Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной? - Игорь Кароль

Математическое моделирование – едва ли не главное направление в современных исследованиях климата. Постоянное совершенствование моделей обычно сопряжено с увеличением их детализации, а как следствие, и с ростом потребности в более подробных сведениях о значениях метеорологических и климатических элементов. Сегодня поток поступающей информации можно сравнить с бесперебойно работающим конвейером, а начиналось все так.

Первые шаги в организации мониторинга погоды в России были предприняты еще в начале XVIII столетия. В 1722 г. по указу Петра I начались систематические наблюдения за погодой на флоте (сохранились записи, сделанные самим Петром I во время его пребывания в Риге). После учреждения Петербургской академии наук эта работа была поручена ее членам. Результаты ежедневных измерений температуры воздуха в Санкт-Петербурге существуют с середины XVIII века. В это же время была создана сеть из 30–40 пунктов наблюдений в Европе, которая просуществовала до XIX века. Систематические наблюдения за погодой были особенно важны для аграрной России с ее огромной территорией и разнообразными природными условиями. Большую роль в организации магнитных и метеорологических обсерваторий на Урале и в Сибири сыграл академик А. Я. Купфер (1799–1865). На таких станциях два-три раза в сутки проводились измерения температуры воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра, количества осадков. Однако все еще не существовало научного центра, где могли бы обрабатываться результаты наблюдений за погодой в различных районах огромной империи. И он появился. В 1849 г. по указу Николая I была учреждена Главная физическая обсерватория (ныне – Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова, старейшее учреждение Гидрометслужбы России) «… для производства физических наблюдений… и вообще для исследований России в физическом отношении». Любопытно, что этот документ был подписан 1 апреля (по старому стилю), что дало повод шутникам называть этот день «днем синоптика». Первым директором обсерватории стал Купфер. В соответствии с высочайшим указом, результаты измерений на станциях за несколько месяцев посылались в обсерваторию, где они проверялись и систематизировались перед последующей публикацией. Однако в первое время эти данные были весьма несовершенными: сроки наблюдений не выдерживались, среди разнокалиберных приборов не было эталонных, поэтому их проверки проводились редко. Наблюдения на станциях, как правило, вели неспециалисты – помещики, представители городской и сельской интеллигенции (учителя, врачи, фельдшеры, агрономы). Впрочем, работали они бесплатно, оплачивать же труд наблюдателей, и то частично, стали лишь в конце XIX века. Создание полноценной сети метеорологических станций началось только в 1872 г. усилиями тогдашнего директора Главной физической обсерватории Г. И. Вильда (1833–1902). Почти сразу заработала сеть из 73 станций. Ранее профессор Университета в Берне Вильд создал небольшую сеть станций для измерения температуры и давления воздуха в Швейцарии. Его усилиями были организованы Первый международный метеорологический конгресс в Вене в 1873 г. и Конгресс международной метеорологической организации (ММО), прошедший в 1879 г. в Риме. Вильд был избран первым президентом ММО – организации, осуществившей большую работу по стандартизации метеорологических наблюдений. ММО просуществовала до 1950 г., когда была заменена межправительственной Всемирной метеорологической организацией (ВМО, WMO). Во второй половине XIX века сеть наземных метеорологических станций заработала во всех развитых странах мира, и 1850– 60 гг. считаются временем начала получения инструментальных сведений о погоде во внетропических северных широтах. А метеорологическая сеть России по охвату большой территории и качеству данных справедливо считалась одной из лучших. Вильд был не только хорошим организатором, он лично принимал участие в создании нескольких метеорологических приборов: знаменитый «флюгер Вильда», который измерял скорость ветра по углу отклонения легкой и тяжелой пластин, подвешенных на горизонтальной оси, служил (и не только в России) вплоть до недавнего времени (рис. 17 цв. вклейки). Любопытно, что Вильд за 27 лет своего директорства и членства в Петербургской академии наук так и не освоил русский язык – большинство сотрудников обсерватории были немцы или жители Прибалтики, знавшие немецкий язык, на котором и велось делопроизводство. С властями директор общался по-французски или через своего заместителя, в этом обсерватория не была исключением среди научных учреждений Санкт-Петербурга того времени. И только после ухода Вильда в 1894 г. в обсерватории заговорили по-русски.

