Представлены результаты исследований корреляционной связи интенсивности флуоресценции растворенного органического вещества и солености в поверхностном слое вод Карского моря. Исследования выполнены с использованием данных, полученных с помощью проточного измерительного комплекса в рейсах НИС «Профессор Штокман» и НИС «Академик Мстислав Келдыш» (2013—2015 гг.). Для исследования пространственной изменчивости связи флуоресценции окрашенной части растворенного органического вещества и солености используется предложенный авторами метод «скользящих корреляций». В области вод, подверженных воздействию речного стока зафиксирована сильная антикорреляция. В области преобладающего воздействия стока талых ледниковых вод зафиксирована положительная корреляция. В областях сопоставимого влияния указанных факторов, а также вне зоны опреснения связи не наблюдается. Зарегистрирована межгодовая изменчивость исследуемой связи. Границы области, подверженной влиянию речного стока, определяются по спутниковым данным сканера цвета MODIS, обработанным с использованием регионального алгоритма для Карского моря. Сильная антикорреляция в этой области, наблюдаемая в широком диапазоне изменения солености, позволяет использовать спутниковые карты пространственного распределения показателя поглощения желтого вещества для определения положения границ области поверхностного опресненного слоя, исследования его структуры и динамики.

Выполнено гидродинамическое моделирование акватории Азовского моря на основе Princeton Ocean Model при задании атмосферного воздействия по модели SKIRON для периода 2013—2014 гг. На основе совместного анализа результатов численного моделирования и космического мониторинга по данным спутника Aqua (MODIS) исследованы особенности пространственно-временной динамики оптически активной взвеси в Азовском море. Взвешенные вещества различного происхождения проявляется в суммарном индексе поглощения света, или обратного рассеяния света морской водой. Новые алгоритмы применены для определения согласованности данных, полученных методами дистанционного зондирования морской поверхности из космоса, модельных решений и их сочетанием. Комплекс программ реализует алгоритм усвоения данных наблюдений и позволяет выполнять моделирование процесса распространения взвешенных и растворенных веществ основанный на интегрировании уравнения переноса и диффузии. Обсуждаются методы совместного использования информации, дана оценка качества модельного прогноза в зависимости от интервалов усвоения спутниковой информации. Показано, что последовательная схема усвоения данных наблюдений улучшает прогноз распространения взвешенных веществ по модели даже при неинформативных спутниковых изображениях. Численные эксперименты по оценке многоспектральных изображений показали эффективность предложенных в работе алгоритмов.

Этот специальный выпуск посвящен 100-летию выдающегося советского ученого в области оптики атмосферы и океана профессора К. С. Шифрина. Содержание выпуска отражает лишь одно из направлений многогранной научной деятельности К. С. Шифрина, которая охватывала и электрические свойства полупроводников, и рассеяние электромагнитных волн разными частицами, и обратные задачи теории рассеяния, и перенос радиации в атмосфере, кинетику образования облаков и осадков, разработку метода пассивной радиотеплолокации. 100-летнему юбилею К. С. Шифрина была посвящена специальная сессия, проведенная в рамках XIV Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (ГА-2018), Санкт-Петербург 23-25 мая 2018 г., на которой были представлены доклады по основным направлениям деятельности К. С. Шифрина. Статьи по этим докладам планируется опубликовать в ближайших номерах «Фундаментальной и прикладной гидрофизики».

