„Вода, която може да ме удави, за мене е океан.“

Оперативната океанология, която се явява по същество инструмент за оценка на текущото и очакваното „време” в океана, в началото тя се развива едновременно в Европа и САЩ от началото на 1990-те години. Историята на нейното развитие във ВМС на САЩ е подробно изложена в „Overview of operational ocean forecasting in the US Navy”. Терминът „време” по отношение на океана подчертава това, че състоянието на океана, както и на атмосферата, отличаващо се с висока пространствена и времева изменчивост, и тази изменчивост в мащаба на няколко дни отразява именно „времето” в океана. Зад граница никога не са скривали, че информацията за „времето в океана” е особено важна за информационна поддръжка на подводната война и преди всичко – за използване на маскировъчните свойства на океана и осигуряване на скритостта на подводните обекти.

Към настоящия момент значимостта на оперативната океанология нараства във връзка с това, че за смяна на традиционните акустически и магнитометрически методи за откриване на подводни лодки идват методи за тяхното откриване по смущения в физическите полета. Така през 2015 г. в Центъра за стратегически и бюджетни оценки на САЩ е бил публикуван доклад от Брайан Кларк на тема „Нова ера в подводната война”. Автора на доклада отбелязва, че американското превъзходство във военното подводно противопоставяне в това десетилетие е на изследванията, разработките, обучението и натрупването на опит. Но това превъзходство съвсем не е гарантирано за в бъдеще. Американските подводни лодки са най-тихи в света, но в основата на новите методи за откриване на подводниците не лежи акустиката, което в бъдеще сериозно ще увеличи риска от откриването на традиционните обитаемо подводни лодки. Б. Кларк предполага, че потенциалния противник, нараствайки своите подводни сили, вече са разработили съответните технологии за откриване. От това авторът обосновано прогнозира кардинално изменение на ролята на подводните лодки. По негово мнение, те ще станат „подводни авионосци”, които ще носят на своя борд АНПА с военно назначение. Действително, през последните години се отбелязва бурен ръст на роботизирани военни комплекси, в това число автономни необитаеми подводни апарати (АНПА). Перспективите за тяхното използване в навигационно хидрографското и хидрометеорологично осигуряване (НХХМО) на ВМС е подробно разгледано в „Перспективи за използване на АНПА за осигуряване на ВМФ с хидрографска и океанографска информация”. Списание 37 стр. 58-64

Размерите на АНПА и генерираните от тях смущения на физическите полета, са съществено малки, в сравнение с тези от подводните лодки. Това обстоятелство обуславя обективното нарастване на изискванията към средствата за не акустично откриване на подводните обекти и, съответно, към качеството и подробността на океанологичната информация. От тази гледна точка представлява интерес да бъде разгледано съвременното състояние на системи за прогнозиране на състоянието на океана във ВМС на САЩ.

Функционално системата за ХМО, като пирамида, има четири основни нива, или под системи, отразяващи основните етапи на ХМО на военно морската дейност:

– наблюдение и измерване;

– сбор, обработка на информацията и прогнозиране на състоянието на средата;

– оценка на влиянието на средата на сензорите, оръжието, платформите;

– изработване на препоръки.

Важен елемент се явява подсистемата за сбора, обработката на информацията и прогнозирането на състоянието на средата. Важно отличие на системата за ХМО на ВМС на САЩ от подобните системи в други страни се явява това, че във ВМС функционира не само върха на пирамидата, осигуряваща оценка на влиянието на средата и вземането на решение, но и пълноценна подсистема за сбора и обработката на информацията. В Русия функцията за наблюдение, сбора, обработката на информацията и прогнозирането на състоянието на средата по същество монополно изпълнява Федералната служба по хидрометеорология и мониторинг на обкръжаващата среда (Росхидромет). В САЩ са счели, че за ВМС и ВВС е нужна особена прогностична информация за състоянието на средата. Действително, на кого, освен на ВМС са нужни, например, сведенията за не еднородността на хидрофизичните полета? Това решение отговаря и на съвременната задача на САЩ – достигане на информационно доминиране над противника, в това число по пътя на по-доброто и по-бързото, от колкото у противника, отчитане на влиянието на условията на средата на вземаното решение.

