Purpose. The research is purposed at substantiation of the design of floating marine stations with a wave energy generator. The proposed construction is of higher efficiency as compared to the known designs due to the application of roll oscillations and resonance operating mode.
Methods and Results. The resonance method of converting wave energy into electrical energy, as well as the design of an autonomous station based on the resonance conversion of the station hull roll oscillations into the electrical energy are described. The method implies adjusting the frequency of natural angular oscillations of the floating station hull to the significant wave frequency. It has been theoretically proved that the conversion of roll oscillations energy is more effective than the conversion of vertical oscillations. This is due to the fact that the amount of damping during vertical vibrations of a cylindrical body in water exceeds the amount of damping during angular oscillations of such a body. Besides, the proposed method is shown to be effective for applications in the development of measurement systems and storage devices. The design of a floating station is proposed for implementing the resonance method for converting wave energy. It is shown that adjusting the frequency of natural onboard oscillations of the station hull to the significant wave frequency can be done using the additional filled tanks. The algorithm for adjusting the hull roll oscillations to the resonance with significant wave frequency is described. The kinematic scheme for a mechanical converter of roll energy into electrical one is proposed.
Conclusions. The results of theoretical studies were validated experimentally using the device test model in a wave experimental basin. They show that the hydrodynamic efficiency of the proposed wave converter increases as the wave heights decrease.
Purpose. The work is aimed at studying the statistics of width-to-length ratio of a breaking crest for an active phase of wind wave breakings and at assessing the possibility of approximating the geometric shape of a breaking with an ellipse.
Methods and Results. The experimental data including the video records of sea surface and the wind speed measurements were obtained at the stationary oceanographic platform in the Black Sea Hydrophysical Subsatellite Polygon of Marine Hydrophysical Institute (near the village of Katsiveli, the Southern Coast of Crimea) in 2015–2019. Processing the in situ data made it possible to form the arrays both of lengths and areas of the breakings and the synchronous measurements of wind speed.
Conclusions. The distributions of random variables proportional to the minor-to-major axes ratios of breakings are obtained. It is shown that these distributions are coincident for the whitecaps of different scales. This fact testifies to the similarity of breaking geometric shapes. The average value of breaking axis ratio obtained from all the data is 0.41. It is concluded that the average geometric shape of the breaking boundaries is satisfactorily described by an ellipse with eccentricity 0.91. The ratio of the speed of a breaking centroid to that of its anterior front is estimated to be 0.9.
Purpose. Development of regional satellite algorithms requires the information on bio-optical properties of a particular water area. The present study is aimed at comparative analysis of bio-optical properties of optically complex waters differing in their trophic status.
Methods and Results. The study combined the results of measuring the spectral bio-optical properties in the waters of the Black, Azov, Barents and Norwegian seas, the Arctic and Southern oceans (Atlantic sector) and Baikal and Teletskoye lakes. Spectral coefficients of light absorption by phytoplankton, non-algal particles and colored dissolved organic matter were measured in accordance with the International Ocean Colour Coordinating Group Protocols. The study areas included the waters with trophic levels from the oligotrophic to the eutrophic ones (the chlorophyll a concentrations in the surface layers varied from 0.066 to 24 mg⋅m−3) and with high heterogeneity in their bio-optical properties: the total non-water light absorption at the wavelength of 438 nm varied from 0.021 to 0.97 m−1.
Conclusions. In all the regions, a high (within an order of magnitude or higher) spatial variability in the values of light absorption coefficients by all the optically active components and their ratios was noted. This fact indicates the optical complexity of waters in each of the regions under study. The regional specificity of parameterization coefficients for light absorption by phytoplankton, non-algal particles and colored dissolved organic matter was shown. The revealed parameterization coefficients for light absorption by the optically active environment components can be used to develop regional satellite algorithms for assessing water quality and productivity indicators. Based on the empirically revealed dependencies, the following additional indicators of water quality were proposed: the euphotic zone depth and the spectral characteristics of downwelling irradiance which can be retrieved based on remote sensing data.
