Физическое направление - Институт океанологии им. П. П
advertisement
1. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЗАКОНЧЕННЫХ РАБОТ Физика океана 1. На примере натурных измерений в приустьевой области реки Вулан в российском секторе Черного моря прослежен отклик речного плюма на синоптические изменения ветрового режима и шельфовой циркуляции. Установлено, что ветры южных румбов в период межени способны эффективно «запирать» сток и даже приводить к обратному затоку морских вод в речные устья. Другим фактором, ограничивающим распространение речных вод на шельфе, оказывается интенсивная фоновая вдольбереговая циркуляция. В этих условиях плюм малой реки оказывается ограниченным по площади и принимает форму узкой полосы, прижатой к берегу и вытянутой в западном направлении. С другой стороны, в условиях ветра северных румбов и слабо развитого фонового вдольберегового течения речной плюмаж сам по себе является одним из определяющих факторов шельфовой циркуляции, способствующим формированию субмезомасштабных антициклонических вихревых структур. В такой ситуации область влияния речного стока распространяется достаточно далеко в море (Лаборатория взаимодействия океана с водами суши и антропогенных процессов, рук. – д.г.н. П.О. Завьялов). Рис. Распределения поверхностных скорости течений и солености в приустьевой области реки Вулан (Черное море). Слева: условия, сформировавшиеся после периода действия сильного южного ветра. Справа: условия, сформировавшиеся после периода действия северного ветра. 5 2. Изучены структура придонных течений и закономерности динамического отклика западного бассейна Аральского моря на ветровое вынуждение. Показано, что сгоннонагонные изменения уровня здесь определяются не экмановским механизмом, а, скорее, прямым действием ветра, то есть поперечные горизонтальные масштабы усыхающего водоема становятся недостаточными для реализации действия силы Кориолиса. При этом максимальная корреляция нагонной составляющей ветра и уровня достигается с временным сдвигом около суток. Придонные же течения обнаруживают достаточно высокую (~0.8) синхронную корреляцию с аномалией уровня, что говорит о преимущественно баротропном характере глубинной циркуляции – для медленных придонных течений влияние вращения остается существенным (Лаборатория взаимодействия океана с водами суши и антропогенных процессов, рук. – д.г.н. П.О.Завьялов). Рис. Сверху вниз: Векторы напряжения ветра; скорости придонного течения на восточном склоне западного бассейна Аральского моря; скорости придонного течения на западном склоне западного бассейна Аральского моря; аномалия уровня поверхности моря на восточном склоне 6 3. На примере двух задач о взаимодействии ветровых волн с зыбью и поведении ветровых волн при резком изменении внешней накачки показана возможность быстрых переходных процессов в поле ветровых волн. Высокая скорость таких процессов делает формально неприменимым кинетическое описание. Выполненное моделирование в рамках кинетического и динамического описания показывает количественное и качественное соответствие результатов, полученных с помощью различных подходов. Таким образом, показана применимость кинетического уравнения для волн на воде для описания быстропротекающих процессов в поле ветровых волн. (Лаборатория нелинейных волновых процессов, рук. – академик В.Е. Захаров). 4. Впервые получен результат о разрешимости уравнений, описывающих поверхностные волны в океане вплоть до момента возникновения самопересечений профиля волны (обрушения волны) или потери профилем непрерывности. Полученные результаты позволяют включать в теоретические исследования случай, когда поверхность волны становится фрактальной. Теоретические результаты проиллюстрированы вычислительными экспериментами. (Лаборатория нелинейных волновых процессов, рук. – академик В.Е. Захаров). 5. В области исследования процессов обмена на границе океан-атмосфера были выполнены оценки экстремальных потоков энергии в Атлантике и Тихом океане за период 1900-2006 гг. Эти оценки были получены на основе применения модифицированного распределения Фишера-Типпена для турбулентных потоков тепла и влаги. Потоки 1-процентной повторяемости в зонах западных пограничных течений могут составлять от 1500 до 2000 Вт/м2 и имеют тенденцию к увеличению в течение ХХ-го столетия. Другим важным результатом исследования процессов взаимодействия океана и атмосферы является окончательная разработка и тестирование параметризации потоков коротковолновой радиации на границе океан-атмосфера, позволившей значительно (более чем на 20%) улучшить точность расчета радиационных потоков. Параметризация основана на прямых измерениях коротковолновой радиации в 6-ти рейсах НИС ИОРАН и использует информацию об облачности и состоянии диска Солнца. Для разработки параметризации впервые использовалось широкополосное фотографирование облачной сферы и прямые измерения аэрозолей в рейсах ИОРАН. Параметризация включает различные зависимости не только для различного балла облачности, но и для различных типов облаков. Параметризация защищена Патентом РФ и используется в Росгидромете и Институте Морских и климатических исследований (Киль, Германия). (Лаборатория взаимодействия океана и атмосферы, рук. – профессор С.