Программа исследований глобальных атмосферных процессов

Программа исследований глобальных атмосферных процессов (ПИГАП; англ. Global Atmospheric Research Programme, GARP) — крупнейшая международная научная программа, осуществлявшаяся в период с 1967 по 1982 год под эгидой Всемирной метеорологической организации (ВМО) и Международного совета научных союзов (МСНС). Её целью являлось всестороннее исследование физических процессов в атмосфере Земли для создания физико-математических моделей, способных предсказывать погоду на срок до двух недель, а также понимание механизмов, определяющих климатические изменения.

История и предпосылки

Предпосылкой к запуску ПИГАП стало осознание растущего разрыва между теоретическими знаниями о динамике атмосферы и практическими возможностями метеорологии. К середине 1960-х годов развитие вычислительной техники и методов математического моделирования позволило ставить вопрос о создании глобальных моделей циркуляции, однако не хватало глобальных наблюдательных данных. В 1961 году президент США Джон Ф. Кеннеди в выступлении перед ООН предложил программу международной кооперации по спутниковым наблюдениям за погодой, что дало толчок к разработке общего научного плана. Формально ПИГАП была учреждена в 1967 году на совместной сессии ВМО и МСНС, а её оперативное планирование координировал Объединённый научный комитет (JOC) с участием специалистов из СССР, США, Великобритании, ФРГ и других стран.

Цели программы

Программа ставила перед собой четыре основные задачи:

• Разработать глобальную систему сбора метеорологических данных с поверхности суши, океана, из атмосферы (радиозонды, самолётные зонды, шары-зонды) и из космоса (метеоспутники).
• Создать математические модели общей циркуляции атмосферы, способные воспроизводить крупномасштабные атмосферные процессы.
• Провести серию полевых экспериментов для валидации моделей и изучения малоизвестных физических явлений (пограничного слоя, облачности, радиации, обмена теплом и влагой).
• Установить физические пределы предсказуемости погоды и оценить возможность прогнозирования на срок до двух недель.

Ключевые экспедиции и эксперименты

ПИГАП включала несколько крупных международных экспедиций, спланированных как совместные усилия десятков стран с привлечением научных судов, самолётов-лабораторий и спутников.

Первый глобальный эксперимент (GARP Global Experiment, GGE)

Реализован в 1978–1979 годах. Включал развёртывание специальной наблюдательной сети в тропической зоне Тихого и Атлантического океанов. В рамках GGE впервые была проведена синхронизация измерений с геостационарных и полярно-орбитальных спутников, а также запущено более 300 радиозондовых станций. Научным центром координации выступил Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF, Рединг, Великобритания). Второй советский спутник «Метеор-2» участвовал в сборе данных по программе GGE. Общий объём собранных данных составил около 100 терабайт (в пересчёте на современные единицы).

Эксперимент по тропическому пограничному слою (GARP Atlantic Tropical Experiment, GATE)

Проводился с июня по сентябрь 1974 года в Атлантическом океане между Африкой и Южной Америкой. Основной задачей было изучение кучево-дождевой облачности, внутритропической зоны конвергенции, а также переноса воды и тепла через экватор. Задействовано 73 научных судна (в том числе 5 советских: «Профессор Визе», «Профессор Зубов», «Академик Курчатов», «Михаил Сомов» и «Эрнст Кренкель»), 35 самолётов-лабораторий США, СССР, Канады, Бразилии и Франции, а также несколько океанографических буёв. Главным результатом GATE стало создание первой параметризации конвективных процессов в численных моделях.

Эксперимент по монсунам (MONEX — Monsoon Experiment)

Охватывал регион Юго-Восточной Азии и Индийского океана и проводился в два этапа: зимний сезон 1978/79 годов и летний сезон 1979 года. Участие принимали Индия, Пакистан, Бангладеш, Шри-Ланка, а также СССР (судно «Профессор Богоров»). MONEX позволил впервые с высоким пространственным разрешением проследить формирование летнего юго-западного муссона, его пульсации, а также выявить связь с температурой поверхности моря. На основе полученных данных были уточнены модели прогноза муссонных дождей.

