Представлены работы по аспектам океанологических моделей негидростатической динамики, выполненные за последние два-три десятилетия. Продвижение в этом направлении обязано в первую очередь развитию вычислительной гидродинамики, обозначившей качественно новый современный уровень моделирования динамики Мирового океана и его регионов. Широкая тематика негидростатического моделирования включает рассмотрение процессов и явлений с выраженными вертикальными движениями, для описания которых желателен, а в ряде случаев и необходим, учет динамической компоненты давления. Постановка краевых задач для подсистем уравнений негидростатической динамики, совокупность методов их реализации, оценка и анализ эффектов негидростатики составляет предмет обзора. Основой океанологических негидростатических моделей является постановка и методы решения краевых задач для уравнений Навье—Стокса динамики вязкой несжимаемой жидкости. Необходимое рассмотрение работ, относящихся к этому кругу задач, составляет раздел обзора. Изложение концентрируется на работах, использующих наиболее употребительный проекционный метод реализации океанологических моделей при различных типах дискретизации области: конечно-разностной сеточной, конечно-объёмной, конечно-элементной и при различных формах представления решения: в гранично-согласованных координатах, рядами, спектральным разложением и др. Эти приближения тестируются и применяются для моделирования отдельных мезомасштабных процессов и негидростатической динамики подобласти региона в рамках крупномасштабной модели. Структуру проекционного метода определяет расщепление оператора задачи и вычисление приближений поля скорости на этапах временного шага. Приближением может служить решение гидростатической задачи. Такой удобный подход связывает гидростатическое приближение с негидростатическим модулем задачи для уравнений Навье—Стокса, что акцентируется в обозрении.

Обзор краток. Мы старались не перегружать его ни формулами, где это возможно, ни литературой, ибо каждая из приводимых ссылок содержит свою, зачастую обширную, библиографию. Цель — представить в простом и общем виде состояние развитого негидростатического моделирования, элементы которого в уже близкой перспективе сделают возможным решение краевых задач негидростатической динамики обширных областей и протяженных участков шельфа мирового океана на основе параллельных вычислений.

Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН проводит регулярную регистрацию волнения в прибрежной зоне о. Сахалин и Курильских островов с целью изучения инфрагравитационных волн и опасных морских явлений с использованием автономных донных регистраторов волнения (колебаний уровня моря). Используемая в приборах односекундная дискретность позволяет записывать не только инфрагравитационные волны, но зыбь и ветровые волны без искажений. В результате многолетних наблюдений за уровнем моря удалось обнаружить явление модуляции инфрагравитационных волн приливом на шельфе о. Сахалин. Анализ по натурным данным и численным моделям морских поверхностных гравитационных волн показал, что в прибрежной зоне при нелинейном взаимодействии волна-волна происходит передача энергии от низкочастотных длинных волн назад, к более высокочастотным движениям. Это объясняет приливную модуляцию энергии инфрагравитационных волн, наблюдаемую в записях придонного давления на южном шельфе о. Сахалин. Полученные результаты подтверждают возможность использования модели Лонге-Хиггинса и Стюарта для определения коэффициентов увеличения амплитуды и периода инфрагравитационных волн как в прибойной зоне, так и за ее пределами. Подобные изменения приливных пляжей распространены во всем мире и таким образом, приливная модуляция инфрагравитационной энергии в прибойной зоне может быть эффектом прибрежных процессов и региональной сейсмической активности во многих районах прибрежной зоны. Изучение рассматриваемых здесь процессов важно, поскольку инфрагравитационные волны способствуют формированию береговой линии.