Purpose. The study is purposed at determining modern dynamics of the Lake Sasyk bay-bar (Crimean Peninsula) and the impact of the local seawater intake upon the coastal zone based on long-term in situ observations, satellite data and mathematical modeling. The study was conducted in view of the proposed construction of transverse hydraulic structures.
Methods and Results. Regular (2007–2014) and occasional in situ observations of the coastline dynamics at the Lake Sasyk bay-bar were used. The maximum inter-annual oscillations in the coastline locations are shown to be 5.8 m in the sections to the southeast from the transverse structure (seawater intake) and 3.4–7.2 m – in the sections to the northwest. Seasonal variability is significantly higher: the maximum range is 14.6 m in the sections to the southeast, and in those to the northwest – 26.7 m. The wave climate was investigated. The wave reanalysis data for 1979–2022 have shown that the southwestern direction of waves approaching the coast with a frequency exceeding 30% is most probable. The highest waves also come from this direction. The extreme values of wave characteristics which can occur once in n years were obtained. The mean long-term values of storm numbers in the area under study are given depending on their duration. Application of the GenCade integrated lithodynamic model permitted to obtain the estimates of changes in the coastline position in this area on the interannual scales.
Conclusions. The model calculations made it possible to reproduce the main features and trends in changes of the beach width in the area of the structure obtained due to in situ observations. The mean annual sediment flows in the area under study are directed clockwise (to the southeast) that is conditioned by the coastline orientation and the wave climate features. Difference between the mean annual sediment rates at the area boundaries is negligible – less than 4% of the multi-year average. This fact indicates insignificant impact of the structure upon the sediment total transfer to the southeast.
Purpose. The aim of the study is to analyze the features of mean long-term structure and intra-annual variability of the characteristics of temperature fronts on the ocean surface in the Patagonian shelf region.
Methods and Results. Mean daily values of the ocean surface temperature from the NOAA OI SST data and the geostrophic velocity components on the surface at the nodes of a 0.25° regular grid from the CMEMS reanalysis for 1993–2020 were used. It is shown that at the western periphery of a large-scale cyclonic meander formed by the currents in the Patagonian shelf region (south of 45°S), three branches of the Subantarctic Front are traced; they correspond to theWest Falkland Current and to two jets of the East Falkland Current. North of 45°S, where one Falkland Current jet is observed, one branch of the Subantarctic Front is identified. On the eastern periphery of the meander, the front corresponding to the common stream of the Brazil Current and the Falkland Return Current is revealed. Besides, south of 40°S, a separate branch of the Subantarctic Front corresponding to one more recirculation of the Falkland Current is observed. It is shown that at the meander western periphery, the branches of the Subantarctic Front are most intensified in February – March, at its eastern periphery – in March – April, and at the meander northern peak (in the zone of the Brazil – Falkland Confluence) – in April – May and November.
Conclusions. It is found that on the western periphery of the cyclonic meander, south of 45°S, the main branch of the Subantarctic Front approximately follows the 900–1000 m isobaths, north of 45°S – the 150–170 m isobaths, and closer to the Brazil – Falkland Confluence – the 50–60 m isobaths. At the meander eastern periphery, north of 40°S, the main branch of the front is very close to the 800–1000 m isobaths, south of 40°S – to the 1000–2500 m isobaths. It has been established that the differences between the seasonal cycles of intensity of the Subantarctic Front branches are related to the dissimilar warming and cooling rates of surface waters separated by these branches.
Purpose. Sea breeze circulation is a common mesoscale phenomenon near the coasts of water bodies. However, at the moment, a number of the published review papers on this topic remain small. Therefore, the purpose of the work is to complement the existing reviews on sea breezes by generalizing the available knowledge on the influence of air heating intensity near the land surface, atmosphere stratification, synoptic background wind and the Coriolis force upon the sea breeze circulation.
Methods and Results. An overview of the results of studies involving the theoretical research methods, namely linear theory and two-dimensional numerical simulation, is presented. At first, the sea breeze circulation is considered within the framework of linear theory. Further, a technical description of two-dimensional models and the breeze features obtained applying these models are presented. The published works having been reviewed made it possible to consider the influence of four main factors (heat flux, atmosphere stratification, background synoptic wind and the Coriolis force) upon the breeze circulation.
