Несчастья невских берегов. Из истории петербургских наводнений - Ким Померанец

Принципиально же методы не противоречат друг другу. Тот и другой учитывают волновую природу наводнений, их метеорологическое происхождение и влияние атмосферных факторов. Их противопоставление, продолжавшееся около тридцати лет, было вызвано вовсе не научными или техническими причинами. Теперь есть все возможности взаимодействия двух методов и, соответственно, улучшения качества прогнозов наводнений в Петербурге.

Применение гидродинамической модели к прогнозу далеко не единственное ее приложение. С ее помощью проводились все расчеты для проекта защитных сооружений. Быстро и дешево были получены результаты влияния дамбы на подъемы воды различной высоты, на скорости течений, на распределение потоков. Воспроизводились еще не наблюдавшиеся ранее наводнения редкой повторяемости. Модель дополнялась другими уравнениями, что позволило оценить экологическое влияние защитных сооружений. И сейчас, когда строительство, хотя и медленно, продолжается, возникают новые вопросы, за ответом на которые обращаются прежде всего к гидродинамической модели наводнений.

Метеорологические прогнозы

Повторим: без циклонов и грозовых фронтов, без резких колебаний атмосферного давления, без штормовых ветров и существенных изменений погоды наводнений не бывает.

Точно так же невозможен прогноз наводнения без метеорологического прогноза.

Синоптики следят за образованием и развитием циклона, за повышениями воды на дальних подступах к устью Невы, за продвижением гребня «длинной волны» по Трансбалтике. Когда обозначается угроза наводнения, они используют свой метод, составляют прогноз и предупреждают об опасности. По мере развития нагона воды и при поступлении новых данных синоптики прибегают к уточнениям прогноза.

Гидродинамический прогноз также требует учета метеорологических данных. Но он не может использовать их в общем виде, в словесной формулировке, например: «В Финском заливе ожидается ветер скоростью до 20 м/сек». Модель воспринимает только числовую информацию, причем формализованную в соответствии с программой вычислений. Ее можно извлечь из метеорологического прогноза, составленного численным гидродинамическим методом. В таком прогнозе математические уравнения применяются к условиям атмосферы и приближенно решаются на пространственно-временной сетке. Объединив гидродинамические модели атмосферы и моря, можно получить численный прогноз наводнений. Но это скорее технология прогноза. Главные же трудности состоят в сложности метеорологических процессов вообще и связанных с наводнениями в частности. В атмосфере действует несколько сил: тяжести, градиента (перепада) давления, трения, отклоняющая сила вращения Земли (Кориолисова сила). В космосе, например, всего одна – сила тяжести. Атмосферные силы сложно взаимодействуют между собой, образуя множество обратных связей. Метеорологические явления во многом неопределенны, их начальные стадии не поддаются точным измерениям, они не описываются строгой теорией. Поэтому до сих пор не существует метода предсказания места и времени образования циклона. Обнаружив атмосферный вихрь, за ним уже можно следить, но точное его развитие и истинную траекторию указать удается редко. Метеорологический прогноз по природе своей не может сравниться с астрономическими расчетами, с абсолютно точными и заблаговременными на очень долгие сроки предсказаниями, например солнечных и лунных затмений.

У метеорологии своя точность, выражаемая различными диапазонами места и времени наступления явления. «В Петербурге сегодня во второй половине дня ожидается похолодание… На востоке Ленинградской области в течение ближайших суток сохранится слабо морозная погода…» Точный прогноз погоды вообще невозможен, речь может идти только о степени вероятности его оправдания. Оправдываемость прогнозов на сутки достигает 90—95 процентов, на трое суток она снижается до 80—85 процентов, а семь удачных прогнозов на месяц из десяти считается удовлетворительным результатом. Было время, в середине 1930-х гг., когда с помощью социалистического соревнования боролись за абсолютно точный прогноз погоды, не уступающий астрономическим предвычислениям. Да и вплоть до 1960-х гг. раздавались обвинения в идеализме в адрес сторонников математических методов в метеорологии…

Итак, точность прогнозов наводнений прежде всего зависит от знаний метеорологических явлений и от точности метеопрогнозов [100]. Это подтверждается историей изучения петербургских наводнений. Они обратили на себя внимание сразу же после основания города. За ними стали наблюдать, их начали измерять (1715 г., футшток у стен Петропавловской крепости), сопоставлять с характером погоды. В петровское время уже знали, что «вода в Неве возвышается обыкновенно с зюйд-вестовым ветром». В 1721 г. Петр I издал указ о записях погоды, которые велись несколько лет; с 1725 г. стали применяться приборы. Материалы наблюдений и измерений, к сожалению, не сохранились. 21 сентября 1736 г. во время наводнения высотой 261 см академик В. Крафт впервые измерил скорость ветра, отметив: «…ветер дул с запада с такой жестокостью, что пробегал в одну секунду 123 фута». По-современному, это около 38 м/сек, ураган. В середине XVIII в. М.В. Ломоносов организовал в Петербурге и окрестностях станции наблюдения за погодой и опасными явлениями.

