4.13 påvisning og overvågning af Tsunamiinducerede Havoverfladestrømstråler på kontinentale hylder

når tsunamibølger støder på stejle stigninger ved kanterne af kontinentale hylder og ved kysten, bølgerne bliver ikke-lineære, og bevarelse af momentum i vandkolonnen producerer sprøjter (dvs.jetfly) af havoverfladestrømme i områder med dybdeafbrydelser og lavvandede regioner. Som diskuteret af Barrick (1979) vises en sinusformet tsunamibølge som en periodisk overfladestrøm. Dens bølgeomløbshastighed ved overfladen transporterer de meget kortere bølger, der ses af radaren, tilføjer til det omgivende strømfelt og producerer en klar signatur, der kan påvises af radaren. Tsunamien, som antages at formere sig vinkelret på dybdekonturerne, producerer havoverfladestrømhastigheder, der overlejres på den langsomt varierende omgivende strømhastighedsbaggrund. Til en vis grad er der et a priori mønster af store overfladestrømme, der opstår, når en tsunami støder på stejle bentiske gradienter ved kanten af en kontinentalsokkel. Tsunamistrømme har en karakteristisk signatur på grund af deres sammenhæng over store afstande, hvorved de kan detekteres, når de ankommer til radardækningsområdet (Lipa et al., 2006).Barrick (1979) foreslog oprindeligt brugen af landbaserede Hf-radarsystemer til tsunami-advarsel. Hf-radarsystemer opererer i øjeblikket kontinuerligt fra mange kyststeder over hele kloden og overvåger havoverfladestrømme og bølger til afstande på op til 200 km. For hver Hf-radarplacering er det muligt at beregne et tsunami-responsmønster ved hjælp af numeriske modelleringsmetoder (Lipa et al., 2006; Heron et al., 2008). Til en førsteordens tilnærmelse antages responsen fra havoverfladestrømmene til tsunamien, der nærmer sig kontinentalsoklen, at være uafhængig af retningen for kilden til tsunamien. Dette skyldes, at tsunami-bølgefronter som nævnt tidligere brydes i dybt vand og vil nærme sig hyldekanten inden for et lille udvalg af vinkler omkring ortogonale. Denne antagelse kan testes for hvert sted ved numeriske beregninger leveret af Greenslade et al. (2007). For at simulere de signaler, der ses af hf radar i tilfælde af en tsunami, der rejser mod kysten, Dsvonkovskaya et al. (2009) beregnet den tsunami-inducerede havoverfladestrømshastighed ved hjælp af oceanographic HAMburg Shelf Ocean Model (HAMSOM), konverterede den derefter til modulerende signaler og overlejrede til de målte radar backscatter signaler. HAMSOM involverer friktions-og Coriolis-vilkårene og kan således simulere bølgeudbredelse fra det dybe hav til hyldeområder, hvor ikke-lineære processer spiller en vigtig rolle. Efter anvendelse af konventionelle signalbehandlingsteknikker indeholder havoverfladestrømskortene de hurtigt skiftende tsunami-inducerede strømfunktioner, som kan sammenlignes med HAMSOM-dataene. De specifikke radiale tsunamistrømsignaturer kan tydeligt observeres i disse kort, hvis der anvendes passende rumlig og tidsmæssig opløsning. Gurgel et al. (2011) beskrev en tsunami-detekteringsalgoritme, der kan bruges til at udstede en automatisk tsunami-advarselsmeddelelse. Havoverfladestrømkortet baseret på disse spektre har et mønster, der ændrer sig meget hurtigt i hyldeområdet, før tsunamibølgen når stranden. Specifikke radiale tsunami nuværende signaturer er tydeligt observeret i disse kort. Hvis hyldekanten er tilstrækkeligt langt væk fra kysten, kan det første udseende af sådanne signaturer overvåges af et Hf-radarsystem tidligt nok til at udsende en advarselsmeddelelse om en tsunami, der nærmer sig. Havoverfladens nuværende respons bliver derfor en signatur, der kan søges i dataanalyseprocessen. Heron et al. (2008) har leveret modelberegninger af havoverfladestrømsvektorer, da den første bølge af tsunamien i Det Indiske Ocean den 26.December 2004 stødte på en del af kanten af kontinentalsoklen på Seychellerne.

