Представлен научный обзор одной из важнейших особенностей глобальной климатической системы — арктического усиления: более высокая скорость изменения приземной температуры воздуха в Арктическом регионе по сравнению с Северным полушарием или глобальным средним. Арктическое усиление является региональным проявлением более общего явления — полярного усиления. Однако антарктическое усиление значительно слабее арктического. Основными механизмами, определяющими арктическое усиление, являются различные климатические обратные связи, работающие по-разному в разных широтах, и перенос тепла к полюсу, вызванный атмосферной и океанической циркуляцией. Современные научные результаты в основном продемонстрировали относительную роль различных климатических обратных связей в формировании арктического усиления. От более важных к менее важным — это обратная связь вертикального градиента температуры, обратная связь Планка и альбедо поверхности. Однако некоторые другие возможные механизмы остаются малоизученными. В частности, вклад изменяющегося во времени меридионального переноса тепла довольно неясен. Более того, меридиональная адвекция тепла атмосферой и океаном может играть существенную роль в наблюдаемых изменениях интенсивности арктического усиления на разных временных масштабах.

Линзы средиземноморской воды, также известные как «медди», хорошо различимы в воде Атлантического океана. Полевые наблюдения, посвященные изучению «медди», представлены в многочисленных публикациях и предоставляют информацию об их происхождении, распределении, пространственных масштабах и динамической активности во времени. Солевые пальцы и двойная диффузия на верхних и нижних границах «медди» могут рассматриваться как единственные механизмы, вызывающие исчезновение «медди», как мезомасштабные термально-соленые неоднородности в окружающих водах Атлантического океана. Принимая во внимание реалистичные масштабы «медди», показано, что во временных масштабах около или менее года масса воды «медди» может считаться неизменной. Отсюда следует, что на временных масштабах менее или порядка года для «медди» справедлив закон сохранения их полной массы.
Анализ временной изменчивости «медди» проводится с использованием теоретического подхода для интрузионной линзы в стратифицированной жидкости, расширенного учётом силы Кориолиса. Центр тяжести рассматриваемых «медди» находится на уровне равной плотности. Временная изменчивость возникает из-за результирующего воздействия набора сил: избыточного давления, возникающего из-за разницы в плотности воды внутри линз средиземноморской воды и плотности окружающей среды; сил, возникающих как из-за вращения линзы (центробежная сила), так и вращения Земли (сила Кориолиса); сил, вызванных излучением внутренней волны и действием вязкости. Временная изменчивость линз средиземноморской воды состоит из двух основных этапов:
1) начальная, невязкая стадия («молодая линза»), когда баланс сил формируется силами инерции, избыточного давления, центробежной силы, силы Кориолиса и силы волнового сопротивления, вызванного излучением внутренней волны; сила Кориолиса является ключевым фактором, поддерживающим и сохраняющим компактность антициклонических линз средиземноморской воды, «медди»; она предотвращает разрушение линз средиземноморской воды, ограничивает их геометрические размеры, влияет на изменение угловой скорости линзы. Циклонические линзы средиземноморской воды дестабилизируются силой Кориолиса, их толщина уменьшается со временем, и при определенных условиях линзы средиземноморской воды могут исчезнуть как аномалии плотности уже на этой стадии;
2) стадия вязкости («старая линза») характеризуется медленным уменьшением толщины линз средиземноморской воды до ее предельного значения, которое определяется начальной толщиной и начальной стратификацией линз средиземноморской воды, а также стратификацией окружающей среды; в течение последнего периода вязкой стадии обмен теплом и соленостью с окружающей водной массой может, на характерных временных масштабах около года, существенно влиять на вырождение линз средиземноморской воды как аномалии плотности; на этой стадии антициклонические линзы средиземноморской воды, «медди», продолжают иметь антициклоническое вращение.

