Рассматривается асимптотическое поведение волн Россби, взаимодействующих со сдвиговым стационарным течением. Показано, что в этих задачах существует качественное отличие задач для зонального и незонального фонового потока. Если для зонального потока возникает только один критический слой, то для незонального может существовать несколько критических слоев. Установлено, что проинтегрированные лучевые уравнения Гамильтона оказываются равносильны асимптотикам решения задачи Коши. Получены явные аналитические решения для волновых треков волн Россби, как функции времени и начальных параметров волнового возмущения, а также величины сдвига и угла наклона потока к зональному направлению. На примере волн Россби на сдвиговом потоке аналитически проинтегрированы лучевые уравнения Гамильтона. Полученные явные выражения позволяют рассчитывать в реальном времени треки волн Россби для любого начального направления волны и для любого угла наклона сдвигового течения. Показано, что эти треки для незонального потока качественно носят сильно анизотропный характер.

Все более очевидным становится изменение климата, которое приводит к увеличению числа интенсивных атмосферных вихрей (тропических и квазитропических циклонов, полярных ураганов, облачных смерчей-торнадо) и расширению географических и сезонных пределов их появления. Недавним примером стал черноморский квазитропический циклон 11–16 августа 2021 г. В этих условиях чрезвычайно важна точная диагностика циклогенеза и основанный на ней прогноз дальнейшей эволюции и траектории формирующегося вихря. Главным источником энергии для тропических, квазитропических и полярных ураганов является тепловая конвекция, вызванная значительной разностью температур между атмосферным слоем и подстилающей водной поверхностью. Это позволяет предложить единый подход для диагностики циклогенеза во всех трех случаях.

Впервые предложен оригинальный подход для определения точного времени начала тропического циклогенеза. Такой подход включает комбинированный анализ спутниковых изображений облачности и соответствующих данных облачно-разрешающего численного моделирования для области развивающегося вихревого возмущения. Теоретическим базисом является фундаментальная гипотеза о турбулентном вихревом динамо. Теория дает количественные критерии, определяющие возбуждение крупномасштабной вихревой неустойчивости в атмосфере. Атмосферное численное моделирование позволяет точно определить момент времени, в который реализуются необходимые условия для возникновения неустойчивости. Этот момент интерпретируется как начало циклогенеза. Найденные в работе специфические конфигурации вихревой облачной конвекции, соответствующие начальной стадии циклогенеза, могут быть использованы в оперативной метеодиагностике при анализе спутниковых изображений облачности. Иллюстрация подхода дана на примере диагностики тропического циклогенеза.

На основе численного моделирования с использованием региональной модели океана и морского льда исследуются климатические изменения в Чукотском море и море Бофорта. Численные эксперименты проводились для временного периода 2000–2019 гг. Данные реанализа атмосферы NCEP/NCAR использовались для определения потоков на поверхности океана и морского льда. Температура, соленость и расход тихоокеанских вод, поступающих в Северный Ледовитый океан, задавались в виде граничных условий на Беринговом проливе. Для проведения экспериментов использовались три типа граничных значений: среднемесячные климатические данные, характерные для 1990–2004 и 2003–2015 гг.; среднемесячные данные измерений в период 2016–2019 гг. Исследовалась чувствительность модели к изменчивости расхода и температуры поступающих тихоокеанских вод, анализировалось влияние на теплосодержание верхнего слоя моря, объем и распределение ледового покрова.

В численных экспериментах моделируется перенос теплых тихоокеанских вод через Чукотский шельф в северном направлении и на шельф моря Бофорта, процесс переноса теплых вод склоновой конвекцией в осенне-зимний период. В последние годы расчета в точках на границе шельфовой и глубоководной областей происходит увеличение амплитуды сезонных колебаний температуры поверхностного слоя и значительное повышение температуры на глубине 100 м. Результаты расчетов демонстрируют увеличение теплосодержания вод и сокращение объема льда в море Бофорта и Чукотском море, вызванное повышением температуры атмосферы. Показано, что повышение температуры и расхода тихоокеанских вод, начавшееся после 2003 года, способствовало дополнительному повышению теплосодержания вод обоих морей, сокращению площади ледового покрова и задержке сроков формирования льда в Чукотском море.

