Вычисление скорости
Цунами начинается с землетрясения, оползня или другого запускающего явления, в результате которого смещаются огромные объемы воды. Потенциальная энергия этого вертикального смещения преобразуется в горизонтальную кинетическую энергию волн. Так как распространение цунами происходит в направлении от запускающего явления, его скорость определяется глубиной воды - чем глубже, тем быстрее. Когда цунами достигает мелководья вдоль береговой линии, его скорость падает, а волны увеличиваются.
Примечание:
Более подробно о формировании и изменении цунами см. Life of a Tsunami.
Вы нанесете на карту три возможных пути цунами, которые могли бы обрушится на город Вирджиния-Бич. Вы будете использовать цифровую модель рельефа (ЦМР) океанского дна для вычисления скорости каждого цунами.
Исследование потенциальных явлений, вызывающих цунами
В этом уроке вы изучите три явления, которые могут вызвать цунами в Северной Атлантике: землетрясение в Желобе Пуэрто-Рико, оползень в районе Пальма, на Канарских островах, и подземный оползень, зафиксированный в 100 километрах от Восточного побережья США.
Данные, необходимые для этого анализа, представлены в пакете проекта ArcGIS Pro (.ppkx). Вы загрузите этот проект и используете для оценки местоположений, описанных выше.
- Загрузите пакет проекта Tsunami.
Файл с именем Tsunami.ppkx загружен на ваш компьютер.
Примечание:
Файл .ppkx является пакетом проекта ArcGIS Pro и может содержать карты, данные и другие файлы, которые вы можете открыть в ArcGIS Pro. Подробнее об управлении файлами .ppkx в этом руководстве.
- Найдите загруженный файл на вашем компьютере. Щелкните дважды Tsunami.ppkx, чтобы открыть в ArcGIS Pro.
- При появлении запроса войдите в свою учетную запись ArcGIS.
Примечание:
Если у вас нет доступа к ArcGIS Pro или учетной записи организации ArcGIS, см. варианты доступа к программному обеспечению.
Появится карта, показывающая батиметрию Атлантического океана. В карте используется равновеликая коническая проекция Альберса. Очень важно использовать равновеликую проекцию при выполнении анализа с вычислениями расстояний или площадей.
На карте обозначены 4 местоположения. Вы рассмотрите каждое из них.
- На карте приблизьтесь к желтой и голубой точкам на Восточном побережье США.
Голубая точка представляет город Вирджиния-Бич, с населением около 500000 человек, выбранный как место воздействия цунами.
Желтая точка обозначает подводный обрыв, который известен как Currituck Slide или Currituck Slump. Расположенное на ребре континентального шельфа, это известное местоположение массового подводного обрушения (Submarine Mass Failure (SMF)) или подводного оползня. Предполагается, что массовое подводное обрушение (SMF) произошло между 24 и 50 тысячами лет назад, в результате чего масштабное смещение 165 кубических километров воды вызвало гигантское, высотой более 5 метров, цунами в районе современного Норфолка, Вирджиния. В этом районе такие явления вполне могут происходить.
Примечание:
Подробнее о Currituck Slide, и вызванном им цунами, можно прочесть в статье Potential for large-scale submarine slope failure and tsunami generation along the U.S. mid-Atlantic coast.
- На карте, приблизьтесь и переместитесь к розовой точке в районе Карибского моря.
Желоб Пуэрто-Рико - самая глубокая область Атлантического океана. Он расположен в зоне движения разломов между Карибской и Североамериканской плитами, создавая риски землетрясений и массовых подводных обрушений. Цунами, вызванное колебаниями в желобе, больше всего воздействовало бы на Пуэрто-Рико, но если бы было достаточно большим, могло также распространиться на север до Вирджиния-Бич.
Примечание:
Более подробно о желобе Пуэрто-Рико и его влиянии на возникновение цунами см. The Puerto Rico Trench: Implications for Plate Tectonics and Earthquake and Tsunami Hazards.
- Приблизьтесь и переместитесь восточнее к красной точке в районе Канарских островов, на некотором расстоянии от северо-западного берега Африки.