Conclusions. Within the framework of linear theory, the breeze circulation represents an internal inertial-gravity wave with a diurnal period. Depending on the uniformity of vertical profile of the background synoptic wind, its influence on the linear sea breeze circulation leads to the asymmetry of circulation relative to the coast and to limitation of the breeze height. In a nonlinear regime, the important feature of breeze circulation obtained by applying numerical simulation consists in formation of a gravity current propagating over the surface. The nonlinear regime implies a fairly clear dependence of the velocity of gravity current front propagation on its height. The main manifestation of the background wind influence upon the gravity current is the change in its height that results in formation of a stationary or rapidly spreading current. Due to the Coriolis force influence, both within the framework of linear theory and in the nonlinear regime, an along-coastal velocity component is formed that leads to a decrease of the velocity component perpendicular to the coastline.
Цель. Исследована интенсивность взмучивания илистых донных осадков в заливе Восточный Сиваш (Азовское море) в период экстремального шторма и оценен вклад течений и ветрового волнения в процессы взмучивания.
Методы и результаты. Поля течений рассчитываются на основе трехмерной σ-координатной модели циркуляции вод типа POM, дополненной блоком взмучивания илистых осадков. Для расчета ветрового волнения используется спектральная модель SWAN. В обеих моделях применяется прямоугольная расчетная сетка с горизонтальным разрешением 300 м. В качестве форсинга используются данные атмосферного реанализа ERA-Interim, соответствующие экстремальной штормовой ситуации 10–13 ноября 2007 г. На основе проведенных расчетов в работе проанализирована структура полей волнения, течений, придонных сдвиговых напряжений и концентрации взвешенного вещества в Восточном Сиваше для разных фаз шторма. Предложена методика оценки чувствительности модели взмучивания к вариациям значений входных параметров.
Выводы. Используемая модель взмучивания наиболее чувствительна к вариациям значений параметров, определяющих интенсивность вертикального потока частиц ила со дна бассейна. В период максимального развития шторма на 80 % общей площади залива Восточный Сиваш создаются условия для формирования областей взмучивания. Если при моделировании не учитывается вклад волн, общая площадь взмучивания сокращается в четыре раза, что говорит об определяющем вкладе придонных волновых напряжений в формирование областей взмучивания донных осадков в заливе.
Цель. Изучение на основе теоретических представлений и данных натурных наблюдений уровня моря, полученных с сентября 2022 г. по май 2023 г., длинноволновых процессов в бухтах г. Холмска и на прилегающем шельфе, в том числе взаимодействия бухт – цель настоящей работы.
Методы и результаты. Для выполнения наблюдений использованы три автономных измери-теля волнения АРВ-14 К, которые были установлены в бухтах Торгового порта и Холмск-Северный, а также на шельфе на незначительном удалении от бухт. Дискретность измерений одна секунда. На основе спектрального анализа с использованием программы Kyma исследованы временные ряды как включающие приливы, так и не учитывающие их. В диапазоне пе-риодов волн 1–30 ч обнаружены волновые процессы с периодами 1,6–6,7 ч неприливной при-роды, которые можно отнести к шельфовым сейшам, волнам Пуанкаре, а также к сейшам Татарского пролива. Спектральный анализ в диапазоне периодов 1–10 мин показал присутствие сейшевых колебаний с периодами 1,83–8,17 мин в бухте Торгового порта и 1,32–8,65 мин – в бухте Холмск-Северный.