К.Гулев). 6. Разработана методология построения достоверных композиционных картин синоптических образований в средних широтах. Это дало возможность оценить баланс энергии и влаги в циклонах в приземном слое на разных стадиях развития циклонов и исследовать роль внетропических циклонов в формировании теплоотдачи с поверхности океана в Северной Атлантике. Были построены композиционные картины основных типов циклонических образований над Атлантикой, позволяющие достоверно определять потоки явного и скрытого тепла, теплосодержания, влагосодержания и осадков, то есть всех компонентов энергетического цикла циклонов. На рис. 1 приведена зависимость интегрального теплосодержания циклона от его интенсивности, выраженной через радиальный градиент давления. Аналогичные зависимости были построены для всех характеристик циклона, что позволило построить статистически значимые композиционные картины для различных стадий его развития. 7 Integrated Hcont vs d(slp) Integrated heat content (J) 1.6E+026 1.2E+026 8E+025 4E+025 0 -4E+025 0 20 40 60 SLP gradient Рис. 1. Зависимость интегрального теплосодержания циклона от его интенсивности, выраженной через радиальный градиент давления. Влагосодержание циклонов (рис. 2) в течение жизненного цикла циклонов снижается почти в 3 раза, максимальное количество осадков наблюдается в начальной стадии развития циклонов и связано с положением «the warm conveyor belt». Со среднеширотными циклонами связаны экстремальные потоки энергии на границе океанатмосфера: поток явного тепла в тыловых частях циклонов достигает 400 Вт/м2, скрытого тепла – 350 Вт/м2. τ=0 τ = 0,6 τ = 0,2 τ = 0,8 τ = 0,4 τ=1 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 Рис. 2. Эволюция влагосодержания (кг/м2) в течение безразмерного времени жизни циклонов τ. Интегральный теплообмен в циклонических образованиях формируется как экстремально высокими потоками в тыловых частях циклонов, так и относительно слабыми, часто отрицательными, потоками в передних частях и теплых секторах, что дает усредненные оценки роли циклонических образований в интегральном теплообмене Атлантики с атмосферой не сильно отличающиеся от средних величин потоков (средний поток явного тепла в циклоне 50–70 Вт/м2, скрытого — 100–120 Вт/м2). Анализ жизненного цикла циклонов показывает, что максимальная теплоотдача происходит в 8 течение первых суток развития циклона. (Лаборатория взаимодействия океана и атмосферы, рук. – профессор С.К.Гулев). 7. Найден новый класс решений, описывающих двумерные агеострофические нелинейные локализованные вихри в рамках модели вращающейся мелкой воды. Метод решения представляет собой оригинальную комбинацию аналитических и численных методов. Каждый такой вихрь (двумерный солитон) движется равномерно и прямолинейно без изменения формы со скоростью, лежащей вне диапазона фазовых скоростей инерционно-гравитационных волн. Все поля в вихре экспоненциально затухают на бесконечности, т.е. он сильно локализован. Вихрь имеет дипольную структуру, причем в отличие от квазигеострофических модонов, циклон и антициклон в паре неодинаковы: циклон более компактен, чем антициклон. Соответственно, поскольку полная аномалия массы в вихре должна быть равна нулю, перепад глубин в циклоне существенно превосходит соответствующий перепад в антициклоне. Важно, что влияние агеострофических эффектов на динамику вихря становится существенным уже при небольших числах Россби (~ 0,2). (Лаборатория геофизической гидродинамики, рук. д.ф-м.н. Резник Г.М.). 8. Вихреразрешающая модель Балтийского моря применена для расчета поступления биогенов в поверхностный слой Финского залива в процессе прибрежного апвеллинга. Получено, что количество фосфатов, поступающих в поверхностный слой залива при летнем апвеллинге, на порядок превышает поступление нитратов. Избыток фосфатов приводит к быстрому росту биомассы цианобактерии (cyanobacteria), способной компенсировать нехватку нитратов путем усвоения растворенного азота, и, как следствие, цветению вод. (Лаборатория морской турбулентности, зав.