Пальма - вулканический остров, с достаточной вулканической активностью в недавнем прошлом. Вполне возможно, что извержения вулканов приводят к масштабным подводным оползням, которые, в свою очередь, вызывают цунами. Если цунами достаточно мощное, то теоретически может достичь Вирджиния-Бич, хотя вероятность какого-либо серьезного ущерба в Северной Америке минимальна.
Примечание:
Более подробно о Пальме и рисках цунами в этом регионе см. Volcano Watch — The Canary Islands “mega-tsunami” hypothesis, and why it doesn’t carry water.
- На карте щелкните любую область в океане.
Появится всплывающее окно. Значение в строке Stretch.Значение пиксела - глубина океана в этом местоположении, в метрах.
Более глубокие области океана показаны темно-серыми оттенками, а менее глубокие - светлыми. Вы будете использовать значения океанских глубин для вычисления, насколько быстро цунами может перемещаться.
Примечание:
Слой AtlanticDEM представляет собой поднабор слоя TopoBathy в ArcGIS Living Atlas. Он был создан с помощью панели Экспорт растра.
- Закройте всплывающее окно.
- На панели Содержание щелкните правой кнопкой Locations и выберите Приблизить к слою.
Уплотнение линий
Цунами, потенциально вызываемое одной из трех, описанных выше причин, распространяется радиально от эпицентра, и может достичь побережья различных стран. Но для этого анализа вы будете вычислять время перемещения до конкретного местоположения, Вирджиния-Бич, США.
Для вычисления времени перемещения вам понадобиться нарисовать геодезические линии между каждым эпицентром цунами и Вирджиния-Бич. Геодезическая линия - кратчайшее расстояние между двумя точками с учетом кривизны земной поверхности.
- В панели Содержание щелкните отметку рядом со слоем Tsunami Paths, чтобы включить его.
Слой Tsunami Paths соединяет каждый эпицентр цунами с городом Вирджиния-Бич. Эти линии выглядят прямыми, но прямая линия на карте не обязательно прямая линия на поверхности земли. Вы будете использовать инструмент Геодезическое уплотнение для создания линий, чтобы построить именно геодезические линии.
- Щелкните вкладку Анализ на ленте. В группе Геообработка щелкните Инструменты.
Откроется панель Геообработка.
- В строке поиска введите геодезическое уплотнение. В результатах поиска щелкните Геодезическое уплотнение.
Откроется панель с параметрами инструмента. Этот инструмент создаст линии со множеством вершин, расположенных на расстоянии друг от друга, в соответствии с заданным интервалом. Эти вершины помогают формировать реальную форму линии независимо от проекции карты.
- В строке Входные объекты выберите Tsunami Paths.
- Для Выходного класса объектов, замените GeodeticDensify на Densify и нажмите Tab.
Примечание:
Новый класс объектов будет сохранен в базе геоданных проекта по умолчанию, Tsunami.gdb. Вы можете щелкнуть в строке Выходной класс объектов, чтобы увидеть полный путь.
- Убедитесь, что Геодезический тип установлен на Геодезический, а для Расстояния указано 50 километров.
- Щелкните Запустить.
Новый слой с именем TsunamiPaths_Geodesic добавлен на карту.
Линия, соединяющая Пальму с Вриджиния-Бич значительно более искривлена, чем исходная линия в слое Tsunami Paths.
- Приблизьтесь, чтобы сравнить две линии на маршрутах от желоба Пуэрто-Рико и Currituck Slide.
Эти линии в новом слое также отличаются от исходных. Хотя по карте это и не очевидно, искривленные линии соответствуют более коротким расстояниям.
- В панели Содержание щелкните правой кнопкой Tsunami Paths и выберите Удалить.
- В панели Содержание поставьте отметку рядом со слоем TopyBathy Hillshade, чтобы включить его.
Изменения рельефа океанского дна, выделенные с помощью отмывки. Так особенности батиметрии воспринимаются проще, по аналогии с горами и хребтами. Слой отмывки использует режим смешивания, при котором освещенные и затененные участки слоя ЦМР все равно видны.
- Визуально проследите путь от Пальмы до Вирджиния-Бич, и обратите внимание на изменения рельефа дна вдоль маршрута.