За информационна поддръжка на вземането на решение във ВМС на САЩ е създадена съответната организационна структура за ХМО. Тя подробно е описана в Ръководството (Joint meteorological and oceanographic (METOC) handbook. Във ВМС на САЩ се наброяват 1200 военни и 1100 граждански специалисти в областта на хидрометеорологията и океанографията, седем океанографски кораба, един самолет с устройство за откриване на турбулентност в атмосферата, наречено лидар, голям брой хидрографски катери. Допълнително за целите на океанското разузнаване във ВМС на САЩ в състава на Военно морския океанографски офис е създаден специален център за управление на глайдери (малък безпилотен летателен апарат, които използва въздушните течения – NAVO Glider Operation Center), чийто брой към 2015 г. достига 168.

Важни елементи на подсистемата за сбора, обработката на информацията и прогнозирането на състоянието на средата във ВМС на САЩ се явяват:

– Център за числова метеорология и океанография – Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center (FNMOC);

– Военно морски океанографски офис – The Naval Oceanographic Office (NAVO).

FNMOC – крупен световен прогностичен център, осигуряващ изготвянето на прогнози за състоянието на атмосферата и океана в глобален мащаб с високо пространствено и времево разрешение за Въоръжените сили на САЩ и силите на коалицията. Центърът е разположен в гр. Монтерей, щат Калифорния. При FNMOC съществуват Отделение по метеорология и океанография на ВМС на САЩ – U.S. Navy Meteorology and Oceanography Detachment (NMOD). Това отделение се намира в базата на националния климатичен център на САЩ и се занимава с осигуряването на ВМС на САЩ с климатична информация.

NAVO – това е основният център за изготвяне на океанографска информация в САЩ, в това число и в областта на оперативната океанология. Той отговаря за анализа и прогнозите за състоянието на океана, за осигуряване на безопасността на мореплаването и специализираното осигуряване на ВМС с океанографска информация. NAVO е разположен в Стенисовския космически център, щата Мисисипи (Stennis Space Center, Mississippi).

Основа за прогнозирането се явява числовия модел на природната среда. По-нататък накратко са описани прогностичните модели, използвани във ВМС на САЩ.

Основа за прогнозиране на състоянието на океана в Центъра за Числова Метеорология и Океанография си остават числовите модели за атмосферата или обединени модели на океана и атмосферата.

От 2013 година в FNMOC вместо Navy Operational Global Atmospheric Prediction System (NOGAPS) се използва нов модел за атмосферата – Navy Global Environmental Model (NAVGEM). Хоризонталното разрешение на модела е 37 км, тя има глобален обхват, разчета се води на 50 слоя в атмосферата два пъти в ден с дискретност от 6 часа и с предварителност от 180 часа. Резултатите от прогнозата в цифров вид се предава на голям брой потребители от Въоръжените сили на САЩ.

Наред с модела NAVGEM за глобално покритие, в FNMOC се използва мезо мащабен обединен модел на океана и атмосферата – Global Ocean / Atmospheric Mesoscale Prediction System (COAMPS). За задаване на граничните условия се използват резултатите моделирани от системата NAVGEM.

Резултатите от разчетите по модела NAVGEM и COAMPS се използват за задаване на граничните условия в моделите:

– прогноза на вълнението Wavewatch III (WW3) в глобален мащаб с разрешение 0,5 ъглови градуса с предварителност от 6 денонощия по всичките основни характеристики на вълнението;

– прогноза за термодинамичното състояние на океана – Thermodynamic Ocean Prediction System (TOPS 4.0);

– Военноморски обединен модел за атмосферата с усвоени данни на океана – Navy Coupled Atmosphere / Ocean Data Assimilation (NCODA);

– динамика на аерозолите;

– централизиран анализ и прогноза за състояние на атмосферата – Centralized Atmospheric Analysis and Prediction System (CAAPS).

