Перевод на англ. яз.: Е.С. Кочеткова, 2019

Структура и внутренняя динамика интрузионного течения изучалась при помощи двумерной численной модели стратифицированных по плотности течений в вертикальной плоскости. Течение в модельном пространстве формировалось за счет притока жидкости промежуточной плотности в двухслойную среду. Приток осуществлялся в виде двух импульсов фиксированного объема с заданным интервалом времени между ними. Начальная стратификация определялась перепадом плотности между слоями равной толщины и толщиной промежуточного слоя. Для идентификации водных масс отдельных импульсов в расчетах использовались индивидуальные поля пассивной примеси. Предложен набор безразмерных параметров, определяющих начальные и граничные условия задачи. Численные эксперименты показали существенное влияние пульсаций расхода источника на эволюцию интрузионного течения. В зависимости от параметров затока может происходить как ускорение, так и замедление горизонтального распространения объема второй интрузии. Приведены примеры различной динамики объема второго импульса при закритических и докритических начальных числах Фруда. Расчеты показывают, что импульсный характер источника в наибольшей степени модифицирует течение при коротком интервале времени между импульсами.

Сформулирована одномерная модель пограничного слоя над волнами. Модель основана на результатах ранее проведенных численных экспериментов с объединенной двумерной моделью волнового пограничного слоя. Пограничный слой над волнами отличается от пограничного слоя над твердой поверхностью появлением дополнительного механизма вертикального волнового потока импульса, созданного непосредственно искривленной и движущейся поверхностью. Одномерные уравнения волнового пограничного слоя могут быть выведены только в следующей поверхности системе координат. В этом случае уравнения явно содержат дополнительные члены, отражающие специфику взаимодействия ветра и волн. Обмен импульсом между ветром и волнами рассчитывается в спектральном пространстве как сумма отдельных потоков создаваемых волновыми модами. Традиционно предполагается, что поток импульса пропорционален спектральной плотности волновой энергии с коэффициентом пропорциональности, зависящим от возраста моды. Проведены расчеты, иллюстрирующие особенности волнового пограничного слоя: профили скорости ветра, энергии турбулентности, волновых и турбулентных потоков импульса. Обсуждается соотношение внешнего (на верхней границе волнового пограничного слоя) и внутреннего (у поверхности) параметров шероховатости. Показывается, что коэффициент сопротивления зависит от скорости ветра и от параметров волнения, в частности, от формы спектра, что объясняет большой разброс данных для этой величины. Сформулированы перспективы дальнейшего развития подхода и его применения в задачах геофизической гидродинамики. Модель такого рода предназначена для объединения атмосферных и океанических моделей с моделями поверхностных волн.

Для моделирования длинноволнового воздействия на гидротехнические сооружения ставится краевая задача в трехмерной области для уравнений движения, неразрывности, конституентов плотности и характеристик турбулентности. Задача решается разностным методом поэтапно на каждом временном шаге; негидростатическая компонента давления определяется на заключительном этапе решением краевой задачи для уравнения Пуассона. Расчеты выполняются с помощью программного комплекса CARDINAL. Используется гранично-зависимая криволинейная сетка, по вертикали s-преобразование. Характеристики турбулентности рассчитываются с помощью k-e модели. Численный метод тестируется на модельных примерах. Для оценки влияния негидростатического модуля приводятся результаты расчета экстремального цунами на водозаборе атомной электростанции Эль-Дабаа, Египет, проектируемой на побережье Средиземного моря, и расчет поля скорости при штормовом нагоне в судопропускном сооружении комплекса сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений. Обнаружено, что в негидростатической постановке при входе в узость, на поднятии дна увеличение вертикальных скоростей во всей толще воды до поверхности вызывает здесь локальный подъем уровня. Приводимые приложения метода показывают, что динамическая компонента давления может заметно модифицировать структуру течений на элементах гидротехнического сооружения.

Перевод на англ. яз.: Е.С. Кочеткова, 2019

На основе данных ретроспективных расчетов параметров ветрового волнения проведена оценка ресурсов энергии ветровых волн в Балтийском море. Расчеты параметров волнения выполнены с помощью спектральной модели SWAN и данных о ветре из реанализа NCEP/CFSR (CFS2) 1979–2015 гг. Расчеты проводились на прямоугольной сетке 0.05°. Были получены карты распределения среднемноголетней мощности энергии ветровых волн на метр фронта волны за период 1979–2015 гг. Ее максимальные значения достигают 6–6.5 кВт/м и расположены в центральной и юго-восточной частях Балтийского моря, для прибрежной зоны Калининградской области они составляют 3–4 кВт/м. Произведен анализ сезонной и межгодовой изменчивости мощности волновой энергии для двух точек, расположенных в открытом море и в прибрежной зоне юговосточной Балтики. Наибольшие показатели приурочены к осенне-зимнему периоду, наименьшие – к весеннелетнему. Рассчитаны показатели среднемноголетней обеспеченности волновой энергии для нескольких пороговых критериев. Так, обеспеченность волновой энергии с пороговым значением 1 кВт/м для центральной части моря составляет 55–60%.