Предложен метод зондирования макронеоднородностей показателя рассеяния воды с помощью лидара, зондирующий пучок которого модулируется по мощности высокочастотным узкополосным сигналом, а в приемной системе детектируется переменная составляющая сигнала обратного рассеяния на частоте модуляции. Исследована возможность диагностики слоистых рассеивающих структур в воде с помощью такого лидара. Предложена аналитическая модель сигнала обратного рассеяния лидара и сформулированы ограничения ее применимости. Показано, что разрешающая способность лидара по отношению к пространственным неоднородностям показателя рассеяния воды может быть оценена по частотной характеристике сигнала обратного рассеяния. Приведены примеры расчета разрешающей способности и оценен диапазон пространственных масштабов неоднородностей, которые могут быть разрешены лидаром с модулированным зондирующим пучком. Расчет проведен на основе данных о частотных характеристиках сигнала обратного рассеяния, полученных ранее с помощью численного моделирования методом Монте-Карло. Как показывают полученные оценки, предложенный метод открывает возможности диагностики структур неоднородностей с масштабами, ранее недоступными для измерений.

Представлен краткий обзор работ авторов, в которых развита аналитическая теория спектральных оптических характеристик различных типов морского льда как рассеивающей среды (коэффициентов ослабления и поглощения, индикатрисы рассеяния), а также модели отражения ледовым покрытием в Арктике. Лед моделируется как статистически однородная случайная смесь лед-воздух-вода с крупным (по сравнению с длиной волны излучения) масштабом неоднородностей. Параметры смеси (концентрации и размеры неоднородностей) определяются генезисом и положением слоев льда. Во всех случаях масштаб неоднородностей много больше длины волны света. Для определения оптических характеристик различных типов морского льда развиты теории рассеяния света стохастической смесью в приближениях геометрической оптики и Вентцеля—Крамерса—Бриллюэна. Спектральное отражение ледовыми полями описывается в рамках асимптотической теории распространения света в оптически толстых слабопоглощающих слоях. Для описания оптических характеристик тающего (летнего) льда развита модель отражения света прудом талой воды на льду (снежницей). Таким образом определяются все оптические характеристики арктического льда, которые необходимы в качестве входных данных для расчёта переноса излучения. Показано хорошее совпадение полученных результатов с данными измерений, выполненных в ряде арктических экспедиций. Развиты методы атмосферной коррекции спутниковых и полевых данных.

Для расчёта характеристик света, отражённого от взволнованной морской поверхности, применяются два подхода. Первый есть так называемый «Метод стохастических распределённых площадок», который позволяет рассчитывать только средние характеристики отражённого света. Второй — так называемый «Метод зеркальных точек», который для средних характеристик даёт тот же самый результат, что и метод стохастических распределённых площадок, однако метод зеркальных точек может быть применён для расчёта флуктуаций характеристик отражённого света. Кроме того, метод зеркальных точек имеет дело такими визуально воспринимаемыми геометрическими параметрами морской поверхности, какими являются расположение и число зеркальных точек, кривизны в зеркальных точках, которые пропорциональны размерам бликов. Эти параметры могут быть определены из снимки бликов и могут служить для определения состояния волнения посредством решения прямой и обратной задачи, которая сформулирована в виде интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода. Из этих параметров может быть определён также мгновенный рельеф морской поверхности, что открывает путь к постановке и решению новых задач. Корректность полученных теоретических выражений проверяется численным моделированием.

Настоящая работа направлена на исследование гидрооптического режима озерной части Горьковского водохранилища, основанного на судовых и лабораторных измерениях характеристик оптически активных компонентов воды и первичных гидрооптических характеристик, выполненных в 2016 г. Проанализирован массив данных, собранных в период с 27 апреля по 24 октября с 97 станций, покрывающих более половины площади озерной части водохранилища (на участке от дамбы до с. Сокольское). Обнаружено доминирующие влияние сине-зеленых водорослей на прозрачность водной толщи при квазиоднородном пространственно-временном распределении растворенного органического вещества на уровне 11—12 мг/л и пренебрежимо малой концентрации минеральной взвеси. Установлен диапазон изменчивости глубины видимости диска Секки от 0.2 м до 3.5 м при вариации численности сине-зеленых водорослей от 500 до 100 000 клеток/мл соответственно. Для этого диапазона изменчивости найдены регрессии между некоторыми первичными гидрооптическими характеристиками (показателем ослабления и поглощения на длине волны 650 нм) и численностью сине-зеленых водорослей, а также получены простые формулы оценки показателя ослабления и альбедо однократного рассеяния по измерениям глубины видимости диска Секки.