По-подробна информация за прогностичните модели и информационна продукция на FNMOC се съдържа в ръководството.

Числовото моделиране на океана в Океанографския офис на ВМС на САЩ има йерархическа структура. Ежедневния цикъл на прогнозиране започва с приемането на прилагането на модела на океана в регионален и локален мащаб с все по-висока степен на пространствено разрешение (рис. 1).

Рис. 1 Числов модел на океана, използван в NAVO.

Модел за глобална циркулация на океана. Моделът HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model) е разработен в NRL като Глобална система за прогнозиране на океана (Global Ocean Forecast System 3.0 – GOFS 3.0). Тя се явява четири мерна система за прогнозиране и позволява ежедневно да се предсказва структурата на полето на температурата, солеността, теченията и повишаването на нивото с предварителност от 7 денонощия. Във вертикална плоскост данните представени на 40 хоризонта с дебелина на слоевете от един метър на повърхността до хиляди метри в дълбоководните слоеве на океана.

За задаване на граничните условия в модела HYCOM се използват резултатите от работата на половин градусовия модел за циркулацията на атмосферата – NAVGEM.

Резултатите на моделирането от HYCOM се предават в NOAA (Национална администрация по океана и атмосферата) в режим на реално време. Центровете на NOAA използват тази информация за осигуряване на публичен достъп до нея посредством Националните центрове за прогнозиране на състоянието на обкръжаващата среда и техните уеб сайтове или с помощта на националната система за разпространение и архивиране на моделните данни (National Operational Model Archive and Distribution System – NOMADS).

Регионални модели на циркулация. Модел за крайбрежна циркулация на ВМС на САЩ (Navy Coastal Ocean Model – NCOM) – това е четири мерна прогностична система за предсказване на температурата, солеността, теченията и повишаване на нивото с предварителност на прогнозата за времето и с висока пространствено разрешение за срок от 96 часа. Моделът работи в конкретни акватории, представляващи интерес за ВМС на САЩ, с гранични условия на модела на NCOM и COAMPS. В повечето райони модела RNCOM има хоризонтално разрешение 1/30º (2 мили). На свой ред модели от локален мащаб са наричани крайбрежни модели – Costal NCOM (CNCOM) използват на откритите граници данни от регионалните модели. Разрешението на модела CNCOM достига 300-500 м. Типичен размер в областта на разчета за регионалните модели RNCOM – 20º по ширина и по дължина. Типичен размер в областта на разчета за локалните модели на циркулация CNCOM – 5º по ширина и дължина. Вертикалното разрешение е същото, като и при модела HYCOM.

Ледови прогнози. Ефективността на цялата военно морска дейност в полярните ширини съществено зависи от ледената покривка. В NAVO функционира система за анализ и прогноза на ледената покривка в Арктика (Arctic Cap Noweast / Forecast System – ACNFS). Тази система през 2011 г. е заменила системата Polar Ice Prediction System (PIPS), внедрена за експлоатация през 1996 г. ACNFS обхваща акваторията на всички замръзващи морета от 40 до 90º с.ш. За работа на ледовия модел се използват резултатите от работата на арктическия регионален модел HYCOM. В състава на информационната продукция влизат данни за сплотеността, дебелината и дрейфа на леда, температурата и солеността на водата, а също така и за теченията. Те се предават в Националния ледови център (National Ice Center – NIC) и в други центрове NCEP за по нататъшно публично използване. Продукцията на системата е достъпна на сайт.

Крайбрежни модели на циркулации с много високо разрешение. За прогноза на колебанията на нивото и теченията в крайбрежните зони в NAVO се използват моделите HYDROMAP, PCTides и Delft3D.

