4.13 Detektion und Überwachung von Tsunami-induzierten Meeresoberflächenströmungsjets an Festlandsockeln

Wenn Tsunami-Wellen an den Rändern von Festlandsockeln und an der Küste auf steile Gradienten treffen, werden die Wellen nichtlinear, und die Erhaltung des Impulses in der Wassersäule erzeugt Spritzer (d. h. Jets) von Meeresoberflächenströmungen in Bereichen mit Tiefenkontinuitäten und flachen Regionen. Wie von Barrick (1979) diskutiert, erscheint eine sinusförmige Tsunami-Welle als periodischer Oberflächenstrom. Seine Wellenbahngeschwindigkeit an der Oberfläche transportiert die viel kürzeren Wellen, die vom Radar gesehen werden, addiert sich zum Umgebungsstromfeld und erzeugt eine klare Signatur, die vom Radar detektiert werden kann. Der Tsunami, von dem angenommen wird, dass er sich senkrecht zu den Tiefenkonturen ausbreitet, erzeugt Meeresoberflächenstromgeschwindigkeiten, die sich dem langsam variierenden Hintergrund der Umgebungsstromgeschwindigkeit überlagern. Bis zu einem gewissen Grad gibt es ein a priori Muster großer Oberflächenströmungen, die auftreten, wenn ein Tsunami am Rand eines Festlandsockels auf steile benthische Gradienten trifft. Tsunami-Ströme haben aufgrund ihrer Kohärenz über große Entfernungen eine charakteristische Signatur, so dass sie beim Eintreffen im Radarabdeckungsbereich detektiert werden können (Lipa et al., 2006).

Barrick (1979) schlug ursprünglich die Verwendung von landgestützten HF-Radarsystemen zur Tsunami-Warnung vor. HF-Radarsysteme arbeiten derzeit kontinuierlich von vielen Küstenorten rund um den Globus und überwachen Meeresoberflächenströmungen und Wellen bis zu Entfernungen von 200 km. Für jeden HF-Radarstandort ist es möglich, ein Tsunami-Reaktionsmuster durch numerische Modellierungsmethoden zu berechnen (Lipa et al., 2006; In: Heron et al., 2008). Näherungsweise wird angenommen, dass die Reaktion der Meeresoberflächenströmungen auf den sich dem Festlandsockel nähernden Tsunami unabhängig von der Richtung der Quelle des Tsunamis ist. Dies liegt daran, dass, wie bereits erwähnt, Tsunami-Wellenfronten in tiefem Wasser gebrochen werden und sich dem Schelfrand in einem kleinen Winkelbereich um orthogonal nähern. Diese Annahme kann für jeden Standort durch numerische Berechnungen von Greenslade et al. (2007). Um die Signale des HF-Radars im Falle eines Tsunamis in Richtung Küste zu simulieren, haben Dzvonkovskaya et al. (2009) berechneten die Tsunami-induzierte Meeresoberflächenstromgeschwindigkeit mit dem ozeanographischen HAMburg Shelf Ocean Model (HAMSOM), wandelten sie dann in modulierende Signale um und überlagerten sie mit den gemessenen Radar-Rückstreusignalen. HAMSOM bezieht die Reibungs- und Coriolis-Terme mit ein und kann so die Wellenausbreitung aus der Tiefsee in Schelfgebiete simulieren, in denen nichtlineare Prozesse eine wichtige Rolle spielen. Nach Anwendung herkömmlicher Signalverarbeitungstechniken enthalten die Meeresoberflächenstromkarten die sich schnell ändernden Tsunami-induzierten Strommerkmale, die mit den HAMSOM-Daten verglichen werden können. Die spezifischen radialen Tsunami-Stromsignaturen können in diesen Karten deutlich beobachtet werden, wenn eine geeignete räumliche und zeitliche Auflösung verwendet wird. Gurgel et al. (2011) beschrieben einen Tsunami-Erkennungsalgorithmus, mit dem eine automatisierte Tsunami-Warnmeldung ausgegeben werden kann. Die auf diesen Spektren basierende Meeresoberflächenstromkarte weist ein Muster auf, das sich im Schelfbereich sehr schnell ändert, bevor die Tsunamiwelle den Strand erreicht. Spezifische radiale Tsunami-Stromsignaturen werden in diesen Karten deutlich beobachtet. Wenn der Schelfrand ausreichend weit vor der Küste liegt, kann das erste Auftreten solcher Signaturen durch ein HF-Radarsystem früh genug überwacht werden, um eine Warnmeldung über einen sich nähernden Tsunami auszugeben. Die Meeresoberflächenstromantwort wird daher zu einer Signatur, nach der im Datenanalyseprozess gesucht werden kann. In: Heron et al. (2008) haben Modellrechnungen von Meeresoberflächenstromvektoren zur Verfügung gestellt, als die erste Welle des Tsunamis vom 26. Dezember 2004 im Indischen Ozean auf einen Abschnitt des Festlandsockels der Seychellen traf.

