Волновые процессы, явления переноса и биогеохимические циклы в морях и океанах: исследование формирующих механизмов на основе физико-математического моделирования и натурных экспериментальных работ

Объектом исследований являлись динамические и волновые процессы в глубине и на поверхности океана, вихревые явления от масштабов турбулентности до мезоструктур, а также оптическая аппаратура для дистанционного измерения характеристик морской среды. Цель – развитие представлений о формировании пограничных слоев, волновых процессов, явлений переноса и биогеохимических циклов в морях и океанах на основе теоретических подходов, физико-математического моделирования, натурных экспериментальных работ. На основе физико-математического моделирования и экспериментальных работ получены следующие основные результаты. В рамках исследования приливных изменений регионального климата моря Лаптевых на основе высокоразрешающего моделирования воспроизведены пространственные распределения климатических характеристик и интегральных по глубине составляющих бюджета бароклинной энергии в море. Решена краевая задача для уравнений движения, неразрывности, конституентов плотности и характеристик турбулентности в трехмерной области северных Курильских проливов с граничными условиями, определяемыми решением глобальной модели. Краевая задача реализуется методом конечных объемов на неструктурированной сетке в гидростатическом приближении. Детализированное моделирование приливной динамики Четвертого пролива выполнено в негидростатической постановке. Разработана региональная вихреразрешающая модель Карского моря (KASM); выполнена калибровка и верификация модели. Используя новую версию региональной модели океана в составе региональной модели системы Земли (МСЗ) исследовано влияние обратной связи температура воды – фитопланктон на температуру верхнего слоя Индийского океана, а также изучено экстремальное явление аномальной жары над Индией в современном и в возможном будущем климате. Закончена разработка фазоразрешающей модели периодических поверхностных волн, основанная на двухмерных уравнениях движения идеальной несжимаемой жидкости со свободной поверхностью. Модель является двухмерным аналогом ранее созданной трёхмерной модели, основанной на эволюционных кинематическом и динамическом поверхностных граничных условиях и уравнении Лапласа для потенциала скорости, записанных в следующих поверхности криволинейных координатах. Разработана одномерная модель позволяющая воспроизводить обмен импульсом, теплом и влагой в волновом пограничном слое атмосферы. Данная модель, с одной стороны, имеет достаточное разрешение для расчета потоков субстанций на границе вязкого подслоя, с другой стороны достаточно эффективна и позволяет проводить массовые расчеты. Одномерная модель использует параметризацию волнового поток импульса, полученную на основе расчетов двумерной модели пограничного слоя над волнами. Таким образом, обе модели дополняют друг друга и позволяют решать большой диапазон задач. Выполнена валидация данных дистанционного зондирования для области Стоковой фронтальной зоны (СФЗ) Карского моря на основе сопоставления измерений радиометров спутников Suomi NPP VIIRS и NASA SMAP и данных, полученных с борта НИС «Профессор Леванидов» с 15 по 27 сентября 2019. Она показала высокую точность воспроизведения спутниковыми системами поверхностных полей температуры и солености Карского моря. По валидированным спутниковым данным впервые показана синоптическая изменчивость площади Стоковой фронтальной зоны в теплый период года. Выполнено исследование пространственно-временной изменчивости характеристик полярной фронтальной зоны (ПФЗ) в Баренцевом море за период с 2002 по 2020 гг. Полученные оценки градиентов и площади показали, что после 2010 года величина градиентов ПФЗ в поверхностном слое уменьшилась, что, вероятнее всего, связано с увеличением «атлантификации» вод Баренцева моря. Завершена разработка поляризационного лидара и предложен метод обработки сигналов судового лидара, позволивший надежно и достаточно точно определить положение границы между слоями, различающимися по гидрооптическим характеристикам. Выполнен долговременный цикл лидарного зондирования толщи морской воды. Измерения проводились с борта судна в дрейфе в Черном море. В результате обработки и анализа полученного массива данных разработанным методом зарегистрированы периодические изменения положения границы между слоями и оценены их характеристики.