Илья Афанасьевич Кибель

Свою научную деятельность он начал в 1925 г. в Ленинграде в стенах Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова, в коллективе, возглавляемом профессором А. А. Фридманом. Это был блестящий творческий коллектив талантливых людей, давший науке таких замечательных ученых, как академики Н. Е. Кочин и А. А. Дородницын.

 

Илья Афанасьевич пришел в метеорологию, обогащенный опытом и знаниями в области газовой динамики и теоретической гидромеханики, в которой им был выполнен ряд работ по нелинейным вихревым процессам в до- и сверхзвуковых потоках. 1920-е годы были периодом становления динамической метеорологии как научного раздела теоретической гидромеханики. В этот период Отдел динамической метеорологии (ОДМ ГГО), возглавляемый Фридманом, интенсивно занимался общими проблемами гидродинамики и, в частности, условиями термодинамической возможности движения сжимаемой жидкости. И. А. Кибелю принадлежит в этой области ряд важных результатов.

 

Работы этого периода нашли отражение в двух книгах: в монографии ‘‘Динамическая метеорология” под редакцией Б. И. Извекова и Н. Е. Кочина, в которой И. А. Кибелю принадлежат главы, касающиеся общих принципов механики атмосферы, общей циркуляции атмосферы, а также вязкости и турбулентности, и в учебнике “Теоретическая гидромеханика”, написанном И. А. Кибелем совместно с Н. Е. Кочиным и Н. В. Розе. Этот учебник, переиздававшийся несколько раз (последнее издание в 1963 г. было переработано и дополнено И. А. Кибелем), был одним из немногих фундаментальных пособий, по которому учились гидромеханики и метеорологи 1940—1960-х годов. Работы Фридмана, Кибеля и Кочина по разрывным решениям и, в частности, по определению динамической допустимости существования разрывных решений в вязкой жидкости, были первыми в этой области.

 

Остановимся на раннем периоде деятельности И. А. Кибеля, поскольку работы этого периода были своего рода преддверием к циклу исследований, выполненных им в области метеорологии и относящихся к гидродинамическому краткосрочному прогнозу погоды или близких по тематике. В них Кибелем были получены наиболее существенные, интересные и, по сути своей, пионерские результаты, заложившие фундамент будущих исследований в этой трудной области науки. Центральное место здесь занимает известная работа 1940 г. “Приложение к метеорологии уравнений механики бароклинной жидкости” [6], удостоенная Государственной премии СССР. Эта работа оставила неизгладимый след как в практике численного прогнозирования погоды, так и в развитии синоптической метеорологии. В ней, в частности, было введено разложение по малому безразмерному параметру Е = l//r0 = VHL = R. В СССР тогда работа Россби [22] не была известна, т. е. это число Кибелем было получено независимо, поэтому в русскоязычной литературе оно называется числом Россби — Кибеля. Данная работа была первым практическим шагом в создании численной модели краткосрочного прогноза до появления ЭВМ.

 

Вторым важным циклом работ И. А. Кибеля являются работы, посвященные исследованиям по адаптации метеорологических полей, и первые работы по применению полных уравнений для целей краткосрочного прогноза погоды [5]. Именно в этой области Кибель был большим энтузиастом, и своей кипучей энергией способствовал развитию и широкому распространению данного направления исследований, положенных в настоящее время в основу при построении прогностических моделей.

 

В начале 1960-х годов И. А. Кибель обратил внимание исследователей, занимающихся разными аспектами динамической метеорологии, на исследования мезометеорологических процессов. В последние годы своей жизни он усиленно пропагандировал идею развития основ мезометеорологического прогноза. Мезометеорологическое прогнозирование — одна из ключевых проблем, и, по мнению Кибеля, должна быть решена метеорологами гидродинамиками в будущем. Он ясно понимал необходимость создания моделей отдельных мезо- масштабных и локальных явлений (облака, орографические возмущения, локальная циркуляция и т. п.)( без которых трудно говорить о проблеме прогноза погоды и метеорологических явлений. Это направление интенсивно развивалось, в частности под руководством учеников И. А. Кибеля (Д. Я. Прессмана и Е. М. Пекелиса). Жизнь и дальнейшее развитие метеорологической науки показали правоту этой точки зрения — мезометеорологический прогноз в настоящее время внедряется в практику, и число научных задач, решаемых с помощью численного моделирования, неизмеримо возросло. Этому способствует бурное развитие вычислительной техники.