Катастрофическое наводнение 1777 г. способствовало интересу к явлению. Екатерина II издала указы о «предуведомлениях» и «эстафетных сообщениях» о погоде.

В 1780 г. опубликована на французском языке первая научная работа В. Крафта о наводнениях в Петербурге. Академия наук и Адмиралтейство пытались собрать и обобщить данные о подъемах воды за 1715—1777 гг. Вскоре после наводнения Л. Эйлер опубликовал гидродинамическое исследование о равновесии жидкости под действием ветра, а П. Фондезин – «Примечание о действии остзейских вод» с соображениями о возможности предсказывать наводнения по скорости и направлению ветра.[101]

После катастрофы 1824 г. исследования стали более целенаправленными и планомерными. В 1833 г. А.Я. Купфер, будущий первый директор Главной физической обсерватории (ГФО), предложил «Проект учреждения систематических метеорологических и магнитных наблюдений в России» для предсказания погоды и, в частности, подъемов воды в Неве. Он доказывал: «Бури, производящие наводнения в нашей столице приходят к нам с запада и бывают чувствуемы в Ревеле (Таллинне) на несколько часов ранее, нежели в Петербурге. Возможно, что по наблюдениям в Ревеле можно будет узнать высоту, до которой поднимется вода в Петербурге» [102]. После основания в 1849 г. ГФО увеличилось число станций и местных обсерваторий, началась передача сообщений о погоде по телеграфу, были составлены первые прогнозы погоды и штормовые предупреждения. Как уже говорилось, в 1878 г. ГФО основала водный пост «Горный институт» с автоматическим регистратором уровня воды. С тех пор сведения о наводнениях считаются вполне надежными. В 1891 г. по ряду измерений за 1878—1990 гг. установлена зависимость высоты наводнений от силы ветра и атмосферного давления. Количественные зависимости, однако, еще не были получены. Первый прогноз наводнения, удовлетворительный по точности и заблаговременности, был составлен 16 ноября 1897 г., когда вода поднялась до 242 см[103]. В дальнейшем методика прогнозов совершенствовалась.

23 сентября 1924 г. в Ленинграде произошло третье катастрофическое наводнение, второе по высоте – 380 см. Прогноз Главной геофизической обсерватории (ГГО) был неудачным, заниженным по пику более чем вдвое – 183 см. В значительной мере это было связано с «крайне бедственными условиями обсерватории в отношении персонала, научной работы и оплаты труда, в отсутствии ночных дежурств и связи с местными станциями, а также с прибалтийскими странами». В конце 1920-х и в 1930-х гг. исследования и прогнозы наводнений продолжались в ГГО и организованном Северо-Западном управлении гидрометеослужбы. Были составлены правила последовательных действий синоптика при угрозе наводнений.

Эмпирический метод прогноза наводнений в устье Невы по формуле, воплощающей идею Купфера, впервые успешно использовался в случае 14 октября 1954 г. (222 см) и был признан пригодным для оперативного применения после удачного прогноза 15 октября 1955 г. (293 см) – четвертого по высоте в истории города[104]. Однако очевидные недостатки метода – малая заблаговременность, недостаточная точность, субъективность – требовали новых исследований. В конце 1950-х гг. сложился коллектив математиков, метеорологов, океанологов Ленинграда и Москвы, взявшийся за разработку гидродинамического метода прогноза невских наводнений на основе теории «длинных волн». Головным учреждением было определено Ленинградское отделение Государственного океанографического института Гидрометеослужбы. В 1963 г. появилась первая публикация, где на примере наводнения 1955 г. демонстрировалась практическая применимость нового метода[105]. 18 октября 1967 г. метод впервые использовался в оперативных условиях при угрозе наводнения. Гидродинамический прогноз оказался неудачным из-за плохого взаимодействия с городским гидрометцентром, предоставлявшим исходные данные, неполной автоматизации их подготовки, сбоев в работе вычислительной техники. Оперативные испытания метода, ответственным за которые с 1968 г. был автор этих строк, продолжались еще десять лет. По требованиям синоптиков в угрожающих ситуациях было выполнено двадцать шесть прогнозов, результаты которых не противоречили фактическим измерениям и эмпирическим прогнозам. Но официального решения о практической пригодности метода не состоялось. Работы, однако, продолжались для проектирования дамбы. В настоящее время метод, существенно усовершенствованный, используется при угрозе наводнения.[106]