Проект по глобальному энергетическому и водному циклу

Проект по глобальному энергетическому и водному циклу (Global Energy and Water Cycle Experiment, GEWEX) — это международная научно-исследовательская программа, направленная на изучение взаимодействия между энергетическим и водным циклами Земли. Проект был инициирован в 1988 году Всемирной программой исследований климата (WCRP) и является одной из её ключевых составляющих. Основная цель GEWEX — понять, как изменения в энергетическом балансе планеты влияют на глобальный гидрологический цикл, и наоборот, а также улучшить прогнозирование климатических изменений и гидрологических явлений, таких как наводнения и засухи.

История и предпосылки создания

Идея создания GEWEX возникла в середине 1980-х годов на фоне растущего осознания того, что климатические изменения тесно связаны с круговоротом воды и энергии в атмосфере, океане и на суше. К тому времени существующие модели климата не могли адекватно описывать процессы испарения, осадкообразования и переноса тепла, что приводило к значительным погрешностям в прогнозах. В 1988 году WCRP официально запустила GEWEX как десятилетнюю программу, которая впоследствии была продлена и расширена.

Первоначально проект фокусировался на создании глобальных наборов данных о радиационном балансе, облачности, осадках и влажности. В 1990-е годы были развёрнуты региональные эксперименты, такие как GEWEX Asian Monsoon Experiment (GAME) и GEWEX Continental-Scale International Project (GCIP), которые изучали водный цикл в конкретных регионах. В 2000-х годах программа перешла к фазе GEWEX Phase II, а затем к GEWEX Phase III (2013–2022), в рамках которой акцент сместился на интеграцию данных и моделирование для оценки климатических рисков.

Цели и задачи

Основные цели GEWEX включают:

• Определение глобального энергетического и водного балансов — измерение и моделирование потоков солнечной и тепловой радиации, а также количества осадков, испарения и стока.
• Понимание обратных связей — изучение того, как облака, аэрозоли, парниковые газы и изменения землепользования влияют на энергетический и водный циклы.
• Улучшение климатических моделей — разработка более точных параметризаций для процессов, связанных с влажностью, облачностью и осадками.
• Прогнозирование гидрологических экстремумов — создание методов для предсказания наводнений, засух и других экстремальных погодных явлений на основе данных о водном цикле.
• Оценка влияния изменения климата — анализ того, как глобальное потепление изменяет распределение осадков, таяние ледников и уровень моря.

Структура и участники

GEWEX координируется Международным проектом GEWEX (International GEWEX Project Office, IGPO), который базируется в США. В проекте участвуют научные организации, университеты и метеорологические службы более чем 30 стран, включая Россию, США, Китай, Японию, страны Европейского союза и Индию. Финансирование осуществляется через национальные бюджеты участников, а также через гранты международных организаций, таких как Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и ЮНЕСКО.

Программа включает несколько тематических направлений и рабочих групп:

• GEWEX Data and Analysis Panel (GDAP) — отвечает за сбор, обработку и распространение глобальных наборов данных, таких как Global Precipitation Climatology Project (GPCP) и International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP).
• GEWEX Modeling and Prediction Panel (GMPP) — занимается разработкой и тестированием климатических моделей.
• GEWEX Hydroclimatology Panel (GHP) — координирует региональные гидроклиматические исследования, например, проекты по изучению бассейнов рек (Миссисипи, Амазонка, Волга).

Ключевые достижения

За время своего существования GEWEX добился ряда значительных результатов:

• Глобальные наборы данных — созданы многолетние ряды данных по осадкам (GPCP), облачности (ISCCP), радиационному балансу (Surface Radiation Budget, SRB) и влажности почвы, которые используются в тысячах научных публикаций.
• Улучшение моделей — данные GEWEX позволили повысить точность прогноза осадков в глобальных климатических моделях, особенно в тропических и муссонных регионах.
• Региональные эксперименты — проект GAME (1996–2000) в Азии дал понимание механизмов азиатского муссона, а GCIP (1995–2000) в Северной Америке улучшил прогнозирование наводнений в бассейне Миссисипи.
• Изучение обратных связей — выявлено, что увеличение температуры на 1 °C приводит к росту содержания водяного пара в атмосфере примерно на 7%, что усиливает парниковый эффект (обратная связь Клаузиуса — Клапейрона).
• Водный цикл в Арктике — в рамках проекта GEWEX Arctic Climate System Study (ACSYS) были изучены процессы таяния морских льдов и их влияние на глобальный водный баланс.