Несмотря на многолетние широкомасштабные исследования Онежского озера, практически отсутствует информация об основных биогеохимических потоках, которая могла бы характеризовать прошлое и настоящее состояние его экосистемы и использоваться для надежных прогнозных оценок ее будущего. С целью восполнения недостающей информации о состоянии Онежского озера была разработана трехмерная эко-гидродинамическая модель биогеохимического круговорота питательных веществ. Модель использовалась для реконструкции динамики экосистемы Онежского озера за три десятилетия с суточным разрешением на пространственной расчетной сетке 2 × 2 км. Сравнение с имеющейся информацией по Онежскому озеру и другим крупным бореальным озерам доказывает, что этот ретроспектив ный анализ достаточно правдоподобен для оценки изменений в экосистеме озера в современный период. Разработанная модель будет использоваться для исследования экосистемы Онежского озера, включая долгосрочные прогнозы эволюции экосистемы при различных сценариях изменения климата и социально-экономического развития.

Для многолетнего реанализа экосистемы Онежского озера была использована трехмерная объединенная гидродинамическая биогеохимическая модель круговоротов азота и фосфора. Сопоставление моделирования и разрозненных нерегулярных наблюдений, представленное в первой части статьи, продемонстрировало достоверность восстановленных временных и пространственных особенностей биогеохимической динамики в многолетнем масштабе. В данной работе представлена сезонная динамика компонентов экосистемы и биогеохимических потоков. В качестве новой региональной фенологической информации дана количественная оценка весеннего цветения фитопланктона, которое ранее упускалось из виду, но достигает максимума 500 ± 128 мгC м^–2 сут^–1 в мае, что составляет примерно половину годовой первичной продукции озера в размере 17,0–20,6. гC м^–2 год^‑1, и вызывается увеличением доступности света, а не незначительным повышением температуры воды. Когерентные балансы питательных веществ обеспечивают надежные оценки времени пребывания фосфора и азота в 47 и 17 лет соответственно. Более короткое время пребывания азота объясняется денитрификацией отложений, которая в Онежском озере удаляет более 90 % биодоступного поступления азота, но часто игнорируется при исследованиях других крупных озер. Общая оценка работоспособности модели позволяет считать ее необходимым и надежным инструментом для сценарного моделирования возможных изменений экосистемы Онежского озера в требуемых пространственных и временных масштабах.

Приведены результаты численных экспериментов по оценке гидродинамического режима восточной части Севастопольской бухты с учетом влияния стока реки Черной (паводковый и меженный периоды) и Южной бухты с учетом уровня техногенной нагрузки с помощью гидротермодинамического блока численной трехмерной нестационарной модели МЕССА (Model for Estuarine and Coastal Circulation Assessment).

Результаты расчета особенностей гидродинамического режима выделенных акваторий бухты использованы при анализе способности к самоочищению их экосистем путем расчета ассимиляционной емкости в отношении неорганического фосфора, как приоритетного загрязняющего вещества в муниципальных и ливневых стоках акватории бухты и определяющего фактора эвтрофикации водоема. При этом для нивелирования влияния различий в объемах вод исследуемых акваторий при расчетах самоочистительной способности в работе получены оценки удельной ассимиляционной емкости их экосистем.

Показано, что для восточной кутовой части бухты согласно полученным модельным расчетам в периоды паводков циркуляция вод в поверхностном слое вод способствует распространению загрязняющих веществ на всю акваторию бухты. В период межени в восточной части бухты преобладают течения, направленные к устью реки Черной и в поверхностном, и в придонном слое вод как при северо-западном, так и при западном направлениях ветра, что способствует накоплению загрязняющих веществ в этой части бухты, уменьшая таким образом ее способность к самоочищению.

