Том 55, № 1 (2019)

В настоящей статье приведен обзор и анализ подходов к усвоению данных в задачах геофизической гидродинамики, начиная с простейших последовательных схем усвоения и заканчивая современными вариационными методами. Особое внимание уделено новому направлению, где автору принадлежит ряд оригинальных результатов, – исследованию задачи вариационного усвоения в слабой формулировке, в частности построению системы оптимальности, и оценке ковариационных матриц ошибок оптимального решения.

В работе уточнены ранее полученные с климатической моделью ИФА им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) результаты, связанные с влиянием сернистого газа атмосферы на наземный углеродный цикл. Ввиду недоступности глобальных данных о приземной концентрации SO₂ она была восстановлена по соответствующим данным о приземной концентрации сульфатов с использованием статистической модели, коэффициенты которой были подобраны по расчетам с моделью химии атмосферы RAMS-CMAQ. Полученные в работе результаты в целом согласуются с опубликованными ранее. В частности, наиболее значимое влияние SO₂ на характеристики наземного углеродного цикла выявлено на юго-востоке Северной Америки и в Европе. Однако такое влияние на юго-востоке Азии в данной работе существенно слабее, чем было получено ранее, что связано с завышением влагосодержания атмосферы КМ ИФА РАН в этом регионе.

Представлены результаты исследований пространственно-временных вариаций содержания углекислого газа в районе Санкт-Петербурга на основе спутниковых (спутник ОСО-2) и наземных (спектроскопических и локальных) измерений за период 2014–2018 гг. По спутниковым данным полная амплитуда пространственно-временных вариаций для среднего отношения смеси CO₂ (XCO₂) составила 57.7 ppm (более 14%). Максимальные пространственные вариации XCO₂ в течение одного дня наблюдений (17.03.2015) составили 46.8 ppm (более 10%).

Сопоставление спутниковых и наземных спектроскопических измерений содержания углекислого газа показало, что данные системы наблюдений NDACC после коррекции систематических отличий от системы TCCON могут быть использованы для валидации спутниковых измерений. Результаты наземных локальных исследований приземных отношений смеси СО₂ для Петергофа не коррелируют ни со спектроскопическими наземными, ни со спутниковыми данными – в силу мезомасштабных вариаций СО₂ и существенно различных пространственных усредняющих ядер прямых и дистанционных измерений.

Работа посвящена изучению условий возникновения "голоса моря" в инфразвуковом диапазоне и определению его параметров по данным измерений в акватории Черного моря, проведенным в 2011 г. и 2016 г., и в акватории Охотского моря – в 2017 г. Было проведено сравнение различных параметров (средние корреляции, спектры акустических приходов, направления и фазовые скорости) высокочастотного инфразвука (1–10 Гц), зарегистрированного в ходе экспериментов в Кацивели (Крым) в 2011 и 2016 годах. Подробно исследована ветровая обстановка в акватории Черного моря в период проведения измерений, а также условия распространения акустических волн вдоль направления их приходов. В обоих случаях было обнаружено наличие атмосферных вихрей в направлении прихода инфразвука, вызывавших поворот скорости ветра над поверхностью моря. В наблюдениях 2011 года к генерации инфразвука привело взаимодействие двух разнонаправленных атмосферных вихрей над морем, а в 2016 году – вихрь к западу от пункта регистрации. Обсуждается возможность генерации микробаром и "голоса моря" из-за поворота скорости ветра, вызывающего нелинейное взаимодействие поверхностных волн, распространяющихся в противоположных друг к другу направлениях, и образование их 2-й гармоники в виде стоячей поверхностной волны. Из анализа профилей скорости и направления ветра вдоль трассы прихода инфразвука, а также полей акустического давления, рассчитанных методом параболического уравнения по профилям $C_{eff}$ в направлении распространения инфразвука, были определены наиболее вероятные области его генерации. В обоих случаях эти области совпали с зонами, в которых скорость ветра падает до нуля, а направление ветра изменяется на противоположное.

Приведен пример одновременной регистрации с одного направления инфразвука в частотном диапазоне микробаром (0.2–0.3 Гц) и более высокочастотного "голоса моря" со средней частотой 5.5 Гц.

Приведены результаты исследования цуга аномально больших для Черного моря внутренних волн с высотами ~16 м и длинами 101–131 м. Измерения проводились в акватории вблизи г. Геленджик с помощью буксируемого акустического доплеровского профилометра течений (ADCP), гидрологического мини-зонда «RBR concerto», заякоренной термисторной цепочки, а также путем пространственного спектрального анализа космического радиолокационного изображения, полученного во время проведения подспутниковых измерений. Зарегистрированные внутренние волны имели нелинейный характер (солитоноподобная форма волновых профилей, дисперсия амплитуд, изменяющееся расстояние между гребнями и др.). Вертикальные компоненты скоростей орбитальных течений во внутренних волнах достигали 0.20 м/с. По пространственным спектрам космического радиолокационного изображения зарегистрированы квазимонохроматические спектральные максимумы, обусловленные поверхностными проявлениями внутренних волн с длинами, соответствующими измеренным по данным ADCP. Источником генерации этого аномального по высоте цуга внутренних волн являлись атмосферный фронт и связанная с ним область пониженного давления.

Представлена новая версия одномерной модели термогидродинамики и биогеохимии водоема LAKE 2.1. Модель дополнена описанием динамики и вертикального распределения солености в ледяном покрове. Результаты модели сопоставлены с данными контактных и спутниковых измерений температуры и ледяного покрова на оз. Убсу-Нур (Монголия) за период с 2000 по 2015 г. Показано, что недостаточное перемешивание в озере по вертикали в теплое время года в модели со стандартным турбулентным замыканием k–ε приводит к значительному сдвигу сроков установления льда. Продемонстрировано также, что при пренебрежении соленостью озера ледостав с модели начинается на 16-17 дней раньше действительных сроков. Эта ошибка удаляется, если в модели учитывать влияние солености воды на плотность воды и температуру замерзания; при этом, модель занижает в среднем на ≈0.2 м максимальную за сезон толщину льда. Данная ошибка, в свою очередь, уменьшается на порядок, если в модели воспроизвести вертикальное распределение и динамику солености льда.