Рассматривается изученность и перспективы исследований гидрофизических процессов и экосистем крупных озер и Белого моря. Представлены рекомендации по постановке целенаправленных исследований, необходимых для создания, калибрации и верификации численных моделей для прогноза изменений экосистем. Показаны преимущества организации специализированных исследований на полигонах в озерах и Белом море по сравнению с постановкой подобных экспериментов в океане. Представлены как традиционные подходы к моделированию физико-химико-биологических процессов, так и инновационные разработки для описания водных экосистем в условиях недостатка знаний, например для зимнего подледного режима, с применением т. н. метода конечных автоматов. Предлагаются оценки изменений экосистем для решения задач рационального использования и сохранения ресурсов водоемов. Приведены сведения об использовании когнитивного подхода для описания социо-эколого-экономических процессов системы водоем-водосбор. Обосновывается необходимость создание специализированных полигонов для создания новых прорывных технологий в области гидрологии, океанологии, метеорологии и климатологии, совершенствования системы мониторинга. Показана необходимость объединения средств и возможностей разных организаций для постановки комплексных экспериментов и создания моделей для решения задач рационального использования внутренних водоемов.

Рассматриваются результаты совместной обработки данных по течениям и условной плотности, собранных в трех экспедициях, выполненных в 2016 г. в северной части Черного моря. Измерения профилей скорости течений производились с использованием погружаемого акустического доплеровского профилометра течений. Приводятся горизонтальные распределения течений. Обсуждаются характерные особенности вертикального распределения осредненной по ансамблю станций кинетической энергии в деятельном слое моря. Показано, что уменьшение кинетической энергии с глубиной наиболее быстро происходит в слоях сезонного и основного пикноклинов, проявляя почти линейную зависимость от условной плотности. Сезонная изменчивость значения осредненной кинетической энергии прослеживается до глубины залегания изопикны со значением условной плотности 16.7 кг/м3 . Приводятся изопикнически осредненные по ансамблю станций профили квадрата вертикального сдвига скорости течения. В слое основного пикноклина в окрестности максимума частоты плавучести отмечается максимум среднего значения квадрата сдвига для каждой экспедиции. Обсуждаются профили коэффициента вертикальной турбулентной диффузии в слое основного пикноклина, полученные по мелкомасштабным данным с использованием параметризации G89. По данным трех экспедиций отмечается усиление процессов вертикального обмена с ростом глубины. Наибольшие значения коэффициента диапикнического обмена наблюдаются в летний сезон.

В работе представлены результаты анализа данных наблюдений, полученных в период весенней подлёдной конвекции в мелководном Вендюрском озере. Использование высокоточных температурных датчиков позволило количественно описать динамику конвективного перемешанного слоя и оценить его интегральные параметры. Течения в конвективном перемешанном слое измерялись с помощью акустического допплеровского профилографа скорости. Показано, что, несмотря на относительно малые (порядка мм/с) скорости движения, динамика слоя представлена пульсациями в широком спектре частот, что свидетельствует о развитом турбулентном режиме конвекции. Основное внимание было уделено изучению низкочастотных колебаний и, соответственно, крупномасштабной пространственной структуры слоя. На основе использования кумулятивных методов (анализ годографов и прогрессивно-векторных диаграмм) установлено, что эта структура представлена системой конвективных ячеек, играющих роль когерентных структур. При этом наблюдаемая нерегулярность пульсаций в низкочастотной области не противоречит существованию квазидетерминированных ячеек. Динамика таких пульсаций может служить примером возникновения хаоса в маломодовых системах. Процедура распознания образа ячеек основывалась на сопоставлении прогрессивно-векторных диаграмм с семействами диаграмм, рассчитанных с использованием простейших идеализированных моделей ячеек. В рамках разработанной процедуры идентификации ячеек произведена оценка их параметров.