Рассмотрено влияние флуктуаций атмосферного давления на интенсивность поступления через Гибралтарский пролив поверхностных атлантических вод как фактора, определяющего особенности формирования циркуляции вод в море Альборан. Подтверждено, что на мезомасштабную динамику вод Гибралтарского пролива влияют атмосферные процессы в области значительно превышающей собственно зону Гибралтарского пролива. Показано, что Лигурийское море — район, наиболее репрезентативно отражающий связь межу интенсивностью водообмена в верхнем слое Гибралтарского пролива и изменением атмосферного давления. На основе данных натурных наблюдений о скорости течения в верхнем слое Гибралтарского пролива и данных NCEP-CFSR реанализа об атмосферном давлении показано, что уменьшение атмосферного давления в Лигурийском море приводит к усилению интенсивности поступления атлантических вод, а его повышение — к уменьшению. Высказанная гипотеза о локализации воздействия атмосферного давления, влияющего на поступление атлантических вод, подтверждается результатами моделирования, полученными на основе одномерной гидродинамической модели. Основное внимание уделено анализу влияния синоптической изменчивости атмосферного давления на интенсивность поступления через Гибралтарский пролив атлантических вод, а также роли субинерциальной изменчивости водообмена в формировании мезомасштабной динамики моря Альборан. Анализ поверхностной циркуляции в море Альборан проводился с использованием данных о полях поверхностных течений, восстановленных по радарным наблюдениям, и спутниковых данных о хлорофилле.

Рассчитываются спектры собственных значений в модельной задаче исследования неустойчивости геострофического течения с линейным вертикальным сдвигом скорости в ограниченном по вертикали слое. В модельном уравнении учитывается влияние на динамику устойчивых и неустойчивых возмущений течения вертикальной диффузии плавучести. Задача сводится к численному решению несамосопряженного дифференциального уравнения третьего порядка с малым параметром при старшей производной при граничных условиях, типичных для океана. Решение ищется в виде степенного ряда. Поиск собственных значений приводит к поиску корней полинома высокой степени. Представлены спектры собственных значений для различных значений безразмерного параметра задачи. Результаты расчетов собственных значений сравниваются с результатами, полученными альтернативным методом решения эквивалентной задачи. Обращается внимание, что рассмотренная неустойчивость течения является осцилляционной неустойчивостью, которая кардинально отличается от типичной монотонной неустойчивости фронтов на масштабах интрузионного расслоения повсюду за исключением экваториальной зоны. Полученные результаты важны для анализа механизмов образования интрузий в Арктическом бассейне, наблюдающихся в условиях абсолютно устойчивой стратификации, т. е. когда с увеличением глубины уменьшается температура и увеличивается соленость.

Проведено зонирование Балтийского моря по типу плотностной стратификации. Выделены области, где профиль плотности морской воды хорошо аппроксимируется двух- либо трехслойной моделью. Определены значения параметров слоистых моделей: глубины залегания пикноклинов, величины скачков плотности на границах раздела слоев в процентах от общего изменения плотности. Такое зонирование позволяет упростить предварительное исследование внутренних гравитационных волн в рассматриваемом регионе, фактически сводя его к использованию известных аналитических результатов для волн на границах разделов в слоистых жидкостях, и легко проводить предварительные оценки их кинематических и нелинейных характеристик. Обсуждаются изменения этих зон от зимы к лету (расчеты выполнены для характерной стратификации плотности вод в январе и июле). Гидрологические данные для расчета поля плотности взяты из базы данных обобщенной численной модели среды (Generalized Digital Environmental Model Database, GDEM), кроме того, использовались рассчитанные данные о температуре и солености в рамках модели океана Россби центра (RCO) для Балтийского моря. Показано, что для большинства точек с близкими координатами в RCO и GDEM тип плотностной стратификации одинаков.

