Activity of Internal Gravitational Waves in the Atmosphere by Signal Fluctuations in Satellite Radio Occultation Observations

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.123.41
Issue: № 9 (123), 2022
Suggested:
07.08.2022
Accepted:
08.09.2022
Published:
16.09.2022
81
5
XML PDF

Abstract

Internal gravitational waves (IGW) play a crucial role in the energy exchange, global circulation, and mixing of the atmosphere. The latitudinal distributions of potential energy of IGW in the atmosphere, reconstructed from measurements of signal amplitude fluctuations in the GPS-COSMIC (Global Positioning System - Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate) satellite radio occultation observations during the winter and summer seasons of 2011 are presented. The reconstruction was carried out in the range of heights from the upper limit of the tropopause to 28 km. Comparison of the obtained results with the results of numerous other probe and satellite measurements indicates their satisfactory consistency. It is shown that the developed method and the obtained results can be successfully used for the tasks of global monitoring of HBV activity in the atmosphere.

1. Введение

Внутренние гравитационные волны (ВГВ) представляют собой основной механизм генерации мезомасштабных неоднородностей скорости ветра, плотности и температуры в атмосфере. ВГВ активно участвуют в процессах переноса энергии, циркуляции и перемешивания в атмосфере [1]. Наиболее точную и подробную информацию о ветре и температуре обеспечивают радиозонды [2], [3]. Но по-настоящему непрерывные и глобальные исследования могут обеспечить только большие спутниковые системы. В настоящее время активно ведутся радиозатменные измерения излучений навигационных спутников GPS с помощью низкоорбитальных систем приемных спутников [4], [5], [6]. Высокостабильные радиоизлучения GPS используются для измерений атмосферного сдвига фазы и, на их основе, для восстановления профилей температуры. Так, например, система из 24 спутников GPS и 6 приемных спутников COSMIC обеспечивала до 3 тысяч сеансов измерений в сутки.

Понимание важности ВГВ в атмосферных исследованиях активно способствует внедрению новых способов спутникового мониторинга волн [1], [7]. В [8], [9] рассмотрены основные соотношения и изложена методика восстановления основных характеристик ВГВ по флуктуационным измерениям амплитуды радиосигнала в спутниковом эксперименте. В [9], [10] протестирована методика и приведены результаты широтного распределения параметров ВГВ по данным GPS-COSMIC. По восстановленным параметрам определялась потенциальная энергия волн, которая служит основным показателем активности ВГВ.

Целью данной статьи является подробное сравнение широтных распределений потенциальной энергии ВГВ с результатами других измерений – зондовых и спутниковых наблюдений в радио- и оптическом диапазонах длин волн.

2. Методика

Турбулентность и ВГВ генерируют неоднородности в атмосфере, которые вызывают флуктуации характеристик распространяющегося излучения. При оптическом зондировании они вносят примерно близкие вклады в флуктуации интенсивности сигнала [11]. В радиодиапазоне для GPS определяющую роль играют внутренние волны, а доля турбулентности пренебрежимо мала [8]. Поэтому спутниковые радиозатменные наблюдения являются удобным инструментом для исследования ВГВ. Общие корни радио- и оптического зондирований и их специфические особенности рассмотрены в [8], [12].

Свойства случайно неоднородной среды, в которой распространяется излучение, задаются трехмерным спектром относительных пульсаций индекса рефракции или температуры (без учета влажности) [13]. Использованная нами в [8] и [9] модель спектра [14] является трехмерным обобщением известного «универсального» спектра насыщенных ВГВ [15], [16]. В [8] и [9], на основе традиционных для затменных наблюдений аппроксимаций фазового экрана и слабых флуктуаций, получено простое соотношение для связи измеряемого вертикального спектра флуктуаций амплитуды радиосигнала img с вертикальным спектром ВГВ флуктуаций температуры img. Здесь img – вертикальное волновое число, img и img – соответственно, флуктуации амплитуды сигнала и температуры, а img и img – их средние значения.

По восстановленным параметрам спектра ВГВ вычислялись интегральные энергетические величины, характеризующие активность ВГВ: дисперсия флуктуаций температуры imgи удельная (на единицу массы) потенциальная энергия img [1], [3], [17]:

img;
(1)
img;
(2)

Здесь img – частота Брента-Вяйсяля и img – ускорение свободного падения.

