GARP Atlantic Tropical Experiment

GARP Atlantic Tropical Experiment (сокр. GATE, англ. GARP Atlantic Tropical Experiment) — крупномасштабный международный метеорологический эксперимент, проводившийся в 1974 году в тропической зоне Атлантического океана в рамках Глобальной программы исследований атмосферы (GARP). Целью эксперимента являлось изучение процессов переноса тепла, влаги и импульса в тропической атмосфере, а также их роли в формировании глобальной циркуляции и погодных явлений, включая тропические циклоны.

История

Идея проведения GATE возникла в конце 1960-х годов, когда стало очевидно, что тропические регионы остаются наименее изученными с точки зрения метеорологии. В 1967 году Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и Международный совет научных союзов (ICSU) инициировали GARP как программу по улучшению прогнозов погоды и понимания климатических процессов. GATE стал одним из ключевых полевых проектов этой программы.

Подготовка к эксперименту заняла несколько лет. В 1972 году был утверждён план, предусматривающий скоординированные наблюдения с использованием кораблей, самолётов, спутников и наземных станций. Основной этап GATE проходил с 15 июня по 23 сентября 1974 года. В нём участвовали научные и технические специалисты из 72 стран, включая СССР, США, Великобританию, Францию, ФРГ, Нидерланды, Бразилию, Канаду и другие государства.

Организация и участники

GATE координировался ВМО и Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США (NOAA). Руководящий комитет возглавлял американский метеоролог Джоанна Симмонс.

В эксперименте были задействованы:

• Корабли: более 40 научно-исследовательских судов, включая советские «Академик Вернадский», «Академик Курчатов», «Профессор Зубов», американские «Oceanographer», «Researcher», французские «Jean Charcot», «Le Suroît», бразильские «Almirante Saldanha», «Barroso» и другие.
• Самолёты: около 20 метеорологических самолётов, включая советские Ил-18 «Циклон», американские Lockheed C-130, французские Douglas DC-6, британские Handley Page Hastings.
• Спутники: метеорологические спутники NOAA (серия ITOS) и советские «Метеор».
• Наземные станции: сеть метеостанций в прибрежных районах Западной Африки, на островах Кабо-Верде, в Бразилии и на Бермудских островах.

СССР внёс значительный вклад, предоставив 6 научно-исследовательских судов и 2 самолёта Ил-18, оснащённых радиозондами, радиолокаторами и оборудованием для измерения аэрозолей.

Район проведения

Эксперимент проводился в тропической зоне Атлантического океана между 10° с. ш. и 10° ю. ш., от побережья Западной Африки до 30° з. д. Основной район наблюдений был разделён на три зоны:

• Западная зона (океаническая) — между 20° з. д. и 30° з. д., где изучались процессы в открытом океане.
• Центральная зона — между 10° з. д. и 20° з. д., включала острова Кабо-Верде.
• Восточная зона (прибрежная) — у побережья Сенегала, Мавритании, Гамбии и Гвинеи-Бисау, где исследовались взаимодействия атмосферы с сушей.

Дополнительно были организованы наблюдения в районе экваториальной Атлантики и вблизи Бразилии.

Методы и оборудование

GATE использовал комплексный подход к сбору данных:

• Радиозонды: запускались с кораблей и наземных станций каждые 6 часов для измерения температуры, влажности, давления и ветра на высотах до 30 км.
• Радиолокаторы: на судах и самолётах фиксировали осадки, облачность и структуру конвективных систем.
• Аэрологические наблюдения: самолёты выполняли полёты на высотах от 100 м до 12 км, измеряя турбулентность, влажность, аэрозоли и радиационные потоки.
• Спутниковые данные: спутники NOAA передавали изображения облачности и температуры поверхности океана.
• Океанографические измерения: буи и суда фиксировали температуру, солёность и течения в верхнем слое океана (до 500 м).

Всего за период эксперимента было выполнено:

• более 3000 запусков радиозондов;
• около 500 часов полётов метеорологических самолётов;
• свыше 10 000 радиолокационных наблюдений.

