Статья посвящена разработке основ нелокально-гидродинамического подхода к описанию гидрофизических процессов и полей в океане, основанного на строгих результатах неравновесной статистической механики и теории управления адаптивными системами. В экспериментальных исследованиях и теоретических проработках второй половины двадцатого столетия установлено, что океан, находящийся под воздействием солнечной энергии, небесных тел, вращения Земли, и взаимодействующий с атмосферой, сложными рельефом дна и береговой границей, является открытой неравновесной системой. Многомасштабные процессы, происходящие в океане под действием указанных факторов, являются сильнонеравновесными, и в совокупности приводят к самоорганизации океана.

Для описания динамики океана в настоящее время применяются методы классической механики сплошной среды и их модификации. Это позволяет решить ряд практически важных задач. Вместе с тем разработанные дифференциальные модели справедливы для систем в состоянии, близком к локальному термодинамическому равновесию. Поэтому классические гидродинамические модели непригодны для описания процессов формирования многомасштабных турбулентных вихре-волновых структур, и попытки их применения к описанию сильнонеравновесных процессов приводят к неадекватным природе решениям.

В результате разработки нелокально-гидродинамического подхода удалось сформулировать замкнутую постановку задачи о самоорганизации динамической структуры в открытой неравновесной системе, которая состоит из интегро-дифференциальных уравнений переноса с модельными интегральными ядрами. Параметры модели, определяющие размеры и времена жизни динамической структуры среды, удовлетворяют нелинейным дифференциальным уравнениям эволюции системы согласно алгоритму скоростного градиента. В системе формируется внутреннее управление через обратные связи между структурной динамикой и гидродинамическим поведением среды. Постановка дополняется начальными параметрами структуры среды и начальной скоростью ее деформации.

На основе разработанного нелокально-гидродинамического подхода к описанию сильнонеравновесных систем сформулированы принципы применения нелокальных моделей для описания комплекса процессов и явлений в океане.

В статье приводится решение задачи о тепловом режиме образующейся океанической литосферы при осадконакоплении на ее поверхности, позволяющее оценить причины существенного контраста глубин моря в котловинах Нансена и Амундсена, окаймляющих хребет Гаккеля в Северном Ледовитом океане. Поскольку действие накапливающегося осадочного покрова на океаническую литосферу складывается как из его гравитационной нагрузки, так и его теплоизолирующего эффекта, в работе выполнено исследование их роли на формирование рельефа окружающих хребет котловин. Показано, что неучет в изостатических схемах роли теплового воздействия осадконакопления на глубину моря в котловинах может привести к ошибкам порядка нескольких сотен метров. Оценочные глубины моря в котловинах Нансена и Амундсена, вычисленные для литосферы различного возраста с учетом как гравитационного, так и теплового влияния осадконакопления, вполне удовлетворительно сопоставимы с реально существующими. Расчетные перепады глубин моря в опорных точках в центральных областях обеих котловинах весьма близки к реальным. Выполненное моделирование образования океанической литосферы в центральной области Евразийского бассейна Северного Ледовитого океана с учетом как гравитационного, так и теплового влияния процесса осадконакопления показывает, что наблюдаемое в этой области различие глубин в котловинах Нансена и Амундсена действительно определяется мощностями их осадочных покровов и является вполне закономерным.

В статье рассматривается актуальная проблема в области моделирования ветровых волн, связанная с необходимостью точного описания притока энергии от ветра и диссипации волновой энергии. Отмечается, что корректный учет этих процессов является важным шагом для повышения точности волновых прогнозов и оценки рисков, возникающих при экстремальных волновых явлениях. В статье представлены примеры параметризации притока и диссипации энергии, включенные в фазо-разрешающую модель трехмерных волн TriDWave, основанную на нелинейных уравнениях Эйлера. Приток энергии рассчитывается на основе модифицированной теории Майлза, а диссипация — с помощью оператора, активируемого в зонах, близких к обрушению, и осуществляющего быстрое сглаживание поверхности. На основе длительных численных экспериментов показано, что включение этих параметризаций позволяет реалистично моделировать развитие волнового поля: воспроизводить рост полной энергии, смещение спектрального пика в сторону меньших волновых чисел, а также формирование волн с характерной вертикальной и горизонтальной асимметрией. Представленный подход закладывает основу для разработки более совершенных параметризаций физических процессов в фазо-разрешающих волновых моделях и способствует созданию надежных систем прогноза ветрового волнения.

Предлагается комбинированная методика для оперативного прогноза максимальной высоты волны, которая объединяет преимущества спектральных, фазо-разрешающих моделей и машинного обучения, преодолевая некоторые ограничения, связанные с ресурсоемкими вычислениями прямого численного моделирования. Методика использует частотно-угловой спектр из модели WAVEWATCH III, преобразует его в поле волновых чисел и передает в качестве начальных условий в фазо-разрешающую модель TRIDWAVE для генерации нелинейного волнового поля и расчета искомой экстремальной характеристики. Чтобы избежать вычислительной затратности этого этапа при каждом прогнозе, разработана полносвязная нейронная сеть, которая обучается аппроксимировать результаты модели TRIDWAVE на основе пар «угловой волновой спектр — максимальная высота волны». Эксперименты, проведенные для акватории Балтийского моря, показали, что обученная сеть предсказывает максимальную высоту волны со средней относительной ошибкой около 5 %, демонстрируя способность восстанавливать нелинейную статистику по линейному спектру.