Измерения, выполненные в окрестности Слупского порога с помощью привязного свободно-падающего микроструктурного зонда, выявили наличие пятна с высоким уровнем скорости диссипации турбулентности непосредственно за порогом с восточной стороны в придонном слое, заполненном распространяющейся на восток соленой водой. Предложен метод, позволяющий количественно оценить роль топографического препятствия наподобие Слупского порога в перемешивании/трансформации затоковой воды по данным микроструктурных измерений. Для этого сначала по вертикальным профилям удельной скорости диссипации кинетической энергии турбулентности и потенциальной плотности рассчитывается скорость вовлечения воды пониженной солености из вышележащего слоя в придонный турбулентный слой соленой воды. Затем, полагая, что в придонном течении соленой воды критическое значение числа Фруда достигается непосредственно над порогом, оценивается расход течения. Наконец, из баланса между адвекцией и турбулентным вовлечением можно получить оценку изменения солености распространяющейся на восток соленой воды из-за интенсификации перемешивания в области порога. Получено, что локальное усиление турбулентного перемешивания в районе Слупского порога ответственно примерно за 5 % уменьшения солености затоковых вод на пути от Арконского бассейна до Готландской впадины.

Установление целевых показателей сокращения биогенной нагрузки на Балтийское море и мониторинг выполнения этих целей требует достоверной информации о количестве биогенных веществ, поступающих с  территории всех стран Финского залива. Целью исследования было оценить поступление общего азота и общего фосфора с российской территории в Финский залив – один из самых эвтрофированных подбассейнов Балтийского моря. Оценка биогенной нагрузки проводилась на основе доступных данных наблюдений и статистических данных, данных математического моделирования и данных дополнительного мониторинга в  ранее неконтролируемых областях. Представлены и проанализированы новые данные о поступлении биогенных веществ на небольших неконтролируемых притоках Финского залива. Показано, что для выполнения рекомендаций по снижению уровня питательных веществ согласно Плану действий ХЕЛКОМ по Балтийскому морю для Финского залива необходимо дальнейшее сокращение поступления общего азота на 2084 т/год и общего фосфора на 202 т/год со стороны России. Представлены предложения по улучшению российской системы мониторинга.

Рассмотрены физические механизмы формирования информативных признаков отраженного от объекта акустического эхосигнала, обусловленного упругими свойствами материала объекта. Показано, что под воздействием зондирующего гидроакустического сигнала в облучаемом объекте возникают вынужденные и собственные механические колебания различных видов, в том числе на частотах, не связанных с частотой облучения. Эти колебания имеют достаточную амплитуду и вызывают вторичное индуцированное звуковое излучение, которое складывается с основным отражением, и в результате интерференции возникает суммарный модулированный сигнал, несущий в себе информацию о материале объекта. Основными классификационными признаками, позволяющими идентифицировать материал объекта, являются: волновое сопротивление, скорость поверхностной звуковой волны, частоты собственных резонансных колебаний и декремент их затухания. Описаны результаты проведенных лабораторных экспериментов по распознаванию материала объекта методом гидроакустической эхолокации. Определены направления и задачи дальнейших исследований. Для усиления информативных признаков отраженных эхосигналов, особенно для идентификации малогабаритных объектов, требуется оптимизировать характеристики приемо-излучающей аппаратуры в определенном направлении, в том числе характеристики приемо-излучающих антенн. Кроме того, должны быть оптимизированы параметры зондирующих сигналов и алгоритмы обработки отраженных сигналов.

