Состояние и перспективы исследований гидрофизических процессов и экосистем внутренних водоемов (обзор)

Рассматривается изученность и перспективы исследований гидрофизических процессов и экосистем крупных озер и Белого моря. Представлены рекомендации по постановке целенаправленных исследований, необходимых для создания, калибрации и верификации численных моделей для прогноза изменений экосистем. Показаны преимущества организации специализированных исследований на полигонах в озерах и Белом море по сравнению с постановкой подобных экспериментов в океане. Представлены как традиционные подходы к моделированию физико-химико-биологических процессов, так и инновационные разработки для описания водных экосистем в условиях недостатка знаний, например для зимнего подледного режима, с применением т. н. метода конечных автоматов. Предлагаются оценки изменений экосистем для решения задач рационального использования и сохранения ресурсов водоемов. Приведены сведения об использовании когнитивного подхода для описания социо-эколого-экономических процессов системы водоем-водосбор. Обосновывается необходимость создание специализированных полигонов для создания новых прорывных технологий в области гидрологии, океанологии, метеорологии и климатологии, совершенствования системы мониторинга. Показана необходимость объединения средств и возможностей разных организаций для постановки комплексных экспериментов и создания моделей для решения задач рационального использования внутренних водоемов.

1. Меншуткин В. В., Филатов Н. Н. Некоторые итоги и перспективы изучения озер // Труды КарНЦ РАН. 2006. Вып. 9. Петрозаводск. C. 154—162.

2. Водная стратегия Российской Федерации на период до 2020 г. Распоряжение Правительства РФ от 27.08.2009. № 1235-р.

3. Саркисян А. С. Численный анализ и прогноз морских течений. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 134 с.

4. Марчук Г. И., Кондратьев К. Я., Козодеров В. В., Лаппо С. С., Саркисян А. С., Хворостьянов В. И. Энергоактивные зоны: концептуальные основы. Серия: Атмосфера, океан, космос. Программа «Разрезы». М.: ВИНИТИ, 1989. Т. II, Ч. II. 368 c.

5. Демин Ю. Л., Филатов Н. Н. Проект море-озеро как имитационная модель океана / Проект научной программы по исследованию роли энергоактивных зон океана (ЭАЗО) в колебаниях климата («Разрезы») / Под ред. Г. И. Марчука. М.: Гидрометеоиздат, 1989. C. 91—94.

6. Кондратьев К. Я., Адаменко В. Н., Власов В. П., Дружинин Г. В., Крейман К. Д., Поздняков Д. В., Румянцев В. Б., Тихомиров А. И., Филатов Н. Н. Большое озеро как имитационная модель океана. Л.: Наука, 1986. 63 c.

7. Madec G. NEMO ocean engine. Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL), France, N 27, ISSN No. 1288—1619. version 3.4. 2012. 120.

8. Mellor G. L. User`s guide for a three-dimensional, primitive equation, numerical ocean model. Princeton, Princeton University, USA, 1996. 39 p.

9. Beletsky D., Schwab D. J. Modeling circulation and thermal structure in Lake Michigan: Annual cycle and interannual variability // J. Geophys. Research. 2001, 106, 19, P. 745—771.

10. Dupont Frederic, Padala Chittibabu, Vincent Fortin, Yerubandi R. Rao, Yoyo Lu. Assessment of a NEMO-based hydrodynamic modeling system for the Great Lakes // Water quality research Journal of Canada. 2012, 43, 3—4, P. 98—214.

11. Рябченко В. А., Либерман Ю. М., Руховец Л. А., Астраханцев Г. П. и др. Прогноз погоды и состояние водных объектов Северо-Западного региона России на базе комплекса гидродинамических моделей. СПб.: Нестор-История, 2008. 60 с.

12. Ванкевич Р. Е., Софьина Е. В., Рябченко В. А. Воспроизведение весенне-летней эволюции термохалинной структуры в Финском заливе Балтийского моря на основе трехмерной гидродинамической модели высокого разрешения // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2015. Т. 8, № 2. C. 3—10.

13. Филатов Н. Н. Гидродинамика озер. СПб.: Наука, 1991. 191 с.