Представлены результаты валидации параметров кокколитофоридных цветений, рассчитанных по данным спутниковых наблюдений и натурных измерений спектрального коэффициента яркости моря R_rs в экспедициях ИО РАН в Баренцевом море в 2016 и 2017 гг. Основные рассматриваемые параметры — концентрация клеток кокколитофорид N_coc, рассчитанная по региональному алгоритму ИО РАН, и концентрация взвешенного неорганического углерода PIC, стандартный продукт НАСА. Оба параметра рассчитываются через показатель рассеяния назад взвешенными частицами b_bp. Выполненная валидация включала, во-первых, оценку ошибок атмосферной коррекции путем сопоставления значений R_rs, рассчитанных по спутниковым данным и данным судового спектрорадиометра. Во-вторых, — валидацию «дистанционных» значений показателя b_bp и концентрации N_coc, используя данные прямых определений концентраций клеток кокколитофорид и отделившихся кокколитов на отобранных пробах морской воды. В-третьих, сопоставление рассчитанных значений N_coc и PIC. Результаты работы показывают, что при благоприятных погодных условиях по спутниковым данным можно получать приемлемые оценки концентрации N_coc; для улучшения точности необходимо учитывать особенности изменчивости характеристик фитопланктона. Получено уравнение регрессии для связи между среднемесячными значениями N_coc и PIC для июля-августа с коэффициентом детерминации 0.82 и относительной ошибкой 18 % для расчета PIC через N_coc.

Представлены некоторые результаты апробации алгоритма восстановления вектора уклонов взволнованной водной поверхности по её изображению, полученному в условиях естественного освещения при ясном, безоблачном небе. Для эксперимента использовался надувной бассейн диаметром ~ 2 м. Для ослабления сигнала обратного рассеяния вода насыщалась нигрозином. Изображения фиксировались на цифровую фотокамеру. Волнение создавалось вручную. Кроме изображения взволнованной водной поверхности использовалась фотография «зеркального» участка небосвода, отражённого в воде в отсутствие волнения. Используется приближение, в рамках которого распределение яркости неба, отражённого в спокойной воде, в пределах кадра может считаться линейным. В указанных выше условиях, была найдена компонента вектора уклонов, коллинеарная градиенту яркости небосвода. Для её нахождения использовалось изображение взволнованной водной поверхности и фотография того же участка воды в отсутствие волнения. Вторая компонента определялась непосредственно по найденной, используя тот факт, что обе компоненты вектора уклонов являются производными одной скалярной функции — функции возвышений водной поверхности. Используемый алгоритм позволял с приемлемой точностью найти уклоны волн, бегущих в разных направлениях, кроме тех, что распространялись вблизи нормали к градиенту яркости неба.

Проведен анализ изменений прозрачности поверхностных вод Черного моря по данным определений глубины видимости белого диска. Использованы как литературные данные, так и результаты собственных экспедиционных определений на научно-исследовательских судах и стационарной океанографической платформе. Показано, что после катастрофического снижения прозрачности вод поверхностного слоя, отмечавшегося в начале 1990-х гг., произошло постепенное повышение ее значений до величин, наблюдавшихся в 1960—1980 гг. Снижение прозрачности объясняется перестройкой структуры планктонного сообщества вод Черного моря под воздействием поступления с речным стоком больших количеств биогенных веществ антропогенного происхождения и появлением вселенца — гребневика Mnemiopsis. Улучшению ситуации способствовало снижение хозяйственной активности прибрежных стран в связи кризисными явлениями в их экономике, а также появлением второго вселенца — гребневика Beroe ovata, который уменьшил воздействие гребневика Mnemiopsis на планктонное сообщество. Отмечается, что полного восстановления экосистемы моря не произошло, и следствием этого являются рецидивы аномального развития фитопланктона. Однако продолжительность восстановления экосистемы после рецидивов в настоящее время составляет 3—4 месяца, в отличие от периода в несколько лет в начале 1990-х гг.