Анализируются возможные причины низкой самоочистительной способности экосистемы восточной части Севастопольской бухты в отношении неорганического фосфора, которые связаны как с объемами поступающих вод реки Черной в периоды зимних паводков и летней межени, а также с особенностями морфометрического строения дна акватории.

Для акватории Южной бухты гидродинамический режим характеризуется затрудненным водообменом с основной акваторией. Вентилирование вод акватории Южной бухты определяется согласно результатам расчета в основном ветровым режимом, в результате которого происходит либо запирание вод в бухте, либо вынос их за ее пределы, что сказывается на способности к самоочищению ее экосистемы.

По данным гидрооптических съемок, выполненных в северной части Черного моря по одной и той же сетке в период с 2016 по 2020 гг., уточнены особенности горизонтальной и вертикальной структуры поля общего взвешенного вещества и оценена их связь с распределениями полей температуры воды, солености и плотности. Показано, что основными источниками повышенной концентрации общего взвешенного вещества в поверхностном слое северной части Черного моря являются низкосоленые и мутные воды, поступающие из Керченского пролива, воды стоков Риони, Ингури и других рек на востоке акватории и распресненные воды Днепра, Днестра и Дуная, проникающие на акваторию съемок с северо-западного шельфа. В глубоководной части моря могут прослеживаться локальные области мутных вод, возникновение которых связано с особенностями вертикальной циркуляции в зонах циклонических круговоротов и меандров Основного Черноморского Течения. Вертикальная структура концентрации общего взвешенного вещества характеризовалась верхним квазиоднородным слоем, обычно совпадающим по толщине с верхним квазиоднородным слоем в полях термохалинных параметров. В пределах этого слоя между значениями концентрации общего взвешенного вещества и значениями температуры и солености наблюдалась значимая линейная отрицательная корреляция и значениями плотности — положительная. Глубже, в слое сезонных термоклина и пикноклина, прослеживался подповерхностный максимум концентрации общего взвешенного вещества. В областях, где наблюдался максимальный вертикальный градиент температуры, толщина слоя повышенной мутности уменьшалась почти на порядок по сравнению с районами, где градиент температуры был слабо выражен. Ниже ядра холодного промежуточного слоя в слое основных термоклина, галоклина и пикноклина прослеживался промежуточный минимум концентрации общего взвешенного вещества. Под этим минимумом располагался еще один слой повышенных значений концентрации общего взвешенного вещества, глубина которого совпадала с глубиной верхней границы сероводородной зоны.

В работе приводятся результаты взаимосвязанного расчета неустановившегося неравномерного движения речного потока и переформирования дна крупнейшего в Евразии проточного Куйбышевского водохранилища в разные фазы водности. В основе этих расчетов лежат гидродинамическая модель «Волна» и алгоритмы расчета твердого стока (аналитическая формула расхода наносов), изменения транспортирующего потенциала потока и, как следствие последнего, изменения отметок дна. При этом динамика отметок дна учитывается в последующих расчетах и является одним из аргументов модели. На основе проведенных модельных расчетов исследовано пространственное распределение донных отложений в акватории водохранилища и построены карты аккумуляции и размыва ложа в разные фазы водности. Показано, что за весь расчетный период наблюдается неравномерное перераспределение наносов в водохранилище: в верхней части происходит размыв, а в средней и нижней — аккумуляция. В целом для Куйбышевского водохранилища вклад в заиление только русловыми наносами незначителен. В среднем за 150-дневный период моделирования для всей акватории водохранилища аккумуляция наносов составляет 0.5 мм/период. Слабая динамика течений на обширной акватории плесов водохранилища не способствует активным русловым преобразованиям. Наиболее интенсивно процессы преобразования дна протекают в местах сужения акватории, где лучше всего выражен вклад нестационарного режима в формирование рельефа дна на подъеме и спаде половодья. Более полноводные годы также приведут к более интенсивному перераспределению поступающего из верхних створов твердого стока и донных отложений.