 

Нельзя не отметить как важную веху в творчестве Кибеля выход в свет в 1957 г. монографии “Введение в гидродинамические методы краткосрочного прогноза погоды” [4], в которой был подведен итог исследованиям, проводившимся под его руководством в отделе динамической метеорологии Центрального института прогнозов (ныне Гидрометцентр Российской Федерации).

 

Научная деятельность И. А. Кибеля является важным этапом в истории развития советской школы динамической метеорологии. Он заложил основы гидродинамических методов прогноза погоды. При этом ему посчастливилось быть первым трижды: он первый, используя гипотезу геострофичности и введя малый параметр, нашел способ использования уравнений гидротермодинамики для прогноза погоды; первый указал на необходимость вернуться к полным негеострофичесим уравнениям и показал, как это сделать; первый поставил задачу прогноза локальных метеорологических явлений на основе негидростатических уравнений. Свежесть и новизна полученных Кибелем научных результатов были таковы, что вначале они вызывали иногда принципиальную критику даже со стороны признанных ученых-метеорологов. Однако Илья Афанасьевич с подлинной творческой смелостью отстаивал свою правоту ученого, и основные его идеи действительно доказали свою жизненность. Можно без преувеличения сказать, что почти все ученые, ставшие впоследствии известными специалистами в области динамической метеорологии, или работали под его непосредственным научным руководством, как, например, академики А. А. Дородницын, Г. И. Марчук, А. С. Монин, А. С. Саркисян, члены-корреспонденты АН СССР Е. Н. Блинова, Г. П. Курбаткин и другие, или сформировались как ученые, испытав на себе огромное влияние эрудиции и интуиции И. А. Кибеля. И. А. Кибель пользовался огромным авторитетом среди советских и зарубежных метеорологов. Он постоянно находился на переднем фронте гидрометеорологической науки, с исключительной принципиальностью отстаивая передовые позиции советских метеорологов на мировой арене.

 

Глубокие идеи И. А. Кибеля не утратили своего значения и в настоящее время. Особенно большой научный и методический интерес представляют его работы для начинающих исследователей, чему в немалой степени способствует манера изложения, свойственная Кибелю. Он стремился передать в своих работах живой творческий процесс, старался не только зафиксировать идеи, постановку задач, общие соображения о ходе решения и конечный результат, но и в деталях отразить выводы формул и приемы решения задач. Все это в совокупности представляет собой частицу того творческого наследия, которое можно назвать стилем школы И. А. Кибеля.

 

Те, кто работали с И. А. Кибелем или были его учениками, всегда будут помнить о его огромных знаниях, поразительной интуиции, тонком чутье на все новое в глубоких пионерских идеях, способствовавших формированию целых научных направлений. И сейчас, спустя десятилетия, у нас сохраняется память об этом замечательном человеке, посвятившем всю свою жизнь беззаветному служению метеорологической науке, принесшем большую пользу всем, кто интересуется историей развития гидродинамических методов прогноза погоды [5].

 

Касаясь существа работ И. А. Кибеля, можно отметить следующее. В первоначальном варианте И. А. Кибель разработал метод прогноза в квазигеострофическом приближении, ориентируясь на адвекцию термобарического поля в так называемом первом приближении. В этом варианте им еще не была учтена динамика вихреобразования. Дальнейшее развитие гидродинамического метода пошло именно по пути учета как термической адвекции, так и динамики вихреобразования. Такая более полная динамическая модель, уточненная А. М. Обуховым [И] и Н. И. Булеевым, оказалась более адекватной для прогноза и дала толчок к формированию моделей, учитывающих более сложный спектр атмосферных возмущений. Несмотря на сильно упрощенную модель первого приближения, работы А. И. Кибеля были активно восприняты метеорологической общественностью и породили большое число дальнейших исследований. Поэтому мы с понятным основанием считаем И. А. Кибеля создателем гидродинамического прогноза погоды, проложившего путь новых глубоких исследований самого автора, его учеников и последователей. Гидродинамические методы обогатили синоптические подходы.