Решается задача об оценке приливных изменений региональных климатов морских систем на примере Карского моря. В основу исследования положена трехмерная конечно-элементная гидростатическая модель QUODDY-4. Используя эту модель, выполнены два численных эксперимента. В одном из них внешний форсинг задается как суммарный (ветровой + термохалинный + приливный), во втором — как комбинированный (ветровой + термохалинный). Показано, что поля предсказанных значений температуры и солености морской воды на глубине основания пикноклина и уровня свободной поверхности моря при суммарном форсинге, согласуются, как и должно быть, с данными наблюдений: средний (по площади моря) коэффициент корреляции между ними составляет 0.681, 0.493 и 0.678 соответственно. Определяя приливные изменения климатических характеристик как разности тех или иных переменных при суммарном и комбинированном форсингах, мы заключили, что приливные изменения температуры и уровня получаются соизмеримыми с самими переменными, а приливные изменения солености — меньшими на порядок величины этой переменной. Иначе говоря, вклады приливных изменений температуры морской воды и уровня в их формирование оказываются значительными, тогда как вклад приливных изменений солености — значимым.

Описана внутрисезонная изменчивость основных фронтов внутри Стоковой (связанной с влиянием рек Оби и Енисея) и Прикромочной (связанной с таянием арктических льдов) фронтальных зон Карского моря с июля по сентябрь в 2007 и 2011 гг. Выполнены оценки ширины и максимального градиента температуры поверхности моря в этих фронтальных зонах. В качестве исходных данных использовались поля температуры поверхности моря и рассчитанные по ним градиенты из продукта GHRSST OSTIA Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis. Установлено, что в поле градиентов температуры поверхности моря фронтальные зоны распадаются на отдельные контрастные пятна, и для выделения их на акватории всего моря требуется совмещение данных по градиентам и температуры поверхности моря, что потребовало разработки отдельной методики. Показана сложная структура фронтальных зон и значительная пространственно-временная изменчивость положения их основных фронтов. Установлено, что в сентябре отмечается пик внутрисезонной динамики у Прикромочного фронта, а в августе — у Стокового фронта. В другие месяцы внутрисезонная динамика выражается в меандрировании положения Прикромочного и Стокового фронта. Выявлено, что в рассматриваемые годы средний градиент температуры внутри Стоковой фронтальной зоны составляет 0.029 °C/км, при ширине около 137 км, а в Прикромочной — 0.027 °C/км при ширине почти 104 км.

К вопросам математического моделирования нефтяных разливов на поверхности моря в последнее время приковано значительное внимание исследователей. Не смотря на то, что в этой области предложен ряд подходов для моделирования основных процессов переноса и трансформации нефти на поверхности моря, многие из них по ряду причин не удовлетворительны и не соответствуют данным наблюдений и/или экспериментов. Причина этого в сложности этих процессов, имеющих комплексный характер. В построенных моделях одновременно рассматриваются значительное число действующих факторов и вводятся большое количество подбираемых параметров в используемых выражениях, что приводит к трудностям при анализе (интерпретации) результатов. В связи с этим имеется необходимость рассматривать не зависимо отдельные процессы, сопровождающие трансформацию нефтяного разлива. В настоящей работе внимание концентрируется на процессе растекания нефтяного разлива и движении его границы. Подход основывается на решении системы уравнений в частных производных вытекающих из рассмотрения баланса сил, действующих на осесимметричное пятно. Цель работы состоит в построении метода численного решения способного правильно описать движение контактной границы разлива. Оригинальность предлагаемого подхода заключается в том, что в нем, с одной стороны, предлагаются граничные условия специфические для каждой стадии Фэя, а с другой стороны рассматривается способ численного решения уравнения растекания на основе метода характеристик. Показано, что получаемое численное решение согласуется с формулами Фэя.

На основании данных натурных наблюдений, полученных в период проведения экспериментальных работ в августе 2016 г. в глубоководном районе Баренцева моря ниже критической широты для полусуточного прилива, выполнен статистический анализ временной изменчивости температуры и показателя ослабления света в границах слоя скачка. Выделены основные черты поля короткопериодных внутренних волн). В районе преобладает внутреннее волнение высотой 1—2 м и периодом 10—20 мин, которое составляет примерно 45 % от общего числа наблюдений. Периоды 40 % зарегистрированных волн — 20—60 мин. Внутренние волны с периодом свыше 20 мин имеют длину от 500 м и более, а фазовую скорость — 40—45 см/с. Хорошо выраженных, соответствующих критериям интенсивных внутренних волн, цуговых систем за все время проведения работ не наблюдалось. Выделены статистически значимые глобальные временные масштабы вертикальных смещений термоклина, равные 20 и 40 мин. В фазу отлива в диапазоне периодов внутренних волн 25—50 мин происходит единовременное взаимное усиление колебаний термоклина по данным температуры и показателя ослабления света, которое приходится на сизигию в период максимума. Установлено, что в диапазоне 20—60 мин имеет место синхронная взаимосвязь между колебаниями температуры и показателя ослабления света с когерентностью свыше 0.9. Столь высокое значение когерентности является достаточным обоснованием применения контактных и дистанционных оптических средств измерений для регистрации в глубоководных районах Баренцева моря внутреннего волнения в диапазоне 20—60 мин. Колебания термоклина с периодами менее 20 мин проявляются в виде нерегулярных когерентных структур с фазовой нестабильностью и поэтому не могут служить надежным индикатором поля короткопериодных внутренних волн по результатам только лишь оптических наблюдений.