Методы и инструменты

GEWEX использует комбинацию спутниковых наблюдений, наземных измерений и численного моделирования. Основные спутниковые программы включают:

• Тропосферные спутники — например, серия NOAA (США), Meteosat (Европа), Himawari (Япония) и «Метеор-М» (Россия), которые измеряют радиацию, облачность и осадки.
• Спутники для изучения влажности — Aqua (NASA), SMOS (Европейское космическое агентство) и GPM (Global Precipitation Measurement, совместный проект NASA и JAXA), которые предоставляют данные о влажности почвы и осадках.
• Наземные сети — около 10 000 метеостанций, 1000 радиозондов и 5000 дождемеров, участвующих в программе, а также специальные эксперименты, такие как GEWEX Cloud System Study (GCSS) для изучения облачных процессов.

Численное моделирование включает использование региональных и глобальных климатических моделей, таких как модельный комплекс ECHAM (Германия) и модель INM-CM (Россия, Институт вычислительной математики РАН). Для валидации данных применяются методы ассимиляции, которые объединяют спутниковые и наземные наблюдения.

Применение результатов

Результаты GEWEX находят практическое применение в нескольких областях:

• Сельское хозяйство — данные о влажности почвы и осадках используются для оптимизации орошения и прогнозирования урожайности в регионах, подверженных засухам (например, в Поволжье и Центральной Азии).
• Управление водными ресурсами — модели GEWEX помогают прогнозировать сток рек и уровень водохранилищ, что важно для гидроэнергетики и водоснабжения (например, для каскада ГЭС на Волге).
• Предупреждение стихийных бедствий — улучшенные прогнозы осадков позволяют заранее оповещать о наводнениях в бассейнах рек (Амур, Днепр) и засухах в засушливых зонах.
• Климатическая политика — данные GEWEX используются в отчётах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) для оценки рисков глобального потепления.

Критика и ограничения

Несмотря на успехи, GEWEX сталкивается с рядом проблем:

• Неравномерность данных — спутниковые наблюдения имеют низкое пространственное разрешение в полярных регионах, а наземные сети неравномерно распределены (например, в Сибири и Африке плотность станций минимальна).
• Сложность моделирования — процессы, связанные с облаками и аэрозолями, остаются плохо параметризованными, что приводит к расхождениям между моделями и наблюдениями до 20% по осадкам.
• Финансирование — программа зависит от добровольных взносов стран-участниц, что иногда приводит к задержкам в реализации экспериментов.
• Политические аспекты — в 2022 году, после начала специальной военной операции на Украине, некоторые западные партнёры ограничили обмен данными с российскими научными организациями, что затруднило интеграцию наблюдений из Арктики и Сибири.

Перспективы развития

В настоящее время GEWEX переходит к следующей фазе — GEWEX Phase IV (2023–2032), которая будет сосредоточена на:

• Интеграции с искусственным интеллектом — использование машинного обучения для анализа больших массивов спутниковых данных и улучшения прогнозов.
• Изучении городских водных циклов — влияние урбанизации на испарение и сток, что актуально для мегаполисов, таких как Москва и Санкт-Петербург.
• Арктических исследованиях — в связи с таянием вечной мерзлоты и изменением режима осадков в высоких широтах, что имеет прямое отношение к России.
• Сотрудничестве с другими программами — например, с проектом «Всемирная программа исследования климата» (WCRP) и инициативой «Глобальная система наблюдений за климатом» (GCOS).

Источники

• Всемирная программа исследований климата (WCRP). «Global Energy and Water Cycle Experiment (GEWEX)». Официальный сайт WCRP, 2023.
• Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). «GEWEX Data and Analysis». NASA Goddard Space Flight Center, 2022.
• Институт вычислительной математики РАН. «Участие России в проекте GEWEX». Отчёт ИВМ РАН, 2021.
• Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). «Шестой оценочный доклад: Физическая научная основа». МГЭИК, 2021.
• Всемирная метеорологическая организация (ВМО). «Global Precipitation Climatology Project (GPCP)». ВМО, 2020.