лаб. - профессор В.М.Журбас). Рис. Мезомасштабная изменчивость концентрации фосфатов и нитратов, поступивших в поверхностный слой Финского залива в результате события апвеллинга в июле 1999 г. (результаты численного моделирования). 9. В апреле 2008 г. в приполюсном районе котловины Амундсена Арктического бассейна с дрейфующего льда были проведены гидрофизические измерения, позволившие 9 получить 62 вертикальных профиля температуры и солености. Важно отметить, что 5 из этих профилей были выполнены до горизонта 2500 м, что позволило получить определенный объем информации и о донных водах приполюсного района Арктического бассейна. Кроме того, на льдине был установлен автономный СTD-профилограф. Дрейфуя со льдами к проливу Фрама, этот профилограф ежедневно пересылает в ИОРАН данные измерений четырех вертикальных профилей температуры и солености. (Лаборатория морской турбулентности, рук. - к.ф.-м.н. С.В. Писарев). Рис. Положение 3200 вертикальных CTD профилей (красные точки) полученных ИОРАН в Арктическом бассейне с 1 марта 2007 г. по 1 ноября 2008 г. 10. Разработан метод использования геоинформационного подхода (ГИС-подхода) для идентификации нефтяных загрязнений моря и выявления их источников, а также построения карт распределения пленочных/нефтяных загрязнений для различных акваторий. Пример использования ГИС-подхода для выявления подводного источника нефти (грифона) на Восточно-Одоптинской структуре (СВ шельф о. Сахалин) представлен на рисунке. Еще один пример его использования - анализ случая аварийного разлива мазута в Керченском проливе, который продемонстрировал эффективность сочетания результатов радиолокационной съемки, отображающей реальную ситуацию о разливе, и моделирования процесса распространения нефтяного загрязнения от локальных источников на основе данных о скорости и направлении ветра и течениях. Другие наглядные результаты применения ГИС-подхода - цифровые карты распределения пленочных загрязнений с указанием их основных источников, построенные для северной половины Каспийского моря, и результаты наблюдений в районе работ на ПильтунАстохском нефтегазовом месторождении за ледовой обстановкой и ГМУ (ветер и 10 волнение), за судами сопровождения и нефтяными загрязнениями во время транспортировки верхних строений платформы ПА-Б к месту назначения и их установки. (Лаборатория оптики океана, рук. - д.ф-м.н. О.В.Копелевич). Рис. Пример использования геоинформационного подхода для выявления подводного источника нефти (отмечен звездочкой) на Восточно-Одоптинской структуре (сев—вост. шельф о. Сахалин) путем анализа в ГИС нефтяных пятен, обнаруженных на разновременных РЛИ, полученных спутниками Envisat и Radarsat-1. 11. Разработан новый подход к решению задачи расчета биооптических характеристик по спутниковым данным, учитывающий, в частности, влияние вклада отражения от дна на мелководье. Дана его практическая реализация для вод северной половины Каспийского моря. Разработанный комплекс позволяет существенно улучшить точность получаемых результатов по сравнению со стандартным алгоритмом обработки спутниковых данных, который для рассматриваемого региона дает большие ошибки. Комплекс включает: региональный алгоритм атмосферной коррекции, основанный на использовании систем базовых функций, рассчитанных для «мелководной» и «глубоководной» выборок данных. Поскольку расчеты выполнены по данным натурных измерений, система базовых функций для мелководья учитывает вклад отражения от дна. Пример применения нового алгоритма показан на рисунке. 11 Рис. Пример применения нового алгоритма (Каспийское море. 31 июля 2006 г. (глубина 12 м). Красная кривая – измерения in situ; черная – новый алгоритм; синяя – стандартный алгоритм. Полуаналитический алгоритм коррекции спектрального коэффициента яркости водной толщи на отражение от дна на мелководье и расчета показателей поглощения окрашенным органическим веществом и рассеяния назад взвешенными частицами. А Б Б Рис. Линии регрессии, построенные на основе данных натурных измерений с коррекцией на отражение от дна на мелководье. А - для расчета концентрации хлорофилла, Б – для концентрации взвеси. Для концентрации хлорофилла ошибка составляет порядка 50%, для концентрации взвеси - ∼0.2 мг/л. Регрессионные алгоритмы для расчета концентраций хлорофилла и взвеси, а также показателя ослабления света морской воды, выведенные на основе данных натурных измерений (см.рис.). (Лаборатория оптики океана, рук. – д.ф-м.н. О.В.Копелевич). 