатами 52 – 58⁰ с. ш. и 145 – 150⁰ в. д. [Завернин, Кривицкий, 1970]. В моменты начала и окончания нагона положение циклона может быть различным (см. рис. 1.7), т.к. оно зависит от типа траектории его движения [Любицкий, Швецов, 1994].

  Необходимые условия возникновения значительного штормового нагона – достаточная глубина циклона (приземное атмосферное давление в его центре в момент наибольшего развития циклона не должно превышать 990 гПа) и наличие над морем ветров указанных ранее нагонных направлений с максимальной скоростью не менее 20 м/с. Катастрофические штормовые нагоны (с максимумом более двух метров) до настоящего времени возникали только при циклонах, движущихся по первому типу траекторий. Отмеченное ранее условие выхода циклона в район, расположенный северо-восточнее о. Сахалин, является необходимым, но не достаточным, поскольку циклон, кроме того, должен быть очень глубоким (950 – 975 гПа), вызывать устойчивые сильные ветры нагонных направлений (продолжительностью не менее 60 часов при скорости ветра 10 м/с и более) [Любицкий, Швецов, 1994].

  По исследованиям Н.Е. Юркевич, величина нагонов зависит от скорости движения циклонов: при быстром перемещении циклона нагон обычно имеет небольшую величину, медленно движущийся циклон вызывает значительные нагоны в результате формирования над морем сильных ветров большой продолжительности [Юркевич, 1961].

  Как указывалось ранее, практически все значительные штормовые нагоны в Сахалинском заливе и Амурском лимане возникают осенью и в начале зимы, в период льдообразования и интенсивного развития ледяного покрова.

  Установлено, что нагоны величиной более 1 м могут формироваться в данном районе даже при существовании припая из белого льда (толщина 30 – 70 см) практически на всей акватории Амурского лимана и наличии в Сахалинском заливе припая из молодого льда (толщина 10 – 30 см) небольшой ширины, дрейфующего льда начальных видов, ниласа, блинчатого, молодого льда различных количества, сплоченности, формы в сочетании с пространствами чистой воды [Любицкий, Швецов, 1994].

  При более значительном развитии ледяного покрова, несмотря на возникновение штормовых синоптических ситуаций, значительные нагоны в Сахалинском заливе и Амурском лимане не формируются. В частности, в январе – апреле Амурский лиман покрыт мощным припаем, существенную часть площади Сахалинского залива также занимает припай, на остальной его акватории обычно наблюдаются поля белого льда сплоченностью 10 баллов.

  Для построения карт пространственного распределения величин нагонов редкой повторяемости использовался метод, основывающийся на статистической теории экстремальных значений, согласно которому функция распределения исследуемой характеристики представляется в соответствии с двойным показательным законом. В расчетах использовались максимальные за каждый год (1953 – 1987 гг.) измеренные или восстановленные с помощью численного гидродинамического моделирования величины нагонов в 17 пунктах, равномерно распределенных на побережье и акватории объекта [Любицкий, Швецов, 1994].

  Эмпирические кривые обеспеченности максимумов нагонов во всех пунктах с достаточной точностью аппроксимируются первым предельным распределением, для нахождения параметров которого использовался метод моментов. Максимум нагона, который может возникнуть 1 раз в 100 лет, определялся с помощью экстраполяции полученных при этом теоретических функций распределения в область малых вероятностей.

  Практически на всей акватории объекта значения данной характеристики превышают 2 м, а ее наибольшая величина достигает примерно 3,5 м в юго-восточной части Сахалинского залива (рис. 1.8).

  Штормовые нагоны в данном районе возникают наиболее часто в осенний период. В это же время они достигают наибольшей величины.

  В основном нагоны формируются «континентальными» циклонами, часто стационирующими над акваторией Охотского моря, «южными» циклонами. Необходимым условием возникновения значительного нагона является наличие над морем продолжительных и сильных ветров южного и юго-восточного направлений (рис. 1.9).

  По имеющимся наблюдениям максимальные величины нагонов составляют от 65 – 70 см (Нагаево) до 1,2 м (п. Охотск) [Охотское море, 1998]. Оценки, близкие к приводимым характеристикам, получены Ю.М. Малышевым (1985) с помощью расчетов по одномерной батистрофической модели (см. п. 2.1). Величины ветровых нагонов повторяемостью 1 раз в 50 лет составили для района побережья от п. Аян до п. Улья – 110 – 150 см, района от п. Охотск до о. Спафарьева – приблизительно 130 см; района от о. Спафарьева до м. Толстой – примерно 60 см.

  Отсутствие в данном районе береговых пунктов, на которых выполнялись многолетние наблюдения над уровнем моря, не позволяет оценить параметры штормовых нагонов непосредственно по материалам натурных измерений. Поэтому для исследования режима нагонов в заливе Шелихова и Пенжинской губе привлекались результаты численного гидродинамического моделирования (см. п. 2.2.2 Г) [Савельев, 1987].

  В соответствии с типизацией, выполненной А.В. Савельевым [Савельев, 1987], штормовые нагоны в заливе Шелихова и Пенжинской губе могут возникать во время синоптических ситуаций трех типов (рис. 1.10).

  Первый тип, при котором циклон расположен над Охотским морем, наблюдается наиболее часто (см. рис. 1.10). Характер распределения приземного атмосферного давления определяет формирование над исследуемым объектом ветров восточного и юго-восточного направлений, вызывающих повышение уровня моря у западного побережья района.

  Второй тип возникает при выходе «континентального» циклона в район, расположенный северо-западнее залива Шелихова и наблюдается значительно реже. В данной ситуации над северной частью акватории Охотского моря формируется ветер юго-западного направления (см. рис. 1.10), приводящий к возникновению нагона в пределах всего района.

  Третий тип, при котором циклон расположен северо-восточнее залива Шелихова (см. рис. 1.10), наблюдается крайне редко. Ветер северо-западного направления в тыловом секторе циклона вызывает повышение уровня моря у восточного побережья района.