Таким образом, уже почти больше столетия сеть станций используется для измерения метеорологических характеристик, позднее в этих же целях стали применяться аэростаты и радиозонды, а с 1970-х гг. – и спутники, причем данные, полученные с разных спутников, достаточно плохо согласуются. Архивы климатических элементов формируются путем сбора, систематизации, проверки (контроля) и обработки данных, полученных из вышеперечисленных источников. Эти данные сегодня часто представляются в виде так называемых ре-анализов. Ре-анализ – это результат ассимиляции (усвоения) данных измерений какой-либо метеорологической величины, полученных в одни и те же моменты времени в местах нахождения пунктов измерений. Цель ассимиляции – создание максимально близкого к измеренному поля значений этой метеорологической величины во всех узлах регулярной географической сетки (т. е. узлах, отстоящих друг от друга на равное число градусов как по широте, так и по долготе). Поскольку пункты измерений (а значит, и исходные данные измерений) расположены далеко неравномерно, а в ряде регионов и вовсе отсутствуют, этот недостаток восполняют специальными расчетами с помощью трехмерных моделей общей циркуляции атмосферы. Процедура ассимиляции – комбинирование данных наблюдений с результатами модельных расчетов. В последующем полученные поля используются как в модельных исследованиях, так и в приложении к оперативным задачам сельского хозяйства, техники, строительства, транспорта, авиации и пр., чем занимается специальная наука – прикладная климатология.

Система приземных наблюдений на стационарных метеорологических станциях наиболее распространена и обширна. Сеть этих постоянно действующих метеорологических станций оснащена одинаковыми или почти одинаковыми приборами для измерения основных метеорологических элементов (температуры воздуха и почвы, осадков, явлений погоды, влажности воздуха, атмосферного давления, ветра) и работает по единой методике измерений.

В России на сегодняшний день насчитывается 1628 пунктов наблюдений за метеорологическими характеристиками (температура, осадки, ветер, давление и т. д.). Они составляют Государственную наблюдательную сеть. Именно эта сеть поставляет основную часть первичной метеорологической информации, служащей основой для изучения климата у поверхности Земли.

Внутри Государственной наблюдательной сети выделяют сети с рядами выборочных станций: реперную сеть (458 станций), опорную климатическую сеть (235 станций) и глобальную сеть наблюдений за климатом (135 станций).

Реперная сеть состоит из лучших станций. Лучших — это значит, что: 1) наблюдения на них ведутся достаточно давно (многие десятилетия) и эти наблюдения никогда не прерывались; 2) осуществляется полная программа наблюдений (т. е. за целым рядом метеохарактеристик, а не двумя-тремя, и много раз в сутки); 3) они расположены таким образом, что получаемые данные измерений типичны (характерны) для данной достаточно обширной окрестной территории. Наблюдения на таких станциях показательны для общей ситуации в большом районе. Реперные станции не подлежат закрытию и переносу ни при каких обстоятельствах. Большая часть российских станций (253 станции) обладает рядами наблюдений в более 50 лет, а на 44 станциях продолжительность наблюдений превышает 100 лет.

Опорная сеть – это оптимальное количество реперных станций (меньше нельзя, больше не нужно), свое для каждой местности. В результате обработки полученной на них достаточной информации появляются климатические нормы – выраженное в числах описание климата, характерного для данной местности (характерная температура, обычно имеющее место среднемесячное количество осадков и пр.).

Данные, полученные глобальной сетью наблюдений за климатом, подлежат международному обмену и размещаются в Интернете. Они используются в исследованиях глобального климата и его изменений. В глобальной сети наблюдений за климатом распределение станций по территории сравнительно равномерное, чего нельзя сказать о всемирной метеорологической сети станций. В последней большинство станций сосредоточено на густонаселенных территориях экономически высокоразвитых стран. В полярных, горных и океанических районах количество станций не обеспечивает возрастающие потребности метеорологической науки и практики. Поэтому существует необходимость разработки других способов получения информации из этих районов.