„Ако искаш мир, готви се за война.“

С научно съобщение в Русия завършва процеса на осъзнаване на необходимостта от създаването на национална система за оперативна океанология (СОО). Косвено това се потвърждава с бурния ръст на публикациите по тази тема и опитите за разработка на елементи от СОО. Заедно с това единна, съгласувана Концепция по създаването на национална СОО до този момент няма. Резултатите от настоящата работа могат да бъдат използвани при нейното създаване.

За успешното проектиране и създаване на системи е важно да се съгласуват няколко базови понятия, отнасящи се до предметната област, отчитайки отечествения и задграничен опит по построяването на СОО, да се определят проблемните въпроси и приоритетните направление на дейност по създаването на пълноценна СОО, да се разработи съгласувана Концепция за създаване на системи.

Термини.

Съществуват различни определения на термините „оперативна океанография” и „системи за оперативна океанография”.

Нека разглеждаме оперативната океанография като нов раздел в науката за океана, призван да осигури оперативна диагноза и прогноза за състоянието на океана по пътя на развитие на системите за оперативно наблюдение и морските оперативни прогнози, на основата на асимилация на достъпните наблюдения в моделите на океанската циркулация.

Достатъчно пълна представа за състава на системите за оперативна океанография с елементи в настройката на моделите и в наблюдателните мрежи е изложено в литературата. В общ вид тези системи се състоят от три крупни части. Това са: 1) наблюдателна мрежа, чиято функция се явява получаването на натурални данни за състоянието на океанската среда и за свързаното с това състояние на атмосферния форсинг; 2) физически модел, описващ изменчивостта на океанската среда и атмосфера в пространството и времето; 3) механизъм на подготовка на натуралните данни и модели, наричана асимилация на данните в моделите.

Актуалност на създаването на СОО.

Съвременния етап на развитие на световната икономика се съпровожда с повишаване на нейната зависимост от природните явления, от една страна, и ръста на влияние на човешката дейност на природната среда, от друга. Да се повиши ефективността на решенията, приемани в областта на морската и военноморската дейност е възможно само по пътя на адекватния отчет на текущото и очаквано състояние на морската среда. За това трябва да се направят изменения от революционен характер в качеството на използване на информацията за състоянието на океана. До появата на СОО се налагало да се правят допускания за неизменността на вертикалната и хоризонталната структура на хидрофизичните полета и да се ограничаваме в използването на информация с климатически характер или от данни от случайни измервания. Това е обуславяло приемането на неефективни, а понякога и погрешни решения на тези задачи, чиито изпълнение зависи от състоянието на физическите полета на океана.

Състоянието на физическите полета на океана и протичащите в него процеси по определен начин влияят на ефективността на редица видове военноморски дейност. Поради това именно военноморското ведомство трябва да е повече от другите потребители заинтересовано от развитието на СОО. Не случайно една от добрите световни СОО е създадена от ВМС на САЩ. Там с автоматизацията на процесите на управление и с повишаване на качеството на информацията за състоянието на морската среда се свързват решаването на задачите по достигане на информационното доминиране над противника за сметка на по-бързото и качествено отчитане на влиянието на условията на средата при приемане на управленски решения. Действително, в условията на приближение на боевия потенциал на флота на противоборстващите страни към пределни значения и достигане на паритет е едва ли не единствения способ за достигане на военно превъзходство се явява повишаване на качеството на информацията за текущото и очакваното състояние на природната среда, използвана в тактическите приложения при планиране на бойните действия и използването на въоръжението.

В настоящо време с развитието на морските робототехнически комплекси (МРТК) започва нова ера в подводната война, което изисква изменения в традиционните технологии в Хидрометеорологичното осигуряване (ХМО) на военноморските дейности. Малките размери, чувствителността към състоянието на природната среда, много функционалност и възможност за широко използване на тези средства обективно обуславят необходимостта от повишаване на качеството на информацията за състоянието на физическите полета на океана, от използването в морските информационно управляващи системи (МИУС) с различно ниво и назначение. По такъв начин, актуалността на развитието на СОО с високо пространствено разрешение е предизвикана от логиката за развитие на ВМФ.

Оценка на ефективността и значимостта на създаването на СОО.

Съгласно „Основите на държавната политика на Русия в областта на военно морската дейност за периода до 2030 година”, значението на Световния океан за целия свят и Русия в дългосрочна перспектива неотклонно ще расте във връзка с изтощението на природните ресурси на сушата, на въздействието на стопанската и друга дейност на човека на околната среда, на изменението на климата, миграцията на населението и на други процеси. Усвояването на морските акватории във военно, икономическо, социално, екологично и други отношения е невъзможно да бъде осигурено без развитието на съвременна система за ХМО и нейните съставни части – система за оперативна океанография. Поради това не случайно в „Стратегии за развитие на морските дейности на Русия до 2030 година” към числото на основните приоритети на Русия за дългосрочен период са отнесени развитието на информационното осигуряване на морските дейности и създаване на ефективна система за хидрометеорологично осигуряване на морските дейности.