  Так как глубокие циклоны, формирующие синоптические ситуации перечисленных типов, наблюдаются в основном в сентябре – декабре, можно ожидать, что наиболее значительные нагоны возникают именно в этот период времени [Савельев, 1987].

  Экспериментально установлено, что в заливе Шелихова и Пенжинской губе ветер играет доминирующую роль в формировании штормовых нагонов – их ветровая составляющая достигает 80 – 85 % от суммарной величины [Савельев, 1987]. Эффективные нагонные направления ветра находятся в секторе В-Ю-ЮЗ.

  Для оценки возможной величины ветровых штормовых нагонов А.В. Савельевым выполнена серия численных экспериментов, в рамках которых ветер различных направления и скорости принимался однородным в пространстве [Савельев, 1987].

  Доказано, что величина ветровых нагонов увеличивается к вершине района. Например, при скорости ветра 30 м/с она изменяется на побережье залива Шелихова от 60 до 140 см, а в Пенжинской губе составляет 3 - 5 м. Причиной этого является уменьшение площади поперечного сечения объекта к его вершине ввиду уменьшения ширины губы и глубины моря.

  Во время штормовых нагонов на побережье полуострова Камчатка возникает явление переливания морской водой береговых кос, на которых расположены поселки и рыбозаводы. Возможность возникновения явления определяется не только величиной штормового нагона, но и высотой ветрового волнения, фазой прилива. Тем не менее, синоптические условия формирования штормовых нагонов можно косвенно оценить по ситуациям переливания кос (рис. 1.11) [Герман и др., 1979]:

  I тип – «южные» циклоны, сформировавшиеся над Китаем, Японским или Южно-Китайским морями, пересекают Охотское море (преимущественно, его центральную часть) и далее движутся в северном или северо-восточном направлениях, с последующим их заполнением над Чукоткой (46 % случаев). Приземное атмосферное давление в центре циклонов изменяется от 960 до 990 гПа, скорость перемещения циклонов  в основном находится в пределах 25 – 35 км/час.

  II тип – «континентальные» циклоны - перемещаются с территории Хабаровского края и Якутии через акваторию Охотского моря к западному побережью полуострова Камчатка и Пенжинской губе (32 % случаев). Приземное атмосферное давление в центре циклонов при их выходе на акваторию Охотского моря обычно составляет 985 – 995 гПа, скорость движения циклонов достигает 25 – 35 км/час.

  III тип – «южные» циклоны - проходят над Тихим океаном восточнее Курильской гряды, затем вдоль восточного побережья полуострова Камчатка в северо-восточном направлении (13 % случаев). В некоторых случаях циклоны данного типа пересекают полуостров Камчатка и заполняются в северной части Охотского моря. Приземное атмосферное давление в центре циклонов находится в пределах 960 – 985 гПа, средняя скорость перемещения циклонов составляет 40 – 55 км/час.

  IV тип – циклоны, сформировавшиеся в южных широтах Тихого океана, движутся по траекториям, имеющим меридиональное направление и расположенным в зоне между 140 и 155° в.д. (9 % случаев). При перемещении над океаном циклоны имеют глубину 960 – 980 гПа, скорость их движения составляет 50 – 55 км/час. При выходе на акваторию Охотского моря скорость движения циклонов уменьшается, часто они начинают заполняться.

  Необходимым условием возникновения штормовых нагонов является формирование над шельфом западного побережья полуострова Камчатка ветров западных, юго-западных и южных направлений. В основном нагоны наблюдаются в осенне-зимний период, когда над дальневосточными морями усиливается циклоническая активность.

  Отсутствие на западном побережье полуострова Камчатка материалов многолетних наблюдений над уровнем моря по СУМ не позволяет определить характеристики параметров нагонов непосредственно по данным натурных измерений. Их приближенные оценки получены с помощью расчетов по одномерной батистрофической модели (см. п. 2.1) для ветров редкой повторяемости [Глуховский, Герман, Филиппов, 1975]. Установлено, что на всем протяжении побережья полуострова Камчатка величина штормового нагона, возможного 1 раз в 50 лет, превышает 75 см (рис. 1.12). Наибольшие нагоны возникают на участке побережья от Озерной до Кировского рыбокомбината. В районе Октябрьской при западном ветре величина нагона повторяемостью 1 раз в год составляет 115 см, 1 раз в 50 лет – 170 см [Глуховский, Герман, Филиппов, 1975].

  Условия формирования штормовых нагонов различны даже в пределах относительно небольших участков Курильской гряды [Куликова, 1967]. Например, на охотоморском побережье о. Итуруп (Курильск) нагоны вызываются ветрами западных румбов при прохождении циклонов через южные районы о. Сахалин и юго-западную часть акватории Охотского моря.  Наиболее значительные нагоны формируются циклонами, медленно перемещающимися вдоль Курильской гряды в северо-восточном направлении [Скрипник, Соколова, 1990]. На тихоокеанском побережье о. Кунашир (Южно-Курильск) нагоны в основном возникают при прохождении циклонов через южную часть Курильской гряды, эффективные нагонные направления ветра – южное и юго-восточное [Куликова, 1967].

  По материалам наблюдений над уровнем моря на береговых станциях штормовые нагоны достигают наибольшей величины в центральной части Курильской гряды (табл. 1.9, 1.10). По мнению Г.В. Шевченко, это связано с особенностями траекторий движения циклонов [Шевченко, 1997в]. С.К. Квятковский и А.В. Скрипник считают данное явление результатом резонансного отклика уровня моря на медленно движущиеся циклоны (резонансные значения скоростей перемещения циклонов для охотоморской стороны Курильского шельфа находятся в диапазоне 5 – 10 км/час, для тихоокеанской – 10 –20 км/час) [Квятковский, Скрипник, 1983].

  Наибольшую интенсивность нагоны имеют в октябре и марте, наименьшую – в летние месяцы (рис. 1.13).