Основные результаты

GATE позволил получить уникальные данные о тропической атмосфере, которые существенно изменили представления о глобальной циркуляции. Ключевые научные результаты включают:

Структура тропической конвекции

Эксперимент показал, что тропическая конвекция не является хаотичной, а организована в масштабные системы — так называемые «мезомасштабные конвективные системы» (MCS). Эти системы, состоящие из скоплений грозовых облаков, играют ключевую роль в переносе тепла и влаги из нижних слоёв атмосферы в верхние.

Взаимодействие океана и атмосферы

GATE впервые детально изучил процессы обмена теплом, влагой и импульсом между океаном и атмосферой в тропиках. Было установлено, что температура поверхности океана (ТПО) является критическим фактором для развития конвекции: при ТПО выше 26,5 °C резко возрастает вероятность образования тропических циклонов.

Роль внутритропической зоны конвергенции (ВЗК)

Эксперимент подтвердил, что ВЗК — это не единая линия, а сложная система из нескольких полос конвергенции, которые мигрируют в зависимости от сезона и океанических течений. GATE показал, что ВЗК является основным источником влаги для образования облаков и осадков в тропиках.

Тропические циклоны

GATE позволил изучить ранние стадии развития тропических циклонов. Были зафиксированы несколько случаев, когда мезомасштабные конвективные системы перерастали в тропические депрессии и штормы. Это дало материал для улучшения моделей прогноза ураганов.

Радиационный баланс

Измерения радиационных потоков показали, что тропическая атмосфера поглощает значительную часть солнечной энергии, а облака играют роль как отражателей, так и поглотителей радиации. Эти данные были использованы для уточнения климатических моделей.

Наследие и влияние

GATE стал одним из самых масштабных метеорологических экспериментов XX века. Его результаты легли в основу:

• Улучшения численных моделей прогноза погоды: данные GATE были включены в глобальные модели, что повысило точность прогнозов на 5–7 суток.
• Развития теории тропической циркуляции: работы, основанные на данных GATE, привели к созданию концепции «тропической ячейки Хэдли» и уточнению роли ВЗК.
• Проектирования спутниковых систем: опыт GATE показал необходимость постоянного спутникового мониторинга тропиков, что привело к запуску спутников серии GOES и Meteosat.
• Изучения климата: данные GATE используются для валидации климатических моделей, особенно в части тропической конвекции и облачности.

В СССР результаты GATE были опубликованы в серии монографий «Итоги науки и техники» и использовались при разработке методов прогноза тропических циклонов в Тихом океане.

Критика и ограничения

Несмотря на успех, GATE имел ряд недостатков:

• Ограниченная пространственная сеть: корабли и самолёты не могли охватить всю тропическую зону, что оставляло пробелы в данных, особенно в южной части Атлантики.
• Краткосрочность: эксперимент длился всего 3 месяца, что не позволило изучить сезонные и межгодовые вариации.
• Технические ограничения: радиозонды и радиолокаторы того времени имели ограниченную точность и дальность.
• Отсутствие данных о стратосфере: измерения проводились в основном в тропосфере, а стратосферные процессы остались малоизученными.

Тем не менее, GATE остаётся эталонным проектом для последующих полевых экспериментов, таких как TOGA COARE (1992–1993) и DYNAMO (2011).

Источники

• Всемирная метеорологическая организация. GARP Atlantic Tropical Experiment (GATE): Report of the Scientific Steering Committee. Geneva: WMO, 1975.
• National Oceanic and Atmospheric Administration. GATE: The GARP Atlantic Tropical Experiment. Washington, D.C.: NOAA, 1976.
• Л. Т. Матвеев, В. И. Воробьёв. Тропическая метеорология: по материалам эксперимента GATE. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1980.
• J. M. Wallace, P. V. Hobbs. Atmospheric Science: An Introductory Survey. 2nd ed. — Academic Press, 2006.
• R. A. Houze Jr. Cloud Dynamics. 2nd ed. — Academic Press, 2014.
• GARP Atlantic Tropical Experiment (GATE) — NOAA Central Library. NOAA, 2020.