ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ГИДРОФИЗИКА

Обзор посвящен океанологическим исследованиям, выполняемым с использованием радиометрических (профилирующих) лидаров.

В работе представлено современное состояние технических средств лидарной съемки, методов обработки лидарных данных, описание решаемых с помощью лидарного зондирования задач, представляющих научный и практический интерес в океанологии.

Вопросы, связанные с лазерной батиметрией, спектральными лидарами,
а также лидарами, устанавливаемыми на борту искусственных спутников Земли, являющиеся самостоятельными специфическими разделами, в обзоре не рассматриваются.

Основное внимание уделено работам, выполненным в последние годы.

Приведены сводные таблицы технических характеристик ряда наиболее интересных лидаров авиационного и судового базирования.

Рассмотрены особенности их конструкций.

Представлены результаты использования лидаров для определения гидрооптических характеристик приповерхностного слоя, в том числе с использованием поляризационных лидаров и активно развивающихся в последние годы лидаров высокого спектрального разрешения.

Приведены результаты регистрации тонких слоев повышенного светорассеяния, наблюдаемых в разных акваториях.

Даны результаты теоретических исследований по лидарным изображениям внутренних волн и экспериментальные результаты наблюдения внутренних волн в водах с различными типами стратификации гидрооптических характеристик.

Рассмотрены вопросы применения лидаров для решения задач промысловой океанологии.

Намечены тенденции развития и основные направления продолжения исследований.

Приведена упрощённая методика расчёта глубины проникновения в грунт при морской сейсморазведке, разработанная в интересах обоснования технических характеристик элементов подводного робототехнического комплекса, предназначенного для проведения сейсморазведки подо льдом и включающего: комплект автономных необитаемых
подводных аппаратов (АНПА), оснащенных геофонами либо короткими сейсмокосами (стримерами) с датчиками-гидрофонами, а также средствами высокоточного позиционирования; подводную док-станцию, обеспечивающую доставку АНПА в район проведения работ, управление ими, а также буксировку низкочастотных гидроакустических излучателей; береговую инфраструктуру для обслуживания АНПА и док-станции.

Разработанная методика учитывает
давление, создаваемое гидроакустическим излучателем, а также потери энергии зондирующего сигнала вследствие
расширения фронта волны, прохождения сигнала в грунт и обратно, пространственного затухания при распростране-
нии сигнала в воде и в грунте, отражения от линзы, содержащей нефть либо газ. Приведены примеры расчёта глубины
проникновения в грунт для условий мелкого и глубокого морей в зависимости от давления, создаваемого излучателем,
буксируемым на глубине 100 м, при использовании приёмной антенны из гидрофонов, сформированной на глубине
100 м, а также приёмной антенны из геофонов, лежащей на дне. Качественно оценена адекватность разработанной
методики путём сравнения результатов расчёта с имеющимися экспериментальными данными.

Рассмотрены способы приема широкополосного шумового сигнала горизонтальной линейной протяженной антенной в зоне Френеля вблизи границы среды (поверхности), позволяющие одновременно с обнаружением определять направление, расстояние до источника и глубину его погружения.

Исследовано явление, возникающее при нахождении источника и приемника сигнала вблизи границы среды вода-воздух, когда от источника к приемнику приходят два луча
(прямой и отраженный от поверхности).

Оператор компенсации задержек сигнала, приходящего на M приёмников антенны, дает фокусировку приёмной системы в точку предполагаемого расположения источника.

При двухлучевом сигнале это может приводить к появлению двух точек фокусировки в пространстве по расстоянию.

Показано, что в зависимости от взаимного расположения источника и приемника фокальные пятна могут быть заметно разнесены по расстоянию или практически сливаться.

Для первого случая предложен метод расчета глубины погружения источника при известных расстояниях до двух фокальных пятен.

Когда фокальные пятна не разделяются, предложен метод консолидированной
обработки сигнала, в котором осуществляют дополнительное сканирование временных задержек по возможным запаздываниям сигнала между лучами, при этом задержка единая на всех элементах антенны.

Показано, что при получении максимальной мощности сигнала введенное запаздывание будет функционально связано с глубиной погружения источника, что позволяет в предложенном методе осуществлять совместное определение направления, расстояния и глубины погружения источника.

Кроме того показано, что метод консолидированной обработки позволяет увеличить мощность принимаемого сигнала в точке максимального отклика до 50 % относительно традиционного алгоритма приема сигнала горизонтальной линейной антенной в зоне Френеля. Исследование проведено методом компьютерного моделирования.

Работа посвящена серии первых натурных подспутниковых экспериментов, проведенных в акватории Куйбышевского водохранилища (Камском устье) в 2023 году.

Одновременно с судовыми измерениями полей течений и ветра, а также концентрации хлорофилла «а», два спутниковых сканера высокого пространственного разрешения осуществили съемку исследуемого района водохранилища.

По последовательным изображениям были восстановлены поля течений стандартным методом максимума кросс-корреляции (МСС), которые затем сравнивались с измерениями акустическим доплеровским профилографом течений (ADCP).

В отдельных частях акватории было получено удовлетворительное согласие между восстановленными течениями и данными прямых измерений.

А в тех частях акватории, где было зарегистрировано существенное расхождение данных ADCP и МСС, были проанализированы возможные причины расхождений.

Сделаны предварительные оценки параметров, оказывающих существенное влияние на возможность восстановления течений методом МСС во внутренних эвтрофированных водоемах, и выявлены некоторые ограничения метода МСС в целом.

Проанализированы возможные пути дальнейшего развития метода.

Цель исследования — сравнение рассчитанных на основе спутниковых наблюдений и данных реанализа горизонтальных градиентов температуры в области поверхностных проявлений мезомасштабных фронтальных зон и для всей акватории Норвежского моря в период начала нагульных миграций пелагических рыб в мае 2011–2020 гг.