  Для ориентировочной оценки возможных величин штормовых нагонов на шельфе Курильских островов, выполнена серия численных расчетов (см. п. 2.2.2 Д), в которых приземное атмосферное давление (950 гПа), направление (учитывались восемь основных румбов) и скорость (25 м/с) ветра полагались постоянными во времени и в пространстве для всего объекта.

  По результатам расчетов штормовые нагоны имеют относительно небольшую величину (менее 1 м), следовательно, близкий к барометрическому характер, на большей части шельфа и побережья Курильской гряды (рис. 1.14). Значительные ветровые нагоны возникают только в районе Малой Курильской Гряды, о. Хоккайдо и о. Кунашир, у побережья полуострова Камчатка. Наибольшие нагоны в южной части объекта формируются при ветрах северных румбов, в северной части - южных румбов (см. рис. 1.14).

  Предложенный способ приближенной оценки возможных наибольших величин штормовых нагонов позволяет получить вполне удовлетворительные результаты для большинства береговых пунктов наблюдений над уровнем моря (табл. 1.11). В пунктах Курильск и Матуа их рассчитанные значения существенно меньше наблюдавшихся за многолетний период и расчетных малой вероятности (см. табл. 1.10, 1.11). Возможно, данная особенность определяется влиянием локальных эффектов.

  Модель позволяет рассчитывать ветровую составляющую штормовых нагонов для несложных по морфометрии районов с открытыми жидкими границами. Разработанная в ГОИНе, модель применялась сотрудниками Камчатского, Колымского и Сахалинского УГМС (Баранова О.Т., Малышев Ю.М., Юркевич Н.Е., 1985) для оценки возможных величин нагонов малой повторяемости для ряда районов, слабо освещенных материалами наблюдений над уровнем моря: северо-восточного побережья о. Сахалин, северного побережья Охотского моря, побережья полуострова Камчатка (рис. 2.1).

  Модель построена на основе теории мелкой воды с учетом следующих упрощений:

• нормальная к берегу составляющая полного потока равна нулю;
• изменения уровня моря вдоль берега незначительны.

  Система уравнений модели представляется в виде:

   ,                                    ( 2.1 )

   ,                              ( 2.2 )

где U– вдольбереговая составляющая полного потока; t – время; x - уровень моря; g – ускорение свободного падения; H – глубина моря; f=2w sinj - параметр Кориолиса (w -угловая скорость вращения Земли, j - широта места);  и  - компоненты тангенциального напряжения ветра, определяемые из квадратичных соотношений (ось X направлена по нормали к берегу, ось Y – вдоль берега):

 ,         ( 2.3 )

где  = 2,4 × 10^-3 – безразмерный коэффициент поверхностного трения;  - плотность воздуха;  и - составляющие скорости ветра по осям X иY;  - модуль скорости ветра.

  Компонента придонного трения вдоль оси Y выражается квадратичной формулой Маннинга:

    ,                                    ( 2.4 )

где  - плотность воды;  - коэффициент придонного трения:

   ,                                         ( 2.5 )

где  = 0,05 м^1/3.

  Из уравнений (2.1) и (2.2) выводится соотношение, позволяющее определить наклон поверхности уровня моря для участка шельфа постоянной глубины H и шириной L, над которым действует ветер, однородный в пространстве. Данное соотношение решается численно для участков, на которые разбивается реальный профиль глубины моря. Величина нагона на морской границе профиля при этом полагается равной нулю.

  В принятой постановке задачи нагонные колебания уровня моря представляют собой сумму двух составляющих: обусловленной действием нормальной к берегу компоненты ветра и сформированной вдольбереговой компонентой ветра и силой Кориолиса.

  Модель применялась для расчета ветровой составляющей штормовых нагонов на побережье полуострова Камчатка.

  Данная модель, по сравнению с одномерной батистрофической моделью, дополнительно учитывает градиент гидродинамического давления, определяемый изменением уровня моря вдоль берега, а также горизонтальный турбулентный обмен в направлении, поперечном вдольбереговому потоку вод. Уравнение (2.1), следовательно, приобретает вид:

   ,                                    ( 2.6 )

где А – коэффициент горизонтального турбулентного обмена.

  Численная аппроксимация уравнений ( 2.2 ) и ( 2.6 ) выполняется с помощью явного конечно-разностного метода с центральными разностями.

  Для учета горизонтального обмена используются условия равенства нулю вдольберегового потока вод на берегу и на морской границе. Начальные значения величины нагона и потока вод вдоль берега принимаются нулевыми.

  Данные нестационарные численные гидродинамические модели разработаны для различных районов Охотского моря (см. рис. 2.1). В основу моделей положены одинаковые методические принципы, основное различие между моделями заключается в способах задания метеорологической информации.

  Модели построены на основе теории мелкой воды. Небольшая протяженность исследуемых объектов (менее 500 – 600 км) позволяет использовать систему уравнений движения и неразрывности в прямоугольной системе координат:

 ,     ( 2.7 )

 ,     ( 2.8 )

 ,                         ( 2.9 )

где u и v – компоненты скорости течения по осям X и Y, осредненные от поверхности до дна; t – время;  – отклонение поверхности моря от невозмущенного (среднего) уровня; f = 2 sin – параметр Кориолиса ( – угловая скорость вращения Земли,  – широта),  = const – плотность морской воды, g – ускорение свободного падения;  и  – компоненты напряжения ветра на поверхности моря;  и  – компоненты придонного трения, H = R – полная глубина (R – глубина моря при невозмущенном уровне).

  Компоненты напряжения ветра на поверхности моря и придонного трения рассчитываются с помощью квадратичных соотношений:

 ,         ( 2.10 )

где l - коэффициент поверхностного трения; W_x , W_y – проекции скорости ветра на оси координат;

 ,         ( 2.11 )

где r – коэффициент придонного трения.

  Численная аппроксимация уравнений ( 2.7 ) – ( 2.9 ) выполнена по схеме, в основе которой лежит явный конечно-разностный метод с центральными разностями ( HN-метод с разнесенными сетками), разработанный Ганзеном, успешно применявшийся (иногда с некоторыми модификациями) для расчета штормовых нагонов в различных районах Мирового океана.