Вопрос 1: Какие элементы рельефа океанского дна могут лежать на пути цунами от Пальмы к Вирджиния-Бич? Какое влияние они могут оказать на скорость?
Примечание:
Ответы приведены в конце урока.
Вычисление растра скорости на основании значений глубин
Скорость цунами можно рассчитать как квадратный корень из произведения значения ускорения свободного падения (g) и глубины океана (d), или √(g*d). Стандартное ускорение свободного падения (g) составляет 9.80665 метров/кв. секунду. Значения глубин (d) находятся в слое AtlanticDEM. В местоположении с глубиной 4000 метров скорость цунами будет составлять √(9.80665м/с² * 4000м), или 198.057 метров в секунду.
Вы будете использовать инструмент Калькулятор растра для создания нового растрового слоя, в котором значение в каждой ячейке представляет скорость цунами. в этой области
- На панели Геообработка щелкните кнопку Назад.
- Найдите и откройте инструмент Калькулятор растра.
Подсказка:
Если вы увидите две опции Калькулятора растров, можете выбрать любую.
- В окне Выражение введите, или скопируйте и вставьте следующее выражение: Int(SquareRoot(9.80665*"AtlanticDEM")).
Подсказка:
Или вы можете создать выражение, дважды щелкая элементы в списках Инструменты и Растры.
Линия вычислит квадратный корень g x d, где g равно 9.80665, а d - это значение глубины из слоя AtlanticDEM. Это выражение написано после функции Int, для того, чтобы выходной растр был целочисленный. Позднее вы будете конвертировать фрагмент растра в полигоны, и эта операция требует, чтобы входной растр был целочисленный.
В панели Содержание вы можете видеть, что значения глубин в слое AtlanticDEM варьируются в диапазоне от -8,385 до 5,560. Интересующие вас значения отрицательные, так как представляют глубины в метрах ниже уровня моря. Но вычислить квадратный корень из отрицательного числа невозможно. Вы измените выражение, чтобы преобразовать значения AtlanticDEM таким образом, что высоты на поверхности станут отрицательными, а глубины океана наоборот положительными.
- В окне выражения замените "AtlanticDEM" на ("AtlanticDEM"*-1).
Теперь выражение выгляди так Int(SquareRoot(9.80665* ("AtlanticDEM"*-1))). Будет вычислена скорость цунами для областей, покрытых океаном, и возвращены нулевые значения для участков суши.
- Для Выходного растра введите Speed и нажмите Tab.
- Щелкните Запустить.
Когда инструмент завершит работу, новый слой появится на карте. В нем наиболее глубокие участки океана (где скорость цунами максимальна) показаны белым цветом, а более мелкие (где скорость замедляется) - черным цветом.
- На карте щелкните любую область в океане.
Появится всплывающее окно. Число в строке Stretch.Значение пиксела представляет скорость прохождения цунами в этой точке, в метрах в секунду.
Вы применили одинаковое вычисление по всей территории, для упрощения. Когда цунами достигает мелководья вдоль береговой линии, его скорость падает, а волны становятся выше и круче, это явление известно как донный эффект. Расчет движения цунами с учетом донного эффекта требует более сложных вычислений, вы использовали упрощенный. Кроме того, после удара о сушу, цунами возвращается в океан, что соответствует более сложному поведению и вызывает больше разных волн. На побережье присутствуют и другие осложняющие факторы, в частности воронки, фрагменты породы, рябь и приливы. Поведение цунами у побережья лучше всего описывается через гидродинамическое моделирование. Но для этого анализа вам требуется вычислить консервативное, или самое раннее время прихода цунами, так что применение уравнения для глубокой воды ко всему пути прохожа цунами, в общем, допустимо.
- Закройте всплывающее окно.
Извлечение значений скорости вдоль путей прохода цунами
У вас есть линии, представляющие пути цунами и растровый слой, представляющий значения скорости прохода цунами. Для нахождения времени передвижения для каждого цунами вам необходимо знать значения скорости вдоль каждого сегмента линии. Вы будете использовать инструмент Извлечь по маске для извлечения только тех ячеек растра, которые пересекают линии прохода цунами.
- В панели Геообработка найдите и откройте инструмент Извлечь по маске.
