Введение
Исследование (1985–1994)
Программа «Глобальная атмосфера тропического океана» (TOGA) представляла собой десятилетнее исследование (1985–1994) в рамках Всемирной программы исследований климата (WCRP), специально направленное на прогнозирование климатических явлений в масштабах времени от месяцев до лет. В рамках TOGA подчеркивалась важность тропических океанов и их взаимосвязь с глобальной атмосферой. В основе TOGA лежит предпосылка о том, что динамическая перестройка океана в тропиках происходит значительно быстрее, чем на более высоких широтах. Таким образом, возмущения, возникающие в западной части Тихого океана (например, Эль-Ниньо), могут распространяться по акватории в течение нескольких недель, в то время как аналогичное распространение по всей акватории на более высоких широтах занимает годы. Значение более коротких динамических временных масштабов вблизи экватора заключается в их схожести с временными масштабами высокоэнергетических атмосферных мод. Это сходство позволяет формировать связанные моды между океаном и атмосферой. TOGA сыграла ключевую роль в создании комплексной системы наблюдений за экваториальной частью Тихого океана и заложила важные основы для прогнозирования ENSO, ассимиляции данных и понимания взаимодействия между атмосферой и океаном.
История и мотивация
Корни программы TOGA можно проследить до 1920-х годов и работы сэра Гилберта Уокера над тем, что впоследствии стало известно как Южная осцилляция – очевидной взаимосвязью между аномалиями атмосферного давления по всему Тихому океану, которая, по-видимому, являлась основным фактором, определяющим погодные условия. Эта работа была развита Якобом Бьеркнесом в 1960-х годах, когда он подтвердил связь между явлением Эль-Ниньо, зимней тепловой аномалией в обычно прохладных водах у побережья Перу, и южной осцилляцией. Объединенное явление Эль-Ниньо – Южная осцилляция, или ENSO, оказалось важным фактором сезонной изменчивости климата, имеющим последствия как для людей, так и для экономики. Изучение этих взаимосвязанных явлений продолжалось в 1970-х и 1980-х годах посредством ряда наблюдательных и модельных исследований, в ходе которых было открыто явление экваториальных волн Кельвина – потенциальный предшественник явлений ENSO. Исходя из этого, Всемирная программа исследований климата начала планировать десятилетнюю исследовательскую инициативу, направленную на понимание взаимодействия океана и атмосферы в тропических океанических бассейнах. Цели этой программы были четко определены, когда в 1982–1983 годах произошло крупное событие Эль-Ниньо, самое сильное на тот момент, без предварительного прогнозирования или обнаружения. Это особенно сильное событие сопровождалось засухой, наводнениями, экстремальной жарой и сильными штормами. Эти события ясно показали необходимость улучшения механизмов прогнозирования ENSO и получения надежных данных в реальном времени для поддержки прогнозов.
Система наблюдения
Программа TOGA создала передовую систему наблюдения за океаном для поддержки исследований и прогнозирования теплых фаз ENSO. Наряду с традиционными методами, такими как использование судов, предоставляющих возможность наблюдений, и береговых приливных постов, главным достижением стало развертывание массива TAO (Tropical Atmosphere Ocean). Массив TAO был совместным проектом NOAA и Тихоокеанской морской экологической лаборатории (PMEL), состоящим из 70 закрепленных буев, расположенных вдоль экваториальной части Тихого океана, обеспечивающих данные о ветре, температуре поверхности моря и температуре глубин океана в режиме реального времени с использованием Автономной системы сбора данных о температуре (ATLAS). Кроме того, ученые, участвовавшие в программе, использовали широкий спектр продуктов, полученных со спутников, даже если они не создавались специально для этой программы. Особое значение имел радиолокационный альтиметр NOAA AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) для измерения температуры поверхности моря, спутниковая миссия TOPEX/Poseidon для измерения высоты уровня моря и различные пассивные микроволновые спутники, разработанные для оборонных целей, для измерения скорости ветра. В целом, сочетание спутниковых и наземных данных с доступом в реальном времени оказалось решающим фактором успеха программы.
Результаты
Программа TOGA напрямую привела к углубленному теоретическому пониманию цикла ENSO, включая взаимодействие между вариациями пассатов и температурой поверхности моря. Она также помогла объяснить эволюцию, развитие и затухание событий ENSO. В результате реализации TOGA были разработаны модели сезонных прогнозов (как статистические, так и динамические). Их совершенствование позволило впервые успешно спрогнозировать ENSO в 1986 году, а к концу программы стали ежегодно выпускаться прогнозы. Влияние TOGA вышло за рамки чисто научных результатов и изменило принципы работы в областях океанографии и метеорологии. Программа TOGA укрепила сотрудничество между океанографами и метеорологами и способствовала формированию новой культуры открытого доступа к данным. Вместо того чтобы каждый исследователь самостоятельно собирал и использовал данные, информация стала свободно доступна всем в режиме реального времени. Пожалуй, самым значительным достижением программы TOGA стало успешное прогнозирование и мониторинг Эль-Ниньо 1997–1998 годов, одного из крупнейших событий Эль-Ниньо в истории. Такой оперативный успех был бы невозможен без результатов и методов сбора данных, разработанных в рамках программы TOGA.