  Аппроксимация нелинейных конвективных членов в уравнениях движения выполнена по методу “угловых производных” Робертса и Вейсса.

  Устойчивость численных схем определялась по критерию устойчивости Куранта-Фридрихса-Леви.

  Компоненты скорости течения и отклонение поверхности моря от невозмущенного уровня в начальный момент принимались равными нулю.

  На твердых границах областей расчета использовалось условие непротекания (равенства нулю нормальных к ним компонентов скорости течения для всего периода расчета). Это достигается размещением твердых границ в подсетках составляющих скоростей течений таким образом, чтобы они были перпендикулярны осям X или Y. Перемещение уреза воды в горизонтальном направлении не учитывалось.

  На жидких границах областей расчета, размещаемых в подсетках уровня моря, использовалось условие излучения (выхода свободной прогрессивной волны из области расчета):

 ,                                 ( 2.12 )

где  - изменения уровня моря на жидкой границе под влиянием вариаций приземного атмосферного давления в соответствии с «законом обратного барометра»:

 ,                                          ( 2.13 )

где  - среднее за многолетний период атмосферное давление, приведенное к уровню моря; фактическое приземное атмосферное давление на жидкой границе.

  Принятая постановка задачи позволяет рассчитывать пространственно-временные изменения уровня моря во время реальных штормовых нагонов по фактическим значениям параметров ветра и приземного атмосферного давления над морем (особенности их определения и учета для различных моделей рассмотрены в пп. 2.2.2 А - Д).

  Качество работы численных моделей оценивалось с помощью их верификации по материалам натурных наблюдений (исключение составляет модель, разработанная для залива Шелихова и Пенжинской губы, на побережье которых многолетние наблюдения над уровнем моря не производились). Для количественной оценки точности расчетов в основном использовались параметры, принятые в службе морских гидрологических прогнозов. Установлено, что все модели позволяют получить вполне удовлетворительные результаты, что дает основания использовать их для выполнения разнообразных численных экспериментов, предназначенных для исследования механизма формирования штормовых нагонов, получения характеристик параметров нагонов редкой повторяемости и т.д.

  А) Модель для шельфа юго-восточного побережья острова Сахалин [Любицкий, 1983]

  В модели не учитываются конвективные члены в уравнениях движения.

  Область расчета включает заливы Анива и Терпения, а также акваторию, прилегающую к проливу Лаперуза (рис. 2.2). Характер расположения области исследований приводит к необходимости поворота сетки на угол 71⁰ против часовой стрелки относительно географических осей координат. В модели используется пространственный шаг сетки 10 км.

  Значения параметра Кориолиса и ускорения свободного падения приняты постоянными для всей области расчета и равными 9,810 м/с² и 1,066 × 10^-4 1/с, соответственно.

  Коэффициенты поверхностного и придонного трения также полагаются постоянными: l = 3,2 × 10^-6, r = 2,6 × 10^-3.

  Дискретность определения метеорологических параметров составляет 3 – 6 часов.

  Для учета пространственно-временных изменений приземного атмосферного давления его значения снимаются с карт погоды в 21 точке укрупненной сетки (см. рис. 2.2). Значения давления в узлах расчетной сетки определяются при помощи линейной интерполяции во времени и пространстве.

  Характеристики ветра полагаются однородными в пределах каждой из пяти зон, размеры которых составляют приблизительно 100 x 180 км (см. рис. 2.2). Изменение их во времени учитывается с помощью линейной интерполяции.

  Экспериментально установлено, что наиболее высокая точность расчета штормовых нагонов получена при определении направления и скорости ветра над морем по данным наблюдений на прибрежных гидрометеорологических станциях. Следует отметить, что во время нагонов характеристики ветра, измеренные на различных станциях, в основном хорошо согласуются. По-видимому, это объясняется тем, что ветер во время нагонной ситуации главным образом направлен со стороны моря, следовательно, влияние на него местных орографических факторов незначительно. В сложных случаях направление ветра корректировалось по картам погоды.

  Модель применялась для расчета пространственно-временных изменений уровня моря во время реальных штормовых нагонов (рис. 2.3, 2.4) и различных численных экспериментов (см. п. 1.1).

  Б) Модель для шельфа северо-восточного побережья острова Сахалин [Савельев, 1989]

  Модель разработана для расчета ветровой составляющей штормовых нагонов, поэтому из уравнений движения исключены члены, учитывающие горизонтальную неоднородность поля приземного атмосферного давления, а на жидких границах области расчета используется только условие излучения (см. уравнение 2.12). В уравнениях движения не учитываются также конвективные члены.

  Область расчета простирается от залива Уркт на севере до м. Терпения на юге и ограничена с западной стороны береговой линией, с востока - меридианом 140°45¢ в.д. (рис. 2.5). Ось X сеточной области направлена на север, ось Y – на запад. Пространственный шаг сетки составляет 10 км.

  Коэффициенты поверхностного и придонного трения равны 3,2 × 10^-6, 2,6 × 10^-3. Направление и скорость ветра полагаются однородными для всей области расчета.

  Исходя из особенностей гидрологического режима района, максимальная глубина моря ограничена 100 м.

  Модель использовалась только для выполнения численных экспериментов (см. п. 1.2).

  В) Модель для акватории Сахалинского залива и Амурского лимана [Любицкий, 1986]

  Уравнения движения модели включают в членах придонного трения дополнительный множитель, учитывающий мелководность значительной части объекта. Для повышения точности аппроксимации членов, учитывающих силу Кориолиса и придонное трение, использован метод, предложенный Н.Е. Вольцингером и Р.В. Пясковским. При его реализации, во избежание асимметрии аппроксимации область расчета обходится в разных направлениях при смежных шагах во времени.