HYDROMAP – това е триизмерен, комерсиален, пригоден за реализация на ПК глобален модел, разработен от Асоциацията за приложни науки (Applied Science Associates – ASA). Хоризонталното разрешение на модела е в пределите от 50 до 500 м, вертикалното разрешение е уникално за всеки район. Баротропните течения и колебания на нивото се прогнозират за 48 часа. Този модел се използва за бърз отговор на оперативни запитвания и използва опростена правоъгълна мрежа с възможност за телескопизация в отделните райони.

PCTides – двумерен баротропен приливен модел. Началните и граничните условия се задават с помощта на Глобалния модел за приливите. PCTides може допълнително да отчита полето на вятъра, атмосферното налягане и да усвоява данните за приливите в постовете за измерване на нивото от базата данни за приливите на Международната хидрографска организация. Тя може бързо да бъде адаптирана към нови райони, има хоризонтално разрешение до 100 м и осигурява прогнозирането на приливните течения и колебанията на нивото за срок от 96 часа.

Delft3D – това е комерсиален модел за циркулацията в крайбрежните райони. Сега тя свободно се разпространява от компанията Deltares и се експлоатира в оперативен режим в NAVO. Моделът може да работи както в дву, така и в три мерен режим и при необходимост се обединява с вълнови модели с високо разрешение.

Delft3D има определени преимущества в сравнение с описани модели в това, че е реализирана на не регулярна мрежа, пригодна за ефективно описание на сложен крайбрежен релеф и брегова линия. Хоризонталното разрешение на модела е в пределите от 10-200 м, с предварителност на прогнозата – 72 часа.

Глобални, регионални и крайбрежни вълнови модели. Моделиране на вълнението във ВМС на САЩ се осъществява в два центъра. В FNMOC се използва модела WW3 за оперативно прогнозиране на вълнението в глобален и регионален мащаб. В NAVO прогнозирането се изпълнява в локален мащаб за прогноза на вълнението в крайбрежната и прибойните зони с отчитане на трансформацията на вълнението в плитки води – Simulating Waves Nearshore – SWAN. Заедно с това в NAVO функционира и WW3, но нейната основна цел е задаване на граничните условия за модела SWAN. Разрешението на модела се различава от 1/12 част от ъгловия градус в крайбрежните райони до 10 м в прибойната зона. Разрешението зависи от изискванията на потребителите и наличието на цифрови модели за дъното с високо разрешение. Моделът SWAN е разработен в Технологическия университет Делф (Delft University of Technology). Той се явява самостоятелен компонент в пакета от модели Delft3D. Освен това, SWAN генерира гранични данни за модела SURF, предназначен за прогноза на вълнението в прибойната зона на отделни морски крайбрежия.

Регионални обединени модели за океана и атмосферата. През 2012 година в NAVO бил реализиран обединен мезомащабен модел на океана и атмосферата (Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System – COAMPS). Една от версиите за прогноза на тропическите циклони (COAMPS-TC) има разрешение от 5 км и се използва за прогноза на траекторията на движение на тропическите циклони, тяхната структура и интензивност. Моделът позволява отчитане изменението на структурата на хидрофизичните полета в следата на тропическия циклон.

Изходни данни за прогнозиране на състоянието на океана. За адекватната работа на модела е необходимо да се задават началните и граничните условия, само построяването на модела предвижда точно задаване морфометрията на басейна.

Точното задаване на топографията на дъното е особено важно за моделирането на динамиката на океана в крайбрежната зона. Цифровите модели на топографията на дъното на NAVO се считат за най-точните в света.

Задаване на атмосферното въздействие. Основна движеща сила за всички модели на океана се явява въздействието на атмосферата на повърхността на океана. В NAVO изходните метеорологични данни се получават от полуградусния модел за циркулация на атмосферата – NAVGEM за глобалния модел HYCOM, а също от регионалните мезомащабни модели COAMPS за регионалните модели NCOM. Ежедневно в NAVO се получават повече от 47000 файла с прогностични полета на атмосферните полета от FNMOC.

