Синхронизация длинноволновых колебаний уровня моря в смежных бухтах на примере холмских бухт (остров Сахалин)

Д. П. Ковалев1, П. Д. Ковалев1, Ю. В. Манилюк2, ✉

1 Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск, Россия

2 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: uvmsev@yandex.ru

Аннотация

Цель. Установить на основе модели осциллятора Ван дер Поля возможность синхронизации длинноволновых колебаний в смежных бухтах г. Холмск; с использованием данных натурных наблюдений определить возможность проникновения в прибрежную акваторию, примыкающую к г. Холмск, длинных волн из районов о. Монерон и акваторий вблизи городов Горнозаводск, Невельск, Чехов – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Для получения натурных данных по колебаниям уровня моря использовались автономные регистраторы волнения АРВ-14К, установленные в бухтах Холмска, и регистраторы АРВ-10, расположенные в акваториях вблизи городов Горнозаводск, Невельск и Чехов. Дискретность измерений всех приборов составляет 1 с. Исследование временных рядов выполнялось с помощью спектрального анализа колебаний уровня моря с использованием программы Kyma. Расчет дисперсионного соотношения для краевых волн Стокса в приближении плоского наклонного дна показал возможность генерации краевых волн с периодом 8–9 мин в акваториях вблизи населенных пунктов юго-западного побережья о. Сахалин. Анализ причин неограниченного роста разности фаз колебаний уровня моря на фазовой диаграмме для бухт Холмск-Северный и Торговый порт выполнен с использованием численного решения уравнения Ван дер Поля.

Выводы. Установлено, что хорошо выраженный волновой процесс с периодом колебаний 8,27 мин наблюдается только в акватории у г. Горнозаводск и эти волны не приходят к внешней акватории Холмска. Колебания уровня моря с периодом около 8 мин, регистрируемые на записях мареографа в Торговом порту, являются результатом взаимодействия колебаний в бухтах Торгового порта и Холмск-Северный. Численное решение задачи о принудительной синхронизации динамической системы под слабым периодическим воздействием с использованием уравнения Ван дер Поля показало возможность неограниченного роста разности фаз между фазой внешней силы (приходящих из соседней бухты Холмск-Северный волн с периодом 8,65 мин) и фазой собственных колебаний бухты Торгового порта с периодом 4,7 мин, наблюдаемых по натурным данным. При небольшом значении параметра нелинейности колебания осциллятора Ван дер Поля близки к гармоническим, а разность фаз колебаний в этом случае изменяется скачкообразно и непрерывно растет.

Ключевые слова

колебания уровня моря, краевые волны, синхронизация колебаний, осциллятор Ван дер Поля

Благодарности

В рамках темы государственного задания ФГБУН ИМГиГ ДВО РАН № FWWM-2024-0002 осуществлены численные расчеты и сбор данных натурных наблюдений, их обработка и последующий анализ; в рамках темы государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ FNNN-2024-0016 выполнены анализ и интерпретация результатов обработки данных натурных наблюдений и численных расчетов.

Информация об авторах

Ковалев Дмитрий Петрович, главный научный сотрудник, руководитель лаборатории волновой динамики и прибрежных течений, Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН (693022, Россия, г. Южно-Сахалинск, ул. Науки, д. 1б), доктор физико-математических наук, ОCRID ID: 0000-0002-5184-2350, ResearcherID: A-9300-2016, Scopus Author ID: 26032627700, SPIN-код: 8343-8577, d.kovalev@imgg.ru

Ковалев Петр Дмитриевич, ведущий научный сотрудник, лаборатория волновой динамики и прибрежных течений, Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН (693022, Россия, г. Южно-Сахалинск, ул. Науки, д. 1б), доктор технических наук, ОCRID ID: 0000-0002-7509-4107, ResearcherID: V-8662-2018, Scopus Author ID: 16429135400, SPIN-код: 7465-3828, p.kovalev@imgg.ru

Манилюк Юрий Владимирович, научный сотрудник, отдел теории волн, ФГБУН ФИЦ МГИ (299011, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2), кандидат физико-математических наук, ОCRID ID: 0000-0002-5752-7562, ResearcherID: P-6662-2017, Scopus Author ID: 6602563261, SPIN-код: 4548-0051, uvmsev@yandex.ru

Для цитирования

Ковалев Д. П., Ковалев П. Д., Манилюк Ю. В. Синхронизация длинноволновых колебаний уровня моря в смежных бухтах на примере холмских бухт (остров Сахалин) // Морской гидрофизический журнал. 2026. Т. 42, № 3. С. 365–381. EDN FXENYO.