  Ось X сеточной области модели направлена на восток, ось Y – на север (рис. 2.6). Величина пространственного шага сетки равна 4 милям, число ее узлов составляет в направлении оси X – 53, оси Y – 65. Для учета вклада в штормовые нагоны исследуемого района метеорологических условий над прилегающей к Сахалинскому заливу акваторией Охотского моря, для нее была разработана дополнительная численная модель с пространственным шагом 12 миль, не учитывающая, ввиду несложного характера морфометрии и относительно больших глубин объекта, изменения глубины моря при вариациях уровня и конвективные ускорения в уравнениях движения (см. рис. 2.6). Рассчитываемые по дополнительной модели уровни и течения на северной границе Сахалинского залива используются в качестве граничных в основной модели вместо условий излучения и гидростатического изменения уровня.

  Значения параметра Кориолиса и ускорения свободного падения приняты постоянными для всей области расчета и равными 9,814 м/с² и 1,165 × 10^-4 1/с, соответственно.

  Коэффициенты поверхностного и придонного трения также полагаются постоянными: l = 3,2 × 10^-6, r = 2,6 × 10^-3.

  Дискретность определения метеорологических параметров составляет 3 – 6 часов.

  Значения приземного атмосферного давления снимаются с карт погоды в 9 точках, равномерно распределенных в пределах области расчета каждой модели (см. рис. 2.6). Для определения значений давления в узлах расчетной сетки применяется линейная интерполяция во времени и пространстве.

  Ввиду особенностей морфометрии и небольших размеров исследуемого района направление и скорость ветра принимаются постоянными в пределах каждого из двух объектов: Сахалинский залив и Амурский лиман. Для учета их изменений во времени используется линейная интерполяция.

  Результаты численного моделирования свидетельствуют, что нагоны воспроизводятся с наиболее высокой точностью при использовании в расчетах характеристик ветра, полученных осреднением их значений, измеренных на гидрометеорологических станциях, расположенных на побережье каждого объекта (нерепрезентативные наблюдения и выявленные погрешности измерений предварительно исключаются).

  Так как Амурский лиман и прилегающая к нему акватория Сахалинского залива являются устьевым взморьем Амура, модель предусматривает учет влияния на штормовые нагоны стока реки. Для этого в одной из точек твердой границы сеточной области вводится осредненная для поперечного сечения реки скорость течения.

  Для приближенного учета внутригодовых изменений среднего уровня Охотского и Японского морей значения уровня моря на северной и южной жидких границах области расчета корректируются поправками, полученными по материалам многолетних наблюдений.

  Модель применялась для расчета пространственно-временных изменений уровня моря во время реальных штормовых нагонов (рис. 2.7) и различных численных экспериментов (см. п. 1.3).

  Г) Модель для акватории залива Шелихова и Пенжинской губы [Савельев, 1987]

  В модели не учитываются конвективные члены в уравнениях движения.

  Сеточная область модели развернута примерно на 45° по часовой стрелке относительно географических осей координат (рис. 2.8). Пространственный шаг сетки составляет 10 км, шаг по времени – 100 с.

  Приземное атмосферное давление определяется с дискретностью 6 часов по картам погоды в 45 точках, равномерно распределенных в пределах области расчета (см. рис. 2.8). Для детализации изменений давления во времени, его значения в опорных точках интерполируются на середину шестичасовых интервалов с помощью формулы Д. Картрайта:

 ,                         ( 2.14 )

где приземное атмосферное давление на середину интервала между основными синоптическими сроками;  - его значения за 3 и 9 часов соответственно до или после i-го момента времени [Охотское море, 1998].

  Направление и скорость ветра принимаются однородными в пределах каждой из восьми зон размерами 175 х 180 км (см. рис. 2.8). Характеристики ветра вычисляются по полю приземного атмосферного давления на высоте 1 м над поверхностью уровня моря с помощью метода А.И. Соркиной.

  Коэффициент поверхностного трения принимается равным 2,8 × 10^-3.

  Модель использовалась только для выполнения численных экспериментов (см. п. 1.5).

  Д) Модель для побережья и шельфа Курильских островов [Любицкий, 2000а]

  В модели не учитываются конвективные члены в уравнениях движения.

  Характер расположения объекта приводит к необходимости поворота осей координат сеточной области модели на угол 44^о против часовой стрелки относительно географических осей координат (рис. 2.9). При пространственном шаге сетки модели, равном 5 км, общее количество узлов в направлении оси X равно 257, в направлении оси Y - 39.

  Глубина моря в узлах сеточной области снималась с навигационных карт. В глубоководных районах глубины принимались равными 200 м. Это допущение практически не влияет на результаты расчетов, но позволяет значительно сократить время вычислений ввиду увеличения шага по времени.

  Значения параметра Кориолиса и ускорения свободного падения принимались постоянными (средняя широта исследуемого района 47^о13^/):  = 9,808 м/с²,  = 1,066 · 10^-4 1/с.

  Коэффициенты поверхностного и придонного трения равны 2,6 · 10^-3 и 3,2 · 10^-6 соответственно.

  Значения приземного атмосферного давления, приведенного к уровню моря, снимаются с карт приземного анализа погоды (дискретность 6 часов) или кольцевых карт погоды (дискретность 3 часа) в 21 точке, равномерно распределенной в пределах области расчета (см. рис. 2.9). Для получения значений давления в узлах расчетной сетки используется их линейная интерполяция во времени и в пространстве.

  Характеристики ветра над морем полагаются однородными в пространстве в пределах каждой из шести зон размерами приблизительно 75 х 85 км (см. рис. 2.9). Для определения значений проекций скорости ветра на оси координат в интервалах времени между метеорологическими сроками применяется их линейная интерполяция. Направление и скорость ветра для каждой зоны определяются по приземному барическому полю и характеристикам ветра, измеренным на судовых и береговых метеорологических станциях.

  Верификация численной модели по материалам наблюдений над уровнем моря в береговых пунктах свидетельствует об удовлетворительном качестве ее работы в северной и южной частях исследуемого объекта, результаты, полученные для центральной части Курильской гряды, существенно хуже (рис. 2.10).