 

И. А. Кибель решил ряд новых проблем, связанных с краткосрочным прогнозом погоды. Отметим несколько из них: уравнения гидродинамики и термодинамики для свободной атмосферы, порядок величин метеорологических элементов, постановка общей задачи о прогнозе, приспособление движения к геострофическому, нелинейная задача прогноза на среднем уровне, фронтальные зоны и фронтальные поверхности, соленоидальное движение и др. [5].

 

В послевоенные годы началось бурное развитие математических моделей краткосрочного прогноза погоды в квазигеострофическом приближении. Так, в 1952 г. была опубликована работа учеников И. А. Кибеля — Н. И. Булеева и Г. И. Марчука [2], посвященная прогнозу поля геопотенциала на 1—3 дня. Решение задачи для производной dH/dt, где Н — потенциал барического поля, было найдено методом Фурье в цилиндрических координатах. Именно это решение, основы которого восходят к работам И. А. Кибеля, использовалось в нашей стране для краткосрочных прогнозов с 1952 по 1965 г. Наибольший вклад в практическом применении гидродинамического прогноза в нашей стране был сделан С. Л. Белоусовым и А. Д. Чистяковым — сотрудниками Центрального института прогнозов. Существенный вклад во внедрение был внесен М. И. Юдиным, В. П. Мелешко, В. П. Садоковым, П. Н. Беловым, С. А. Машковичем, Е. М. Добрышманом, Е. Г. Ломоносовым и другими. Одновременно начался активный поиск новых постановок задач и методов их решения [7, 8].

 

Работы И. А. Кибеля стали основополагающими для дальнейшего развития гидродинамических прогнозов, его идеи находили все новые и новые продолжения. В 1963 г. под руководством В. П. Дымникова на основе идей гидродинамического прогноза погоды были развернуты работы по краткосрочному прогнозу погоды и климата в Вычислительном центре Сибирского отделения АН СССР. Была создана модель краткосрочного прогноза и теории климата на основе полных негеострофических уравнений [1, 18]. Методы прогноза и теории климата начали активно развиваться в метеорологических центрах США, Англии, Германии, Франции и других странах.

 

До того, как Илья Афанасьевич проявил интерес к моделированию динамики Мирового океана, в океанологии существовали два совершенно отличающихся друг от друга направления исследований.

 

1. Прикладной метод расчета течений по заданной (т. е. рассчитанной по измеренным значениям температуры Т и солености S) аномалии плотности. В СССР, а ныне России, это называется динамическим методом, за рубежом — методом отсчетного уровня. Это крайне упрощенный метод. Он предложен еще в начале прошлого века Сандстремом и Гелланд-Ханзеном [23] и принципиально нуждается в нереалистичном предположении о наличии “нулевой” поверхности для того, чтобы можно было затем по геострофическим формулам рассчитать скорость горизонтального течения.

 

2. Простые аналитические модели однородного океана, претендующие на роль теории морских течений. Основоположником этого направления является Экман [19, 20]. Спираль Экмана навсегда заняла достойное место в учебниках по теории морских течений. К этому направлению относятся также работы Шулейкина [16], Штокмана [15], Свердрупа [25], Стоммела [24] и т. д.

 

В конце 1940-х годов, будучи поглощенным проблемами динамической метеорологии, И. А. Кибель еще не проявлял должного интереса к работам, посвященным моделированию океана. Все его аспиранты занимались решением задач термогидродинамики атмосферы. Однако вскоре Илья Афанасьевич увидел работу В. Манка 1950 г. [21] и предложил своему аспиранту А. С. Саркисяну перейти к моделированию циркуляции Мирового океана, чтобы затем он мог поставить задачу о крупномасштабном взаимодействии атмосферы и океана [12—14].

 

Илья Афанасьевич первым в нашей стране оценил работу В. Манка, которая цитируется по настоящее время. Манк тоже исходил из предположения об однородности вод океана. Однако подкупающими были масштабность его работы — весь Мировой океан — и то, что изолинии функции Y отвечали тогдашнему представлению об общей циркуляции поверхностных вод.

