Исследуется влияние разных вариантов параметризации планетарного пограничного слоя атмосферы в системе «морские волны – атмосферная циркуляция» на качество воспроизведения эволюции ветрового волнения. Описывается система, состоящая из модели WAVEWATCH (морские волны) третьего поколения и модели региональной циркуляции WRF (атмосфера), адаптированная для региона Балтийского моря. Рассматриваются схемы параметризации планетарного пограничного слоя атмосферы, используемые в модели WRF. Из всех проведенных экспериментов представлены два наиболее показательных случая со штормовыми условиями, наблюдающимися в 2014 году: 11—20 августа и 4—10 октября. Сравнивается среднеквадратическая ошибка воспроизведения высоты доминантной волны, рассчитанной по данным с 4 автоматизированных буев, принадлежащих FMI (Finnish Meteorological Institute), которые расположены в центре Балтийского моря, в северной и южной части Ботнического залива и в Финском заливе. Оценивается чувствительность воспроизведения высоты значительной волны к разным способам задания планетарного пограничного слоя атмосферы. Рассматривается эволюция штормового волнения в каждой точке, где находится буй. Обосновывается выбор параметризации, при которой наиболее точно воспроизводится ветровое волнение.

Прогнозирование состояния морской среды в рамках оперативной океанологии на основе численных моделей, использующих приближение гидростатики, требует восстановления полного гидростатического давления по имеющимся измерениям. При условии, что отклонения уровня моря, связанные с неоднородностью поля плотности, могут быть получены при усвоении данных глубоководных термохалинных измерений, остается необходимость нахождения баротропной компоненты давления. Последняя задача может быть решена, в частности, с помощью спутниковых измерений альтиметрии. Однако такие данные могут содержать как значимые погрешности, в особенности для Арктических морей и прибрежных районов, так и быть недоступны. В настоящей работе рассматривается возможность восстановления баротропной составляющей гидростатического давления, связанной с придонным давлением, по данным измерений скоростей течений. Показано, что в рамках приближения гидростатики придонное давление может быть приближенно восстановлено на основе измерений скорости течений в придонном слое. В численных экспериментах рассматривалась задача о воспроизведении структуры течений при ветровом нагоне для баротропного океана при невозмущенном начальном уровне. Проведенные расчеты подтверждают возможность восстановления баротропной составляющей гидростатического давления с приемлемой для задач оперативной океанологии точностью.

Одной из проблем оперативного прогноза цунами является большое (свыше 75%) количество ложных тревог. Согласно современным представлениям, службы предупреждения о цунами должны объявлять не только обоснованные общие тревоги, но и дифференцированные по степени опасности для конкретных участков побережий. Тревога цунами должна объявляться с разумной заблаговременностью только в тех пунктах, в которых цунами представляет реальную угрозу, и сопровождаться информацией о временах прихода первой, максимальной волн, их амплитудах, а также об ожидаемом времени окончания цунами. Прогноз цунами, отвечающий этим требованиям, возможен при использовании информации о цунами, получаемой в открытом океане глубоководными станциями измерения уровня. В случаях локальных цунами станции измерения уровня океана, расположенные вблизи очага, содержат шумы сейсмического происхождения, наложенные на полезный сигнал о цунами, что может затруднить получение адекватного прогноза.

Представлены результаты численного моделирования процесса оперативного прогноза локальных цунами 2006 и 2007 гг. на Курильских островах по данным ближайшей к островам глубоководной станций измерения уровня океана. Расчет выполнен по данным станции, осложненным помехами сейсмического происхождения. Показана принципиальная возможность оперативного прогнозирования цунами, возникающих в районе центральных Курильских островов, по данным ближайшей к очагам станции измерения уровня даже при наличии сейсмических шумов. Заблаговременность прогноза для населенных пунктов северных и южных Курильских островов составляет 0.5—1.5 ч, что обеспечивает своевременную подачу тревоги и эвакуацию населения в безопасные места.