  Модель применялась для расчета пространственно-временных изменений уровня моря во время реальных штормовых нагонов и различных численных экспериментов (см. п. 1.7).

  Модель, разработанная С.К. Квятковским [Квятковский, 1983], имела экспериментальный характер и не использовалась для исследования механизма формирования и расчета параметров штормовых нагонов. Возможно, причиной этого являлось недостаточно высокое качество расчетов, т.к. используемый пространственный шаг сетки (0,5⁰) не позволяет учесть мелководные прибрежные районы.

  Использована система уравнений движения и неразрывности в виде:

  ,                    ( 2.15 )

  ,                    ( 2.16 )

 ,             ( 2.17 )

где U и V – компоненты полного потока по осям X и Y, соответственно; g – ускорение свободного падения; H – глубина моря;  - превышение уровня моря; P_a – приземное атмосферное давление; f – параметр Кориолиса; A – коэффициент горизонтальной турбулентной вязкости;  и  - составляющие касательного напряжения ветра; и  - компоненты придонного трения:

           ,        ( 2.18 )

  Нчальные значения полных потоков и отклонения уровня моря от невозмущенного состояния полагаются равными нулю.

  Принимается положение об отсутствии водообмена Охотского моря с Японским морем и Тихим океаном через соединяющие их проливы. На твердых границах использовано условие непротекания в виде:

                              ( 2.19 )

  Численная аппроксимация уравнений ( 2.15 ) – ( 2.17 ) выполнена по явно-неявной конечно-разностной схеме Г. Фишера. Устойчивость численной схемы оценивалась по критерию Куранта-Фридрихса-Леви. Шаг по времени составляет 3 минуты.

  Значения приземного атмосферного давления снимаются с синоптических карт в узлах укрупненной сетки с шагом 2,5°, в узлах расчетной сетки они определяются с помощью интерполяции во времени и в пространстве методом Лагранжа.

  Касательные напряжения ветра на поверхности моря рассчитываются с помощью общепринятых квадратичных соотношений. Характеристики ветра над морем определяются по полю приземного атмосферного давления. Угол отклонения фактического ветра от геострофического в сторону низкого давления принимается равным 15°. Для слабых скоростей ветра (менее 8 м/с) скорости фактического и геострофического ветра полагаются равными, для более значительных скоростей используется соотношение:

  ,                            ( 2.20 )

где W – скорость ветра, DP – градиент приземного атмосферного давления, G – скорость геострофического ветра.

  Прогнозы штормовых нагонов составляются только для некоторых районов побережья Охотского моря (в основном, для отдельных береговых пунктов). Большая часть методов прогнозов включает предварительный анализ синоптической обстановки для оценки возможности возникновения нагона, с последующим расчетом его высоты по эмпирическим уравнениям регрессии, включающим в качестве влияющих факторов характеристики метеорологических параметров. Следует отметить, что указанные методы прогноза широко используются в оперативной работе до настоящего времени.

  В методе, разработанном Куликовой В.С. и Булгаковым Н.П., полагается, что высота прогнозируемого штормового нагона определяется ожидаемыми скоростью ветра над морем и его продолжительностью (табл. 3.1) [Куликова, Булгаков, 1965 ]. Влияние приземного атмосферного давления не учитывается.

  Метод прогноза штормовых нагонов в Курильске, использующий подбор аналогов, предложен С.К. Квятковским (1979). Вначале прогностические карты погоды с заблаговременностью 18, 12, 6 часов сравниваются с типовыми барическими полями, при которых на побережье о. Итуруп возникают нагоны. При этом приближенно определяется возможный подъем уровня:

1-й тип – h < 25 см;

2-й тип – 25 <= h <= 80 см;                                           ( 3.1 )

3-й тип – h > 80 см.

  При идентификации нагонной ситуации максимальная величина нагона h вычисляется по формуле:

h = 2,55 × V – 21,08                                                                 ( 3.2 )

где V – ожидаемая скорость ветра в Курильске в момент прохождения центром циклона меридиана 150° в.д., в м/с.

  Допустимая ошибка метода прогноза – 16 см. Расчеты по уравнению (3.2) рекомендуется производить только в тех случаях, когда фоновый прогноз указывает на возможность возникновения значительных нагонов [Охотское море, 1998].

  На основе метода спектральной регрессии А.В. Савельевым разработан метод прогноза штормовых нагонов в пунктах Курильск, Крильон, Корсаков и Поронайск [Охотское море, 1998]. Прогностические уравнения для каждого пункта (табл. 3.2) предусматривают зависимость величины нагона от ожидаемых значений приземного атмосферного давления и проекции скорости ветра на его эффективное сгонно-нагонное направление в данном пункте. Коэффициенты уравнений определяются по спектральным характеристикам процессов и представляют собой действительную часть передаточной функции на частотах с максимальным отношением сигнал/шум и максимальными значениями функции множественной когерентности [Охотское море, 1998].

  Метод прогноза максимальной величины штормовых нагонов на о. Байдукова, разработанный Ю.П. Заверниным и Г.Ф. Кривицким [Завернин, Кривицкий, 1970], предусматривает детальный анализ фактической и ожидаемой синоптической обстановки. Возможность возникновения значительного нагона определяется траекторией движения, характером развития и глубиной циклона.

  Авторы метода установили, что величина нагона в пункте, для которого составляется прогноз, линейно зависит от глубины (в качестве критерия используется количество замкнутых изобар) формирующего его циклона. Для прогнозирования возможности и времени превышения суммарным уровнем моря критической отметки, его приливная составляющая определялась по «Таблицам приливов».

  Н.Е. Юркевич установила наличие высокой связи между величинами нагона в Москальво и Рыбновске и скоростью ветра в данном районе, осредненной за интервал времени от момента усиления ветра до 6 баллов до времени формирования максимума нагона (коэффициенты корреляции составляют 0,86 – 0,93) [Юркевич, 1961, 1967]. Получены следующие прогностические уравнения:

Москальво  -    y = 33,03 × x – 194,33                     ( 3.3 )

Рыбновск  -       y = 28,34 × x – 148,72  ,                  ( 3.4 )

где у – максимальная ожидаемая величина нагона, см; х – средняя скорость ветра, м/с.