 

Ряд работ по моделированию течений однородного океана при помощи интегральной функции Y назывался тогда теорией полного потока. Любопытен один курьез: в те годы Свердруп, Штокман и Саркисян считали, что моделируют именно бароклинный океан или хотя бы бароклинный слой океана [12, 15, 25]. Считали, что течения с глубиной затухают (следуя Штокману, это свойство называется динамическим эффектом бароклинности). Принимая соответствующее граничное условие для Y; на дне океана или на нижней границе бароклинного слоя, тем самым думали, что занимаются моделированием динамики бароклинного океана. На деле с глубиной  убывает (но не затухает) аномалия плотности воды, а течения не затухают. Сама аномалия плотности, т. е. основная характеристика бароклинности морской воды, не учитывалась ими в уравнении для функции полного потока, несмотря на то, что слово “бароклинность” использовалась даже в заглавиях статей. Отказаться от этого заблуждения во всех последующих работах помогли Саркисяну семинары И. А. Кибеля. В те годы в мировой метеорологии вообще и на семинарах И. А. Кибеля, в частности, обсуждались проблемы именно бароклинной атмосферы. Следуя примеру метеорологов, он уже в конце 1950-х — начале 1960-х годов перешел к численному моделированию именно бароклинного океана [13].

 

В западной литературе вплоть до работ К. Брайена [17] была распространена теория полных потоков однородного океана.

 

Еще один аспект работ, обусловленный руководством И. А. Кибеля, состоит в следующем. Как известно, для численного моделирования циркуляции вод Мирового океана необходимо поле касательного трения ветра. В те годы опирались только на приблизительную оценку зонального компонента скорости ветра над океанами. Илья Афанасьевич предложил использовать для распределения приводного ветра с высотой простые формулы спирали Экмана и, продифференцировав их по высоте, выразить касательное трение ветра через атмосферное давление на уровне моря. При этом он добавил, что все равно в будущем придется решать совместно системы уравнений для атмосферы и океана, а не задавать ветер. Но поскольку пока приходится его задавать, то лучше через атмосферное давление, по которому имеется более надежная информация. 

 

В конце 1950-х годов и в дальнейшем Илья Афанасьевич больше не смог уделить время океанологии, но мы считаем, что многие последующие работы по моделированию бароклинного океана в СССР были выполнены под влиянием результатов его исследований.

 

Появление в 1970—1980-х годах современных информационно-измерительных технологий и новых исследовательских судов ознаменовало очередной этап в развитии прогноза погоды. В этот период советскими гидрофизиками были открыты и изучены крупномасштабные течения в Атлантическом и Индийском океанах, обнаружена макроструктура вертикальной стратификации океана, определены и теоретически описаны параметры мелкомасштабной океанской турбулентности, измерены и всесторонне исследованы процессы синоптического вихреобразования, созданы математические и численные модели общей циркуляции атмосферы, вод Мирового океана и краткосрочного прогноза с учетом реальных граничных условий. Эти работы внесли новые идеи в процесс гидродинамического прогноза и климата. Большой цикл работ по динамике мирового океана был выполнен Л. М. Бреховских, А. С. Саркисяном, Ю. А. Ивановым и их учениками [10].

 

В то время, когда И. А. Кибель руководил Отделом динамической метеорологии Центрального института прогнозов, отдельные работники некоторых оперативных отделов говорили: “Ну, что они там знают о реальной погоде и о реальных синоптических процессах, они только пишут уравнения. Илья Афанасьевич очень далек от реальной метеорологии”. Но это было глубочайшим заблуждением. На самом деле И. А. Кибель, смотря на синоптическую карту, видел не только поля давления и температуры, а формулировал гидродинамическую задачу. Поразительным примером служит его работа 1947 г. “К вопросу о переваливании циклона через горный хребет” [5]. Предметом дискуссии оперативных синоптиков служил факт: появление двух центров низкого давления на наветренной и подветренной стороне Урала, когда к нему приближался циклон с запада. Один ли это циклон или произошло появление за хребтом нового циклона? И. А. Кибель, опираясь на свою работу [6] и применив метод длинных волн, доказал, что движение циклона через Урал приводит к раздваиванию области низкого давления. Этот вывод затем широко использовался и при изучении синоптических процессов в других горных районах Советского Союза и в оперативной работе.

 

Рассказ о жизни Ильи Афанасьевича будет неполным, если не остановиться на его организационной деятельности. Начать необходимо с периода конца 1950-х годов. Возглавляя Отдел динамической метеорологии в Центральном институте прогнозов, Илье Афанасьевичу приходилось вести непрерывную борьбу за существование возглавляемого им направления. В значительной степени этому противостоянию способствовала его неуемная пропаганда гидродинамического направления, граничащая часто с фантастическими обещаниями, которые тогда воспринимались неадекватно.