14. Саркисян А. С., Залесный В. Б., Дианский Н. А., Ибраев Р. А., Кузин В. И., Мошонкин С. Н., Семенов Е. В., Тамсалу Р., Яковлев Н. Г. // Современные проблемы вычислительной математики и математического моделирования. Т. 2. Математическое моделирование. Математические модели циркуляции океанов и морей. М.: Наука, 2005. C. 174—277.

15. Астраханцев Г. П., Меншуткин В. В., Петрова Н. А., Руховец Л. А. Моделирование экосистем больших стратифицированных озер. СПб.: Наука, 2003. 363 с.

16. Ладога / Под. ред. В. А. Румянцева, С. А. Кондратьева. СПб.: Нестор-История, 2013. 468 с.

17. Меншуткин В. В., Руховец Л. А., Филатов Н. Н. Моделирование экосистем пресноводных озер (обзор) 2 // Модели экосистем пресноводных озер. Водные ресурсы. 2014. Т. 41, номер 1. C. 24—38.

18. Shimaraev M. N., Verbolov V. I., Granin N. G., Sherstyankin P. P. Physical limnology of Lake Baikal: a review. Irkutsk-Okayama, 1994. Т. 2. 81 p.

19. Гранин Н. Г., Козлов В. В., Цветова E. A., Гнатовский Р. Ю. Полевые исследования и некоторые результаты численного моделирования кольцевой структуры оз. Байкал // ДАН. 2015. Т. 461, № 3. С. 343—347.

20. Nonlinear Internal Waves in Lakes / Ed. by Hutter K. Springer, 2012. 280 p.

21. Филатов Н. Н., Тержевик А. Ю. Совместный Российско-Швейцарcкий проект по исследованию зимнего режима Ладожского и Онежского озер // Труды Карельского научного центра Российской академии наук. 2015. № 5. Серия Лимнология. C. 86—89.

22. Толстиков А. В., Чернов И. А., Мартынова Д. М. Решение проблемы необходимых данных для численного моделирования процессов в Белом море в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации // Арктика: экология и экономика. 2018. № 2 (30). C. 45—55.

23. Семенов Е. В. Основы динамики и мониторинга Белого моря / Диссертация на соискание ученой степени доктора физикоматематических наук. М., 2004. 190 с.

24. Родионов А. А., Зимин А. В., Никитин Д. А. Комплексные исследования гидродинамических и гидроакустических явлений в мезо- и субмезомасштабном интервале изменчивости гидрофизических полей в арктических морях (на примере Белого моря) // Фундаментальная и Прикладная Гидрофизика. 2015. Т. 8, № 4. C. 16—23.

25. Филатов Н. Н., Толстиков А. В., Богданова М. С. Создание информационной системы и электронного атласа по использованию ресурсов Белого моря и его водосбора // Арктика: экология и экономика. 2014. № 3 (15). C. 18—29.

26. Талипова Т. Г., Пелиновский Е. Н., Куркина О. Е., Диденкулова И. И., Родин А. А., Панкратов A. C., Наумов А. А., Гиниятуллин A. Р., Николкина И. Ф. Распространение волны конечной амплитуды в стратифицированной жидкости переменной глубины // Сборник научных статей «Современная наука». Нижний Новгород. 2012. № 2 (10). C. 144—150.

27. Бычков И. В., Никитин В. М. Регулирование уровня озера Байкал // География и природные ресурсы. 2015. № 3. C. 5—16.

28. Волженский М. Н., Родионов А. А., Семенов Е. В., Филатов Н. Н., Зимин А. В., Булатов М. Б. Опыт верификация оперативной модели мониторинга Белого моря в 2004—2008 гг. // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2009. Т. 5. C. 33—42.

29. Филатов Н. Н., Меншуткин В. В. Проблемы оценки изменений экосистем крупных стратифицированных водоемов под влиянием климата и антропогенных факторов // Ученые записки РГГМУ. 2017. № 48(9). C. 120—146.

30. Белое море и его водосбор под влиянием климатических и антропогенных факторов. Петрозаводск: Изд. КарНЦ РАН, 2007. 187 с.

31. Чернов И. А., Толстиков А. В., Яковлев Н. Г. Комплексная модель Белого моря: гидротермодинамика вод и морского льда // Труды КарНЦ РАН. Серия «Математическое моделирование и информационные технологии». 2016. № 8. C. 116—128.