Другие компоненты

• POLEX (Polar Experiment) — исследование Арктики и Антарктики (1971–1976) с использованием дрейфующих станций «Северный полюс» (СССР) и американских ледовых лагерей.
• SESAME (Severe Environmental Storms and Mesoscale Experiment) — изучение сильных конвективных штормов над центральной Европой в 1979 году.
• ALPEX (Alpine Experiment) — эксперимент по исследованию воздействия горных массивов на атмосферные течения (1981–1982). На основе данных ALPEX выявлена роль Альп в генерации волн Фёна и генерации облачности.

Научные результаты

Успех ПИГАП определил переход от эмпирических методов синоптики к численному моделированию на глобальных сетках. Были получены следующие значимые результаты:

• Сформулирован принцип «ограниченной предсказуемости»: точный прогноз общей циркуляции возможен не более чем на 10–14 дней, после чего погрешности начальных данных приводят к полной потере прогностической ценности.
• Разработана трёхмерная спектральная модель атмосферы, учитывающая рельеф, планетарные волны, эффекты трения и конвекции.
• Построена карта глобальных потоков тепла, влаги и момента импульса между тропиками и полюсами, уточнившая количественные оценки переноса энергии.
• Создан многолетний архив стандартизированных данных (Global Atmospheric Data Set, GADS), который до сих пор используется для калибровки климатических моделей.
• В рамках ПИГАП в 1978–1979 годах запущена серия метеоспутников TIROS-N (США), «Метеор» (СССР) и Meteosat (Европейское космическое агентство), заложившая основу для современной спутниковой метеорологии.

Организационная структура и финансирование

Финансирование программы осуществляли страны-участницы из своих бюджетов. Материальные ресурсы предоставлялись на условиях национальных контингентов. Так, СССР внес в программу около 12% общего объёма судовых исследований и 25% самолётных вылетов (по данным на 1979 год), США — 45% бюджета GATE и 55% расходов на спутниковую поддержку. Объединённый научный комитет состоял из 12 экспертов, которые назначались ВМО и МСНС. Научными центрами обработки данных стали: Национальный центр атмосферных исследований (NCAR, Боулдер, США), Гидрометцентр СССР (Москва) и Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (Рединг, Великобритания). Кроме того, активно привлекалась научная сеть социалистических стран (Болгария, Венгрия, ГДР, Польша, Чехословакия), которые обеспечивали работу наземных радиометрических станций.

Критика и ограничения

Несмотря на огромный объём собранных данных, программа подвергалась критике за несколько аспектов:

• Неравномерность наблюдательной сети — основная масса станций приходилась на северное полушарие, тогда как южное оставалось слабо обследованным.
• Отсутствие единой методики ассимиляции данных: данные советских и американских спутников не были напрямую совместимы без сложной процедуры пересчёта.
• Сроки проведения GATE и MONEX оказались смещены из-за политических напряжений и климатических аномалий (засуха в Сахаре в 1972–1974 годах повлияла на аэрозольную нагрузку).
• Часть полевых экспериментов (ALPEX, SESAME) была проведена уже после формального завершения программы (1981–1982), что удлинило цикл обработки результатов до 1986 года.

Наследие

Программа исследований глобальных атмосферных процессов завершилась в 1982 году, однако её структура стала основой для последующих проектов: Всемирной программы исследований климата (WCRP, с 1980), Международного года тропических циклонов (ITYC, 1985) и инициированного в 1990-е годы Глобального океанического наблюдательного эксперимента (GOOS). Многие методики, разработанные в рамках ПИГАП, применялись для проектирования наземного сегмента системы метеорологических спутников нового поколения. В России архив ПИГАП до сих пор хранится в Гидрометцентре России, а данные GATE продолжают использоваться для верификации региональных климатических моделей.

Источники

• Всемирная метеорологическая организация. «Global Atmospheric Research Programme: Synopsis of the Programme and the First GARP Global Experiment». Geneva, 1978.
• Сборник «Исследования глобальной циркуляции атмосферы» / под ред. К.Я. Винникова. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
• H. Turner, E. Kintner. «The Global Atmospheric Research Programme: A History». — Meteorological Monographs, 2003.
• GARP Publications Series, Vol. I–XIV (1967–1982).
• Материалы Метеорологического агентства РФ (Росгидромет): ежегодные отчёты за 1973–1982 гг.