12. Проведен анализ данных экспериментов Мегаполигон, ПОЛИМОДЕ, LDE в северо-западных частях Тихого и Атлантического океанов. Рассматривалась генерация инерционных колебаний в глубоком океане как реакция на проходящие ураганы (или тайфуны). Наблюдается мгновенная генерация инерционных колебаний во всей толще вод океана за счет скачка атмосферного давления при прохождении тайфуна. После этого сильные ветры возбуждают возмущения на поверхности океана и внутренние волны с периодами, близкими к инерционному, медленно распространяются вглубь океана. Скорость распространения пакета вниз меняется от 1-10 м/с около поверхности до 30 м/с на абиссальных глубинах. Инерционные колебания, возбужденные ураганом, продолжаются 12-20 дней. Амплитуда инерционных колебаний больше при средней антициклонической завихренности. (Лаборатория внутренних волн и структуры пограничных слоев океана, рук. – д.ф-м.н. Е.Г.Морозов). 12 13. Разработаны рекомендации по техническим средствам, необходимым для осуществления спутникового мониторинга уровня и экологического состояния Каспийского моря. Дано описание соответствующих спутников, приборов, их технических характеристик, пространственного и временного разрешения. Дано описание программного обеспечения, рекомендуемого для обработки и анализа необходимой спутниковой информации (тематического дешифрирования) и численного моделирования дрейфа пятен загрязнений (в том числе нефтяных). Разработаны формы представления результатов мониторинга (примеры спутниковых изображений в различных спектральных диапазонах, ареалы распространения загрязнений, и пр.). Представлены рекомендации по организации оптимальной структурной схемы и параметров функционирования оперативного спутникового мониторинга, позволяющей в случае обнаружения загрязнений (в первую очередь нефтяных) оперативно получать информацию и принимать соответствующие решения. Дано обоснование затрат на организацию и проведение оперативного комплексного экологического спутникового мониторинга Каспийского моря. Научная новизна работы состоит в комплексном подходе к разработке концепции системы спутникового мониторинга уровня и экологического состояния Каспийского моря, обладающей максимальной оперативностью, междисциплинарным и мультисенсорным подходом. В состав спутниковой системы мониторинга Каспийского моря впервые предлагается включить спутниковые альтиметрические методы исследования уровня моря и реки Волги, динамики вод, скорости ветра и высоты волн. (Лаборатория экспериментальной физики океана, рук. – д.ф-м.н. А.Г.Зацепин). 14. Проанализированы материалы трехлетних (2006-2008 гг.) исследований короткопериодной изменчивости гидрофизических и гидродинамических полей на узком черноморском шельфе в районе г. Геленджик. Исследования проводились с использованием новейших методов измерений, включающих ADCP-съемку поля скорости течений с высоким пространственным разрешением, а также многократное автоматическое профилирование водной толщи с помощью заякоренного комплекса «Аквазонд». Установлено, что вследствие сдвиговой неустойчивости течения на шельфе происходит образование суб-мезомасштабных (с диаметром несколько километров) и короткоживущих (не более нескольких суток) вихрей, как антициклонического, так и циклонического знака. Образование, перемещение и трансформация этих вихрей вносит определяющий вклад в короткопериодную (несколько суток) изменчивость течений и способствует кросс-шельфовому водообмену (Лаборатория экспериментальной физики океана, рук. – д.ф-м.н. А.Г.Зацепин). 15. Предложен и детально исследован метод оперативной акустической диагностики локальных неоднородностей в океане (вихри, линзы), являющийся дополнением к проводимым протяженным гидрологическим разрезам. Метод позволит судить о наличии неоднородности между соседними точками СТД зондирования и оценить ее мощность. Исследовались как волновые, так и лучевые подходы к решению поставленной задачи. По лучевой методике в месте очередного СТД зондирования точечным гидрофоном принимается фазоманипулированный звуковой сигнал от установленного в начальной точке гидрологического разреза источника. Используя предварительно проведенные СТД измерения (фоновая среда) и модель неоднородности, рассчитывается (в зависимости от мощности неоднородности) усредненная по некоторому временному интервалу задержка принятого звукового сигнала (см. верхний рисунок). Затем с фоновым сигналом (синяя линия на нижнем рисунке) сравнивается экспериментально измеренный импульс (красная линия), проводится усреднение задержки в выбранном интервале (жирные линии) и оценивается возможная мощность реальной неоднородности (звездочка на верхнем рисунке). (Лаборатория акустики океана, рук. – к.