ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2008, № 4, с. 67-78
УДК 550.34+556
ВЫЯВЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ДАННЫЕ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА В УСЛОВИЯХ ПЕТРОПАВЛОВСК-КАМЧАТСКОГО ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО ПОЛИГОНА
© 2008 г. А. В. Дещеревский1, В. М. Мухин2, А. Я. Сидорин1, В. А. Гаврилов3,
Н. Н. Смолина4, Ю. Ю. Яковлева3
1Институт физики Земли РАН, Москва, 123995 2Гидрометеорологический научно-исследовательский центр РФ, Москва, 123242 3Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 683006 4 ОАО "Камчатгеология", Петропавловск-Камчатский, 683016 Поступила в редакцию 21.06.2007 г.
Для района Петропавловск-Камчатского геодинамического полигона построена локальная модель преобразования атмосферных осадков в снежном покрове и активном слое почвы. Входные параметры модели - данные стандартных гидрометеорологических наблюдений, выходные - характеристики изменения динамики увлажнения активного слоя почвы и отдачи влаги из него. На примере анализа данных гид-рогеодинамического мониторинга, проводимого на полигоне в целях прогноза землетрясений, показана возможность использования выходных параметров модели для выявления вариаций уровня воды в скважине, связанных с режимом обводнения верхних горизонтов земной коры. Их учет делает интерпретацию данных более корректной.
ВВЕДЕНИЕ
Анализ результатов многолетних геофизических наблюдений в различных регионах мира, проводившихся в рамках исследований по поиску предвестников землетрясений, показывает, что во многих случаях аномальные изменения различных геофизических величин не имеют какой-либо связи с моментами возникновения сильных землетрясений. Обнаружение на этом фоне специфических "пред-вестниковых" вариаций, связанных с готовящимся землетрясением, представляет собой непростую задачу. Часто наиболее сильные изменения измеряемых геофизических величин происходят под воздействием различных гидрометеорологических факторов, в первую очередь, атмосферных осадков. Именно атмосферные осадки, вызывая изменения влажности грунтов и состояния подземной гидросферы, существенно влияют, например, на электропроводность горных пород и изменения уровня воды в скважинах.
Однако в большинстве случаев действующим фактором являются не сами выпавшие осадки, а вода, поступившая в зону аэрации и в грунтовые воды. Как правило, в течение холодного периода происходит накопление осадков в твердом виде (снежный покров), а поступление воды в зону аэрации практически отсутствует. Летом при сильном иссушении грунта и небольшом количестве осадков (что характерно, например, для среднеазиатских условий) влага лишь смачивает верхний слой почвы и затем
испаряется. Поступление воды в более глубокие горизонты при этом практически отсутствует, но оно резко возрастает в период таяния снега, а также при продолжительных интенсивных осадках.
Для учета таких особенностей воздействия атмосферных осадков на геосреду в [12] вместо исходных данных метеорологических наблюдений предложено использовать интегральный параметр, учитывающий баланс влаги в верхней части земной коры. Более совершенная многопараметрическая модель процесса поступления воды в почву для высокогорной обсерватории Хазор-Чашма Гармского полигона [5] построена в [8, 10]. В модели учитывается выпадение осадков в твердой и жидкой форме и их накопление в снежном покрове, таяние и замерзание снежного покрова, испарение влаги с его поверхности, накопление атмосферных осадков и талой воды из снега в активном слое почвы (т.е. в слое, подверженном внешним воздействиям [21, 25]), отдача влаги посредством испарения, инфильтрации и поверхностного стока. Было показано, что временной ряд поступления влаги в почву резко отличается от исходного ряда атмосферных осадков, а использование даже сравнительно простой модели поступления влаги в почву позволяет объяснить особенности сезонных вариаций кажущегося электрического сопротивления [9, 29].
По данным наблюдений на двух метеостанциях проводится расчет водного баланса в активном слое почвы и построение временных рядов поступления
67
5*
53°15'
53°09'
53°03'
52°57'
52°51'
52°45'
158°03' 158°15' 158°27' 158°39' 158°51'
Рис. 1. Схема расположения метеостанций, гидропоста и скважины 1303.
влаги в почву для района Петропавловск-Камчатского геодинамического полигона. Полученные результаты применяются для выявления влияния гидрометеорологических факторов на результаты измерений уровня воды в скважине, проводимых с целью поиска возможных предвестников землетрясений. Расчеты осуществлялись по алгоритму, подробно описанному в [10].
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ
Для построения модели поступления влаги в почву использовались данные наблюдений Камчатского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (КУГМС) на метеостанциях Петропавловск-Камчатский (далее - Петропавловск) и Елизово (рис. 1, таблица). Метеостанция Петропавловск расположена в районе г. Петропавловск-Камчатский на северном берегу Авачинской бухты. Она открыта с юга, запада и в меньшей степени с севера (горы находятся в 5-10 км) и находится в орографической тени по отношению к ветрам во-
сточной четверти. Метеостанция Елизово расположена в районе г. Елизово в широкой долине и открыта по всем направлениям.