Особено голяма е ролята на СОО за ВМФ. В съвременни условия същественото снижаване на шумността на подводните обекти осигуряване на тяхната скритост е невъзможно без адекватното отчитане на състоянието на морската среда. Доколкото скритостта на подводните обекти се явява необходимо условие за решаване на стратегическите задачи на ВМФ развитието на СОО трябва да бъде отнесено към задачите с висши държавни приоритети.

При обосноваване на създаването на СОО в интерес на ВМФ възниква въпроса за оценка на ефективността на финансовите вложения. Представя се, че при обосноваване на такъв род системи в качеството на набелязана е нужно да се използва нивото на развитие на подобни системи при противника. Не бива да не се признае за правилен подход, при който ефективността на бойните информационни системи се оценява по отношение към нейното предишно състояние. Ако по-рано си воювал срещу огнестрелно оръжие с помощта на лък, неговата замяна с арбалет няма да измени резултата от противоборството.

Необходимост от създаване на национална СОО.

В света съществуват няколко СОО, за тяхното развитие се отделят огромни финансови средства, информационната продукция на някои от тези системи е достъпна за широк кръг от потребители по целия свят. Защо тогава трябва да се създава национална система? Необходимостта от създаването на отечествена СОО не предизвиква съмнения поне по тази причина, защото Русия не участва в поддръжка на нито една от тези глобални системи СОО, и поради това възникват въпроси от юридически характер при използването на тази информация, и даже достъпа на частни лица от Русия към задгранична информационна продукция може да бъде закрит във кой да е момент.

Състав на информационната продукция на СОО и нейните основни потребители.

В състава на информационната продукция на СОО влизат масиви от параметрите на теченията; хидрофизическите, химическите и биохимическите полета в дълбочините на океана, хидрооптическите полета на повърхността, които могат да се допълнят със сведения за ниво на морето, вълнението, ледената покривка.

Военноморските сили като един от основните потребители, използват информационната продукция на СОО при решаване на широк кръг от задачи:

– в интерес на противолодъчната борба, за осигуряване на скритост и безопасност на подводното плаване;

– при противоминни действия и минни постановки;

– при изпълнение на десантни операции;

– при използване на някои видове оръжия, хидроакустическите системи за навигация;

– при изпълнение на операции по търсене и спасяване;

– при ликвидация на последствията и защитата от използване на оръжия за масово поразяване и др.

Към числото на основните сфери на морски дейности, където информационната продукция на СОО към най-търсената се отнася:

– безопасност на общото мореплаване и морски дейности;

– усвояване на морските ресурси;

– охрана на крайбрежните води и морската среда;

– стопански дейности;

– прогнозиране на времето и климата.

Изисквания към СОО и нейното място в системата на ХМО на морските дейности.

Изхождайки от дадените по-горе определения, СОО трябва да отговаря на общите изисквания предявявани към ХМО, а именно, да осигурява в пространствен режим своевременната поддръжка на вземаните решения с точна и релевантна (съответстваща на нуждите на потребителя) информация за текущото и очакваното състояние на океана.

В Русия редът на ХМО на морските дейности се определят от ръководствата.

Процеса на ХМО може да се раздели на три етапа:

1. Извършване на хидрометеорологични наблюдения.

2. Сбор, обработка на данните от наблюденията, прогнозиране на състоянието на природната среда, организация на съхранението и довеждането на хидрометеорологичната информация до потребителите.

3. Използване на получената информация за оценка на влиянието на хидрометеорологичните условия при изработване на решения.

Отечествения подход към ХМО не се отличава от представения на рис. 1 концептуален модел на ХМО, приет в МО на САЩ.

Ценността на изработваната информация на всеки етап от ХМО многократно нараства по нейното движение от наблюденията към изработването на решения.

Наблюдения. Атмосферата и океана нямат национални граници, поради което в основата на всички национални системи за ХМО лежи глобалната система за наблюдения, основана на контактни и дистанционни измервания и развивана с усилията на националните и международни служби и организации.