32. Яковлев Н. Г. О воспроизведении полей температуры солености Северного Ледовитого океана. Ч. 1: Численная модель и среднее состояние / Изв.РАН. Сер. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 1. C. 100—116.

33. Модели и методы в проблеме взаимодействия атмосферы и гидросферы / Под ред. В. П. Дымникова, В. Н. Лыкосова, Е. П. Гордова Томск: Издательский Дом ТГУ, 2014. 524 c.

34. Filatov N., Terzevik A., Zdorovennov R., Vlasenko V., Stashchuk N., Hutter K. Field Studies of Non-Linear Internal Waves in Lakes on the Globe // Strongly nonlinear Internal waves in lakes: Generation, Transformation. Ch. 2. Springer, 2012. P. 25—106.

35. Руховец Л. А., Филатов Н. Н. Озера и климат: модели и методы // Модели и методы в проблеме взаимодействия атмосферы и гидросферы / Под ред. В. П. Дымникова, В. Н. Лыкосова, Е. П. Гордова. Томск: Издательский Дом ТГУ, 2014. C. 256—326.

36. Цветова Е. А. Математическое моделирование Байкальского термобара // Математические проблемы экологии: Тр. второй Всерос.конф. Новосибирск, 1994. C. 44—49.

37. Бондур В. Г., Филатов Н. Н., Гребенюк Ю. В., Долотов Ю. С., Здоровеннов Р. Э., Петров М. П., Цидилина М. Н. Исследования гидрофизических процессов при мониторинге антропогенных воздействий на прибрежные акватории (на примере бухты Мамала, о. Оаху, Гавайи) // Океанология. 2007. Т. 47, № 6. C. 827—846.

38. Ибраев Р. А. Математическое моделирование термогидродинамических процессов в Каспийском море. М.: ГЕОС, 2008.130 c.

39. Зверев И. С., Ушаков К. В., Шипунова Е. А., Голосов С. Д., Ибраев Р. А. Моделирование гидротермодинамики Ладожского озера // Всероссийская конференция по крупным внутренним водоёмам (V Ладожский симпозиум). Сборник научных трудов конференции. СПб.: Лема, 2016. C. 41—49.

40. Меншуткин В. В., Филатов Н. Н. Модель подледной экологической системы озера, основанная на применении клеточных автоматов // Труды Карельского научного центра РАН. 2016. № 5. С. 76—87. doi: 10.17076/lim329.

41. Savchuk O. P., Gustafson B. G., Muller-Karulis B. BALTSEM: A marine model for decision support within the Baltic Sea Region // BNI Technical Report 7. 2012. 59 p.

42. Hodges B. R., Imberger J., Saggio A., Winter K. B. Modelling basin-scale internal waves in a stratified lake // Limnology& Oceanography. 2000. V. 45, № 7. P. 1603—1620.

43. Тоффоли Е., Марголус Н. Машины клеточных автоматов. М.: Мир, современная наука. 1991. 283 с.

44. Афанасьев И. В. Клеточно-автоматная модель динамики популяций трех видов организмов озера Байкал // Сиб. журн. вычисл. Математики. Сиб. отд-ние РАН. Новосибирск, 2014. Т. 17, № 3. С. 217—227.

45. Wolfram S. A new kind of science. USA. WоlframsMedia. 2002. 1197 p.

46. Меншуткин В. В., Филатов Н. Н. Модели Ладожского озера с использованием трехмерных клеточных автоматов // Труды Карельского научного центра РАН. 2017. № 3. C. 1—10.

47. Баксанский О. Е., Гнатик Е. Н., Кучер Е. Н. Современные когнитивные концепции. М. 2010. 224 с.

48. Меншуткин В. В., Филатов Н. Н., Дружинин П. В. Состояние и прогнозирование социо-эколого-экономической системы водосбора Белого моря с использованием когнитивного моделирования // Арктика. Экология. Экономика. 2018. № 2 (30). C. 79—85.

49. Моделирование социо-эколого-экономической системы региона / Под ред. В. И. Гурман, Е. В. Рюмина. М.: Наука, 2003. 175 с.

50. Заде Л. А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию решений. М.: Мир. 1976. 165 с

51. Rukhovets L., Filatov N. (ed.) Ladoga and Onego — Great European Lakes. Observation and Modelling. Chichester. UK. SpringerPraxis, 2010. 302 p.