Начални условия. Една от основните функции наNAVO се явява своевременното получаване, обработка, архивиране и разпространение на информацията за физичните полета, характеризиращи състоянието на океана. Наблюденията, получавани в режим на реално време се използват за:

– задаване на началните условия преди запускането на прогностичния модел;

– верификация на резултатите за прогноза и оценка на качеството на прогнозиране с цел тяхната квалификация и модернизация;

– архивиране на резултатите от анализа и модернизацията;

– създаване на бази от данни от реанализа.

Изходните наблюдения се класифицират като резултати от дистанционно сондиране (получени от спътници или радари), или като резултати от непосредствено измерване (in situ). Грешните и остарелите данни се филтрират и за анализ не се използват. Високо качествените данни от дистанционното сондиране постъпват в NAVO от многобройни космически апарати и включват в себе си: данни за температурата на повърхността на морето, алтиметрически данни за издигането на повърхността на морето, сведения за леденото покритие и данни за вълномерните измервания.

NAVO се явява национален център за сбора, обработката и разпространението на информация за издигането на повърхността на морето SSH и за температурата на повърхността на океана SST. Алтимерическите данни за издигането на нивото SSH са важни за определяне на началното състояние на мезомащабните и микромащабните структури на океана (положението на океанските вихри, фронтове, меандри) в дълбоководните и регионалните модели. Във ВМС на САЩ постоянно се подчертава важността на дистанционните средства за сондиране на океана. Тази информация успешно е интегрирана в прогностичните системи.

В NAVO функционира система за сбора на данни от непосредствени наблюдения от бордови корабни сензори и системи, еднократно използвани батитермографи, буйове, дрифтери, профилографи, морски планери (глайдери), а също от датчици, установени на морски животни, и на други платформи; създадените технологии за усвояване на тази информация. За усвояване на океанографските данни, например, използването на специални технологии – Navy’s Modular Ocean Data Assimilation system (MODAS).

Системи за оперативно прогнозиране на състоянието на океана, подобни на описаните са създадени и функционират в Англия, Франция, Австралия, Италия, Норвегия, Япония, Китай, Индия и Канада.

Във Франция функционира система за прогнозиране на състоянието на океана Mercartor, която е създадена в кооперация с редица научни организации в Франция, Космическата агенция и ВМС на Франция, а именно Департамента по хидрография и океанография. Прогнозирането се осъществява ежедневно с предварителност от 6 денонощия в глобален мащаб – с разрешение 1/12º, в регионален мащаб – с разрешение 1/36º (рис. 2).

Рис. 2. Примери за прогнозиране на теченията със системата Mercartor в северната част на Тихия океан (а) и в западната част на Средиземно море (б).

В посочените страни, както и в САЩ, са създадени съвременни технологии за прогнозиране на състоянието на океана в различен мащаб на изменчивост. Само Русия, от големите морски държави, отсъства без пълноценна система в областта на оперативната океанология.

По този начин, във ВМС на редица чужди страни през последните години са достигнати впечатляващи резултати в областта на прогнозирането на „времето в океана” или, с други думи, в областта на оперативната океанология, ролята на която в съвременните условия съществено е нараснала. Основен стимул за развитието на оперативната океанология зад граница е послужил стремежа за повишаване скритостта на подводните обекти с военно предназначение за сметка на пълноценното отчитане на маскировъчните свойства на морската среда.

В редица страни за ВМС са станали достъпни прогнозите на хидрофизичните полета (температура, соленост, плътност, скорост на звука, течения), подводната видимост, вълнението с високо ниво на разрешение. Достиженията в тази област са резултатите от планомерните работи в областта на развитие на системите за дистанционно наблюдение за океана, развитието на системите за усвояване на данните от измерванията и числовото моделиране.

Задграничния опит по създаването на системите за оперативна океанология може да бъде успешно използван в Русия.