В работе исследованы дальние поля поверхностных волновых возмущений от осциллирующего локализованного источника, быстро движущегося в тяжелой жидкости бесконечной глубины. Возбуждаемые поля представляют собой сумму двух клиновидных корабельных волн, которые заключены внутри соответствующих волновых клиньев. Каждая из возбуждаемых двух волн представляет собой сложную волновую систему поперечных и продольных волновых возмущений. Изучены свойства дисперсионных кривых и рассчитаны фазовые картины, описывающие структуру волновых поверхностных возмущений. Изучены характеристики возбуждаемых волновых полей в зависимости от основных параметров волновой генерации: скорости движения источника возмущений и частоты его осцилляций. Построены равномерные асимптотические решения, выражающиеся через функцию Эйри и ее производную, позволяющие описывать дальние поля поверхностных возмущений как вне, так и внутри соответствующих волновых клиньев.

Рассматриваются принципы формирования радиолокационных изображений, непосредственно отображающих поле горизонтальной скорости морской поверхности. Основным параметром, характеризующим качество изображений, является флуктуационно-скоростная чувствительность на заданной площадке поверхности. Одновременно формируемые яркостные изображения характеризуются флуктуационно-яркостной чувствительностью. Принципы формирования и достижимые параметры изображений различны для стационарных, авиационных и космических платформ, поэтому они рассматриваются последовательно, с оценкой достижимых параметров. Корабельный радар кругового обзора, использующий широкополосный сигнал и разностно-фазовый алгоритм обработки, работая на небольшой дальности, способен обеспечить флуктуационно-скоростную чувствительность порядка ~10 см/с на симметричной площадке размером ~30 м. Самолётный ИРСА (интерференционный радар с синтезированной апертурой и продольной антенной базой) способен обеспечить лучшую чувствительность на значительной дальности и на гораздо меньшей площадке, что отвечает большинству океанологических задач. При этом целый рад факторов заставляет вводить специальные алгоритмы обработки сигнала, использующие измеренную радиальную скорость для устранения азимутального сдвига движущейся площадки. При переходе на космический носитель та же технология требует существенного увеличения размера антенной базы и мощности излучения, что и достигается в действующей германской системе Tandem TerraSAR-X. Даются оценки применимости рассматриваемых методов и перспектив их развития.

В кратком изложении представлено описание основных этапов возникновения и развития в нашей стране гидрофизики океана, одного из разделов комплекса наук, объединяемого общим названием «Океанология». Начало гидрофизики океана в России заложено трудами великого русского ученого Михаила Васильевича Ломоносова, который в конце XVIII в. впервые проанализировал и описал основные черты гидрофизического режима Северного Ледовитого океана. Первые отечественные инструментальные наблюдения над температурой океанской воды на большой глубине были выполнены Иваном Федоровичем. Крузенштерном в 1803—1806 гг. во время его кругосветного плавания на судне «Надежда». Важным событием в развитии гидрофизики уже в XX в. явился выход в свет книги Юлия Михайловича Шокальского «Океанография» (1917 г.) — первой отечественной монографии, давшей развернутое представление о состоянии гидрофизических знаний на тот момент времени. В рамках систематического обзора основных вех в последующем становлении и развитии гидрофизики океана в работе названы имена ведущих деятелей российской науки, создавших ее основы и собственные научные школы, активно функционирующие на протяжении многих десятилетий и имеющие на своем счету немало творческих достижений мирового уровня.