Выводы. Установлено, что на протяжении всей серии натурных наблюдений в указанных бухтах имели место связанные колебания на периодах 8 мин, соответствующих моде Гельм-гольца бухты Холмск-Северный. Данные колебания возбуждаются в этой бухте и за счет связи передаются в бухту Торгового порта. Указанные колебания в различные моменты времени имели как синфазную, так и противофазную пространственную структуру. На периодах высоких собственных мод взаимодействие между бухтами не выявлено. Также на основе спектрального анализа рассматриваемых колебаний уровня выделены биения с периодом 4,82 ч (289,2 мин), возникающие в результате взаимодействия мод с близкими периодами, равными 8,17 и 8,65 мин. Указанные факты, а также соответствие расстояния между входами в бухты предложенному ранее критерию условия взаимодействия позволяют говорить о наличии связанных колебаний в двух смежных бухтах – Торгового порта и Холмск-Северный.
Цель. Оценена внутри- и межгодовая динамика концентрации биогенных элементов (соединений неорганического азота, фосфатов и кремнекислоты) в водах реки Черной.
Методы и результаты. Использованы данные ежеквартального мониторинга гидрохимических характеристик вод нижнего течения реки Черной и Чернореченского водохранилища, проводимого Морским гидрофизическим институтом РАН в 2015–2020 гг. С использованием полученных данных изучено распределение концентрации соединений неорганического азота, фосфатов и кремнекислоты в водах реки Черной в исследуемый период, его сезонное и межгодовое изменение. По сравнению с периодом с 2010 по 2014 г., в 2015–2020 гг. поступление аммонийного азота увеличилось в среднем в 2,7 раза. Среднемноголетний вынос неорганического азота с водами реки Черной составил 32,46 т/год в период с 2010 по 2014 г. и 27,8 т/год в 2015–2020 гг., фосфатов и кремнекислоты – 0,23 и 57,93 т/год в 2010–2014 гг., 0,18 и 62,21 т/год в 2015–2020 гг.
Выводы. Рост концентраций всех рассматриваемых биогенных элементов отмечался на станциях, расположенных вблизи сел в Байдарской долине и наиболее подверженных антропогенному воздействию, а также в районе водовыпуска агрофирмы «Севагросоюз», что может указывать на поступление минеральных удобрений в воды реки. Содержание неорганических форм биогенных элементов в водах реки Черной в современный период возросло по сравнению с периодом до 2014 г., что указывает на необходимость обсуждающегося на протяжении последнего десятилетия строительства системы канализования и очистки сточных вод предприятий и жилой застройки Байдарской долины.
Цель. Цель работы – изучить пространственно-временную изменчивость потока скрытого тепла, одной из важных составляющих теплового баланса, в северо-западной части Тихого океана и дальневосточных морях на основе данных реанализа ERA5.
Методы и результаты. Материалом для данной работы послужили данные реанализа ERA5 о потоке скрытого тепла в области, ограниченной координатами 42−60° с. ш. и 135–180° в. д., включающей дальневосточные моря и северо-западную часть Тихого океана. Массив среднемесячных значений с разрешением по пространству 1/4° проанализирован с применением стандартных статистических методов. Построены средние многолетние распределения значений потока скрытого тепла для каждого месяца, в каждой пространственной ячейке рассчитаны амплитуды и фазы годовой и полугодовой гармоник, коэффициенты линейного тренда, выполнено разложение по естественным ортогональным функциям. Размах сезонных вариаций значителен в зоне теплых течений, он резко уменьшается на севере изучаемой части Тихого океана, Охот-ского и Берингова морей. Межгодовые вариации выражены в квазициклических изменениях огибающей по максимальным значениям с периодом около 6 лет. Однонаправленные тенденции в межгодовых вариациях потока скрытого тепла выражены слабо.
Выводы. В сезонных вариациях потока скрытого тепла доминирует годовая цикличность, которая проявляется более всего на юге северо-западной части Тихого океана (область влияния теплого течения Куросио) у япономорского побережья о. Хонсю, в зоне Цусимского течения. Это обусловлено значительным возрастанием испарения в указанных районах в холодный период года, что связано с более резким температурным контрастом, а также влиянием зимнего муссона с сильными и устойчивыми ветрами северо-западного румба, несущими с континента сухой холодный воздух. В теплый период года на некоторых участках изучаемой акватории значения потока скрытого тепла положительны, что указывает на важную роль конденсации водяного пара в районах с высокой облачностью и в зонах квазистационарных апвеллингов.