На основе среднемесячных данных температуры MODIS/Aqua, GHRSST OSTIA и CMEMS GLORYS12v1 рассчитаны поля среднемесячных и десятилетних горизонтальных градиентов на поверхности Норвежского моря.

Выполнено сравнение полученных десятилетних оценок градиентов температуры с их средними климатическими значениями.

Выявлено, что в большинстве данных регистрируются поверхностные проявления основных фронтальных зон Норвежского моря.

На основе уникальных in situ наблюдений проведена валидация полей температуры в области Исландско-Фарерской фронтальной зоны.

Показано, что для анализа фронтальных зон Норвежского моря наиболее предпочтительно использование полей температуры GHRSST OSTIA.

Полученные физико-географические особенности мезомасштабных фронтальных зон возможно использовать для оценки связи с миграциями пелагических рыб в Норвежском море.

На основе решения модели MPIOM (Max Planck Institute Ocean Model), представляющей собой модель океана со свободной поверхностью, основанную на примитивных уравнениях в приближениях Буссинеска и несжимаемости, за период 1949–2007 гг. исследуются межгодовые колебания температуры поверхности Северного Ледовитого океана и Северной Атлантики с южной границей на широте 55,25°с.ш.

Спектры высокого разрешения оценивались методом быстрого преобразования Фурье с максимальным разрешением (метод Велча).

Для «сжатия» большого объема исходной информации полей среднемесячных значений температуры поверхности моря используется метод факторного анализа, позволяющий выделить районы с высоко коррелированными колебаниями и свести исследование рассматриваемых характеристик к их анализу в локальных точках.

Анализ главных факторов позволил выявить 10 районов с квазисинхронной изменчивостью аномалий температуры путем отнесения к ним точек, имеющих превышающую 0,6 корреляцию с соответствующими факторами.

Классификация по соответствию спектральной структуры показала, что районы Чукотское море, Гудзонов залив, моря Ирмингера и Лабрадор имеют совпадения в пиках на периодах колебаний 5–6 лет и 8–9 лет.

Схожую спектральную структуру, определяемую пиками на периодах 6 и 11 лет, имеют районы центральной и западной части Норвежского моря, влияния Северо-Атлантического течения, восточная часть Норвежского моря и участки Карского моря.

Особняком выделяются Баффинов залив, имеющий два основных пика — на периодах 16 и 5–6 лет, и центральная и западная часть Баренцева моря, где колебания на малых периодах совпадают с колебаниями в Чукотском море, а на периодах 7–8 лет — с колебаниями в юго-восточной части Баренцева моря и восточной части Норвежского моря.

В некоторых случаях пики спектров в разных районах проявляются со смещением и ослаблением, т. е. можно предположить, что при переносе температурного сигнала по акватории меняются и его частотные характеристики.

Решается 3D краевая задача расчета баротропной приливной динамики Курильского региона, включающего южную область Охотского моря, проливы Курильской гряды и ее материковый склон.

Краевая задача в гидростатическом приближении реализуется в постановке для контравариантных потоков программного комплекса Cardinal.

Моделирование приливной динамики проливов курильской гряды и ее материкового склона имеет особое значение в связи с высоким геостратегическим престижем региона. Исключительная сложность рельефа области, содержащей десятки подводных вулканов, требует решения задачи в полной негидростатической постановке; это делает не-
обходимым многопроцессорную реализацию модели с высоким сеточным разрешением для ее репрезентативности.

С целью кардинального уменьшения вычислительных затрат предложена рациональная методика рассмотрения и воспроизведения приливной динамики на 2D вертикальных разрезах области при решении на разрезах краевой задачи с повышенным сеточным разрешением.

Приводится постановка краевых задач на продольных и поперечных вертикальных разрезах в негидростатической формулировке и в гидростатическом приближении.

Приводятся результаты расчета полей уровня и скорости приливных течений, генерируемых доминирующей лунно-солнечной волной K1 и суммарным приливом в подобластях региона, результаты расчета структуры вертикальной скорости
на разрезах области; приводятся результаты сравнения придонной вертикальной скорости над подводной горой и на свале глубин в гидростатической и негидростатической постановках, расчет частотного спектра и энергии приливных течений.

Необходимость развития моделей и методов расчета нестационарных течений газа и жидкости с концентрированной завихренностью обусловливается широким распространением такого рода течений в природе и технике.

Рассматривается численное моделирование формирования вихревого кольца, его распространения и взаимодействия с плоской преградой, ориентированной по нормали к направлению перемещения кольца. Обсуждается построение модели виртуального генератора вихревых колец и выбор комплекса параметров, описывающих генерирующий импульс (продолжительность импульса и его амплитуда).

Расчетная область состоит из внутренней области генератора вихревых колец и область внешнего пространства за его срезом, в которой происходит формирование и движение вихревого кольца.

Для численных расчетов применяются нестационарные уравнения Навье–Стокса в осесимметричной постановке, для дискретизации которых используется метод конечных объемов.

Для моделирования течения, образующегося при движении поршня в трубе,
на левом торце генерирующей трубки используются нестационарные граничные условия, описывающие изменение массового расхода во времени.

Приводятся распределения давления по преграде и изменение продольной силы, действующей на преграду, во времени, а также изменение характеристик вихревого кольца при его взаимодействии с преградой.

Результаты численных расчетов сравниваются с данными физического эксперимента. Приводится качественная картина течения, возникающего при приближении вихревого кольца к стенке, а также обсуждаются ключевые особенности потока и критические точки, которые формируются при взаимодействии вихревого кольца со стенкой.