Развитие моделей, методов и технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, океана, морского ледяного покрова, ледников и вечной мерзлоты (криосферы), процессов взаимодействия льда с природными объектами и инженерными сооружениями для Арктики и технологий гидрометеорологического обеспечения потребителей

Объектом исследований являются состояние атмосферы, океана, морского льда, криосферы, а также модели, методы и технологии мониторинга и прогнозирования элементов метеорологического и ледово-гидрологического режима Северного Ледовитого океана (СЛО), включая акваторию Северного морского пути (СМП), низовьев и устьевых областей рек на основе численного моделирования, физико-статистического подхода и метода дискретных элементов. Цель работы в 2023 г. заключается в комплексном мониторинге состояния природной среды высокоширотной Арктики, включая наблюдения на ЛСП; разработке и апробации моделей, методов и технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, океана, морского ледяного покрова, ледников и многолетней мерзлоты, процессов взаимодействия льда с природными объектами, судами и инженерными сооружениями; предоставлении данных наблюдений в сеть Всемирной Метеорологической организации (ВМО); подготовке первых версий методических документов. В рамках проекта получены следующие основные результаты. Отлажены процедуры считывания начальных данных и прогностических форсингов, процедуры вывода, хранения и архивации результатов интегрированной интерактивной системы прогноза элементов ледово-гидрологического режима СЛО. Создана тестовая версия единого программного обеспечения прогноза локального дрейфа льда на основе метода дискретных элементов, собранного из модулей, разработанных на предыдущих этапах работы. Выполнены тестовые испытания методики прогноза дрейфа льда в северной части Обской губы на основе физико-статистической модели с ограниченным количеством данных. Создан электронный архив буйковых измерений волнения данных спутниковой альтиметрии ветрового волнения. Выполнено сопоставление временных рядов спутниковых альтиметрических наблюдений и данных ветро-волнового моделирования на акватории СЛО с использованием альтиметрических данных спутников CFOSAT, SARAL. Оценены преимущества и недостатки спутниковых дистанционных измерений высот волн для арктического региона. Получены статистические оценки точности моделирования AARI-PD2, WaveWatch III, SWAN на акватории СЛО. Разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитывать преобладающую ориентацию разрывов в море Лаптевых при отсутствии фактических ретроспективных данных о разрывах, а также программное обеспечение, осуществляющее составление диагностических прогнозов преобладающей ориентации разрывов и зон их образования и закрытия в Восточно-Сибирском море. Разработан метод долгосрочного прогноза распределения льдов в зимний период для российских арктических морей на основе отбора информативных показателей и метод долгосрочного прогноза сроков ледообразования по акватории Карского моря с учетом данных о температуре поверхности воды. Разработан метод долгосрочных прогнозов температуры воздуха для Восточно-Сибирского и Чукотского морей на осенне-зимний сезон на основе макроциркуляционного метода. Разработаны тестовые методы сезонного прогноза состояния льда в летний период для арктических морей по сумме градусодней мороза с использованием ЕОФ-разложения полей сплоченности. Разработаны алгоритмы мониторинга и прогнозирования динамического состояния ледяного покрова Арктики как среды судоходства. Разработаны статистические уравнения моделей второго уровня межгодовых и климатических изменений летней ледовитости арктических морей, температуры воздуха в Арктике, солености поверхностного слоя в рамках статистического подхода с учетом астрогеофизических и гидрометеорологических влияний. Построены тестовые модели долгосрочного прогноза максимальных уровней воды весеннего половодья рек Надым, Пяку-Пур и Таз, основанные на нейросетевых моделях и нечеткой логике, включающие порядка 8-и параметров с наибольшим вкладом климатического фактора. Разработан комплекс программного обеспечения оценки состояния морского ледяного покрова на основе снимков ИСЗ оптического спектрального диапазона и радиолокационных данных с различной поляризацией. Проведены авторские испытания программного комплекса для подготовки информационного продукта о состоянии морского ледяного покрова и геометрических параметрах разрывов в ледяном покрове в акватории СМП по спутниковым снимкам. Опубликована брошюра Ежегодника «Обзор гидрометеорологических и ледовых процессов в СЛО в 2022 г.». Получены оценки состояния природной среды высокоширотной Арктики. Получены и загружены в информационные ресурсы новые данные о состоянии и динамике элементов климатической системы (атмосфера, гидросфера, ледники, морской лед) в районах действия обсерваторий ААНИИ, включая ЛСП. Оценены величины, тенденция, межгодовая динамика изменений температурного режима многолетней мерзлоты, развития криогенных процессов и явлений в течение последних 5-и лет во взаимосвязи с климатическими условиями. Усовершенствована модель нарастания припайного льда в условиях изменения теплофизических свойств снежного покрова на его поверхности в проливе Шокальского. Подготовлена первая редакция нормативного документа (СТО) по организации и проведению мониторинга поверхностных водных объектов в условиях высокоширотной Арктики, прошедшая метрологическую экспертизу и апробацию. Разработана первая версия методики обработки натурных данных по механике деформации и разрушению морского льда, получаемых от системы мониторинга ледовых нагрузок ЛСП. На основании экспериментальных исследований динамики и механики морского льда усовершенствован метод получения натурных данных по деформациям и разрушениям льда в Арктике. Создана феноменологическая модель различных ледовых явлений в СЛО: воздействие поверхностных волн на ледяной покров, автоколебательные процессы при сжатии и торошении, физико-механические прогностические признаки времени возникновения экстремальных ледовых явлений. Разработан алгоритм оценки волнового вектора фазовой и групповой скорости зыби и изгибно-гравитационный волн в ледяном покрове СЛО на основе данных когерентных измерений сейсмической системы мониторинга опасных явлений. Проведен анализ алгоритмов формирования льда в районе трещин, полыней и гряд торосов. Выявлены общие закономерности и отличия в процессе образования льда в районе динамической нестабильности льда. Разработан общий алгоритм формирования ровного припайного льда в районе участков деформаций ледяного покрова. Выполнен анализ законов распределения высоты паруса, осадки киля и толщины консолидированного слоя тороса. Разработан и подготовлен стенд для моделирования процессов торошения, на котором проведено моделирование процесса торошения. Разработан перечень критериев безопасного взаимодействия судна со льдом для различных сценариев, в том числе локальных и глобальных ледовых нагрузок, ледовых нагрузок на винторулевой комплекс судна и цилиндрическую вставку. Разработана усовершенствованная методика обработки результатов натурных испытаний характеристик ледовой ходкости судна, включая испытания ледопроходимости, маневренности во льдах и испытаний по форсированию торосов. Разработан и апробирован метод определения усилий в ледяном покрове с использованием измерений реакций корпусных конструкций. Модифицирована математическая модель накопления ледяной каши в узком канале, на основе которой откорректирована версия методических указаний по расчету необходимого количества узких ледовых каналов для обеспечения бесперебойного судоходства в зоне припайных льдов. Разработаны основные положения метода численного моделирования ломки льда изгибом при взаимодействии с корпусом судна.