ф-м.н. Ю.А.Чепурин). 13 16. Диагноз пространственно-временной структуры и изменчивости основных характеристик современного климата в период так называемого его глобального потепления (1975-1999 гг.) позволил выявить характер процессов перераспределения тепла между океанами и материками в планетарном приповерхностном слое. Фактически, северные части Атлантического и Тихого океанов в этот период отдавали тепло в атмосферу, в результате чего температура приземного воздуха в центральных районах Евро-Азиатского материка и Северной Америки возрастала (см. рис.). Однако в начале ХХI века (2000-2007 гг.) наметилась тенденция к переходу климатической системы в состояние, подобное тому, которое наблюдалось до последней четверти ХХ столетия (Лаборатория крупномасштабной изменчивости гидрофизических полей, рук. – д.ф-м.н. В.И.Бышев). 60 30 0 -30 -60 -60 0 60 120 180 240 300 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 -2 -2.2 -2.4 -2.6 -2.8 -3 -3.2 -3.4 -3.6 14 О б 60 30 0 -30 -60 -60 0 60 120 180 240 300 С 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 -1 Рис. Климатические изменения глобального поля атмосферного давления (гПа) на уровне моря (а) и приповерхностной температуры (°С) (б), произошедшие в последней четверти XX столетия (1975-1999 гг.). Стрелками указаны аномалии скорости геострофического ветра. 17. Путем численного моделирования исследована циркуляция придонных вод в районах гидротермальных источников. Обнаружено, что в районах гидротерм возникают придонные течения со скоростью ~3-5 см/сек, обусловленные соответствующей инверсией плотности морской воды (см. рис.). Учет реальной солености в жерлах гидротерм продемонстрировал более интенсивное формирование плюма нейтральной плавучести. (Лаборатория крупномасштабной изменчивости гидрофизических полей, рук. – д.ф-м.н. В.И.Бышев). Рис. Аномалии потенциальной температуры и скорости течения на отдельных горизонтах, вызванные гидротермальными источниками 15 18. Выполнены работы по совершенствованию алгоритма четырехмерного анализа глубоководных термохалинных измерений. Традиционный алгоритм дополнен усовершенствованным методом нахождения граничных условий, который позволяет обходиться без дополнительной фильтрации граничных условий с целью удаления фиктивных инерционно-гравитационных волн, возникающих при ассимиляции натурных измерений. Данный подход апробирован при обработке гидрофизического эксперимента на Черном море и показал удовлетворительный результат. Впервые удалось провести сравнение натурных и расчетных данных численного моделирования возмущений морской среды от движущегося подводного объекта. (Лаборатория моделирования динамических процессов в океане, рук. – д.ф-м.н. Е.В.Семенов). 19. Завершен этап разработки новой методики и техники обнаружения и локализации движущихся подводных объектов в мелком море, использующих излучение непрерывных широкополосных псевдослучайных (ПС) сигналов, и предназначенной для охраны береговых объектов от подводных террористов. Предлагаемая новая методика основана на том, что реверберация вызвана в основном от неподвижных местных предметов, в то время как подводные пловцы в основном движутся, так что возможно отличать полезный сигнал от помехи за счет эффекта Доплера. С этой точки зрения целесообразно применять псевдослучайные широкополосные сигналы, которые позволяют после корреляционной свертки получить так наз. функцию неопределенности в координатах время задержки/доплеровский сдвиг. (Лаборатория шумов и флуктуации звука в океане, рук. – к.ф-м.н. А.И.Веденев). 20. Завершены работы по проблеме затопленного на Балтике химического оружия, направленные на исследование, моделирование и уточнение оценки риска, обусловленного затопленным химическим оружием (ХО), для морской среды и людей. Задача проекта весьма актуальна, т.к. факт присутствия ХО в Балтийском море и отсутствие международной признанной оценки риска использовался различными странами в их политических интересах для воздействия на характер и масштабы хозяйственной деятельности РФ, в частности, для противодействия планам РФ и ФРГ по прокладке Североевропейского газопровода. Были получены оценки негативного воздействия отравляющих веществ на биоту и людей. Согласно этим оценкам возможность катастрофического воздействия ХО на экосистему моря исключается. Результаты проекта находятся в поле зрения Евросоюза и ХЕЛКОМ, имеет место взаимодействие с проектом North Stream (СЕГ), действует Интернет-система информирования общественности, основные научные результаты регулярно обсуждаются на международных форумах. Благодаря этим мерам, проблема затопленного ХО закрепилась в международных планах экологических исследований. (Отдел экспериментальных гидрофизических исследований, АО ИОРАН, рук. – д.