Примечание:
Если у вас нет доступа к инструменту Извлечь по маске, можно перейти к следующему разделу. В инструменте Растр в полигон используйте весь растровый слой Speed в качестве входного, вместо меньшего слоя PathSpeeds. Инструмент будет выполняться дольше.
- Для Входного растра выберите Speed.
- В строке Входные векторные или растровые данные маски выберите TsunamiPaths_Geodesic.
- Для Выходного растра введите PathSpeeds и нажмите Tab.
- Проверьте, что для Области извлечения выбрано Внутри.
- Щелкните Запустить.
На карте появится новый растровый слой, хотя сразу его можно и не увидеть.
- Приблизьтесь на карте к объектам Вирджиния-Бич и Currituck Slide.
Новый растр содержит только те ячейки, которые пересекают линейный слой. Ячейки отображаются в виде трех ступенчатых линий, каждая шириной в одну ячейку. Вы измените цветовую схему, чтобы они четче выделялись на фоне остальной карты.
- На панели Содержание щелкните правой кнопкой мыши PathSpeeds, и щелкните Символы.
Появится панель Символы.
- На панели Символы щелкните меню Цветовая схема и выберите Показать названия.
- Прокрутите вниз список Цветовая схема и выберите Голубой - фиолетовый.
Символы слоя на карте изменятся. Голубым цветом показаны ячейки, где скорость цунами низкая, а фиолетовым - где скорость цунами высокая. В легенде видно, что диапазон значений скорость колеблется от 6 до 285 метров в секунду. То есть это от 21.6 до 1026 километров в час, или от 13.4 до 638.5 миль в час.
- Закройте панель Символы.
- На панели Содержание отключите слои TsunamiPaths_Geodesic и Speed.
Вопрос 2: Какой из путей цунами показывает наибольший диапазон значений скоростей? Почему?
- На панели быстрого доступа щелкните кнопку Сохранить, чтобы сохранить проект.
Вы вычислили скорость трех возможных путей цунами, которые теоретически могут достичь города Вирджиния-Бич. Разрешение растровых данных в этом проекте - 5000 метров, то есть значения скорость меняются каждые 5 км вдоль пути. Далее вы будете использовать эти значения скоростей для вычисления времени перемещения.
Вычисление времени перемещения
Время перемещения равно расстоянию, разделенному на скорость. Вы знаете оба этих значения, но для выполнения вычисления вам необходимо преобразовать значения скорости из растрового слоя в линейный слой. Для этого вы используете инструменты Растр в полигон и Пересечение. В результате вы должны получить новый линейный слой, в котором каждый сегмент содержит значение скорости и длины. Далее вы будете использовать эти значения для вычисления нового поля со значениями времени перемещения. И, наконец, вы суммируете значения нового поля для поиска общего времени прохода для каждого пути цунами.
Конвертация растрового слоя в полигон
Первый шаг, необходимый для переноса значений скорости - конвертировать растр PathSpeeds в полигональный слой
- На панели Геообработка найдите и откройте инструмент Растр в полигон.
- Для Входного растра выберите PathSpeeds.
Входной слой должен быть целочисленным растровым слоем.
- Для Поля выберите Value.
В поле Value содержатся значения скоростей в метрах в секунду, для каждой ячейки, размером в 5 км.
- Для Выходных полигональных объектов введите SpeedPolygons и нажмите Tab.
- Отключите Упростить полигоны.
Если эта опция отмечена, ребра полигонов сглаживаются. Для этого анализа лучше оставить полигоны квадратной формы, более соответствующие ячейкам растра.
- Оставьте все другие параметры пустыми.
- Щелкните Запустить.
Полигоны появятся на карте. Они представляют каждую ячейку (или группу ячеек с одинаковыми значениями) растра скорости.
- На карте щелкните один из полигонов.
Появится всплывающее окно. Поле gridcode содержит значения скорости, в метрах в секунду.
- Закройте всплывающее окно.
Пересечение линий и полигонов
Далее вы выполните пересечение линейного слоя TsunamiPaths_Geodesic с полигональным слоем SpeedPolygons. Таким образом вы получите новый линейный слой с атрибутами как скорости, так и расстояния.