Lipa et al. (2006) demonstrerede, at Hf Doppler-radarsystemer, der er i drift i dag, er i stand til at detektere tsunamistrømme og give vital information i god tid før påvirkning, når den tilstødende kontinentalsokkel er bred. Heron et al. (2008) fandt ud af, at Hf Dopplerradar er godt konditioneret til at observere overfladestrømmen ved kanten af kontinentalsoklen og give en advarsel på 40 minutter til 2 timer, når hylden er 50 til 200 km bred. Ved brug af hf-radarteknologi er der imidlertid en afvejning mellem præcisionen af overfladestrømhastighedsmålinger og tidsopløsning. En fordel i S / N-forhold kan opnås ved forudgående kendskab til det rumlige mønster af sprøjtene ved kanten af kontinentalsoklen. Det blev vist af Heron et al. (2008) at det fasede array HF Dopplerradar indsat i Great Barrier Reef i Australien (hvor hyldedybden er omkring 50 m) og fungerer rutinemæssigt til kortlægning af havoverfladestrømme kan løse overfladestrømsprøjter fra tsunamier i bølgeperiodeområdet 5-30 minutter og i bølgelængdeområdet større end omkring 6 km. Dette netværk viser sig at være godt konditioneret til brug som en skærm af små såvel som større tsunamier og har potentialet til at bidrage til forståelsen af tsunami-genesis.

Når Dopplerradar opererer i sin rutinemæssige havoverfladestrømkortlægningstilstand, registrerer hver station en tidsgennemsnitlig (et par minutter) tidsserie med et passende prøveudtagningsinterval (f.eks. 10 minutter). I denne tilstand kunne radaren kun registrere tsunamier med bølgeperioder, der var større end det dobbelte af prøvetagningsintervallet. Med andre ord, hvis prøveudtagningsintervallet er 10 minutter, ville radaren kun registrere tsunamier med en bølgeperiode større end 20 minutter. Men hvis Hf Doppler-radaren skal bruges til påvisning af tsunami-induceret forstørret havoverfladestrømstråler (genereret ved dybdeafbrydelser) til advarselsformål, skal radaren skiftes til en “alarmtilstand” for drift, formodentlig efter en seismisk alarm. Lipa et al. (2006) foreslog, at i tilfælde af en tsunamitrussel, tsunami-urprogram (der producerer aktuelle hastigheder og lokal bølgeinformation ved de mange HF-radarer, der er i drift omkring verdens kystlinjer) kunne køre parallelt (i baggrunden) og aktivere en tsunamiadvarsel. Disse oplysninger ville være tilgængelige for de lokale myndigheder og ville være uvurderlige, hvis international kommunikation mislykkes eller er for generel i deres forudsigelser. Globale modeller kan være utilstrækkelige for lokaliserede områder, hvor den tilgængelige badymetri muligvis ikke har tilstrækkelig opløsning. Derudover, når et jordskælvsepicenter er tæt på kysten, der kan være utilstrækkelig tid til, at den internationale kommunikationskæde aktiveres. I sådanne tilfælde vil lokale systemer give den eneste advarsel. Et sådant system kan også afhjælpe de falske alarmproblemer, der plager eksisterende tsunami-ursystemer. Computer forudsigelsesmodeller og ordninger for tidlig advarsel gælder kun for tsunamier genereret af jordskælv; HF-radarnetværk ville også være i stand til at opdage tsunamier genereret af undervands klippeskred og tidevandsboringer.

ifølge Heron et al. (2008), ville den mest effektive nytte af en “alarmtilstand” for drift være at hjælpe advarselsnetværket ved at udfylde kløften mellem dybhavssensorer og kystnære havniveaumålere og især ved at undgå falske alarmer på grund af dets høje følsomhed sammenlignet med andre sensorer. Det kan dog forventes, at en tsunami vil være vanskeligere at opdage, om den er lille, eller hvis baggrundsstrømhastighederne på grund af tidevand, vind eller tæthedsgradienter i det overvågede område er store og hurtigt varierende. Til opgaven med tsunami-detektion kan baggrundsstrømhastighederne betragtes som en slags “baggrundsstøj”, der skal fjernes for at opnå de tsunami-inducerede strømme tydeligere.

den bedste måde at håndtere denne vanskelighed på er at bruge en oceanografisk model til at simulere denne “baggrundsstøj.”For at holde modelresultatet tæt på de faktisk målte havstrømme kan det” styres ” ved at anvende en dataassimileringsteknik (Gurgel et al., 2011). I en feltapplikation kræves der en gennemførlighedsundersøgelse for hvert sted baseret på radartransmissionsfrekvens og under hensyntagen til de typiske aktuelle regimer for placeringen ud over badymetrien. Det skal understreges, at hvis oceanografiske radarer anvendes til tsunamidetektion, skal de betjenes i en høj tidsmæssig (2 min) og rumlig (1,5–2.0 km) opløsningstilstand for at have den bedste følsomhed og være i stand til at løse de hurtigt skiftende tsunami-signaturer. Gurgel et al. (2011) har fundet ud af, at en tsunami-induceret havoverfladestrømstrålesignatur forsvinder fuldstændigt ved integrationstider større end 25 min. De beskrev et forslag til en ny algoritme til automatisk detektion af tsunamier ved hjælp af en konstant falsk alarmhastighed (CFAR) tilgang.