ф-м.н. В.Т.Пака). 21. Методами лабораторного и численного моделирования выявлена детальная термическая и динамическая структура термобара. Определены факторы, инициирующие подобную динамику. Термобар включает в себя вдольсклоновое течение в глубокой части, подповерхностную струю, направленную от берега, в мелководной области и компенсационное течение в средних слоях. Получена универсальная зависимость скорости продвижения термобара в поздней стадии его развития от толщины верхнего теплоактивного слоя. На основе анализа данных контактных измерений и ИСЗ в Балтийском море в весенний период доказано существование фронтальной зоны по температуре, связанной с переходом температуры воды через температуру максимальной плотности, и определены характеристики температурного фронта, аналогичного термобару. Результаты работы могут быть использованы рыбопромысловыми 16 организациями и полезны при анализе процессов распространения загрязнений в пресноводных и солоноватых водоемах. (Лаборатория прибрежных систем, АО ИОРАН, рук. – к.ф-м.н. Б.В.Чубаренко). 22. Выполнено численное моделирование циркуляции, возбуждаемой поперечной неравномерностью ветра, в мелком море. Использованы подходы, развитые В.Б.Штокманом, В.М.Каменковичем и др. Решение уравнения Пуассона вариационным методом конечных элементов учло особенности геометрии области (контур Балтийского моря), рельеф дна и пространственную неравномерность поля ветра. По результатам расчетов показана возможность возникновения компенсационного вдольберегового потока противоположного генеральному юго-западному ветровому воздействию. Для отработки численных алгоритмов расчета скорости переноса примесей в прибрежных (мелких) районах Балтийского моря изучается конвективный массообмен. Используется двумерная модель термоконвекции, что позволяет учитывать особенность поведения плотности воды при низких температурах и возникающие при этом циркуляционные вихри. Решения динамических уравнений в переменных вихрь-функциях тока проводятся методом конечных элементов. Приводятся тестовые расчеты для верификации модели. (Лаборатория морской метеорологии, АО ИОРАН, рук. – к.ф-м.н. С.Н.Иванов). 23. Выполнен второй этап исследований по теме «Межгодовая изменчивость циркуляции вод и гидрологической структуры в деятельном (кислородосодержащем) слое российского сектора Черного моря в зависимости от климатических условий». Наибольшую научную и практическую важность исследований имеют экспериментальные данные о динамике вод и гидрологической структуре в российском секторе Черного моря (стандартный многолетний разрез ЮО ИО РАН.). В 2008 г. было отмечено экстремальное повышение верхней границы СВЗ, резкое уменьшение толщины ХПС и повышение его минимальной температуры. 2007-2008 гг. были аномальными за период 1990-2008 гг. по всем основным характеристикам гидрометеорологического режима (теплый период). Наиболее актуальными проблемами состояния гидрофизической компоненты общей экосистемы Черного моря являются разномасштабная изменчивость характеристик холодного промежуточного слоя (ХПС) и колебания верхней границы сероводородной зоны (СВЗ). В. (Лаборатория экспериментальной гидрологии, ЮО ИОРАН, рук. - к.г.н. В.Г.Кривошея). 24. Получены новые данные о распределении большого комплекса гидрохимических параметров. Выполнено исследование особенностей структуры редокс-интерфейсов и процессов, их формирующих. Проведено выявление закономерностей сезонной и межгодовой изменчивости положения и структуры редокс-интерфейсов в изучаемых объектах. Для оценки баланса кислорода в столбе воды Чёрного моря была применена одномерная биогеохимическая-гидрофизическая O-N-S-P-Mn-Fе модель редокс-слоя Черного моря. Модель была откалибрована по данным экспедиционных наблюдений и применена для анализа процессов потребления кислорода. Было получено, что во всём столбе воды около 90% кислорода расходуется на дыхание организмов, окисление органического вещества и нитрификацию, и около 10% на окисление восстановленных соединений серы и металлов, поступающих из, анаэробной зоны. Предложена зависимость для корректировки процессов потребления кислорода в кислород-дефицитных условиях для использования в экологических моделях. (Лаборатория химии, ЮО ИОРАН, рук. – д.фм.н. Е.В.Якушев). 