Ценността на данните от непосредствените измервания за потребителите е ограничена по силата на това, че редица параметри за състоянието на средата е сложно да бъдат измерени (например, теченията в дълбочина на океана), наблюденията имат недостатъчна плътност и не покриват цялата акватория на океана, за всяко измерване е характерна грешка. Главно ограничение за използване на данните от непосредствените наблюдения се явява това, че тези данни бързо остарява. При това всяко решение се взема преди извършването на запланирано действие, и поради това използваната информация априори носипрогностичен характер.

Рис. 1. Концептуален модел на ХМО на военно морската дейност в САЩ.

Още повече ценността на данните за текущото състояние на трудно измерваните физически полета на океана е много голяма. Като много перспективно следва да се признае използването на високо честотните радари в крайбрежните райони за информационна поддръжка на операциите по търсене и спасяване, на системите за управление на движението на морския транспорт. Възможностите и перспективите за използване на радиолокационните средства за мониторинг на теченията за СОО като основен източник на данни от наблюдение в крайбрежните райони е достатъчно подробно изложено в литературата. Създаването на системи за радиолокационен мониторинг на теченията в крайбрежните райони се явява като едни от най-перспективните и малко разходни направления за развитие на оперативната океанография на крайбрежните райони.

На началния етап по създаването на отечествена СОО по-скоро ще се наложи да се ограничи с отработването на технологията по сбора и обработката на данните от вече съществуващите отечествени и международни системи за наблюдение с глобален и регионален обхват, а в частта за развитие на собствена система за наблюдения – да се ограничи до създаването на локални системи за мониторинг в прилежащите към територията на Русия крайбрежни райони от океана.

Обработка на информацията и прогнозиране. Обработката на данните от наблюденията, тяхното усвояване (асимилация) и прогнозиране на хидрометеорологичните параметри се изпълняват в мощни брегови изчислителни центрове. Работата на прогностичните центрове е насочена към прогнози за състоянието на атмосферата, криосферата и хидросферата с максимално разрешение и предварителност. Степента на разрешение на числовите методи зависи от изчислителните възможности и мащабите за моделиране на процесите. За моделите с глобален обхват степента на разрешение обикновено е на порядък по-ниска, отколкото за моделите с локален обхват. Но последните не могат да функционират без задаването на граничните условия на открити граници, което обуславя необходимостта от построяване на три нива на прогностичните системи – глобални, регионални и локални пространствени мащаби.

За отделни райони, относително добре изолирани от открития океан, проблема със задаване на гранични условия на открити гранични райони не стои много остро, поради това за тях могат да бъдат създадени автономни работещи системи за оперативна океанография от локално или даже регионално ниво.

За последните 60 години качеството на прогнозите за времето съществено е нараснало. Така, предварителността на прогнозите за времето, а съответно, и прогнозите за състоянието на океана е нараснала от 1-2 до 7-10 денонощия. Това било достигнато за сметка на нарастването на изчислителните мощности, за много по точното представяне на физическите процеси в числовите модели на природната среда и използването на все по усъвършенстваните алгоритми за асимилацията на данните, позволяващи усвояването на постоянно нарастващите обеми на контактни и дистанционни данни от наблюденията.

В Европейския център средносрочните прогнози за времето (ЕЦСПП) през 2019 г. за умерените ширини на мрежа с стъпка 9 км за предела на информативните прогнози за времето, при които средно квадратичната погрешност (СКП) на прогнозите нараства до СКП на климатичните прогнози, достига до 10 денонощия. Именно такава предварителност на прогнозите и следва да се признаят в качеството на ориентири при разработката на отечествена СОО.

По нататъшното повишаване на пределите на предсказуемостта е свързана със създаването на обединени модели на атмосферата, океана и ледената покривка, а също така с комплексиране на резултатите от ансамбловите прогнози. Счита се, че с ансамбловия метод за прогноза може да се снижи влиянието на неточността на зададените начални условия на резултатите от числовото прогнозиране. В основата на метода за ансамбловото прогнозиране лежи идеята за необходимостта от разглеждане на еволюцията на не единични състояния на атмосферата, а на нейни множествени състояния, съответстващи на плътността на тяхното разпределение. С помощта на специални процедури се формира ансамбъл от начални данни, по които се разчита ансамбъла на състоянията на атмосферата и океана.

На рис. 2 е представена еволюцията на трите нива на подсистемите за прогнозиране в СОО на ВМС на САЩ. По планове на специалистите на ВМС към 2020 г. се предлагало да се завърши прехода към метода за прогнозиране на състоянието на природната среда на основата на новите обединени модели, отчитащи процесите, протичащи в космическото пространство, атмосферата, океана, ледената покривка, сушата и границите на тяхното разделяне. Сведения за внедрени съвместни модели на геосферата в практиката на СОО на ВМС на САЩ за сега отсъстват.

