Комплексное исследование крупномасштабных волновых возмущений в средней и верхней атмосфере над территорией Российской Федерации: 2019 г. этап 2

Project: Grant fulfilmentGrant stage fulfilment

Project Details

Description

Крупномасштабные колебания ионосферы, как за счет воздействия распространяющихся из нижней атмосферы планетарных волн, так и за счет изменения солнечной активности существенно влияют на так называемую «космическую погоду», и в частности, на условия распространения радиоволн, вызывая амплитудные и фазовые флуктуации радиосигнала. В настоящее время эти возмущения становятся важным объектом исследований в связи с их существенным влиянием на спутниковые навигационные системы и системы коммуникаций, особенно в высоких широтах.
Кроме среднеглобальных характеристик, крупномасштабные волновые процессы и космическая погода имеют региональные особенности над различными территориями. В ходе выполнения предлагаемого проекта планируется применить компьютерную модель, способную прогнозировать крупномасштабные пространственные вариации атмосферных параметров на высотах ионосферы над Российской Федерацией. Совместно с данными наблюдений вариаций ионосферы и верхней атмосферы на сети российских станций, это позволит определить особенности крупномасштабных волн над европейской и сибирской частями территории РФ и получить сведения, необходимые для улучшения точности работы систем радиосвязи, радарной и спутниковой навигации в средних и высоких широтах, а также для уточнения условий астронавигации и наведения высокоточных летательных аппаратов.
С этой целью необходимо не только иметь возможность регистрировать и анализировать крупномасштабные ионосферные возмущения с помощью наземных и спутниковых методов, но и воспроизводить эти возмущения с помощью численных моделей. В данном проекте предполагается использовать модель общей циркуляции атмосферы МСВА, являющуюся одной из наиболее активно развиваемых в России в последние годы моделей волновой динамики атмосферы, способную воспроизводить волновые атмосферные процессы на высотах от 0 до 300 км в разные сезоны и при разном уровне солнечной активности. Результаты моделирования будут использованы для интерпретации наблюдений крупномасштабных волновых колебаний ионосферы в сети цифровых ионозондов на территории европейской и азиатской частей России. Эта сеть в процессе работы над проектом будет расширена за счет включения ионозонда Digisonde D04 в Санкт-Петербурге. Будут также использованы данные наблюдений волновых структур на сети российских станций наблюдений ночных свечений атмосферы на высотах 80 - 100 км.
С целью закрепления молодых талантливых ученых в научно-образовательной сфере Российской Федерации, к исполнению проекта планируется привлечение студентов магистратуры СПбГУ.

Key findings for the project

Основные результаты выполнения проекта за первый год:

1. Введен в эксплуатацию ионозонд «DPS-4» в Петергофе, Санкт-Петербург.
Проведены работы по наладке ионозонда «DPS-4», установке системы охлаждения и настройке сбора данных. Таким образом, расширена сеть ионозондов на территории РФ. Что наиболее важно, увеличение долготной протяженности сети позволит увеличить точность определения крупномасштабных волновых структур в ионосфере и анализа их пространственно-временных характеристик над территорией РФ.
2. Разработаны численные алгоритмы и блоки компьютерных программ для выделения ВПМ и определения их характеристик.
Выполнено численное моделирование общей циркуляции атмосферы с целью выявления и анализа волновых структур планетарного масштаба с использованием модели средней и верхней атмосферы «МСВА» для разных сезонов. Основные моделируемые в МСВА параметры включают зональные, меридиональные и вертикальные компоненты скорости, геопотенциал и температуру.
На основе существующей программной базы разработан ряд математических алгоритмов на основе фурье-разложения для расчета амплитуд и фаз вариаций атмосферных параметров, вызванных ВПМ. Реализованный нами в рамках проекта метод аппроксимации с использованием сингулярного разложения позволяет рассчитывать пространственно-временные характеристики ВПМ на неравномерной пространственной сетке. С использованием этого подхода будут разработаны алгоритмы расчета характеристик ВПМ на основе данных наблюдений во второй части данного проекта.
3. Собрана база данных метеорологических полей и проведен анализ особенностей распространения ВПМ над территорией РФ для условий, соответствующих зимнему сезоны в северном полушарии.
Основываясь на географическом положении Российской Федерации, мы выбрали зимний сезон в северном полушарии для детального анализа волновых процессов, т.к. динамические условия зимней страто-мезосферы лучше способствуют распространению ВПМ до больших высот и росту их амплитуд.
Максимальные амплитуды колебаний рассмотренных атмосферных параметров в течение зимнего периода расположены в диапазоне широт 45-60 град. в северном полушарии. Причем, в зависимости от высоты, под действием струйных течений, максимумы могут сдвигаться как зональном направлении, так и в меридиональном.
На основании рассмотренных распределений амплитуд и фаз колебаний атмосферных параметров над территорией РФ были выбраны области атмосферы для более детального исследования пространственных и временных особенностей волновых составляющих атмосферы, представленных в следующем разделе.
4. На основе спектрального анализа полей атмосферных параметров выявлены периоды наиболее сильных волновых мод для более подробного изучения.
Рассчитаны вейвлет амплитуды возмущений геопотенциала, температуры и зонального ветра для января месяца над территорией РФ. Показано, что амплитуды как стоячих волн, так и распространяющихся на запад ВПМ увеличиваются в январе для волн с зональным волновым числом m=1 и периодами более 12-15 суток. Если рассматривать амплитуды геопотенциала для m=2, то можно выделить стоячие волны с периодами около 10 и 18 дней, преобладающие в январе, и распространяющиеся на запад с периодами около 7 и 20 дней. Для детального анализа особенностей распределения ВПМ и их распространения в термосферу при разной солнечной активности (СА) на первом этапе выли выбраны ВПМ с периодами больше 15 дней, рассчитанные по смоделированным в МСВА полям геопотенциала.
5. Изучены особенности распределения ВПМ при разных уровнях солнечной активности. Особое внимание уделено северному полушарию и широтам, соответствующим расположению РФ.
Численное моделирование общей циркуляции проведено с помощью модели МСВА, для улучшения статистической достоверности результатов были получены два ансамбля расчетов, состоящие из 16 модельных прогонов и соответствующие минимуму и максимуму СА.
Расчитаны амплитуды вариаций геопотенциала ВПМ с периодами больше 15 дней для разной СА. Показано, что изменения амплитуд ВПМ на высотах ниже 100 км за счет термосферных изменений СА могут доходить до 10-15%, при этом рассчитанная достоверность результатов превышает 95% на большей части распределений.
Проанализировано поведение разных мод ВПМ в зависимости от СА. Результаты опубликованы в рецензирумом журнале. Для анализа и интерпретации волновых структур рассчитаны среднезональный комплексный квазигеострофический показатель преломления и вектор потока Элиассена-Пальма. Изменения среднего ветра и температуры, вызванные воздействиями СА в термосфере (в частности, увеличением вертикальных и горизонтальных градиентов температуры при высоких значениях СА), приводят к существенным изменениям потоков ПП и ЭП-потоков, изменяя таким образом условия распространения и отражения ВПМ. Существенное влияние на формирование долгопериодных ВПМ также могут оказывать нелинейные взаимодействия типа волна-волна и волна - средний поток.
В рамках изучения волнового воздействия на общую циркуляцию атмосферы в северном полушарии проведено моделирование событий внезапного статосферного потепления (ВСП). Обработаны ансамбли данных, исследована чувствительность меридиональной циркуляции к воздействию ВСП. Показано, что во время ВСП происходит временное ослабление меридиональной циркуляции. В целом, средняя меридиональная циркуляция в средней атмосфере существенно изменяется в разные временные фазы ВСП. Результаты опубликованы в рецензирумом журнале.

Основные результаты выполнения проекта за второй год:

1. Разработан универсальный пакет программ для определения характеристик ВПМ на основе данных сети ионозондов и станций наблюдений ночных свечений на территории РФ.