Kovalev, D.P., Kovalev, P.D. and Manilyuk, Yu.V., 2026. Synchronization of Long-Wave Fluctuations of Sea Level in Adjacent Bays: The Example of the Kholmsk Bays (Sakhalin Island). Physical Oceanography, 33(3), pp. 404-419.

Список литературы

  1. Rabinovich A. B. Seiches and Harbor Oscillations // Handbook of Coastal and Ocean Engineering / Ed. Y. C. Kim. Singapoure : World Scientific Publ., 2009. P. 193–236. EDN WWGXHT. https://doi.org/10.1142/9789812819307_0009
  2. Rabinovich A. B., Kovalev P. D., Kovalev D. P. The Noto Peninsula tsunami of 1 January 2024 as observed in the northern Sea of Japan // Ocean Engineering. 2025. Vol. 327. 120892. EDN ZGYFVR. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2025.120892
  3. Манилюк Ю.В., Черкесов Л.В. Исследование сейшевых колебаний в бухте со свободным входом // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 4. С. 16–25. EDN ZMNTTL. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2017-4-16-25
  4. Манилюк Ю. В., Лазоренко Д. И., Фомин В. В. Исследование сейшевых колебаний в смежных бухтах на примере Севастопольской и Карантинной бухт // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 3. С. 261–276. EDN QEFCWJ. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-3-261-276
  5. Собственные колебания уровня воды в бухтах залива Посьета Японского моря / Г. И. Долгих [и др.] // Метеорология и гидрология. 2016. № 8. С. 57–63. EDN WIMTMB.
  6. Медведев И. П., Архипкин В. С. Колебания уровня моря в Голубой бухте (Геленджик) // Вестник Московского университета. Серия 5: География. 2015. № 3. С. 70–78. EDN UJXNYZ.
  7. Cuomo G., Guza R. T. Infragravity Seiches in a Small Harbor // Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2017. Vol. 143. iss. 5. 04017032. https://doi.org/10.1061/(asce)ww.1943-5460.0000392
  8. Harbor resonance induced by pressure-forced surface waves / C. Vidal [et al.] // Coastal Engineering 2000. Proceedings of 27th International Conference on Coastal Engineering. Vol. 27 / Ed. B. L. Edge. 2000. P. 3615–3628. https://doi.org/10.1061/40549(276)282
  9. De Jong M. P. C., Battjes J. A. Seiche characteristics of Rotterdam Harbour // Coastal Engineering. 2004. Vol. 51, iss. 5–6. P. 373–386. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2004.04.002
  10. Lepelletier T. G., Raichlen F. Harbor oscillations induced by nonlinear transient long waves // Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering. 1987. Vol. 113, iss. 4. P. 381–400. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(1987)113:4(381)
  11. The potential hazard from tsunami and Seiche waves generated by large earthquakes within Lake Tahoe, California-Nevada / G. A. Ichinose [et al.] // Geophysical Research Letters. 2000. Vol. 27, iss. 8. P. 1203–1206. https://doi.org/10.1029/1999GL011119
  12. Causation of Large-Amplitude Coastal Seiches on the Caribbean Coast of Puerto Rico / G. Graham [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 1990. Vol. 20, iss. 9. P. 1449–1458. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1990)020%3C1449:COLACS%3E2.0.CO;2
  13. Bowers E. C. Low Frequency Waves in Intermediate Water Depths // Coastal Engineering 1992. Proceedings of 23rd International Conference on Coastal Engineering. Vol. 23 / Ed. B. L. Edge. ASCE, 1992. P. 832–845.
  14. Field Measurements of Harbour Resonance at Marina di Carrara / I. Melito [et al.] // Coastal Engineering. 2006. Proceedings of 30th International Conference on Coastal Engineering. Vol. 30 / Ed. J. M. Smith. World Scientific, 2006. P. 1280–1292. https://doi.org/10.1142/9789812709554_0109
  15. Ковалев П. Д., Ковалев Д. П. Длинноволновые процессы на юго-восточном шельфе острова Сахалин // Экологические системы и приборы. 2018. № 8. С. 36–41. EDN OYOGRY.
  16. On the trapping of energy from storm surges on the coasts of the Sea of Okhotsk / V. A. Squire [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2021. Vol. 250. 107136. EDN EUGFOZ. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2020.107136
  17. Clarke D. J. High frequency edge waves on an exponential shelf // Deutsche Hydrografische Zeitschrift. 1974. Vol. 26, iss. 6. P. 265–271. https://doi.org/10.1007/BF02226668
