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

Исследования выполнялись в рамках государственного задания № 0128-2021-0014 в 2018–2023 г. В первом разделе отчета кратко представлены результаты, полученные в 2018–2022 гг. Второй раздел содержит подробный отчет о работе, проделанной в 2023 г. 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; климатические изменения северной части Индийского океана; процессы, протекающие на границах раздела «океан – атмосфера» (потоки тепла и влаги), в пограничных слоях океана (изменчивость океанских фронтальных зон и характеристик внутренних волн) и на границе «океан – дно» (стабильность газовых гидратов). Цель – развитие представлений о формировании пограничных слоев, волновых и вихревых процессов, явлений переноса и биогеохимических циклов в морях и океанах на основе теоретических подходов, физико-математического моделирования, натурных экспериментальных работ и комплексирования разнородных (дистанционных и прямых) наблюдений. Установлено, что внутренние приливы вносят значимый вклад в формирование климатических характеристик Карского моря и моря Лаптевых, и этот вывод слабо зависит от параметра восстановления, фигурирующего в граничных условиях численной модели на поверхности моря. Закончен этап разработки двухмерной («фазо-разрешающей») модели для трехмерных потенциальных волн с целью повышения производительности расчетов статистических характеристик поля ветровых волн. На основе разработанного алгоритма гибридных моделей выполнен расчет приливной негидростатической динамики на вертикальных разрезах проливов Буссоль и Четвертого Курильского. Показано, что поля вертикальной скорости могут достигать значения 0.1–10 см/c на некоторых участках вертикальных разрезов, что подтверждает необходимость использования модели с учетом негидростатических эффектов. Проведены климатические расчеты, учитывающие влияние обратной связи «температура воды – фитопланктон» в Индийском океане. Представлено сравнение между моделируемыми прошлым (1975–2004) и будущим (2070–2099) климатическими периодами для южноазиатского домена CORDEX с акцентом на пространственное распределение температуры и солености поверхности океана, интегральной по глубине первичной продукции фитопланктона, температуры воздуха и общего количества осадков. Обнаружено, что соленость в северной части Индийского океана в будущем климате будет значительно выше. В то же время биологическая продуктивность океана снизится по сравнению с прошлым климатом. Проведена настройка и верификация гидродинамической модели Балтийского моря. Модель позволяет производить расчеты на климатических сроках без применения процедур ассимиляции данных. Выполнена обработка экспериментальных данных лидарной съемки западной части Карского моря (НИС «Академик Мстислав Келдыш», сентябрь 2022 г.). Найдены взаимосвязи между параметрами лидарных эхо-сигналов и гидрооптическими характеристиками, зарегистрированными контактными методами. В результате анализа архива спутниковых данных были впервые получены сведения об изменчивости характеристик поверхностных проявлений КВВ в Курило-Камчатском регионе в течение года. Стабильность районов проявления КВВ в течение года подтверждает гипотезу их приливного происхождения. На примере решения задачи о термобарическом режиме сферической каверны в массиве газонепроницаемого подземного льда, заполненной гидратом, льдом и свободным метаном-газом, показано, что даже при значительном повышении температуры на поверхности сферы разложение гидрата происходит в крайне тонкой оболочке непосредственно между этой поверхностью и смещенной внутрь сферы фазовой границей. Это обеспечивает «самоконсервацию» гидратов метана. Результаты исследований имеют научную значимость для решения проблем оценки климатических изменений и оперативной океанографии. В прикладной области они нацелены на решение экологических, хозяйственных и оборонных задач.