С целью определения частотных характеристик ВПМ применен спектральный анализ над неравномерно распределенным дискретным сигналом на основе метода Ломба-Скаргла. В основе метода используется аппроксимация сигнала по методу наименьших квадратов гармоническими функциями. В качестве исследуемого сигнала выступают временные ряды критической частоты f0F2 для ионозондов и вращательная температура ночной эмиссии возмущенного гидроксила (OH*) в области мезопаузы при изучении данных сети ночных свечений. По сравнению со стандартными компьютерными программами, использующими метод Ломба-Скаргла, алгоритмы, использованные в данном исследовании, кроме спектральной плотности, позволяют вычислять амплитуды и фазы всех спектральных составляющих.
2. Рассчитаны спектры атмосферных параметров с целью определения характеристик ВПМ на основе данных сети ионозондов, станций наблюдений ночных свечений атмосферы.
В качестве источников использованы ионозонды DPS-4 в Троицке (ИЗМИРАН, 55.46 с.ш., 37.3 в.д.) и Иркутске (ИСЗФ СО РАН, 52.85 с.ш., 103.29 в.д.), а также запущенный нами в работу ионозонд в Петергофе (СПбГУ, 59.88 с.ш., 29.82 в.д.). Спектры вращательной температуры гидроксила рассчитывались по данным спектральных измерений в обсерваториях в Звенигороде (56°с.ш., 37°в.д.), Торах (52°с.ш., 103°в.д.) в 2012 – 2017 гг. и Маймаге (63°с.ш., 130°в.д.). Для всех спектров хорошо различимы максимумы, соответствующие суточному и полусуточному приливам, а также ВПМ с периодами 2, 4, 5, 7, 10, 16 и 30 дней, соответствующие классическим нормальным атмосферным модам (НАМ). В отличие от F2 слоя, в мезопаузе спектр колебаний перераспределяется, т.е. меняется относительный вклад отдельных ВПМ. При этом сами периоды колебаний, соответствующие НАМ, сохраняются.

3. В рамках изучения роли ВПМ в динамическом взаимодействии между различными слоями средней и верхней атмосферой проведен анализ чувствительности общей циркуляции средней атмосферы к изменениям теплового и динамического режимов термосферы при разных уровнях солнечной активности, а также к крупномасштабным волновым взаимодействиям в атмосфере.

- получены статистически значимые результаты чувствительности циркуляции средней атмосферы к колебаниям динамического и теплового состояния термосферы, связанного с изменением солнечной активности. В частности, изменения скорости зонального, меридионального и вертикального ветра может достигать 10 % только за счет изменений в термосфере.
- разработан пакет программ для расчета остаточной меридиональной циркуляции на базе моделирования МСВА с целью дальнейшего анализа циркуляции средней атмосферы при разной солнечной активности. Изучена чувствительность остаточной меридиональной циркуляции к изменению солнечной активности, получены статистически достоверные данные о ее изменениях.
- продолжены начатые в первый год проекта работы по изучению изменений меридиональной циркуляции в разные временные отрезки внезапного стратосферного потепления (ВСП) в северном полушарии. Проанализированы изменения потоков озона во время ВСП. В частности, отмечено ослабление вертикальных потоков озона во временные интервалы во время и после ВСП по сравнению со значениями перед событием.
- проведено моделирование влияния мезомасштабных волновых структур орографического происхождения и разных фаз квазидвухлетних колебаний (КДК) на циркуляцию средней атмосферы. Наиболее интересным результатом стал факт обнаружения существенной чувствительности меридиональной циркуляции и связанных с ней вертикальных потоков озона в зависимости от фаз КДК.

4. Проведен сравнительный анализ результатов измерений и численного моделирования ВПМ с целью валидации численной модели. С целью сравнительного анализа были рассчитаны спектры атмосферных параметров, моделируемых в численной модели МСВА.
С использованием подхода, описанного в п. 1/2, были посчитаны спектры колебаний температуры термосферы на высоте 200 км в точках сетки МСВА, соответствующих географическому расположению ионозондов в Иркутске, Троицке и Петергофе. Помимо этого, спектры температуры были рассчитаны на высоте 90 км в точках, соответствующих координатам обсерваторий наблюдения ночных эмиссий гидроксила. На основе этих данных можно сделать вывод, что модель МСВА удовлетворительно воспроизводит наблюдаемые в природе крупномасштабные атмосферные колебания, причем не только в глобальных масштабах, но и в локальных точках Земли.

Key findings for the stage (in detail)

1/2. Разработан универсальный пакет программ для определения характеристик ВПМ на основе данных сети ионозондов и станций наблюдений ночных свечений на территории РФ.