- На панели Геообработка найдите и откройте инструмент Попарное пересечение.
- Для Входных объектов выберите слои TsunamiPaths_Geodesic и SpeedPolygons.
- Для Выходного класса объектов введите TsunamiPaths_Speed и нажмите Tab.
- Убедитесь, что для Атрибуты для присоединения выбрано Все атрибуты.
- Для Выходного типа выберите Линия.
Линии будут разбиты на сегменты везде, где они пересекаются с ребрами полигонов. Каждый новый линейный сегмент будет содержать атрибут со значением скорости из пересекающегося с ним полигона.
- Щелкните Запустить.
На карте появляется новый линейный слой.
- На панели Содержание, щелкните правой кнопкой TsunamiPaths_Speed и щелкните Таблица атрибутов.
Ниже карты откроется атрибутивная таблица. Поле gridcode из входного полигонального слоя содержит значения скорости. Поле Shape_Length создается автоматически и содержит измерение длины каждого линейного сегмента в метрах.
Подсказка:
Для проверки единиц измерения, используемых в поле Shape_Length, щелкните правой кнопкой TsunamiPaths_Speed в панели Содержание и выберите Свойства. В окне Свойства слоя щёлкните вкладку Источник. Разверните раздел Пространственная привязка посмотрите информацию для свойства Линейные единицы измерения.
Поля Shape_Length и gridcode вам понадобятся для вычисления времени перемещения.
Вычисление времени перемещения для каждого линейного сегмента
Вы добавите новое поле к слою TsunamiPaths_Speed и вычислите время перемещения для каждого сегмента каждой линии.
- На панели инструментов таблицы щелкните Добавить поле.
Откроется вид Поля, и начнется процесс добавления нового поля.
- В последней строке таблицы для Имени поля TravelTimeHours. В столбце Псевдоним введите Время перемещения в часах. Для Тип данных выберите Двойная точность.
- Щелкните правой кнопкой мыши в любом месте таблицы и нажмите Сохранить.
- Закройте вид Поля и вернитесь в таблицу атрибутов.
- Прокрутите до конца таблицы, чтобы найти новое поле Время перемещения в часах.
Поле пока содержит только пустые значения. Вы вычислите значения для этого поля как длину каждого сегмента, деленную на значение скорости.
- Щелкните правой кнопкой заголовок поля Время перемещения в часах и выберите Вычислить поле.
- В окне Вычислить поле для TravelTimeHours = введите или скопируйте и вставьте !Shape_Length! / !gridcode!.
Подсказка:
Или, постройте выражение, дважды щелкая элементы в окне Поля и операторы ниже в разделе Помощники.
Это выражение вернет время перемещения в секундах. Чтобы не вычислять время перемещения в часах, вы далее разделите это число на 3600.
- В окне TravelTimeHours = в конце выражения добавьте /3600.
- Нажмите OK.
Поле Время перемещения в часах заполнено новыми значениями, то есть временем в часах, которое требуется цунами для прохода по каждому сегменту линии. Значения невелики, так как большинство сегментов длиной только 5 км.
Вычисление времени прохода для каждого пути
Для завершения анализа вы сложите все значения времени для всех сегментов вместе, и вычислите общее время прохода до Вирджиния-Бич для каждого потенциального цунами.
- В таблице атрибутов щелкните правой кнопкой столбец Время перемещения в часах и выберите Суммирование.
Появиться окно Суммарная статистика.
- Убедитесь, что в качестве Входной таблицы указана TsunamiPaths_Speed.
- Для Выходной таблицы введите TsunamiPaths_TravelTime и нажмите Tab.
- Для Поля выберите Время перемещения в часах. В опции Тип статистики выберите Сумма.
Инструмент Суммарная статистика сложит все значения в поле Время перемещения в часах. Вам требуется три суммы, для каждого из трех цунами. Вы разделите эти суммы с помощью Поля комбинаций, чтобы для каждого маршрута возвращалось свое значение.
- Для Поля комбинаций выберите Route.
- Нажмите OK.
Создана новая таблица с суммированными значениями.
- Переместитесь в нижнюю часть панели Содержание. В разделе Автономные таблицы щелкните правой кнопкой таблицу TsunamiPaths_TravelTime и выберите Открыть.