25. В рамках темы «Экстремальное волнение в северо-восточной части Черного моря: анализ и моделирование» определены основные характеристики штормов, включающие время действия, интенсивность волнения, асимметрию и их функции 17 распределений, проведена классификация частотно-направленных спектров. Выделены общие черты и предложена климатическая классификация в зависимости от форм частотного и углового спектров. Путем анализа штормовых выборок установлен тип распределения максимальных высот, используемого для дальнейшего экстраполирования в область малых обеспеченностей. Установлено, что наилучшим образом исходные данные аппроксимируют распределения Парето и экспоненциальное распределение. В результате анализа экспериментальных данных выяснены основные закономерности пространственновременной изменчивости частотного состава индивидуальных волн. Впервые исследования волнового режима Черного моря проводятся на основе продолжительных экспериментальных данных. Построены классы климатических спектров для условий глубокой воды северо-восточной части Черного моря. Подобная классификация может быть адаптирована к любой акватории Мирового океана. Впервые проведена и изучена статистика экстремальных штормов для северо-восточной части Черного моря. На основе экспериментальных данных установлен вид функции распределения максимальных волн и получены оценки высот волн малой повторяемости. Исследованы возможные механизмы образования экстремальных волн как результат суперпозиции составляющих волнового поля. Проведенные исследования могут служить основой при проведении расчетов по разработке и проектированию береговых, защитных сооружений, а также при проведении экологического мониторинга. (Лаборатория литодинамики береговой зоны моря, ЮО ИОРАН, рук. – профессор Р.Д.Косьян). 26. Обобщены и опубликованы в международных журналах результаты полевых исследований динамики фосфора в Венецианской лагуне в период «цветения» синезеленых водорослей и исследована структура редокс-зоны Черного моря. Результаты изучения динамики фосфора в лагуне с применением радиоизотопов выявили необычайную интенсивность потока фосфата в сообществе цветущих сине-зеленых водорослей. Выявлена интенсивная способность скорости регенерации фосфата в воде, которая сбалансирована с его потреблением, что необходимо в условиях подавления животной пищевой цепи. Это указывает на способность сине-зеленых водорослей как миксотрофов к регенерации фосфора. Все отмеченные особенности физиологии синезеленых водорослей объясняют их способность необычайно плотного цветения в водоемах, а также их доминирование в эпоху докембрия, когда животные обитатели водной среды еще не появились. (Лаборатория литодинамики береговой зоны моря, ЮО ИОРАН, рук. –профессор Р.Д.Косьян). 27. С помощью модифицированной модели QUODDY-4, включающей модуль приливного дрейфа льда, получены результаты моделирования приливного дрейфа льда (волна М2) и индуцируемых льдом изменений приливной динамики окраинных морей Сибирского континентального шельфа. Показано, что максимальная скорость приливного дрейфа льда может быть как больше, так и меньше скорости поверхностного приливного течения в безледном море. Это зависит от знака отклонений приливных колебаний уровня в море, покрытом льдом, от их значений в безледном море. Установлено, также, что влияние ледяного покрова сказывается на энергетике приливов сильнее, чем на их динамике. В этом смысле общепринятый вывод о незначительной роли морского льда в формировании приливов может считаться оправданным лишь частично. Полученные результаты являются новыми. Они необходимы для надежного функционирования морской транспортной системы, уменьшения затрат на арктические грузоперевозки и для снижения рисков ледового пленения и разрушения сооружений, используемых при освоении и эксплуатации Сибирского континентального шельфа. (Лаборатория численных экспериментов по динамике океана, СПбФ, рук. – профессор Б.А.Каган). 18 28. С помощью модифицированной модели QUODDY-4 воспроизведены приливы в системе Сибирский континентальный шельф – Центральная Арктика для летнего и зимнего сезонов. Впервые получены оценки индуцируемой льдом сезонной изменчивости приливных констант в масштабах всего океана. Показано, что сезонная изменчивость приливных констант – глобальное явление. Правда, в Центральной Арктике эти изменения меньше точности предвычисления приливных колебаний уровня, так что ими в первом приближении можно пренебречь. Однако в окраинных морях Сибирского континентального шельфа сезонные изменения приливных констант весьма значительные и не учитывать их нет веских оснований. Найденные результаты могут найти применение при изучении и освоении ресурсов Северного Ледовитого океана (СЛО) и разработки высокоточной технологии предвычисления приливов в СЛО. (Лаборатория численных экспериментов по динамике океана, СПбФ, рук. – профессор Б.