С целью определения частотных характеристик ВПМ применен спектральный анализ над неравномерно распределенным дискретным сигналом на основе метода Ломба-Скаргла. В основе метода используется аппроксимация сигнала по методу наименьших квадратов гармоническими функциями. В качестве исследуемого сигнала выступают временные ряды критической частоты f0F2 для ионозондов и вращательная температура ночной эмиссии возмущенного гидроксила (OH*) в области мезопаузы при изучении данных сети ночных свечений. По сравнению со стандартными компьютерными программами, использующими метод Ломба-Скаргла, алгоритмы, использованные в данном исследовании, кроме спектральной плотности, позволяют вычислять амплитуды и фазы всех спектральных составляющих.
3. Рассчитаны спектры атмосферных параметров с целью определения характеристик ВПМ на основе данных сети ионозондов, станций наблюдений ночных свечений атмосферы.
В качестве источников использованы ионозонды DPS-4 в Троицке (ИЗМИРАН, 55.46 с.ш., 37.3 в.д.) и Иркутске (ИСЗФ СО РАН, 52.85 с.ш., 103.29 в.д.), а также запущенный нами в работу ионозонд в Петергофе (СПбГУ, 59.88 с.ш., 29.82 в.д.). Спектры вращательной температуры гидроксила рассчитывались по данным спектральных измерений в обсерваториях в Звенигороде (56°с.ш., 37°в.д.), Торах (52°с.ш., 103°в.д.) в 2012 – 2017 гг. и Маймаге (63°с.ш., 130°в.д.). Для всех спектров хорошо различимы максимумы, соответствующие суточному и полусуточному приливам, а также ВПМ с периодами 2, 4, 5, 7, 10, 16 и 30 дней, соответствующие классическим нормальным атмосферным модам (НАМ). В отличие от F2 слоя, в мезопаузе спектр колебаний перераспределяется, т.е. меняется относительный вклад отдельных ВПМ. При этом сами периоды колебаний, соответствующие НАМ, сохраняются.

4. В рамках изучения роли ВПМ в динамическом взаимодействии между различными слоями средней и верхней атмосферой проведен анализ чувствительности общей циркуляции средней атмосферы к изменениям теплового и динамического режимов термосферы при разных уровнях солнечной активности, а также к крупномасштабным волновым взаимодействиям в атмосфере.

- получены статистически значимые результаты чувствительности циркуляции средней атмосферы к колебаниям динамического и теплового состояния термосферы, связанного с изменением солнечной активности. В частности, изменения скорости зонального, меридионального и вертикального ветра может достигать 10 % только за счет изменений в термосфере.
- разработан пакет программ для расчета остаточной меридиональной циркуляции на базе моделирования МСВА с целью дальнейшего анализа циркуляции средней атмосферы при разной солнечной активности. Изучена чувствительность остаточной меридиональной циркуляции к изменению солнечной активности, получены статистически достоверные данные о ее изменениях.
- продолжены начатые в первый год проекта работы по изучению изменений меридиональной циркуляции в разные временные отрезки внезапного стратосферного потепления (ВСП) в северном полушарии. Проанализированы изменения потоков озона во время ВСП. В частности, отмечено ослабление вертикальных потоков озона во временные интервалы во время и после ВСП по сравнению со значениями перед событием.
- проведено моделирование влияния мезомасштабных волновых структур орографического происхождения и разных фаз квазидвухлетних колебаний (КДК) на циркуляцию средней атмосферы. Наиболее интересным результатом стал факт обнаружения существенной чувствительности меридиональной циркуляции и связанных с ней вертикальных потоков озона в зависимости от фаз КДК.

5. Проведен сравнительный анализ результатов измерений и численного моделирования ВПМ с целью валидации численной модели. С целью сравнительного анализа были рассчитаны спектры атмосферных параметров, моделируемых в численной модели МСВА.
С использованием подхода, описанного в п. 1/2, были посчитаны спектры колебаний температуры термосферы на высоте 200 км в точках сетки МСВА, соответствующих географическому расположению ионозондов в Иркутске, Троицке и Петергофе. Помимо этого, спектры температуры были рассчитаны на высоте 90 км в точках, соответствующих координатам обсерваторий наблюдения ночных эмиссий гидроксила. На основе этих данных можно сделать вывод, что модель МСВА удовлетворительно воспроизводит наблюдаемые в природе крупномасштабные атмосферные колебания, причем не только в глобальных масштабах, но и в локальных точках Земли.

6. Публикации в базе данных Web of Science и РИНЦ
Опубликованы 4 статьи. Всего за два года реализации проекта опубликованы 6 статей, в т.ч. одна в журнале Q1.