  Автор рассматриваемого метода прогноза справедливо указывает на его недостаток - использование в качестве предиктора прогнозируемой скорости ветра [Юркевич, 1967].

  Ю.В. Любицким разработан синоптико-гидродинамический метод краткосрочного (с заблаговременностью 24 – 48 часов) прогноза изменений суммарного уровня моря во время значительных (величиной более 1 м) штормовых нагонов в Амурском лимане (рис. 3.1) [Любицкий, 2000]. Метод предусматривает также прогноз других возникающих во время нагонов опасных гидрологических явлений: ветрового волнения, взлома припая в Амурском лимане, выхода воды на лед при сплошном ледоставе на устьевом участке Амура.

  Технологическая линия метода прогноза включает несколько последовательно выполняемых этапов.

  Этап 1. Для качественной оценки возможности возникновения нагонной ситуации анализируются прогнозируемая синоптическая обстановка и фактическая степень развития ледяного покрова в Охотском море.

  Необходимые условия формирования значительных штормовых нагонов в пределах Амурского лимана:

1. циклон с приземным атмосферным давлением в центре не более 990 гПа в момент его наибольшего развития должен перемещаться по одному из трех характерных типов траекторий (см. рис. 1.7);
2. над Сахалинским заливом и прилегающей к нему акваторией Охотского моря должен возникнуть ветер нагонных направлений (в секторе ЗСЗ-С-ССВ) со скоростью не менее 20 м/с;
3. в Сахалинском заливе (в качестве индикатора используется район м. Литке) должны отсутствовать белый лед или припай и дрейфующий лед (блинчатый, нилас, молодой) суммарным количеством 9-10 баллов.

  Полученные результаты используются для принятия решения о необходимости продолжения работы по составлению прогноза, заключающейся в его детализации и получении количественных значений прогнозируемых характеристик.

  Этап 2. Исходя из фактической и прогнозируемой гидрометеорологической информации рассчитываются ожидаемые изменения уровня моря. Ядром данного этапа метода прогноза является двумерная нелинейная нестационарная численная гидродинамическая модель, построенная в рамках теории мелкой воды (см. п. 2.2.2 В).

  Вначале для всей области расчета воспроизводятся поверхность среднего (фонового) уровня моря и соответствующее ей поле постоянных течений. Для этого используются осредненные за многолетний период среднемесячные уровни моря в береговых пунктах, расположенных вблизи открытых границ объекта, приведенные к единой системе высот, и фактический сток Амура в период, предшествующий моменту составления прогноза.

  После выхода процесса на стационарный режим, для всей акватории объекта на основе прогнозируемой метеорологической информации рассчитываются ожидаемые суммарные пространственно-временные изменения нагонной и фоновой составляющих уровня моря. Метеорологическая информация определяется по факсимильным картам FSFE02, FSFE03, FSAS04, FSAS07 (заблаговременность 24-72 часа) регионального численного гидродинамического прогноза приземного барического поля, поступающим из Японии: оцениваются направление и скорость ветра, приземное атмосферное давление, приведенное к уровню моря, над Сахалинским заливом и прилегающей к нему акваторией Охотского моря. Небольшие размеры данных объектов позволяют с достаточно высокой точностью ограничиться двумя фиксированными точками для определения характеристик ветра и одной для давления (см. рис. 3.1), что позволяет значительно сократить время на подготовку исходной информации для составления прогноза.

  Приземное атмосферное давление принимается постоянным в пространстве для всей области расчета, направление и скорость ветра однородными в пределах отдельных районов: Амурском лимане, Сахалинском заливе, прилегающей к нему акватории Охотского моря. Из-за влияния орографии характеристики ветра над Амурским лиманом заметно отличаются от определяемых по картам приземного барического поля (скорость ветра над морем рассчитывается по величине барического градиента, отклонение направления ветра в сторону низкого давления от касательной к изобаре принимается равным 15°). Поэтому они определяются по их значениям над Сахалинским заливом с помощью эмпирических соотношений, полученных в процессе разработки метода прогноза.

  Для определения оценок метеорологических параметров между синоптическими сроками применяется метод линейной интерполяции. Выборку значений метеорологических параметров рекомендуется начинать со срока, когда над устьевым взморьем Амура сформируются ветер нагонных направлений (ЗСЗ-С-ССВ) скоростью 5-10 м/с и приземное атмосферное давление менее 1000-1005 гПа. В первом приближении момент начала штормового нагона можно определить по местоположению циклона (см. рис. 3.1).

  Так как значительные штормовые нагоны в Амурском лимане в основном возникают осенью и в начале зимы, при составлении прогноза учитывается степень развития ледяного покрова (табл. 3.3). Тип ледовой обстановки, используемый для оценки возможности возникновения нагона и прогноза высоты ветрового волнения, определяется по текущим информационным сообщениям с морской береговой сети Дальневосточного УГМС.

  Приливная составляющая суммарного уровня моря вычисляется только в береговых пунктах, для которых составляется прогноз, по гармоническим постоянным 11 основных волн прилива. Редукционные множители и астрономические части фаз волн прилива определяются по времени первого срока, за который вводятся прогнозируемые характеристики метеорологических параметров.

  Гармонические постоянные волн прилива в Амурском лимане существенно зависят от ледовых условий. Поэтому при наличии в пределах объекта ледовой обстановки I - III типов (см. табл. 3.3), используются гармонические постоянные, полученные для навигационного периода, IV типа – для ледового периода. Изменения гармонических постоянных волн прилива в результате вариаций водности Амура не учитываются, т.к. экспериментально установлено, что использование их значений, осредненных для различных диапазонов величины стока реки, не позволяет заметно повысить точность предвычисления прилива.

  Суммарные ежечасные уровни моря в береговых пунктах определяются суммированием предвычисленного прилива и рассчитанных совместно по численной модели среднего (фонового) уровня моря и штормового нагона.

