Том 61, № 3 (2025)

Во вступительной статье к этому выпуску журнала “Известия РАН. Физика атмосферы и океана”, посвященному 100-летию со дня рождения академика Гурия Ивановича Марчука, описываются основные направления его научной деятельности, оказавшие значительное влияние на развитие современной геофизической гидродинамики. Это — прогноз погоды, моделирование климатической системы, приложение теории сопряженных уравнений к задачам геофизической гидродинамики, вычислительные алгоритмы. Обсуждаются идеи и математические методы современной геофизической гидродинамики, инициированные Г.И. Марчуком и развитые его научной школой на протяжении 25 лет XX в. и 25 лет XXI в. Отмечается яркий глубокий след, который он оставил в науке, и выделяются результаты, полученные им, его учениками и коллегами в области геофизической гидродинамики.

Описывается история развития российской сигма-модели циркуляции океанов и морей, известной как INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model). Модель развивалась на протяжении 50 лет, сначала в Вычислительном центре Сибирского отделения Академии наук (ВЦ СО АН) СССР, затем в Институте вычислительной математики Российской академии наук (ИВМ РАН). Первая версия модели была разработана под непосредственным руководством Г.И. Марчука и была предназначена для моделирования совместной циркуляции глобальной атмосферы и Мирового океана. Основным методом решения модельных уравнений был метод многокомпонентного расщепления, предложенный Г.И. Марчуком и развитый его учениками и последователями. На протяжении полувека в модели усовершенствовалось описание базовых процессов, параметризаций и численных алгоритмов. Новый период в развитии модели пришелся на конец 1990-х гг., когда она стала применяться в качестве океанического блока климатической модели земной системы ИВМ РАН. В 2000-х гг. спектр ее использования существенно расширился. Вместе с изучением климатической системы Земли она стала всё более активно использоваться для моделирования циркуляции Мирового океана, его отдельных акваторий и морей. В настоящее время модель INMOM применяется для решения широкого спектра фундаментальных и прикладных задач, связанных с расчетами характеристик гидротермодинамики морей и океанов, в т.ч. и их климатической изменчивости. Она используется в ИВМ РАН, Государственном океанографическом институте им. Н.Н. Зубова (ГОИН), Институте океанологии (ИО) РАН, Гидрометцентре России, Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения (ТОИ ДВО) РАН, а также в других организациях, связанных с изучением океанической и морской гидротермодинамики. Модель продолжает развиваться авторами, их коллегами и учениками.

В данной работе обсуждаются некоторые результаты исследования вихревых потоков тепла в районе субтропического струйного течения. Многие крупномасштабные динамические явления в атмосфере Земли связаны с процессами распространения и обрушения волн Россби. Здесь мы обращаем внимание на области противоградиентных вихревых потоков тепла в районе субтропического струйного течения в Северном полушарии, связанные с опрокидыванием волн Россби. В этих областях мы наблюдаем меридиональный перенос энергии на северном фланге струйного течения в экваториальном направлении по данным реанализа ERA-5 и данным моделирования с климатической моделью INM-CM4-8 Института вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН, а производство энтропии, за счет горизонтального переноса тепла, становится отрицательным, поскольку тепло переносится против температурного градиента, но это не является нарушением второго закона термодинамики, поскольку основная доля производства энтропии происходит за счет процессов вертикального теплообмена, например конвекция, и других необратимых процессов. Производство энтропии чувствительно к земному покрову, баланс энтропии больше всего связан с радиацией на поверхности. Количественная оценка термодинамического баланса энтропии и производства энтропии является полезным показателем для оценки взаимодействий системы атмосфера-поверхность. Некоторые оценки производства энтропии поверхностью представлены в данной работе. В традиционном подходе к исследованию климатической системы основное внимание уделяется динамическим механизмам и физическим процессам, ответственным за преобразование энергии из одной формы в другую, но также важен подход, основанный на анализе баланса энтропии климатической системы и, особенно, производства энтропии.

Статья посвящена обсуждению идей Г.И. Марчука, которые стимулировали исследования в области оперативной океанографии и прогнозирования состояния морской среды в последние 10–12 лет в институтах Российской академии наук и Росгидромета. Описывается развитая сотрудниками Морского гидрофизического института и исследовательскими коллективами Франции методология в реконструкции температуры и солености морской воды по данным наблюдений с ИСЗ. Демонстрируются применение простейшего алгоритма ассимиляции наблюдений, основанного на релаксации решения численной модели прогноза к восстановленным по спутниковым данным трехмерным термохалинным полям в Азово-Черноморском, Арктическом бассейнах и в Мировом океане. Оценки среднеквадратичных отклонений термохалинных полей Мирового океана, рассчитанных с применением простейшего алгоритма ассимиляции наблюдений, сопоставляются с аналогичными оценками продуктов системы CMEMS (Copernicus Marine Environment Monitoring Service) на основе GLO12 v2 и v4. Обсуждаются причины относительно небольших расхождений оценок анализов термохалинных полей, основанных на модели с пространственным разрешением 0.25° и использованием простейшего алгоритма ассимиляции наблюдений и модели GLO12 v2 и v4 с разрешением 1/12° и значительно белее сложным алгоритмом ассимиляцией наблюдений.

Задача усвоения данных для нестационарных моделей переноса и трансформации примесей рассматривается как последовательность связанных обратных задач о восстановлении пространственно-временной структуры функций состояния с учетом поступающих в ходе моделирования данных измерений. Усвоение данных осуществляется вместе с идентификацией дополнительной искомой функции источника, которую мы называем функцией неопределенности модели. Целью работы является краткий исторический обзор и представление актуальной версии алгоритма усвоения данных для моделей химии атмосферы на основе операторов чувствительности и ансамблей решений сопряженных уравнений с демонстрацией работы алгоритма для трехмерной модели с нелинейным оператором измерений в одном из сценариев моделирования для Байкальского региона.