Координаты и высоты метеостанции (таблица) сняты с топографической карты масштаба 1 : 100000. Приведенные в таблице характеристики температуры воздуха оценивались по имеющимся данным наблюдений. Для оценок минимальной и максимальной годовой температуры воздуха, а также максимальной высоты снежного покрова, анализировались среднесезонные функции соответствующих величин, сглаженные окном 15 сут.
Для построения модели использовались следующие данные.
Количество атмосферных осадков за сутки, мм/сут. Использовались данные КУГМС.
Среднесуточная температура воздуха, °С. Для
метеостанции Петропавловск использовались данные КУГМС, для метеостанции Елизово среднесуточная температура воздуха рассчитывалась как среднее из данных восьми срочных наблюдений.
Основные характеристики метеостанций
Параметры
Метеостанции
Петропавловск
Елизово
Широта, с.ш. Долгота, в.д. Абсолютная высота, м Срок наблюдений
Средняя годовая температура воздуха, °С *Максимальная годовая температура воздуха, °С * Минимальная годовая температура воздуха, °С Сумма годовых осадков, мм/г *Максимальная высота снежного покрова, см
52°59' 158°39' 24
август 2000 г.- июнь 2005 г. +2.6 + 13.9 -8.3 1160 165
53°11' 158°23' 37
январь 2000 г. - июнь 2006 г. +1.5 + 14.8 -11.0 580 44
Примечание. см. пояснения в тексте.
Минимальная суточная температура воздуха, °С.
Для метеостанции Петропавловск использовались данные КУГМС. Для метеостанции Елизово минимальная суточная температура воздуха рассчитывалась по данным восьми срочных наблюдений.
Высота снежного покрова, см. Для метеостанции Петропавловск использовался ряд высот снежного покрова по данным ежедневных наблюдений на площадке метеостанции. На метеостанции Елизово высота снежного покрова измерялась методом маршрутной снегомерной съемки, выполнявшейся ежедекадно. Для использования этих данных в модельных расчетах была проведена их интерполяция к ежесуточной скважности. Для этого использовался специальный алгоритм, учитывающий даты выпадения осадков, температуру воздуха и другие параметры [11].
Относительная влажность воздуха, %. Для
расчетов использовались среднесуточные данные КУГМС.
Для сопоставления с рассчитанными временными рядами поступления влаги в почву привлекались данные мониторинга уровня воды в скважине 1303. Скважина 1303 (53°08' с. ш., 158°21' в. д.) глубиной 800 м расположена в 10 км от метеостанции Елизово в долине р. Авача (рис. 1). Скважина контролирует напорные воды верхнемиоцен-плиоценовых вулканогенных образований юго-западной части Авачин-ского артезианского бассейна в диапазоне глубин 517-800 м. Глубина появления воды - 60 м, установившийся уровень воды - 25.3 м. Питание водоносного комплекса, с которым связана скважина, осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и перетока из вышележащих водоносных горизонтов. Непрерывные измерения уровня воды осуществляет ОАО "Камчатгеология" аппаратурой "Кедр-А2", выпускаемой ООО "Полином" (г. Хабаровск). Интервал измерений - 10 мин, разрешающая способность датчика уровня воды - 0.2 мм.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ АЛГОРИТМА РАСЧЕТА БАЛАНСА ВЛАГИ
Исходными данными для расчета баланса влаги в районах метеостанций служат пять рядов данных: 1) высота снежного покрова, см; 2) среднесуточная температура воздуха, °С; 3) минимальная суточная температура воздуха, °С; 4) количество осадков, мм/сут; 5) безразмерный параметр Ка, характеризующий потери влаги на испарение с почвы. Для каждого пункта метеорологических наблюдений необходимо также оценить три константы: коэффициент таяния снега к (мм/°С/сут), коэффициент замерзания г (мм/°С/сут) и максимальную влаго-удерживаюшую способность активного слоя почвы Итах (мм) [14].
Общую схему процессов приповерхностного влагообмена можно найти, например, в [2]. Зимой при наличии снежного покрова поступление воды в активный слой почвы регулируется процессами, протекающими в снежном покрове [4, 22, 23, 28]. В модели учитываются поступление влаги в снежный покров в виде жидких или твердых осадков, испарение с поверхности снежного покрова, таяние с отдачей воды в почвенный слой, а также процессы замерзания/таяния внутри снежного покрова. Осадки, выпавшие при среднесуточной температуре воздуха выше 2°С, рассматриваются как дождь, в других случаях - как снег. Считается, что при отрицательной среднесуточной температуре воздуха, а также в дни с осадками, испарение с поверхности снега отсутствует, а при положительной температуре оно равно 0.5 мм/сут.
Для расчета баланса суммируются количество жидкой (незамерзшей) влаги, сохранившейся в снежном покрове с предыдущих суток; количество воды, поступившей в виде жидких осадков, а также воды, образовавшейся в результате таяния. Если оказывается, что суммарное количество жидкой влаги меньше максимальной влагоудерживающей
способности снега, то считается, что отд
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.