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.

Статья посвящена теоретическому исследованию прямолинейного нестационарного движения тонкого тела в жидкости вблизи свободной поверхности и ледяного покрова.

Рассматривается идеальная несжимаемая жидкость, движение жидкости потенциальное.

Ледяной покров моделируется плавающей вязкоупругой пластиной. Вязкоупругие свойства льда описываются моделью Кельвина-Фойгхта.

Тонкое тело заданной формы в потоке жидкости моделируется обтеканием системы источников-стоков.

Рассматриваются различные режимы движения тела: ускорение, торможение, движение с заданной скоростью.

Анализируется влияние ледяного покрова, ускорения и торможения тела на его волновое сопротивление.

Получено, что нестационарные режимы движения (ускорение и торможение) существенно
влияют на волновое сопротивление тонкого тела.

Движение с малым начальным ускорением позволяет уменьшить амплитуду первого по времени горба волнового сопротивления.

При торможении тела до полной остановки кривая волнового сопротивления носит колебательный характер.

Уменьшение коэффициента торможения приводит к уменьшению амплитуды осцилляций кривой волнового сопротивления.

Наличие ледяного покрова сглаживает горб волнового сопротивления при ускорении и уменьшает количество осцилляций и их амплитуду при торможении.

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.