  18. Numerical modelling of long waves amplification at Marina di Carrara Harbour / M. Guerrini [et al.] // Applied Ocean Research. 2014. Vol. 48. P. 322–330. https://doi.org/10.1016/j.apor.2014.10.002
  19. Ковалев П. Д., Шевченко Г. В., Ковалев Д. П. Экспериментальные исследования цунами в порту г. Холмск // Известия АИН им. А. М. Прохорова. Прикладная математика и механика. Н. Новгород : НГТУ, 2007. Т. 20. С. 68–79.
  20. Ковалев Д. П., Манилюк Ю. В., Ковалев П. Д. Колебания уровня моря в смежных бухтах Торгового порта и Холмск-Северный (остров Сахалин) // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 3. С. 450–468. EDN XVLLYV.
  21. Исследование гидродинамического режима на акватории Холмского морского порта / А. С. Втюрина [и др.] // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2004. № 1. С. 40–51. EDN GRFHIL.
  22. Плеханов Ф. А., Ковалев Д. П. Программа комплексной обработки и анализа временных рядов данных уровня моря на основе авторских алгоритмов // Геоинформатика. 2016. № 1. С. 44–53. EDN VQZVLF.
  23. Ковалев Д. П. Куmа [Электронный ресурс]. Электрон. прогр. Южно-Сахалинск : ИМГиГ ДВО РАН, 2018. № гос. регистрации RU2018618773.
  24. Ursell F. Edge Waves on a Sloping Beach // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. 1952. Vol. 214, iss. 1116. P. 79–97. https://doi/org/10.1098/rspa.1952.0152
  25. Holman R. A., Bowen A. J. Longshore structure of infragravity wave motions // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1984. Vol. 89, iss. C4. P. 6446–6452. https://doi.org/10.1029/JC089iC04p06446
  26. Ковалев П. Д., Ковалев Д. П., Шишкин А. А. Особенности режима волнения в бухтах и на побережье острова Шикотан Малой Курильской гряды // Геосистемы переходных зон. 2020. Т. 4, № 2. С. 250–258. EDN VGNDOX. https://doi.org/10.30730/gtrz.2020.4.2.250-258
  27. Невельское землетрясение и цунами 2 августа 2007 года, о. Сахалин / Под ред. Б. В. Левина, И. Н. Тихонова. Москва : Янус-К, 2009. 204 с.
  28. Yaffee R. A., McGee M. Introduction to Time Series Analysis and Forecasting: With Applications of SAS and SPSS. New York : Academic Press, Inc., 2000. 513 p.
  29. Marple S. L. Digital Spectral Analysis: With Applications. Upper Saddle River, New Jersey : Prentice-Hall, 1987. 492 p.
  30. Ott E. Chaos in Dynamical Systems. Second edition. Cambridge : Cambridge University Press, 2002. 490 p. https://doi.org/10.2277/0521811961
  31. Stochastic Model of Chaotic Phase Synchronization. II / T. Horita [et al.] // Progress of Theoretical Physics. 2008. Vol. 119, iss. 2. P. 223–235. EDN MMTVZZ. https://doi.org/10.1143/PTP.119.223
  32. Fujiwara N., Kurths J. Spectral universality of phase synchronization in non-identical oscillator networks // The European Physical Journal B. 2009. Vol. 69, iss. 1. P. 45–49. EDN MFFYDP. https://doi.org/10.1140/epjb/e2009-00078-6
  33. Transition to chaotic phase synchronization through random phase jumps / D. Pazó [et al.] // International Journal Bifurcation and Chaos. 2000. Vol. 10, iss. 11. P. 2533–2539. EDN SSJIHJ. https://doi.org/10.1142/S0218127400001699
  34. Vadivasova T. E., Strelkova G. I., Anishchenko V. S. Phase-frequency synchronization in a chain of periodic oscillators in the presence of noise and harmonic forcings // Physical Review E. 2001. Vol. 63, iss. 3. 036225. EDN LGLHYF. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.63.036225
  35. The Duffing Equation: Nonlinear Oscillators and their Behaviour / Eds. I. Kovacic, M. J. Brennan. Hoboken : John Wiley & Sons, 2011. 369 p. https://doi.org/10.1002/9780470977859
  36. Ruby L. Applications of the Mathieu equation // American Journal of Physics. 1996. Vol. 64, iss. 1. P. 39–44. https://doi.org/10.1119/1.18290
  37. Zaks M. A., Park E.-H., Kurths J. On Phase Synchronization by Periodic Force in Chaotic Oscillators with Saddle Equilibria // International Journal Bifurcation and Chaos. 2000. Vol. 10, iss.11. P. 2649–2667. EDN SSPAIZ. https://doi.org/10.1142/S0218127400001626

Файлы

Полный текст

JATS XML

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.