В рамках модели нелинейных длинных волн выполнено численное моделирование эволюции волн цунами в Азово-Черноморском бассейне для 10 эллиптических очагов, которые соответствовали уже имевшим место цунамигенным подводным землетрясениям. Рассчитано время добегания волн до побережья Черного и Азовского морей. Оно составило от нескольких минут для ближайших к очагу участков побережья до 4.5 часов для участков побережья вблизи Одессы. В результате численных экспериментов получены максимальные повышения уровня моря вдоль побережья Черного и Азовского морей при распространении волн цунами из зон локальных землетрясений. Выявлены наиболее подверженные воздействию волн цунами участки побережья. Повышения уровня моря вдоль побережья при прохождении волн цунами, вызванных землетрясениями магнитудой 7, составляют десятки сантиметров и в некоторых зонах достигают 1 м. Показаны зависимости амплитудных характеристик волн цунами от магнитуды землетрясения и от местоположения очагов генерации цунами. При смещении локального очага цунами в глубоководную часть моря амплитуды колебаний уровня вблизи берега возрастают. Увеличение магнитуды землетрясения приводит к усилению колебаний уровня моря, которые могут превысить высоту начального возмущения.

Для изучения характеристик распространения частиц микропластика, поступающих с водами Невы, в Невской губе и в восточной части Финского залива используется трехмерная численная гидродинамическая модель, основанная на Принстонской модели океана POM. Модель реализована на равномерной квазиортогональной горизонтальной сетке с шагом 100 м, в вертикальном направлении используются 7 равномерно распределенных сигма-уровней. Морские начальные условия и условия на западной границе для уровня воды, температуры и солености были взяты из оперативной модели Балтийского моря HIROMB-BOOS Датского метеорологического института с дискретностью 1 час. На восточной границе в устье Невы были заданы среднемесячные климатические значения расхода и температуры Невы. Атмосферное воздействие было взято из результатов реанализа ERA-Interim с 6-часовым временным разрешением и пространственным разрешением 0.125 × 0.125°. Были рассмотрены два типа суспензии, которые моделировали распространение частиц микропластика в воде: примесь нейтральной плавучести и оседающая взвесь со скоростью опускания 0.2 м/сут. Оба типа взвеси поступают из Невы с постоянной объемной концентрацией 10−6. Для расчета толщины слоя осаждающейся фракции на дне используется упрощенное уравнение Экснера. Расчеты проводились за период май—август 2018 года, когда был выполнен мониторинг пластикового мусора на пляжах Невской губы и восточной части Финского залива.

Согласно результатам расчетов, пространственное распределение опускающихся частиц в целом повторяет распределение примеси нейтральной плавучести, с той лишь разницей, что чем дальше от источника частиц на запад, тем ниже концентрация опускающихся частиц. Существенной особенностью распределения является то, что большая часть рассматриваемого периода концентрации в северной части модельного домена выше, чем в его южной части. Изменение толщины донного слоя частиц осаждающейся фракции в конце периода счета 31 августа 2018 г., т.е. накопление частиц микропластика в донных отложениях за рассматриваемый период, характеризуется той же особенностью, что и распределение взвеси обоих типов в воде: накопление микропластика в донных отложениях в северной части модельной области за пределами Невской Губы было заметно больше, чем в южной части, особенно в прибрежной зоне.

Данные по мониторингу загрязнения пляжей побережья пластиковым мусором косвенно подтверждают полученные результаты: на южном побережье восточной части Финского залива за пределами Невской Губы практически не было пластикового мусора в период с июня по август 2018 года, хотя он был обнаружен в значительных количествах на северном побережье. Таким образом, модельные оценки распространения частиц микропластика в воде и их накопления в донных отложениях могут быть использованы для выбора районов для будущей работы по мониторингу загрязнения пластиковым мусором побережья Финского залива.

В рамках исследования структуры циркуляции Черного моря на глубинах ниже главного пикноклина представлены данные о преобладающих направлениях, изменчивости и скорости течений. Данные о вертикальных профилях течений были получены контактными методами в ходе экспедиционных работ Морского гидрофизического института. Для исследования глубинных течений были выбраны 25 станций, которые содержали измерения на горизонте 500 м и более. Приводятся характеристики приборов и географическое расположение станций.