Теоретически исследована возможность измерения частотно-угловых спектров модовых составляющих случайного поля пикноклинных внутренних волн малой амплитуды лидарным методом. Предложены алгоритмы восстановления спектров внутренних волн по измеренным спектрам относительных флуктуаций мощности лидарного эхо-сигнала с использованием данных о профилях частоты Вяйсяля и первичных гидрооптических характеристик. Показано, что при определенных условиях частотно-угловой спектр флуктуаций мощности эхо-сигнала, приходящего с заданной глубины, представляется в виде суперпозиции частотно-угловых спектров модовых составляющих поля внутренних волн с весовыми множителями, зависящими от профилей первичных гидрооптических характеристик и вертикальной структуры мод. Поэтому спектр одномодового поля внутренних волн может быть определен по флуктуациям эхо-сигнала с одной правильно выбранной глубины, а спектр многомодового поля — по сигналам с нескольких различных глубин, число которых не должно быть меньше числа мод. Приведены формулы для оценки погрешностей определения спектра внутренних волн, обусловленных погрешностью измерения спектра флуктуаций эхо-сигнала, а также погрешностями задания невозмущенного профиля показателя ослабления света и функции, характеризующей вертикальную структуру моды. Процедура восстановления спектров двухмодового поля проиллюстрирована численным экспериментом с использованием реальных гидрологических и гидрооптических данных, полученных в одном из районов Баренцева моря.

Для Черного моря проведено сравнение трех алгоритмов, стандартного NASA, Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН и Морского гидрофизического института РАН, восстановления концентрации хлорофилла-а (С_а) по данным спутниковых измерений в видимом диапазоне спектра на основе доступных измерений in situ за период с 1997 по 2015 гг. Результаты сравнения для трех спутниковых сканеров SeaWiFS, MODISAqua и MODIS-Terra показали: 1) стандартный продукт NASA завышает С_а во всем его диапазоне изменчивости в Чёрном море, причём величина относительной ошибки составляет около 300 %; 2) продукт Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН аппроксимируется в логарифмических осях {С_а(in situ), С_а(алгоритм)} прямой, которая имеет такой же наклон, как и аналогичная аппроксимация стандартного продукта NASA, но, благодаря сдвигу в диапазоне С_а от 0.2 до 0.9 мг∙м⁻³, лучше соответствует наблюдениям в терминах относительной ошибки (~80 %); 3) продукт Морского гидрофизического института дает наименьшую относительную ошибку (~40 %), но обладает высокой чувствительностью к качеству спектрального коэффициента моря (R_RS), т. е. к отношению R_RS в двух спектральных каналах из диапазона 480—560 нм.

Оценка экологического состояния прибрежных вод или вод внутренних морей требует оперативного получения подробных данных об акватории. Разработанный нами новый трехканальный пассивный оптический комплекс для экологического мониторинга морских акваторий позволяет получать спектры коэффициента яркости моря с борта движущегося судна. Для обработки результатов измерений с целью получения данных о концентрации имеющихся в воде естественных примесей используется оригинальный метод решения обратной задачи, основанный на учете особенностей спектра поглощения света чистой водой, — метод водной адсорбционной ступеньки. Комплекс для экологического мониторинга морских акваторий совместно с программой метода водной адсорбционной ступеньки был использован для изучения зон смешения различных типов вод в Черном море. Производя измерения с пространственным разрешением 3 метра с борта движущегося судна, он позволил получить подробную картину распределения примесей по двум исследуемым акваториям прибрежных районов Черного моря различной трофности. Данные дистанционного зондирования были верифицированы результатами измерений, полученными на станциях.

Кусиэль Соломонович Шифрин
(1918-2011)