Национальный центр атмосферных исследований

Национальный центр атмосферных исследований (NCAR, англ. National Center for Atmospheric Research) — научно-исследовательское учреждение США, занимающееся изучением атмосферы Земли, климата, погоды, солнечно-земных связей и смежных областей. Центр был основан в 1960 году и управляется некоммерческой корпорацией «Университетская корпорация атмосферных исследований» (UCAR) по поручению Национального научного фонда (NSF). NCAR предоставляет научному сообществу вычислительные мощности, данные наблюдений, инструменты и экспертизу, а также проводит собственные фундаментальные и прикладные исследования. Штаб-квартира расположена в Боулдере (штат Колорадо, США).

История

Основание

Идея создания национального центра атмосферных исследований возникла в конце 1950-х годов на фоне роста интереса к атмосферным наукам и необходимости координации усилий разрозненных университетских групп. В 1959 году Национальная академия наук США рекомендовала создать единый центр, который бы обеспечивал крупные проекты, требующие дорогостоящего оборудования (например, самолётов-лабораторий, радаров, суперкомпьютеров). В 1960 году NSF учредил UCAR — консорциум университетов, который получил контракт на управление NCAR. Первым директором стал Уолтер Орр Робертс.

Развитие в 1960–1980-е годы

В 1967 году NCAR ввёл в эксплуатацию один из первых суперкомпьютеров, предназначенных для атмосферного моделирования — CDC 6600. В 1970-х годах центр активно участвовал в международных программах, таких как «Глобальный эксперимент по исследованию атмосферы» (GARP). В 1980-х годах была создана Мезомасштабная модель (MM4), ставшая предшественником современных региональных моделей прогноза погоды. В 1983 году открылось новое здание штаб-квартиры, спроектированное архитектором И. М. Пеем.

Современный этап

В 1990-е годы NCAR сыграл ключевую роль в разработке Климатической модели сообщества (CCM), которая позже эволюционировала в Модель климатической системы сообщества (CCSM), а затем в Модель климатической системы Земли (CESM). В 2000-х годах центр сосредоточился на изучении изменения климата, экстремальных погодных явлений и взаимодействия атмосферы с океаном и сушей. В 2010-х годах были запущены проекты по использованию беспилотных летательных аппаратов для атмосферных измерений и по созданию высокоразрешающих моделей прогноза погоды.

Организационная структура

NCAR состоит из нескольких лабораторий и программ, каждая из которых специализируется на определённой области:

• Лаборатория исследования климата и глобальной динамики (CGD) — занимается моделированием климатической системы, изучением климатических циклов и антропогенного воздействия.
• Лаборатория высокоширотных наблюдений и исследований (HAO) — изучает солнечную активность, ионосферу, магнитосферу и их влияние на атмосферу Земли.
• Лаборатория мезомасштабных и микромасштабных метеорологических исследований (MMM) — разрабатывает модели погоды с высоким разрешением, исследует грозы, ураганы, городские микроклиматы.
• Лаборатория атмосферной химии (ACL) — анализирует состав атмосферы, химические процессы, загрязнение воздуха и озоновый слой.
• Лаборатория наблюдений за Землёй (EOL) — управляет парком самолётов-лабораторий, радарами, метеорологическими буями и другими измерительными системами.
• Вычислительная и информационная системная лаборатория (CISL) — обеспечивает работу суперкомпьютеров, хранение данных и разработку программного обеспечения.

Исследовательские направления

Моделирование климата и погоды

NCAR разрабатывает и поддерживает ряд моделей, используемых тысячами учёных по всему миру:

• Модель климатической системы Земли (CESM) — глобальная модель, объединяющая атмосферу, океан, сушу, морской лёд и биогеохимические циклы.
• Модель прогноза погоды (WRF) — региональная модель, широко применяемая для оперативных прогнозов и научных исследований.
• Модель атмосферы (CAM) — атмосферная компонента CESM.