На основе данных океанских реанализов ECMWF ORAS4 и ORAS5 выполнен расчет объемного расхода, потоков тепла и соли на боковых границах в Лофотенском бассейне (Норвежское море), а также оценка их баланса. Полученные величины сравнивались с оценками по данным реанализа CMEMS GLORYS12V1. Выявлено, что физически обоснованный объемный расход демонстрирует реанализ ORAS5 с невязкой 6,0 %, в то время реанализ GLORYS12V1 дает наиболее реалистичную оценку баланса тепла, так как использование этих данных позволяет учесть повышенный приток тепла, которое расходуется на теплообмен с атмосферой. Показано, что притоки водных масс и, соответственно, тепла и соли доминируют с южной стороны бассейна, а максимальный их вынос характерен для восточной границы. Установлено, что все три реанализа демонстрируют для Лофотенской котловины превышение притока воды и соли над стоком, что свидетельствует о незамкнутости балансов для отдельных бассейнов и ограниченности подходов при использовании этих данных.
Во временной изменчивости всех потоков на границах бассейна отмечаются нерегулярные колебания с различной для разных реанализов дисперсией. За период 1993–2016 гг. по данным реанализа ORAS5 на всех границах, кроме северной, отмечаются значительные линейные тренды всех потоков, что свидетельствует об увеличении транзита через Лофотенский бассейн. По балансу трендов реанализ ORAS5 показывает накопление воды в регионе, охлаждение и накопление соли. В реанализе GLORYS12V1 суммарный тренд для потока тепла за тот же период определяет небольшое потепление.

Лофотенская котловина, расположенная в Норвежском море, является мощным накопителем атлантических вод. Заглубление атлантических вод в котловине определяет не только структуру ее водных масс, но и особенности процессов взаимодействия океан-атмосфера. В работе исследуются изопикническая адвекция и диапикническое перемешивание в Лофотенской котловине. По данным океанического реанализа GLORYS12V1 построены и проанализированы четыре изостерические δ-поверхности, в частности, глубина их залегания. Установлено, что изостерические поверхности в Лофотенской котловине имеют наклон в направлении с запада на восток с максимальными глубинами в центре котловины, где расположен квазипостоянный Лофотенский вихрь. Рассмотрено распределение температуры на изопикнических поверхностях. Проанализирована межгодовая и сезонная изменчивость их глубины залегания.
Показано, что максимум глубины изостерических поверхностей поверхности наблюдается в 2010 г., который отмечается как год аномально больших глубин верхнего квазиоднородного слоя Лофотенской котловины, подтвержденных измерениями буев ARGO. Максимумы в 2000, 2010, 2013 и 2016 гг. соответствуют годам глубокой конвекции.
Выявлено, что максимальная глубина на изостерических поверхностях достигается летом. Области с наибольшими глубинами летом также имеют максимальную площадь, а зимой минимальны. Это означает, с одной стороны, определенную инерцию изменения термохалинных характеристик атлантических водных масс, а с другой — сдвиг на 1–2 сезона влияния глубокой конвекции на изостерические поверхности.
Показано, что изопикническая адвекция в Лофотенской котловине дает значительный вклад в ее роль как основного теплового резервуара субарктических морей.

Предложен и реализован алгоритм оценки фотосинтетически активной радиации, достигающей дна черноморского шельфа. Двухнедельные, среднемесячные и среднемноголетние карты фотосинтетически активной радиации с сентября 1997 по 2018 г. построены на основе региональных спутниковых продуктов и региональных спектральных особенностей оптически активных веществ с учётом их профилей, которые получены в результате статистического анализа многолетних измерений био-арго буями. Результаты количественной оценки фотосинтетически активной радиации, достигающей дна черноморского шельфа, представлены в виде двухнедельных карт с пространственным разрешением 2.5 × 2.5 км по долготе и широте за период с января 1998 по декабрь 2018 г. на сайте blackseacolor.com на странице http://blackseacolor.com/browser3.html. Анализ межгодовой изменчивости фотосинтетически активной радиации на дне шельфа для шести небольших выделенных районов (Филлофорное поле Зернова, Каркинитский залив, в центре на свале глубин, около Одессы, устья р. Дунай и Западного Крыма) показал, что в отдельных районах для летних месяцев наблюдается устойчивый рост фотосинтетически активной радиации на дне шельфа, в то время как для зимних месяцев он отсутствует. Оцениваемая точность восстановления фотосинтетически активной радиации на дне шельфа находится на уровне 50%.