Key findings for the stage (summarized)

- Разработан универсальный пакет программ для определения характеристик ВПМ на основе данных сети ионозондов и станций наблюдений ночных свечений на территории РФ. С целью определения частотных характеристик ВПМ применен спектральный анализ над неравномерно распределенным дискретным сигналом на основе метода Ломба-Скаргла. В качестве исследуемого сигнала выступают временные ряды критической частоты f0F2 для ионозондов в слое F2 и вращательная температура возмущенного гидроксила в области мезопаузы при изучении данных сети ночных свечений. По сравнению со стандартными компьютерными программами, использующими метод Ломба-Скаргла, алгоритмы, использованные в данном исследовании, кроме спектральной плотности, позволяют вычислять амплитуды и фазы всех спектральных составляющих.

- Рассчитаны спектры атмосферных параметров с целью определения характеристик ВПМ на основе данных сети ионозондов, станций наблюдений ночных свечений атмосферы. Для всех спектров хорошо различимы максимумы, соответствующие суточному и полусуточному приливам, а также ВПМ с периодами 2, 4, 5, 7, 10, 16 и 30 дней, соответствующие классическим нормальным атмосферным модам (НАМ). В отличие от F2 слоя, в мезопаузе спектр колебаний перераспределяется, т.е. меняется относительный вклад отдельных ВПМ. При этом сами периоды колебаний, соответствующие НАМ, сохраняются.

- Проведен анализ чувствительности общей циркуляции средней атмосферы к изменениям теплового и динамического режимов термосферы при разных уровнях солнечной активности, а также к крупномасштабным волновым взаимодействиям в атмосфере. В частности, были расширены перспективные численные эксперименты с помощью модели МСВА, посвященные изучению атмосферной циркуляции при разной солнечной активности (Коваль, 2019а; Koval et al., 2019b). Получены статистически значимые результаты чувствительности циркуляции средней атмосферы к колебаниям динамического и теплового состояния термосферы, связанного с изменением солнечной активности. Показано, в частности, что изменения скорости зонального, меридионального и вертикального ветра может достигать 10 % только за счет изменений в термосфере. Данные результаты докладывались на международных конференциях в Канаде и Санкт-Петербурге

- Разработан пакет программ для расчета остаточной меридиональной циркуляции на базе моделирования с помощью модели МСВА (Коваль, 2019б) с целью анализа циркуляции и переноса долгоживущих атмосферных примесей в средней атмосфере при разной солнечной активности. Изучена чувствительность остаточной меридиональной циркуляции к изменению солнечной активности, получены статистически достоверные данные о ее изменениях. Результаты исследования меридиональной циркуляции докладывались на международной конференции в Вене.

- Продолжены начатые в первый год проекта работы по изучению изменений меридиональной циркуляции в разные временные отрезки внезапного стратосферного потепления (ВСП) в северном полушарии (Koval et al., 2019a). Проанализированы изменения потоков озона во время ВСП. В частности, отмечено ослабление вертикальных потоков озона во временные интервалы во время и после ВСП по сравнению со значениями перед событием (Koval, 2019). Результаты обсуждались на конференции в Новосибирске.

- Проведено моделирование влияния мезомасштабных волновых структур орографического происхождения и разных фаз квазидвухлетних колебаний (КДК) на циркуляцию средней атмосферы (Коваль и др., 2019). Наиболее интересным результатом стал факт обнаружения существенной чувствительности меридиональной циркуляции и связанных с ней вертикальных потоков озона в зависимости от фаз КДК.

- Проведен сравнительный анализ результатов измерений и численного моделирования ВПМ с целью валидации модели МСВА. Были посчитаны спектры колебаний температуры термосферы на высоте 200 км в точках сетки МСВА, соответствующих географическому расположению ионозондов в Иркутске, Троицке и Петергофе. Помимо этого, спектры температуры были рассчитаны на высоте 90 км в точках, соответствующих координатам обсерваторий наблюдения ночных эмиссий гидроксила. Проведена настройка модели МСВА. На основе этих данных можно сделать вывод, что модель МСВА удовлетворительно воспроизводит наблюдаемые крупномасштабные атмосферные колебания, причем не только в глобальных масштабах, но и в локальных точках Земли.

- Опубликованы 4 статьи в рецензируемых журналах, в т.ч. одна в журнале Q1.
AcronymRSF_MOL_2018 - 2
StatusFinished
Effective start/end date1/07/1930/06/20