Рассматривается возможность физического моделирования деформации ледяного покрова от нагрузки, движущейся с малой скоростью. Используя уравнение колебаний упругой пластины на основании гидравлического типа, показано, что подобие напряженно-деформированного состояния в модельном льду может быть достигнуто только в рамках подходов классической теории моделирования ледяного покрова Ногида-Шиманского. Принимая во внимание известные сложности, связанные с практической реализацией этого способа, исследуется применимость модели льда уменьшенной толщины, разработанной в НГТУ. Она заключается в преднамеренном несоблюдении подобия льда по толщине при удовлетворении прочих требований, реализуя частичное подобие модели. Показываются возникающие при этом расхождения с теорией Ногида-Шиманского, оценивается их влияние на конечный результат. Исследуется применимость модели тонкого льда в бассейнах с естественным охлаждением классической формы для целей моделирования движения нагрузки с малой скоростью. Приведены результаты экспериментального исследования деформации ледяного покрова под движущейся нагрузкой с использованием модельного тонкого естественного льда. Исследуется изменение формы волны и максимального прогиба льда в зависимости от изменения скорости движения и величины нагрузки. Показана связь уменьшения отношения площади профиля чаши прогибов к профилю выгиба льда перед движущейся нагрузкой с увеличением скорости в начале движения, что может говорить о резком росте энергетических затрат на деформирование ледяного покрова, когда взаимодействие технического средства со льдом уже нельзя рассматривать как квазистатическое. Точное определение этих затрат является критически важным при проектировании ледокольных средств, прокладывающих канал в поле сплошного льда.

Статья посвящена исследованию влияния численного метода и сеточных параметров на точность моделирования свободных колебаний цилиндра на водной поверхности. Представлено описание используемого численного метода моделирования плавания тел, основанного на численном решении уравнений Навье-Стокса. Для численной дискретизации используется конечно-объемный метод, позволяющий проводить расчеты на неструктурированной сетке. Моделирование свободной поверхности проводится по методу VOF (Volume Of Fluid). Учет движения твердого тела осуществляется путем деформации расчетной сетки с сохранением ее топологии. Для решения уравнения движения и неразрывности используется метод SIMPLE. Учет сил поверхностного натяжения осуществляется с помощью модели CSF (Continuum Surface Force). Описанный численный метод применяется для решения задачи о затухающих свободных колебаниях цилиндра на водной поверхности. Рассматриваются вопросы влияния на решение сеточного разрешения, величины шага по времени, порядка аппроксимации по времени и по пространству, а также вопросы, касающиеся метода сглаживания гидродинамических сил, действующих на тело, которые зачастую используются для решения практических задач. Анализ полученных результатов показывает, что применение схем повышенного порядка для дискретизации по пространству и времени позволяет повысить точность решения. При высоком сеточном разрешении и малом шаге по времени коэффициент релаксации силы, действующей на тело, не оказывает сильного влияния на получаемый результат.

Изучение климата с помощью профессиональных приборов в мире началось относительно недавно. Россия является одной из ведущих стран в области метеорологических исследований. Изучение истории развития метеорологических исследований на Дальнем Востоке и сопредельных территорий Китая в XIX в., систематизация и анализ результатов исследований будут способствовать лучшему пониманию значения российских исследований в развитии метеорологии. В статье рассматривается предыстория строительства обсерватории во Владивостоке. Автор прослеживает цепь политических и научных решений о переносе магнитно-метеорологической обсерватории Академии наук из Пекина через планы создания обсерватории в Порт-Артуре до строительства магнитно-метеорологической обсерватории во Владивостоке. Кроме того, в статье рассмотрены сметы обсерватории и планы по ее оснащению, которые обычно не являются предметом пристального внимания исследователей. В современной и иностранной историографии отсутствует полноценное исследование, отражающее задействованность Академии наук в развитии сети магнитно-метеорологических станций и обсерваторий на Дальнем Востоке России и в сопредельных территориях (Корея, Китай). Автором введены в научный оборот новые архивные данные из Российского государственного архива Военно-Морского флота и Санкт-Петербургского филиала архива Академии наук.