Lipa et al. (2006) zeigten, dass HF-Doppler-Radarsysteme, die heute in Betrieb sind, Tsunami-Strömungen erkennen und wichtige Informationen lange vor dem Aufprall liefern können, wenn der angrenzende Festlandsockel breit ist. In: Heron et al. (2008) fanden heraus, dass das HF-Doppler-Radar gut konditioniert ist, um die Oberflächenstromausbrüche am Rand des Festlandsockels zu beobachten und eine Warnung von 40 Minuten bis 2 Stunden zu geben, wenn das Regal 50 bis 200 km breit ist. Bei der Verwendung der HF-Radartechnologie besteht jedoch ein Kompromiss zwischen der Genauigkeit der Oberflächenstromgeschwindigkeitsmessungen und der Zeitauflösung. Ein Vorteil im S/N-Verhältnis ergibt sich aus der Vorkenntnis des räumlichen Musters der Spritzer am Rand des Festlandsockels. Es wurde von Heron et al. (2008), dass das Phased-Array-HF-Doppler-Radar, das im Great Barrier Reef in Australien (wo die Schelftiefe etwa 50 m beträgt) eingesetzt wird und routinemäßig zur Kartierung von Meeresoberflächenströmungen eingesetzt wird, Oberflächenstromspritzer von Tsunamis im Wellenperiodenbereich auflösen kann 5-30 Minuten und im Wellenlängenbereich größer als etwa 6 km. Dieses Netzwerk ist für den Einsatz als Monitor für kleine und größere Tsunamis gut konditioniert und hat das Potenzial, zum Verständnis der Tsunami-Entstehung beizutragen.

Wenn das Dopplerradar in seinem routinemäßigen Meeresoberflächenstromkartierungsmodus arbeitet, zeichnet jede Station eine zeitgemittelte (einige Minuten) Zeitreihe in einem geeigneten Abtastintervall (z. B. 10 Minuten) auf. In diesem Modus konnte das Radar nur Tsunamis mit Wellenperioden erkennen, die größer als das Doppelte des Abtastintervalls waren (Nyquist-Abtastkriterium). Mit anderen Worten, wenn das Abtastintervall 10 Minuten beträgt, würde das Radar nur Tsunamis mit einer Wellenperiode von mehr als 20 Minuten erkennen. Wenn das HF-Dopplerradar jedoch zur Detektion von Tsunami-induzierten vergrößerten Meeresoberflächenströmungsstrahlen (die in Tiefen-Diskontinuitäten erzeugt werden) zu Warnzwecken verwendet werden soll, müsste das Radar vermutlich nach einem seismischen Alarm in einen „Alarm-Modus“ geschaltet werden. In: Lipa et al. (2006) schlugen vor, dass im Falle einer Tsunami-Bedrohung die Tsunami-Watch-Software (die aktuelle Geschwindigkeiten und lokale Welleninformationen an den vielen HF-Radargeräten an den Küsten der Welt erzeugt) parallel (im Hintergrund) laufen und eine Tsunami-Warnung auslösen könnte. Diese Informationen stünden den lokalen Behörden zur Verfügung und wären von unschätzbarem Wert, wenn die internationale Kommunikation fehlschlägt oder ihre Vorhersagen zu allgemein sind. Globale Modelle können für lokalisierte Bereiche unzureichend sein, für die die verfügbare Bathymetrie möglicherweise keine ausreichende Auflösung aufweist. Wenn sich ein Beben-Epizentrum in Küstennähe befindet, kann es außerdem vorkommen, dass nicht genügend Zeit für die Aktivierung der internationalen Kommunikationskette bleibt. In solchen Fällen würden lokale Systeme die einzige Vorwarnung liefern. Ein solches System kann auch die Fehlalarmprobleme lindern, die bestehende Tsunami-Wachsysteme plagen. Computervorhersagemodelle und Frühwarnsysteme gelten nur für Tsunamis, die durch Erdbeben erzeugt werden; HF-Radarnetze wären auch in der Lage, Tsunamis zu erkennen, die durch Unterwasser-Steinschläge und Gezeitenbohrungen erzeugt werden.

Nach Heron et al. (2008), der effektivste Nutzen eines „Alarm-Modus“ des Betriebs wäre bei der Unterstützung des Warnnetzes durch Füllen der Lücke zwischen Tiefsee-Sensoren und Küsten-Meeresspiegel-Messgeräte und insbesondere bei der Vermeidung von Fehlalarmen wegen seiner hohen Empfindlichkeit im Vergleich zu anderen Sensoren. Es ist jedoch zu erwarten, dass ein Tsunami schwieriger zu erkennen ist, wenn er klein ist oder wenn die Hintergrundstromgeschwindigkeiten aufgrund von Gezeiten, Winden oder Dichtegradienten in dem überwachten Gebiet groß sind und sich schnell ändern. Für die Aufgabe der Tsunami-Erkennung können die Hintergrundstromgeschwindigkeiten als eine Art „Hintergrundrauschen“ angesehen werden, das entfernt werden muss, um die Tsunami-induzierten Ströme deutlicher zu erhalten.

Der beste Weg, diese Schwierigkeit zu bewältigen, ist die Verwendung eines ozeanographischen Modells, um dieses „Hintergrundrauschen“ zu simulieren.“ Um das Modellergebnis nahe an den tatsächlich gemessenen Meeresströmungen zu halten, kann es durch Anwendung einer Datenassimilationstechnik „geführt“ werden (Gurgel et al., 2011). In einer Feldanwendung wäre für jeden Standort eine Machbarkeitsstudie erforderlich, die auf der Radarübertragungsfrequenz basiert und zusätzlich zur Bathymetrie die typischen Stromregime für den Standort berücksichtigt. Es muss betont werden, dass ozeanographische Radare, wenn sie zur Tsunami-Erkennung verwendet werden, in einem hohen zeitlichen (2 min) und räumlichen (1,5–2) Bereich betrieben werden müssen.0 km) Auflösungsmodus, um die beste Empfindlichkeit zu haben und die sich schnell ändernden Tsunami-Signaturen auflösen zu können. Gurgel et al. (2011) haben herausgefunden, dass eine Tsunami-induzierte Meeresoberflächenstromstrahlsignatur bei Integrationszeiten größer als 25 min vollständig verschwindet. Sie beschrieben einen Vorschlag für einen neuen Algorithmus zur automatischen Erkennung von Tsunamis unter Verwendung eines CFAR-Ansatzes (Constant False Alarm Rate).