Наблюдения и инструменты

NCAR управляет несколькими уникальными наблюдательными системами:

• Самолёты-лаборатории — Gulfstream V (HIAPER), C-130, King Air, оснащённые приборами для измерения температуры, влажности, ветра, химического состава воздуха и облачных частиц.
• Радары — S-Pol (поляриметрический радар), DOW (доплеровский радар на колёсах), радары для изучения гроз и осадков.
• Лидары — лазерные системы для измерения профилей ветра, аэрозолей и облачности.
• Метеорологические буи и зонды — для океанических и полярных наблюдений.

Солнечно-земные связи

Лаборатория HAO исследует процессы на Солнце, солнечный ветер, магнитосферу и ионосферу. NCAR участвует в создании моделей космической погоды, прогнозирующих геомагнитные бури и их влияние на спутники и энергосистемы.

Атмосферная химия

Изучаются химические реакции в атмосфере, образование озона, аэрозолей, смога, парниковых газов. NCAR участвует в полевых кампаниях по измерению загрязнения воздуха в разных регионах мира.

Научные достижения

• Разработка одной из первых глобальных климатических моделей (CCM) в 1980-х годах.
• Создание модели WRF, ставшей стандартом для регионального прогноза погоды.
• Участие в проекте «Тропический эксперимент по исследованию атмосферы» (TEX) и других международных программах.
• Открытие механизмов образования озоновой дыры над Антарктидой (совместно с другими институтами).
• Разработка методов прогнозирования ураганов и торнадо с использованием высокоразрешающих моделей.

Инфраструктура

Суперкомпьютерный центр

NCAR располагает одним из крупнейших в мире вычислительных центров, специализированных на атмосферных науках. В 2023 году был введён в эксплуатацию суперкомпьютер «Derecho» (пиковая производительность — 19,9 петафлопс). Ранее использовались машины «Cheyenne», «Yellowstone», «Bluefire».

Архив данных

Центр хранит и предоставляет доступ к многолетним архивам метеорологических, климатических и геофизических данных. Через портал NCAR Research Data Archive учёные могут получить данные наблюдений, реанализов и модельных расчётов.

Полевые базы

NCAR имеет несколько полевых станций, в том числе:

• Обсерватория на горе Мауна-Лоа (Гавайи) — для измерения фонового состава атмосферы.
• Полярная станция в Барроу (Аляска) — для арктических исследований.
• Станция на плато Колорадо — для изучения горной метеорологии.

Образовательная и просветительская деятельность

NCAR активно занимается популяризацией науки. В штаб-квартире в Боулдере работает Центр для посетителей (Mesoscale and Microscale Meteorology Laboratory), где проводятся экскурсии, лекции и выставки. Центр также организует летние школы для студентов и аспирантов, программы для учителей и научные стажировки.

Международное сотрудничество

NCAR участвует в десятках международных проектов, включая:

• Всемирную программу исследования климата (WCRP).
• Программу «Глобальные наблюдения за атмосферой» (GAW) Всемирной метеорологической организации.
• Международный проект по моделированию климата (CMIP).
• Совместные проекты с Европейским центром среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) и Японским агентством морских и земных наук (JAMSTEC).

Критика и ограничения

Как и другие крупные научные центры, NCAR иногда подвергается критике за зависимость от государственного финансирования (NSF) и возможное влияние политических циклов на приоритеты исследований. В 2010-е годы звучали мнения, что модели NCAR недостаточно точно воспроизводят региональные климатические процессы, особенно в полярных и горных районах. Однако центр постоянно совершенствует свои модели, увеличивая разрешение и добавляя новые процессы.

Источники

• National Center for Atmospheric Research. Official website. UCAR.
• «A History of the National Center for Atmospheric Research». UCAR Communications, 2010.
• «NCAR Annual Report 2023». NSF.
• «The Community Earth System Model (CESM)». NCAR Technical Note, 2019.
• «Weather Research and Forecasting Model: Development and Applications». Bulletin of the American Meteorological Society, 2018.
• «NCAR’s Supercomputing History». CISL/NCAR, 2022.