В таблице три строки. В поле SUM_TravelTimeHours есть записи общего времени в пути, в часах, для каждого возможного цунами. Для цунами, который начинается в Currituck Slide, потребуется 2 часа 23 минуты, чтобы достичь Вирджиния-Бич. Цунами, которое начинается в Пальме, достигнет города за 9 часов 24 минуты. От желоба Пуэрто-Рико цунами дойдет до побережья за 6 часов 15 минут.
Вопрос 3: Как результаты анализа времени прохода цунами, полученные в этом уроке, можно использовать для оценки уровня опасности в городе, находящемся в зоне риска цунами?
- Закройте обе таблицы. Сохраните проект.
В этом уроке вы вычислили время передвижения для трех потенциальных цунами, от трех разных эпицентров до заданного местоположения на побережье. Вы построили геодезические линии, для нанесения на карту кратчайших путей каждого цунами. Используя ЦМР океанского дна вы создали растр, со значениями скоростей прохода цунами. Вы извлекли ячейки растра скорости, находящиеся вдоль каждого пути цунами и конвертировали их в полигональные объекты. Вы выполнили пересечение линий, представляющих пути цунами с полигонами слоя скоростей. Вы вычислили новое поле со значениями времени перемещения. И, наконец, вы суммировали значения времени перемещения для поиска общего времени прохода для каждого цунами.
Примечание:
Для просмотра карты времени прохода для исторических цунами см. Natural Hazards Viewer. В панели Слои убедитесь, что выбран слой Selected Significant Tsunami Events. Для просмотра карт времени прохода цунами для выбранных городов на см. Tsunami Travel Times to Coastal Locations Viewer.
Вычисление времени прохода цунами - это только один аспект моделирования цунами. Разработаны расширенные гидродинамические модели, имитирующие проход цунами, вызванных различными возможными запускающими событиями. Такие модели используются для оценки высоты подъема и экстента цунами внутри страны, а также для разработки карт зон затопления, вызванных цунами для управления чрезвычайными ситуациями и информирования общественности. Системы предупреждения U.S. Tsunami Warning System осуществляет мониторинг океанов для обнаружения и предоставления точной информации по цунами до того, как они достигнут береговой линии. Риск цунами на побережье Вирджиния-Бич очень небольшой, тем не менее, моделирование цунами необходимо. Вы можете повторить этот рабочий процесс для другого местоположения, например в Тихом океане.
Вы можете найти больше учебных пособий в галерее учебных пособий.
Ответы
- Какие элементы рельефа океанского дна могут лежать на пути цунами от Пальмы к Вирджиния-Бич? Какое влияние они могут оказать на скорость?
Сначала цунами проходит через Канарский бассейн. Там достаточно большие глубины, поэтому цунами проходит быстро. Далее встречаются подводные пики и плато в океанографической зоне разлома, где скорость прохода цунами замедляется. Так же замедлится снова при проходе через Серидинно-Атлантический хребет. Затем цунами, с высокой скоростью проходит по длинному пути через глубокие воды Североамериканского бассейна, включая подводное плоскогорье Sohm Plain. При этом незначительное замедление будет при прохождении через Новоанглийские подводные горы. Цунами резко замедлится на последних 125 километрах своего пути, после пересечения континентального шельфа.
- Какой из путей цунами показывает наибольший диапазон значений скоростей? Почему?
Путь от желоба Пуэрто-Рико до Вирджиния-Бич содержит самый большой перепад в значениях скоростей. Цунами начинает двигаться очень быстро, так как сначала проходит через желоб Пуэрто-Рико, самую глубокую часть Атлантического океана, а завершается очень медленно, так как проходит через очень мелкий континентальный шельф.
- Как результаты анализа времени прохода цунами, полученные в этом уроке, можно использовать для оценки уровня опасности в городе, находящемся в зоне риска цунами?
Городское управление может использовать этот анализ, чтобы оценить время, которое потребуется городским властям, чтобы предупредить жителей о приближающемся цунами. Городское управление может планировать различные эвакуационные мероприятия на случай цунами, исходя из доступного времени.