  Данный этап метода прогноза завершается получением и выводом для визуального контроля ежечасных значений суммарного уровня моря, его приливной и нагонной составляющих в пунктах: о. Байдукова, Озерпах, м. Пронге, м. Джаоре, м. Лазарева, г. Николаевск-на-Амуре (см. рис. 3.1), а также составленного автоматизированным способом информационного сообщения о характеристиках ожидаемого нагона и возникающих во время него опасных гидрологических явлений.

  При необходимости действия, выполняемые в рамках второго этапа, могут неоднократно повторяться по мере уточнения и корректирования исходной информации.

  Метод используется в оперативной работе Дальневосточного УГМС с 1992 г. В 1992-1997 гг. прогноз составлялся девять раз, все прогнозы оправдались. Во всех случаях величина штормового нагона, возможность превышения уровнем моря в береговых пунктах критических отметок хорошо согласуются с данными наблюдений

  Метод прогноза высоты штормовых нагонов в данном районе, предусматривающий расчет ее отдельных составляющих по эмпирическим и теоретическим соотношениям, полученным для других объектов, предложен В.Д. Кравцовым [Кравцов, 1970]. Точность расчета оценивалась для значительного штормового нагона 12 ноября 1969 г.

  Уклон поверхности уровня моря, формируемый действием ветра, рассчитывался по эмпирической формуле Хелла:

  ,                                                 ( 3.5 )

где  - коэффициент пропорциональности, зависящий от отношения глубины моря к глубине трения и ряда других факторов; H – глубина моря, м; W – скорость ветра, м/с.

  Величина ветрового нагона у берега определялась суммированием превышений уровня моря, полученных по рассчитанным значениям уклонов (см. уравнение ( 3.5 )) для участков, на которые разбивалась линия длины разгона ветра.

  Для оценки величины составляющей штормового нагона, сформированной влиянием приземного атмосферного давления, принималась гипотеза, что она определяется двумя эффектами: непосредственно статическим действием изменений давления на уровень моря по «закону обратного барометра», а также длинной свободной волной («метеорологическим цунами»), возникшей в южной части Охотского моря и распространяющейся к побережью исследуемого района. Для учета трансформации свободной волны в процессе ее движения используется модифицированная формула Эри – Грина:

  ,                                                        ( 3.6 )

где  - высота свободной волны у берега, см; k = 1,25 – эмпирический коэффициент;  - начальная высота свободной волны (принималась равной статическому значению);  и  - ширина устья и вершины «залива», под которым понималась северная часть акватории Охотского моря;  и  - глубина моря в устье и в вершине «залива».

  По наблюдениям максимальная высота нагона 12 ноября 1969 г. равнялась 124 см, полученная с помощью расчета – 180 см (ветровая, статическая и волновая компоненты составили, соответственно, 22 см, 22 см, 136 см).

  Полученные результаты ставят под сомнение надежность метода и возможность его применения в оперативной работе. Во-первых, представляется явно заниженной величина рассчитанного ветрового нагона. Во-вторых, недостаточно физически обоснован механизм генерации штормового нагона на северном побережье Охотского моря свободной волной, сформировавшейся в южной части его акватории.

  Поэтому прогнозы максимальных высот штормовых нагонов в пункте Охотск, где они вызывают наиболее катастрофические последствия, составлялся Охотским ГМБ с помощью простой эмпирической формулы [Донесения, 1982]:

  ,                                    ( 3.7 )

где K – эмпирический коэффициент (для периода отсутствия льда с 1 июня по 1 ноября K = 4);  - прогнозируемое минимальное значение приземного атмосферного давления в Охотске, гПа.

  Метод прогноза штормовых нагонов в пунктах Нагаево и Охотск разработан А.В. Савельевым с применением метода спектральной регрессии, предусматривающего определение коэффициентов прогностических уравнений (табл. 3.4) по спектральным характеристикам наблюдавшихся в каждом пункте временных рядов непериодической составляющей уровня моря, приземного атмосферного давления и проекций скорости ветра на его эффективное сгонно-нагонное направление [Охотское море, 1998].

  Прогнозы непосредственно штормовых нагонов для данного района не составляются. Тем не менее, качественное или количественное предсказание величины нагонов в той или иной форме предусматривается большинством методов, разработанных для прогноза ситуаций переливания морской воды через береговые косы [Охотское море, 1998]. При этом большинство исследователей справедливо полагает, что переливание кос определяется не только величиной нагонов, но и высотой ветрового волнения (следовательно, прибоем и волновым нагоном), а также фазой прилива (Гершенгорн, 1959, Комчатов, 1978).

  Для расчета высоты ветрового нагона по прогнозируемым характеристикам ветра были предложены следующие эмпирические зависимости:

а) Гершенгорном (1959)

 ,                                              ( 3.8 )

где V – скорость ветра, м/с; a - угол между линией берега и направлением ветра.

б) Л.З. Измозиком [Измозик, 1971]

  ,                                   ( 3.9 )

где V – скорость ветра; L – расстояние от зоны шторма; h – глубина места; g – ускорение свободного падения; a = 1,31 ´ 10^-5 – эмпирический коэффициент.

  В.Х. Герман [Герман и др., 1979] предложил использовать для прогноза максимальной высоты штормового нагона на юго-западном побережье полуострова Камчатка номограмму, построенную по результатам диагностических расчетов величины нагонов по одномерной батистрофической численной гидродинамической модели (см. п. 2.1). Для построения диаграммы величина нагона вычислялась для различных сочетаний направлений ветра в секторе СЗ-Ю-ЮЗ и его скоростей в диапазоне от 11 м/с до 32 м/с, продолжительностью действия 12 часов (рис. 3.2). Проверка метода прогноза на независимом материале показала, что два из шести составленных прогнозов не оправдались. Поэтому номограмму, представленную на рис. 3.2, рекомендуется использовать только для уточнения прогноза, составляемого по типовым синоптическим ситуациям [Охотское море, 1998].