 

После одного из таких конфликтов коллектив отдела принял решение об уходе из ЦИПа в Институт прикладной геофизики АН СССР (ИПГ), вновь организованный и возглавляемый членом-корреспондентом Академии наук Е. К. Федоровым. Из ЦИПа ушел не весь коллектив, часть сотрудников осталась и работала в другом качестве. Основные силы бывшего Отдела динамической метеорологии продолжали свою деятельность в стенах ИПГ. Это произошло в 1956 г. В ИПГ под руководством И. А. Кибеля осуществлялось дальнейшее развитие гидродинамических моделей. Это был период преодоления “эпохи квазигеострофичности”, на смену которой начали интенсивно разрабатываться модели, основанные на непреобразованных гидродинамических уравнениях, за исключением предположения о квазистатике.

 

Именно в тот период, особенно, когда Е. К. Федоров был избран академиком-секретарем Президиума АН СССР, И. А. Кибель, используя его мощные научно-организаторские способности, начал работу по созданию Метеорологического вычислительного центра. Большую поддержку в этом деле оказал А. А. Дородницын, возглавлявший тогда Вычислительный центр АН СССР. Следует напомнить, что академик А. А. Дородницын, бывший коллега Ильи Афанасьевича по работе в ОДМ Главной геофизической обсерватории, не порывал связи с Ильей Афанасьевичем Кибелем и не терял интереса к его научной деятельности даже тогда, когда он был занят делами, достаточно далекими от динамической метеорологии.

 

В такой обстановке и при такой поддержке в течение трех лет удалось организовать научное подразделение — Метеорологический вычислительный центр, который имел статус объединенного учреждения АН СССР и Гидрометслужбы. Через год, в 1962 г., он был переименован в Вычислительный метеорологический центр (ВМЦ). Сбылась давнишняя мечта Ильи Афанасьевича о создании института, в котором органически сочетались все стороны деятельности, связанные с численными прогнозами погоды, начиная с теоретических разработок и кончая практическими внедрениями новых моделей. В ВМЦ были приглашены профессор Н. А. Багров (отдел статистических исследований), профессор К. А. Семендяев (отдел программирования), член-корреспондент АН СССР Е. Н. Блинова, которая возглавила отдел гидродинамических долгосрочных прогнозов погоды. На место заведующего отделом объективного анализа был приглашен профессор С. А. Машкович.

 

Вычислительный метеорологический центр сыграл знаменательную роль в развитии новых направлений метеорологии. Так, в его недрах было сформировано подразделение, занимавшееся проблемами спутниковой метеорологии, которое впоследствии сформировалось как самостоятельное научно-оперативное подразделение. И. А. Кибель очень поддерживал подобные тенденции. Он понимал, какое важное значение имеют спутниковые наблюдения в информационном пространстве численных прогнозов.

 

Когда говорят: “Школа Кибеля”, то не сказав ни слова о семинарах И. А. Кибеля, значит ничего не сказать. Те, кто участвовал в работе кибелевских семинаров, помнят, что сами семинары являлись для сотрудников ОДМ некоторым заключительным звеном, которому, как правило, предшествовала непрерывная дискуссия и работа у большой доски. Это доска редко стиралась, на ней писалось все, что обсуждалось, поэтому каждый посторонний входящий в комнату, глядя на плотно исписанную доску, мог составить представление, чем озабочен коллектив ОДМ. Семинары в ОДМ привлекали многих исследователей не только в области метеорологии, но и в соседних областях — гидродинамике, турбулентности, газовой динамике. Регулярно принимал участие в работе семинара академик А. А. Дородницын. Частыми гостями были сотрудники ОДМ ГГО и, в частности, профессор М. И. Юдин, возглавлявший этот отдел. Между этими двумя ОДМами шло неофициальное здоровое соперничество. И все же сотрудники ГГО чаще бывали в Москве, как бы отдавая дань уважения и признания авторитета И. А. Кибеля в области динамической метеорологии и численных прогнозов погоды.

 

Жизнь показала, что гидродинамическое направление, за которое боролся И. А. Кибель, стало генеральным путем развития не только в прогнозе погоды, но и в моделировании и прогнозе климата. А это значит математическое моделирование атмосферы, океана, криосферы, литосферы и биосферы [3, 9].

 

Источник: Метеорология и гидрология, №10, 2004