А.Каган). 29. Проведено усовершенствование лабораторно-модельной установки для изучения переноса излучения и изображения через взволнованную водную поверхность. Разработан метод восстановления изображения подводного объекта, искаженного поверхностным волнением. Метод основан на синхронном получении разделенных по спектру бликовой картины поверхности и искаженного изображения, определении уклонов поверхности в ограниченном числе бликовых точек и восстановлении по найденным уклонам фрагментов изображения с последующим формированием полного скорректированного изображения накоплением частично скорректированных фрагментов. В лабораторных условиях проведен эксперимент по коррекции изображения подводного объекта с переменной пространственной частотой, искаженного поверхностным волнением (cм. Рис.). Важность и ценность этого эксперимента состоит в том, что он впервые продемонстрировал принципиальную возможность устранения рефракционных искажений мгновенных изображений, вызванных случайным преломлением света на взволнованной водной поверхности, которые до неузнаваемости изменяют структуру объекта. Практическая значимость полученных результатов обусловлена тем, что реализация разработанного и апробированного в лаборатории метода коррекции в натурных условиях позволит устранить основной недостаток авиа- и спутникового наблюдения, в принципе обеспечивающем значительно более высокую производительность поиска подводных объектов по сравнению с подводным наблюдением. 19 Рис. Изображения растра (миры с переменной пространственной частотой) через поверхность воды в лабораторном бассейне: а – исходное изображение через плоскую поверхность, b – мгновенное (выдержка 1/400 с) изображение через взволнованную поверхность, c –накопленное изображение без коррекции, d - восстановленное изображение Из рисунка видно, что качество восстановленного изображения значительно превышает качество искаженного изображения и близко к изображению объекта, полученному через гладкую поверхность воды. Видно также, что накопление без коррекции не улучшает качество изображения на высоких пространственных частотах. Эксперимент по восстановлению изображения подводного объекта, искаженного поверхностным волнением, не имеет аналогов в мировой литературе. Важность и ценность этого эксперимента состоит в том, что он впервые продемонстрировал принципиальную возможность устранения рефракционных искажений мгновенных изображений, вызванных случайным преломлением света на взволнованной водной поверхности, которые до неузнаваемости изменяют структуру объекта. Практическая значимость полученных результатов обусловлена тем, что реализация разработанного и апробированного в лаборатории метода коррекции в натурных условиях позволит устранить основной недостаток авиа- и спутникового наблюдения, в принципе обеспечивающем значительно более высокую производительность поиска подводных объектов по сравнению с подводным наблюдением. (Лаборатория оптики океана и атмосферы, СПбФ, рук. – д.ф-м.н. И.М.Левин). 30. Впервые разработан комплекс взаимосвязанных гидродинамических моделей атмосферы и водных объектов (Финский залив, Невская губа, Ладожское озеро), предназначенный для краткосрочного гидрометеорологического прогнозирования в Северо-Западном регионе России. Показано, что точность прогноза погоды по атмосферной модели ММ5 удовлетворительна. Трехмерная гидродинамическая модель Невской губы и восточной части Финского залива позволяет прогнозировать скорости течений и возвышение уровня в Невской губе с удовлетворительной точностью. Существенно улучшено воспроизведение суточного хода гидрофизических процессов в Ладожском озере. Вместе с тем, прогноз наводнений в Санкт-Петербурге при помощи системы CARDINAL, требует дальнейшего совершенствования. В целом, разработанный модельный комплекс (атмосферная модель ММ5, система CARDINAL, модель Ладожского озера, модель Невской губы и восточной части Финского залива) показал свою работоспособность и в будущем может быть использован для прогностических расчетов состояния водных объектов Северо-Западного региона России, а также распространения различных примесей, в том числе бытовых стоков и нефтяных загрязнений, в Ладожском озере, Невской губе и Финском заливе, а также при воспроизведении функционирования экосистемы водоемов. Результаты исследований суммированы в коллективной монографии. (Лаборатория моделирования океанских биогеохимических циклов, СПбФ, рук. – д.ф-м.н. В.А.Рябченко). 20