3. Сравнительный анализ широтного распределения потенциальной энергии ВГВ

По данным измерений GPS-COSMIC летом и зимой 2011 г. были восстановлены широтные распределения основных параметров ВГВ [10]. Восстановление производилось в полосах широт 0°–20°, 20°–40°, 40°–60°, 60°–90° обоих полушарий. По восстановленным параметрам определялись дисперсия флуктуаций температуры и потенциальная энергия ВГВ. В каждом сезоне были использованы серии по 20000 реализаций измерений. Параметры определялись в интервале высот от тропопаузы до 28 км.

Широтные распределения потенциальной энергии ВГВ

Рисунок 1 - Широтные распределения потенциальной энергии ВГВ

Примечание: cтупенчатые сплошные линии – широтные распределения потенциальной энергии ВГВ для интервалов высот 16-24 км (красные) и 24-28 км (черные); вертикальные сплошные отрезки – результаты GPS измерений и наблюдений мерцаний звезд; штриховые отрезки – результаты зондовых измерений

На рис. 1 приведены восстановленные широтные распределения удельной потенциальной энергии [10]. Вертикальными отрезками разных цветов показаны результаты других авторов, полученные в данной полосе широт и высот: сплошные отрезки – результаты, полученные по GPS восстановленным профилям температуры [4], [17], [18], [21] и по наблюдениям мерцаний звезд [22], штриховые отрезки – результаты зондовых измерений [2], [3], [21], [23]. Высота отрезков соответствует оценке вариативности измерений, включающей в себя как ошибки измерений, так и естественную изменчивость параметров ВГВ. Следует отметить, что все сведения, использованные нами для сравнения, представляют собой результаты многолетних измерений, опирающихся на большие статистические базы данных. Так, например, результаты [4] получены по зондовым измерениям, которые проводились в течение 5 лет на 100 станциях зондирования, расположенных в северном полушарии от субтропиков до высоких широт.

Параметры ВГВ отличаются высокой пространственно-временной изменчивостью, и это хорошо видно на рис. 1. В этом плане характерными являются результаты зондовых измерений [2], полученные в течение 5 лет на одной станции зондирования. Вся база данных обрабатывалась по одним алгоритмам. При этом, спектральные амплитуды ВГВ могли меняться в 10 и более раз от реализации к реализации для схожих условий наблюдений.

Специфические особенности распределения потенциальной энергии рассмотрены в [10]. Здесь мы отметим только некоторые из них. Максимальные значения  характерны для экваториальной зоны. Это обстоятельство указывает на ведущую роль конвективных процессов при генерации ВГВ в тропиках [1], [4]. Высокие показатели активности ВГВ в этой зоне могут быть дополнительно связаны с волнами Кельвина [4], [5], [18]. Активность ВГВ уменьшается при перемещении от тропиков к полярным областям. В целом, потенциальная энергия распределена  примерно симметрично в обоих полушариях, но в высоких широтах северного полушария значения зимой в два раза выше, чем летом.

Как видно из рис. 1, наши результаты вполне удовлетворительно согласуются с результатами других работ, учитывая достаточно высокую вариативность параметров ВГВ. Отмеченная в наших наблюдениях повышенная зимняя активность ВГВ в полярной области северного полушария отмечается и в других работах. Зимой в полярной области южного полушария наблюдается заметный разброс значений потенциальной энергии – от высоких значений [4], [17], [22], [23] до умеренно повышенных [5], [19], [21]. В ряде работ [6], [18] (в том числе и в наших исследованиях) высокой зимней активности не наблюдалось. Отметим также, что повышенная активность ВГВ в полярных областях южного полушария, как правило, смещена ближе к августу-сентябрю.

4. Заключение

Отметим следующие основные положения.

Разработанная методика позволяет восстанавливать основные параметры ВГВ в атмосфере по амплитудным измерениям сигнала в радиозатменных наблюдениях.

Результаты обработки данных измерений GPS-COSMIC показывают, что методика и полученные данные могут успешно использоваться для мониторинга ВГВ в атмосфере.

Article metrics

Views:81
Downloads:5
Views
Total:
Views:81