С использованием совместной численной модели ADCIRC+SWAN исследован механизм наводнений в дельте реки Кубань, вызванных подъемом уровня Азовского моря вследствие атмосферных воздействий. Численная модель реализована на неструктурированной расчетной сетке высокого пространственного разрешения, включающей дельту Кубани, Азовское море и Керченский пролив. В качестве атмосферного форсинга использовались: однородный по пространству ветер разных градаций скорости и направления; модельный циклон, перемещающийся по зональной траектории через центр Азовского моря с разной скоростью. Установлено, что процесс затопления дельты Кубани имеет две характерные особенности: наиболее опасным для затопления дельты является ветер северо-западного направления; интенсивное затопление дельты происходит лишь при скоростях нагонного ветра превышающих 20 м/с. Скорость перемещения циклона оказывает существенное влияние на площадь затопления дельты Кубани. Более медленные циклоны вызывают более значительные подъемы уровня воды на морской границе дельты, что приводит к ее более интенсивному затоплению. При скоростях перемещения циклона 7 м/с и менее затапливается более трети территории дельты. Показано, что для возникновения наводнений в дельты Кубани необходим более сильный ветер по сравнению с дельтой Дона.

Исследовалось вербальное поведение белухи Delphinapterus leucas при акустической стимуляции шумоподобным сигналом во время демонстрации видеообразов. Видеообразы демонстрировались на подводном мониторе, а акустические стимулы транслировались с помощью динамика в полосе до 18 кГц. Представлены характеристики акустического стимула. Показано, что совместная трансляция видеоизображения с акустическим сопровождением стимулирует ответную акустическую реакцию животного с латентным периодом от 0,5 до 1.2 с. Подробно представлена ответная акустическая реакция длительностью 16 с, состоящая из 14 пакетов высокочастотных импульсов. Выделены пакеты со стабильной временной структурой с коэффициентом модуляции 0.175±0.025 (пакет 1-го рода) и 0.91±0.03 (пакет 2-го рода) и смешанные пакеты из двух пакетов 1-го рода и двух пакетов 1-го и 2-го рода. Проведенная серия экспериментов однозначно свидетельствует о том, что акустическую реакцию дельфина можно расценивать как вербальный ответ на видео и акустическое воздействие.

Статья посвящена разработке методического подхода к оценке рисков при строительстве и последующей эксплуатации морской части трубопроводов, связанных с проявлением природных и техногенных факторов. Методика исследований включает анализ данных о природной среде и климате регионов строительства морской части известных трубопроводов с учётом технологии их строительства и оценку влияния природных факторов на возможность возникновения нештатных ситуаций. Влияние неблагоприятных событий на процесс строительства описывается в терминах среднегодовых значений вероятности опасных явлений и времени задержки процесса трубоукладки с учётом критических ограничений функционирования трубоукладочных судов различного класса. Рассматриваются ситуации, приводящие к простоям при трубоукладке при неточном прогнозе штормовых условий. На основе разработанного подхода был выполнен расчет вероятностей для оценки факторов при укладке трубопроводов по предполагаемым маршрутам по дну Черного моря и возможных потерь времени от изменений погодных условий.

Применительно к задаче дистанционного измерения толщины арктического морского ледяного покрова из-под воды, методом модельного эксперимента исследовано влияние вертикальной неоднородности акустических характеристик морских льдов различных типов и возрастных категорий, обусловленной слоистостью их структуры, на фазу коэффициента отражения акустической, низкочастотной плоской гармонической волны при её нормальном падении на границу раздела морская вода-лёд. Рассмотрены две акустические модели реального морского ледяного покрова: одна с постоянными, другая с непрерывно изменяющимися по толщине покрова акустическими параметрами — плотностью среды, скоростью и коэффициентом затухания продольных акустических волн в среде. Приведены графические зависимости толщины зондируемого ледяного покрова как функции фазы коэффициента отражения, рассчитанные для каждой из двух рассматриваемых акустических моделей морского льда. Показано, что для повышения достоверности данных о толщине льда целесообразно использование типизированных акустических моделей морского ледяного покрова, параметры которых адекватны определённому его типу, возрастной категории и периоду годового цикла, в пределах которого проводятся измерения.

Материал предоставлен А. В. Зиминым.