Проведен анализ влияния сверхнизкочастотных (с частотой ниже 0.05 Гц) флуктуаций подводного шумоизлучения морских судов на возможность выделения амплитудной модуляции сигнала, существующей в диапазоне частот качки морских судов на взволнованной поверхности (от 0.03 до 0.5 Гц). На основе анализа записей сигналов, полученных в натурных условиях, определены возможные характерные варианты спектров сверхнизкочастотных флуктуаций. Наблюдалось, что сверхнизкочастотные могут проявляться в отдельных диапазонах общей полосы частот несущего сигнала (от 0.5 до 8.0 кГц). Предложены различные гипотезы о природе образования сверхнизкочастотных флуктуаций в зависимости от гидролого-акустических условий. Показано, что сверхнизкочастотные флуктуации могут оказывать негативное влияние на возможность обнаружения амплитудной модуляции. Рассмотрены возможные схемы выделения амплитудной модуляции сигнала в диапазоне частот качки на фоне сверхнизкочастотных флуктуаций. Предложен способ компенсации влияния сверхнизкочастотных флуктуаций для типового устройства обнаружения амплитудной модуляции, обусловленной качкой. Предложенный способ реализован программным образом в составе типового устройства. Показана работоспособность способа на натурных записях шумовых сигналов морских судов.

Рассматривается совместное распознавание объекта и определение дистанции методом сравнения спектральной плотности давления шумового сигнала, наблюдаемого на определенной дистанции объекта, с эталонными спектральными плотностями давления шумовых сигналов объектов, хранящимися в базе данных. Решение задачи основано на минимизации меры близости между обнаруженным сигналом и эталонными, хранящимися в базе данных спектров сигналов. В статье проведен анализ основных известных методов оценки дистанции в режиме шумопеленгования и проведен сравнительный анализ различных мер близости для решения задач распознавания и оценки дистанции обнаруженного морского объекта. Рассматривались наиболее характерные меры, отражающие специфику различных видов расстояний: подобности и расстояния для числовых данных (Ружечки, Брея–Кёртиса, Канберры, Кульчинского), аналоги Евклидова расстояния (Евклидова метрика, метрика Манхэттена, расстояние размера Пенроуза, расстояние формы Пенроуза, Лоренцевское расстояние, расстояние Хеллинджера, расстояние Минковского, расстояние Махаланобиса или статистическое расстояние), корреляционные подобности и расстояния (корреляция Пирсона, подобность Орчини, нормированное скалярное произведение). Показана низкая эффективность корреляционных и ковариационных мер близости и целесообразность использования для решения рассматриваемой задачи разностных мер близости – аналогов Евклидова расстояния. Показано, что значения этих мер близости сильно зависят от уровня шумности объекта, что определяет необходимость сравнения измеренного сигнала и эталонных сигналов различных уровней шумности (построения сетки по шумности). Определены перспективные направления дальнейших исследований.

На примере беломорской популяции гренландского тюленя рассматриваются возможности совершенствования технологии авиаучета численности морских млекопитающих за счет использования данных спутниковой СВЧ-радиометрии, позволяющей выявить районы так называемых «горячих точек», где вероятность нахождения ледо-ассоциированных морских животных в период репродукции максимально вероятна, что позволяет повысить эффективность авиасъемки и существенно снизить расходы на ее проведение. Приводятся результаты многолетних авиаучетов морского зверя, проводившихся с борта летающих лабораторий ПИНРО Ан-26 «Арктика» и НИИ ГИПРО Рыбфлот Л-410 «Норд».

Рассматриваются исследования К.С. Шифрина, посвященные развитию и непосредственному применению точных и приближенных методов решения проблемы рассеяния света малыми частицами. Обсуждается роль монографии «Рассеяние света в мутной среде» (ГИТТЛ, 1951) и пятитомного издания «Таблиц по светорассеянию» (ГИМИЗ, 1966-73). Отмечены работы, рассматривающие очень большие или очень малые рассеивающие частицы, частицы с относительным показателем преломления близким к 1, двуслойные частицы и частицы с показателем преломления, непрерывно меняющимся вдоль радиуса, а также ряд иных работ, связанных с решением прямых задач светорассеяния.

Многоканальная СВЧ-радиометрия является в настоящее время непременным измерительным датчиком, размещаемым практически на всех природно-ресурсных и геоэкологических спутниках Земли. В работе рассказывается история создания методов и средств аэрокосмической дистанционной диагностики системы «Земля–атмосфера», теоретические основы которой были сформулированы в начале 1960-х гг. ведущим научным сотрудником Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова профессором Кусиелем Соломоновичем Шифриным. Выполнен обзор развития и совершенствования методов СВЧ-радиометрии от момента создания до новейших достижений в области аэрокосмической дистанционной диагностики опасных и экологически значимых природных процессов и явлений. Подробно описано создание технологий спектральнополяризационного СВЧ-картирования волнения на море и скорости приводного ветра, а также загрязнения водной поверхности, картирования сплоченности морского и озерного льда.