GARP Global Experiment

GARP Global Experiment (GGЭ) — крупномасштабный международный научно-исследовательский проект, проводившийся в рамках Всемирной программы исследований климата (WCRP) в 1970-х — начале 1980-х годов. Целью эксперимента было всестороннее изучение глобальной атмосферной циркуляции, её взаимодействия с океаном и поверхностью суши, а также проверка и совершенствование методов численного прогноза погоды и климата. GGЭ стал первым в истории комплексным глобальным наблюдением за атмосферой, объединившим данные с наземных станций, океанских судов, самолётов, метеорологических спутников и радиозондов.

История

Предпосылки и подготовка

Идея проведения глобального эксперимента по изучению атмосферы возникла в 1960-х годах, когда стало очевидно, что существующие локальные и региональные наблюдения не позволяют адекватно описывать крупномасштабные процессы, определяющие погоду и климат. В 1967 году Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и Международный совет научных союзов (ICSU) инициировали разработку проекта «Глобальный эксперимент по исследованию атмосферы» (GARP). Основной задачей ставилось создание глобальной сети наблюдений, которая позволила бы получить данные для валидации и калибровки численных моделей атмосферы.

Проведение эксперимента

Основная фаза GGЭ (так называемый «Первый глобальный эксперимент GARP» — FGGE) была проведена с 1 декабря 1978 года по 30 ноября 1979 года. В этот период была развёрнута беспрецедентная по масштабу наблюдательная сеть. В эксперименте участвовали более 140 стран, включая СССР, США, страны Западной Европы, Японию, Австралию и многие развивающиеся государства. Советский Союз внёс значительный вклад, предоставив данные с сети метеостанций, океанографических судов, а также запустив серию метеорологических спутников «Метеор».

Завершение и наследие

После завершения активной фазы в 1979 году данные обрабатывались и анализировались в течение нескольких лет. Результаты GGЭ были опубликованы в серии монографий и статей. Эксперимент заложил основу для последующих глобальных климатических программ, таких как Всемирная программа исследований климата (WCRP) и Международная программа геосферы-биосферы (IGBP). Многие методы наблюдений и анализа, разработанные в ходе GGЭ, используются до сих пор.

Цели и задачи

Основные цели GGЭ включали:

• Понимание глобальной циркуляции: выявление закономерностей переноса тепла, влаги и импульса в атмосфере.
• Валидация численных моделей: проверка способности моделей воспроизводить наблюдаемые процессы.
• Улучшение прогнозов погоды: разработка методов долгосрочного (до 10–14 дней) прогнозирования.
• Изучение взаимодействия «океан-атмосфера»: оценка влияния океанических течений и температуры поверхности океана на атмосферную циркуляцию.
• Создание глобального набора данных: формирование архива метеорологических данных, пригодного для климатических исследований.

Методология и инструментарий

Наблюдательная сеть

GGЭ опирался на несколько типов наблюдений:

• Наземные метеостанции: более 10 000 станций, измерявших температуру, давление, влажность, ветер и осадки.
• Радиозонды: запускались дважды в сутки с 900 станций, обеспечивая профили атмосферы до высоты 30 км.
• Океанографические суда: около 100 судов, оснащённых метеорологическими и океанографическими приборами.
• Самолёты-зондировщики: специально оборудованные самолёты, выполнявшие измерения в тропосфере и нижней стратосфере.
• Метеорологические спутники: серия спутников «Тирос» (США), «Метеор» (СССР) и «Нимбус» (США) обеспечивали глобальное покрытие, измеряя облачность, температуру поверхности, радиационный баланс и содержание водяного пара.
• Дрейфующие буи: в океанах были развёрнуты сотни буёв, передававших данные о температуре и давлении.

Обработка данных

Сбор и обработка данных осуществлялись в трёх мировых центрах: в Вашингтоне (США), Мельбурне (Австралия) и Москве (СССР). Использовались методы объективного анализа, интерполяции и ассимиляции данных. Впервые в истории метеорологии был создан единый глобальный массив данных, охватывающий весь земной шар с разрешением по времени 6 часов.

Основные результаты

Подтверждение моделей

Данные GGЭ подтвердили, что численные модели атмосферы способны с высокой точностью воспроизводить крупномасштабные процессы, такие как циклоны, антициклоны и струйные течения. Было показано, что точность прогнозов на 5–7 дней может быть существенно повышена при использовании глобальных данных.

Открытие новых явлений

• Тропосферно-стратосферный обмен: GGЭ впервые позволил количественно оценить перенос воздуха между тропосферой и стратосферой.
• Роль океана: эксперимент выявил ключевую роль океана в формировании климатических аномалий, таких как Эль-Ниньо.
• Влияние горных хребтов: данные показали, что горные системы (Гималаи, Анды) существенно влияют на глобальную циркуляцию, создавая волны Россби.

Улучшение прогнозов

На основе данных GGЭ были разработаны новые методы ассимиляции данных, что привело к значительному улучшению качества численных прогнозов погоды в 1980-х годах. Прогнозы на 7–10 дней стали более надёжными.

Критика и ограничения

Несмотря на успех, GGЭ подвергался критике за:

• Неполноту данных: в ряде регионов (Южный океан, пустыни, тропические леса) наблюдения были редкими или отсутствовали.
• Технические ограничения: спутниковые данные имели низкое разрешение и требовали сложной калибровки.
• Стоимость: проект был крайне дорогим (оценки варьируются от 1 до 2 миллиардов долларов в ценах 1970-х годов), что вызвало споры о целесообразности таких затрат.
• Сложность анализа: обработка огромного массива данных потребовала создания новых вычислительных методов, что затянуло анализ результатов на несколько лет.

Значение для современной науки

GGЭ стал прототипом для всех последующих глобальных наблюдательных кампаний, таких как «Глобальный эксперимент по изучению циркуляции океана» (WOCE) и «Международная программа по изучению климата» (CLIVAR). Методы, разработанные в ходе эксперимента, используются в современных системах ассимиляции данных, таких как ERA5 и NCEP/NCAR Reanalysis. GGЭ также продемонстрировал необходимость международного сотрудничества в области наук о Земле, что привело к созданию таких организаций, как Всемирная программа исследований климата (WCRP).

Источники

• Всемирная метеорологическая организация. The Global Atmospheric Research Programme (GARP). WMO, 1975.
• The First GARP Global Experiment (FGGE) Operations Plan. WMO, 1978.
• GARP Publications Series. WMO/ICSU, 1979–1985.
• Global Atmospheric Research Programme: A Review. National Academy of Sciences, 1980.
• Meteorological Satellite Data in the GARP Global Experiment. NASA, 1981.
• Советский вклад в GARP. Гидрометеоиздат, 1982.