Периоды зондирований на станциях варьировали в пределах от нескольких часов до двух месяцев. Обеспеченность данными как по времени, так и по пространству существенно неравномерна, однако в работе впервые описан и проанализирован полный массив измерений глубоководных течений начиная с 1960 года. После оценки качества данных и приведения к горизонтам 500, 750 и 1000 м сформирована таблица, демонстрирующая обеспеченность, повторяемость направления и средние оценки скоростей течений.

Анализ вертикальных профилей показал, что векторы скорости течений на некоторых станциях в приповерхностном и глубинных слоях имеют близкие направления. Однако на большинстве из рассмотренных профилей направления скорости на разных горизонтах существенно отличаются. Для каждой станции и каждого горизонта были построены и проанализированы диаграммы направлений и модуля скорости течений, они использованы для иллюстрации случаев разворота течений на разных горизонтах. Абсолютная величина вектора скорости на горизонтах глубже 500 м может превышать значение в вышележащих слоях.

Основными средствами освещения подводной обстановки продолжают оставаться гидроакустические системы, обнаруживающие и оценивающие параметры подводных источников звука. Рассмотрена естественная первичная обработка гидроакустических полей, включающая процедуру согласования со средой и представляющая собой оценку отношения правдоподобия в каждой точке области обзора. Приводится пример реализации естественной обработки на основе лучевой модели по экспериментально зарегистрированным сигналам на горизонтальной протяженной буксируемой антенне, имеющей 48 приёмников и длину около 100 м. При обработке используется вся практически доступная информация о морской среде и помеховой обстановке. Показано, что учет искажения гидроакустических сигналов при их распространении в неоднородной морской среде позволяет существенно увеличить эффективность гидроакустических систем.

Алгоритмы расчёта сигналов, помех, обнаружения и оценки дальности действия гидроакустических систем пассивного режима реализованы в численных моделях. Приведено сравнение традиционной и естественной обработки на примере расчёта для модели линейной антенны из 128 ненаправленных приёмников общей длиной 512 м. Естественная первичная обработка решает триединую задачу обнаружения, классификации и оценки координат. Такая обработка вполне реализуема современными средствами при современном уровне обеспечения гидрофизическими и геоакустическими данными.

Получены и исследуются аналитические зависимости, определяющие связанные с увеличением расстояния закономерности ослабления звукового давления низкочастотных сигналов, формируемых в волноводе в зонах интерференционных максимумов. Применительно к волноводу Пекериса и ненаправленному монопольному источнику найдены удобные аппроксимирующие выражения, которые хорошо согласуются с точными законами спадания поля давления в этих зонах.

Представлены обобщённые результаты исследований биооптических характеристик поверхностного слоя вод Баренцева, Карского морей и моря Лаптевых, полученные по судовым и спутниковым данным, и интерпретация наблюдаемых явлений. Выполнен совместный анализ данных измерений о пространственном распределении биооптических характеристик, полученных в 2018 г. с помощью судового проточного комплекса, и спутниковых наблюдений за период 2003—2017 гг., который позволил выявить роль основных процессов, определяющих это распределение, его сезонные и межгодовые изменения. Показано, что пространственные распределения интенсивности флуоресценции окрашенного растворенного органического вещества и хлорофилла хорошо соответствуют гидрофизическим характеристикам в области влияния речного стока; пространственные распределения показателя ослабления хорошо с ними согласуются. Полученные данные позволили определить положение арктических и атлантических вод и кокколитофоридных цветений в Баренцевом море, выделить границы распространения опресненного слоя в морях Карском и Лаптевых. Представлены статистические оценки связи между биооптическими характеристиками Баренцева и Карского морей по спутниковым данным.