В настоящей работе рассмотрены результаты гидрологических, гидрооптических и гидробиологических исследований, выполненных в фотической зоне северной части Чёрного моря в октябре 2016 г. Выявлены основные особенности формирования биооптической структуры и ее связь с гидрологическим режимом. Показано, что в зоне Севастопольского и Феодосийского антициклонов, параллельно с заглублением верхнего квазиоднородного слоя, отмечается и заглубление слоя максимальных значений концентрации общего взвешенного вещества. В южной части съемки, ближе к центру основного циклонического круговорота Чёрного моря, где глубина нижней границы верхнего квазиоднородного слоя минимальна, отмечается подъем слоя максимума концентрации общего взвешенного вещества. Установлено, что в октябре 2016 г. отмечалась аномально высокая прозрачность вод с малым диапазоном пространственной изменчивости. Показано, что в этот период наблюдались заметно более низкие связи между вертикальными распределениями концентрации общего взвешенного вещества и температурой, соленостью и плотностью по сравнению с летним периодом 2016 г.
В пробах воды идентифицированы микроводоросли девяти отделов, типичных для данного сезона. Выявлено, что величины метаболически активной биомассы микропланктона в открытой части моря соответствовали значениям, характерным для олиго-мезотрофных вод, в то время как в прибрежье Крыма они были близки к эвтрофным характеристикам. Стадия продукционно-деструкционной сукцессии микропланктона — развивающаяся, с прогнозом на рост биомассы в последующем.

Выполнено экспериментальное исследование по оценке траекторий распространения в акватории Невы вод одного из наиболее загрязненных притоков — реки Ижоры. Идентификация воды притока в русле Невы производилась на основе оценки величины общей минерализации (TDS), а также дополнительной интегральной характеристики качества воды — окислительно-восстановительного потенциала (Eh). На основе анализа результатов проведенного натурного эксперимента показано, что воды притоков (возможно загрязненные) после поступления в русло Невы прижимаются основным потоком к берегу и распространяются вдоль него в направлении течения, при этом поперечная турбулентная диффузия, способствующая перемешиванию водных масс, крайне незначительна. Для математического описания процесса массопереноса в русле Невы использована сопряженная математическая модель движения воды, транспорта наносов и растворенных примесей в открытом русле IL_MTRiver, разработанная в Институте озероведения РАН. В модели реализован взаимосвязанный расчет переменных состояния водного потока и потока твердого вещества. Единая система расчета движения воды и взвешенных частиц с физически обоснованной аппроксимацией процесса позволяет проследить перемещение взвешенного вещества по длине русла и оценить скорость осаждения частиц в случае уменьшения транспортирующего потенциала потока в соответствии со своей гидравлической крупностью и исходной скоростью перемещения. Взаимодействие движущегося потока и подстилающей поверхности в модели представлено физически обоснованными параметрами — коэффициентом внутреннего трения грунта и параметром сцепления грунта при сдвиге. Показано, что модель адекватно оценивает вдольбереговое распространение примеси при отсутствии перемешивания по сечению основного потока. В дальнейшем модель IL_MTRiver может быть использована для решения задач оценки возможного загрязнения невской воды в районе городских водозаборов и прогноза последствий возникновения аварийных ситуаций, связанных со сбросом загрязненных стоков, на близлежащих предприятиях, в том числе и на полигоне Красный Бор.

В работе предложена методика определения скорости и направления поверхностного течения по измерениям скоростных радиолокационных панорам доплеровским радиолокатором X-диапазона. На основе результатов численного моделирования доплеровской скорости брэгговских волн в поле ветрового волнения и течения выбран диапазон дальностей для измерения скорости поверхностного течения, при котором можно не учитывать эффект затенения участков морской поверхности гребнями волн. Проведены продолжительные натурные эксперименты, в ходе которых предлагаемая методика была проверена. Скорость и направление поверхностного течения вычислялись как векторная сумма скорости течения водной толщи и 3% скорости ветра, при этом одновременно измерялись скоростные радиолокационные панорамы морской поверхности. Показано, что при зондировании навстречу ветру/волнению средние скорости рассеивающих СВЧ радиоволны элементов морской поверхности существенно выше предсказаний двухмасштабной модели рассеивания, учет которых для восстановления скорости поверхностного течения, был проведен эмпирически. При зондировании по ветру/волнению наблюдалось хорошее согласие с результатами моделирования. Корреляционный анализ поверхностного течения, вычисленного через гидрометеорологические параметры и по скоростным радиолокационным панорамам, продемонстрировал максимальный коэффициент корреляции для величины скорости 0.88 со среднеквадратичной ошибкой 8 см/с, а для направления 0.98 — со среднеквадратичной ошибкой 14°. Отмечается, что пленочные слики на морской поверхности приводят к существенному уменьшению усредненной доплеровской скорости, что может выступать дополнительным критерием при дистанционном обнаружении разливов нефти и нефтепродуктов.