В работе предложен подход для автоматической оценки параметров короткопериодных внутренних волн, использующий сочетание корреляционной обработки и численных методов. Рассмотрено применение метода взаимно корреляционной обработки для определения задержки распространения короткопериодных внутренних волн между буями, описано применение численных методов для оценки направления распространения короткопериодных внутренних волн. Выполнена оценка чувствительности метода взаимно корреляционной обработки к шуму c использованием имитационного моделирования, показавшая, что данный метод обеспечивает оценку задержки распространения с точностью не хуже 10 % для отношения сигнал/шум не ниже 1,75. Описано два варианта численного решения задачи определения направления распространения короткопериодных внутренних волн. Подход протестирован при обработке данных натурных измерений, полученных с дрейфующих термопрофилирующих буев. Произведено сравнение результатов оценки параметров скорости и направления распространения короткопериодных внутренних волн, полученных аналитическим методом, численным методом и методом сжимающихся интервалов, показавшее их хорошую сходимость. Отмечено, что описанный подход перспективен для внедрения в системы мониторинга, работающие в режиме реального времени.

В обзоре систематизированы исследования последнего десятилетия по моделированию нерадиоактивного воздействия АЭС на водоемы-охладители. Рассмотрены современные подходы численного моделирования, включая адаптированные гидродинамические модели и оригинальные отечественные разработки для оценки теплового и химического влияния. На основе анализа сформулированы перспективные направления развития модельного аппарата в данной области, такие как: включение обратных связей с атмосферными процессами для повышения точности прогнозов в прибрежных зонах со сложной ветровой циркуляцией; развитие моделей взаимодействия с донными отложениями; интеграция с моделями экологического риска для перехода от оценки абиотических параметров к прямому прогнозу воздействия на конкретные виды и популяции гидробионтов; создание детальных прогнозов для экстремальных гидрометеорологических сценариев в условиях меняющегося климата для оценки устойчивости экосистем; а также активное применение моделей на прединвестиционных этапах проектирования новых АЭС для оптимизации размещения и конфигурации сбросных и водозаборных сооружений с целью минимизации потенциального экологического воздействия.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью экспериментального подтверждения закономерностей формирования бистатической силы цели осесимметричных объектов. В гидроакустическом бассейне Санкт-Петербургского филиала Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук проведен лабораторный эксперимент по исследованию вторичного гидроакустического поля осесимметричного вытянутого тела в бистатическом режиме.

Целью эксперимента являлась оценка силы цели осесимметричного вытянутого тела при различных углах поворота тела и при различных бистатических углах приемного измерительного гидрофона. Разработана методика проведения эксперимента и подготовлено необходимое оборудование для регистрации и обработки сигналов. Выполнено измерение амплитудных характеристик и длительности эхосигнала модели на частотах 50–70 кГц для бистатических углов от 10° до 70° и углов поворота тела от 0° до 180°. Проведен анализ зависимости бистатической силы цели от бистатического угла и угла поворота осесимметричного вытянутого тела. Установлены взаимосвязи между бистатическим углом, углом поворота осесимметричного вытянутого тела и характеристиками эхосигнала.

Полученные результаты позволяют уточнить модели формирования бистатической силы цели в ближнем поле и оценить влияние геометрических и пространственных факторов на характеристики рассеянного поля. Сделаны выводы о возможности применения экспериментальных зависимостей для оптимизации конфигурации приемных и излучающих элементов мультистатических систем подводного наблюдения. Результаты эксперимента обеспечивают комплексную оценку пространственно-временных характеристик эхосигнала осесимметричных объектов и могут быть использованы для совершенствования средств подводного наблюдения.

В работе представлен обзор основных результатов современных исследований в акваториях морей России, выполненных с использованием морских радиометрических лидаров, разработанных в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН) и его Санкт-Петербургском филиале. С лидарами ИО РАН с борта судна и авианосителя были проведены натурные исследования в прибрежных районах Баренцева, Карского, Охотского, Черного морей и Авачинского залива Тихого океана, направленные на решение актуальных задач лидарного зондирования.

Рассматриваются результаты применения морских лидаров для оценки гидрооптических характеристик приповерхностного слоя, регистрации внутренних волн и оценки их параметров, а также для исследования влияния протяженности трассы зондирования на проведение лидарной съемки рельефа дна в труднодоступных высокогорных прибрежных районах. Особенностью созданных в ИО РАН лидаров судового (ПЛД‑1) и авиационного (АПЛ‑3) базирования стало использование двухканальной приемной системы для регистрации поляризованных компонент лидарных эхо-сигналов. Применение разработанных модулей цифровой обработки информации позволило автоматизировать процесс лидарной съемки.

Актуальность и практическая значимость рассматриваемых задач определяет необходимость развития отечественных технологий в области дистанционного зондирования, в частности для использования в лидарной съемке автономных необитаемых подводных, надводных и воздушных аппаратов.

Представленная публикация является этапом создания репрезентативного каталога исторических наводнений Невы, необходимого в будущем для построения прогнозов наводнений в рамках изучения функционирования комплексной динамической системы, включающей атмосферу, гидросферу и литосферу Балтийско-Ладожского региона. В статье описана начальная фаза формирования базы данных наводнений XIX в. по образцу базы данных XVIII в., которая создана в Санкт-Петербургском филиале Института океанологии и на данный момент уже введена в научный оборот. Сложность исследования связана с объективным недостатком уровнемерных материалов, касающихся первой четверти XIX в.