Перевод на англ. яз.: Е.С. Кочеткова

Исследованы характеристики распространяющегося в воде светового импульса, модулированного радиосигналом с линейно изменяющейся во времени частотой. Анализ выполнен на основе статистического моделирования импульсных и частотных характеристик сигнала и аналитического представления сигнала в виде импульса, описываемого функцией Гаусса с внутриимпульсной модуляцией. Оценены изменения времени прихода и длительности огибающей импульса, вызванные разбросом фотонов по путям пробега при расстояниях между источником и приемником до четырех глубин видимости белого диска. Показано, что эти изменения могут иметь разные знаки в зависимости от частотного диапазона модуляции. Выполнено сравнение времен прихода и длительности импульса с меняющейся во времени частотой и импульса после согласованной обработки – свертки с копией модулирующего сигнала. Показано, что в исследованном диапазоне изменения параметров многократное рассеяние не препятствует сжатию сложного сигнала при его согласованной обработке.

Предлагается компенсационный подход, направленный на исключение методических погрешностей при измерениях спектрального показателя ослабления света в морской воде, и описывается схема прозрачномера, в котором реализован данный подход. Особенность предлагаемой оптической схемы состоит в том, что измерительный и опорный лучи формируются идентичными оптическими элементами, составляющими опорный и измерительный каналы, при этом оба канала выведены в измеряемую среду. В такой оптической схеме отпадает необходимость введения поправки на изменение коэффициента отражения поверхностей оптических деталей, соприкасающихся с морской водой, при погружении прибора в море, или проведения сложной калибровки с использованием особо чистой воды. В результате появляется возможность использования калибровки прибора на воздухе для определения показателя ослабления непосредственно в измеряемой среде после погружения прибора в воду. Т.к. измерения фактически выполняются на двух оптических базах, может быть выполнена самокалибровка прибора без использования аттестованной эталонной воды с известными оптическими характеристиками. В качестве источника светового излучения применен мощный многоэлементный семицветный светодиод.

Выполнена авиационная лидарная батиметрическая съёмка акватории Бечевинской бухты, отличающейся сложными условиями полета (узкая бухта окружена высокими сопками). Высота полёта самолета при проведении съёмки менялась в диапазоне 500—1200 м. Съёмка выполнялась с использованием Авиационного Поляризационного Лидара АПЛ-3 (энергия зондирующего импульса 40 мДж, длительность зондирующего импульса 7 нс, диаметр приемной оптической системы 100 мм). Максимальная глубина зондирования дна с высоты 500 м составила 21.5 м, с высоты 1200 м – 17.5 м. Выполнены оценки энергии зондирующего импульса, требуемой для локации дна с разных высот. Для локации дна до глубины 25 м с безопасной для полетов над всей акваторией бухты высоты 2500 м необходимо увеличить энергию зондирующего импульса более чем в 20 раз. Увеличение высоты съёмки с 200 до 2500 м в данных условиях для регистрации эхо-сигнала от дна при глубине 25 м требует увеличения энергии зондирующего импульса почти в 150 раз.

Существует версия о сооружении после наводнения Невы в 1715 г. «на валах» Петропавловской крепости футштока. Однако опирается эта версия всего лишь на краткие сведения И.Г. Георги (1790 г.). Из перевода оригинального текста не вполне ясно, какая крепость имеется в виду – Петропавловская и Адмиралтейская. На первый взгляд, рассматриваемый текст можно увязать только с «Петропавловской версией». Однако отсутствие у ее апологетов ссылок на источники, подтверждающие, что в 1715 г. «по указу Петра I» у стен Петропавловской крепости был установлен первый в России футшток, а также явное несоответствие этих утверждений известным фактам, предостерегают от поспешных выводов.

В пользу «Адмиралтейской версии» говорят многие факты: создание при нем структуры – прообраза Адмиралтейств-Коллегии, на которую в дальнейшем были возложены уровнемерные наблюдения; необходимость уровнемерного обеспечения безопасного спуска судов на воду; особое внимание Петра I к морским атрибутам (иностранная практика предполагала оснащение крепостей и фортов футштоками). Кроме того, ни в одном из документов, свидетельствующих об организации в России первых инструментальных исследований природной среды, датированных ранее публикации И.Г. Георги, не было обнаружено даже упоминания о Петропавловском футштоке.