Рис. 2.Еволюция на схемите за прогнозиране състоянието на океана във ВМС на САЩ.

В Концепцията за създаването на отечествена СОО е целесъобразно да се отчете световната тенденция за преход на ансамблови методи за прогноза и използване на обединяващи модели на атмосферата, океана и ледената покривка.

Броя на прогностичните модели на океана с глобален обхват, използвани в световните СОО е ограничено. Основно се използват два модела на циркулацията на океана. Първия – европейски модел за обща циркулация на океана NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean). Втория – модел HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model) бил разработен в военно морската лаборатория на САЩ (NRL – Navy research Laboratory) за прогнозиране на състоянието на океана в прогностичните центрове на ВМС на САЩ. И двата модела са с открит достъп. Например, модела HYCOM съвместно със системата за асимилацията на данни е достъпна на сайта на консорциума HYCOM. Хоризонталното разширение и на двата модела при глобален обхват е 1/12º.

Подробни сведения за това, какви прогностични модели и методи за асимилация на данни се използват в съществуващите СОО, а също така друга полезна информация може да се намери на сайта на проекта GODAE (Global Ocean Data Assimilation Experiment). Така, например, в качеството на модели за общата циркулация на океана в национални СОО на Великобритания, Франция, Канада, Китай, Италия се използва модела NEMO, а в СОО на Индия, Бразилия и Норвегия – модела HYCOM.

В Русия е активизирана работата по създаването на съвременни модели на атмосферата, океана и леда, които могат да бъдат използвани в националната СОО. Съобщения на специалисти от Института за изчислителна математика, Института по океанология и Хидро метео център на Русия свидетелстват за успешна разработка на съвместен модел на атмосферата, океана и морския лед. Споменатите изследвания се водят при поддръжка на Програмата на Президента на РАН „Фундаментални проблеми на математическото моделиране”. Разработваната с усилията на РАН информационна технология за прогнозиране на състоянието на океана може бъде реализирана в създаването на национална СОО. Ще отбележим, че глобалния модел на океана ИВМИО е реализиран на три полярна мрежа с номинално разрешение ¼ от градуса, което за сега е забележимо по-слаба от задграничните аналози.

Оценка и отчет на влиянието на средата. В крайния етап на ХМО следва да се постигне изработването на решение с отчет на очакваното състояние на средата. Във връзка с отсъствието на оперативна информация за физическото състояние на водата в океана в нашата страна на този етап от ХМО, например, противолодъчната борба се ограничава от използването на климатична информация или данни от точкови измервания. И в двата случая това може да доведе до вземане на погрешни решения. Очевидно е, че ефективността на вземаните решения ще нараства с повишаването на качеството на данните за състоянието на морската среда. Развитието на СОО ще стимулира създаването на все повече точни модели за влиянието на морската среда на военноморската дейност, което също ще се отрази на ефективността на приеманите решения.

През последните години се наблюдава бурно развитие на морските информационни управляващи системи с военно назначение. Рязко е нараснала и значимостта на използването на качествената океанографска информация в МИУС на всички нива.

Така, например, във ВМС на САЩ в състава на глобалната система за управление и контрол на море продължава да функционира хидрометеорологичния сегмент Navy Integrate Tactical Environmental Subsystem (NITES). Основа на NITES се явява Сървъра на данни за състоянието на средата – Tactical Environmental Data Server (TEDS). TEDS реализира концепцията за сетцентрическите войни. Той позволява да се работи със силите в единно информационно пространство, използвайки едни и същи базови данни, и да се прилагат унифицирани средства и методи за разчет и прогноза на влиянието на средата на силите и средства на ВМС. Влизащи в неговия състав динамични базови данни включват Информационна продукция на СОО на ВМС на САЩ. Статистическите бази обикновено включват стандартни библиотеки с мрежови масиви от климатически показатели за състоянието на средата. Подсистемата NITES е монтирана на 70 кораба от ВМС на САЩ, а също в редица брегови центрове за управление и контрол.

Зад граница активно се развиват информационно управленски системи не само за глобално и оперативно, но и на тактическо ниво, включвайки бойни информационно управленски системи за подводни лодки и морски робототехнически комплекси.

За построяването на СОО ключов и принципиален се явява реализацията на втория етап от ХМО, на който се организира сбора на данни от съвременните системи за наблюдение на океана, тяхната обработка, асимилация в прогностичните модели, организация за съхранението и осигуряването на достъп на потребителите до информационната продукция. Това изисква наличие на достатъчно изчислителни мощности и достъп до данните. Третия етап от ХМО – производни от първите два етапа и по силата на спецификата могат да бъдат изключени от задачите на СОО на началния етап от нейното построяване.