Предисловие
В этой статье представлена глобальная пространственная (широтная и абсолютная) структура и временная изменчивость 23-дневной ионосферной зонально-симметричной (s = 0) планетарной волны (PW), наблюдаемой в северную зиму 2008/2009 гг. (Октябрь 2008 г. - март 2009 г.). Показано, что эти 23-дневные ионосферные колебания вынуждены из PW, распространяющихся снизу. Для определения волн, которые одновременно присутствуют в атмосфере и ионосфере, использовались параметры ионосферы COSMIC foF2 и hmF2 и плотность электронов на фиксированных высотах и температуры SABER. Долгопериодные PW из двух наборов данных были извлечены с помощью одного и того же метода анализа данных. Сходство между низкой температурой атмосферы 23 дня (s = 0) PW и ее ионосферной реакцией электронной плотности дает ценные и сильные экспериментальные данные для подтверждения парадигмы взаимодействия атмосферы и ионосферы. 2012 КОСПАР. Опубликовано Elsevier Ltd. Все права защищены.
Введение
В динамическом режиме средней атмосферы зимой доминируют планетарные волны (PW) больших амплитуд. Наиболее важными являются квазистационарные волны Россби, распространяющиеся вверх от тропосферы, а также полосатые бегущие волны, известные также как нормальные моды. Последние волны соответствуют естественным режимам изменчивости атмосферы Земли, а обычно наблюдаемыми режимами являются периоды около 2, 5, 10 и 16 дней. Их возмущения имеют волнообразную форму в продольном и вертикальном направлениях, а иногда и в широтном направлении. Обычно их амплитуды растут с высотой, когда они распространяются вверх из-за уменьшения плотности, поэтому они становятся важной составляющей динамики мезосферы и нижней термосферы (MLT). Обычно эти волны не переносят большого количества импульсов, но взаимодействие волновой волны вносит значительный вклад в изменчивость PW на этих высотах. Они влияют также на распределение озона и все «полностью смешанные» незначительные нейтральные составляющие с большим сроком службы, указывающие на то, что динамика и химия связаны в MLT
Взаимодействие планетных волн и зонального среднего потока может резко изменить динамику средней атмосферы, как это происходит при внезапных стратосферных потеплениях (SSW). Ключевой механизм генерации SSW, первоначально предложенный Мацуно (1971), а теперь широко принятый, связан с ростом распространяющихся вверх переходных планетных волн и их взаимодействием с зональным средним потоком. Взаимодействие замедляет и / или отменяет зимние ветры на восток, а также индуцирует нисходящую циркуляцию в стратосфере, вызывая адиабатическое нагревание и восходящую циркуляцию в мезосфере, вызывая адиабатическое охлаждение (Liu and Roble, 2002, 2005; Coy et al., 2005), Период времени, предшествующий наступлению SSW, обычно характеризуется сильной волновой активностью в стратосферно-мезосфере, во время которой может присутствовать более одного типа планетарной волны. Эта основная особенность проявления стратосферы-мезосферы SSW была поддержана многими наблюдениями. Небольшое, но представительное недавнее подмножество включает в себя те, которые были опубликованы Hoffmann et al. (2002, 2007), Jacobi et al. (2003), Dowdy et al. (2004), Cho et al. (2004), Palo et al. (2005), Espy et al. (2005), Chshyolkova et al. (2006), Shepherd et al. (2007), Pancheva et al. (2008a, 2008b, 2009a, 2009b), Мухтаров и др. (2010a), Панчевой и Мухтаровым (2011a).
23-дневные PW представляют собой зонально распространяющиеся волны с преобладающими зональными волновыми числами 1 и 2 и зонально-симметрично зонным волновым числом ноль. Последние известны также как колебания зональных средних полей. Pancheva et al.(2007) подробно исследовала зоно-симметричные волны которые были замечены в данных Met Office в Великобритании и нашла четкие указания для наличия двух широтных ветвей усилений сосредоточеных в высоких и тропических регионах. Волны от обеих ветвей почти не соответствуют фазе, а также эти волны распространяются вертикально вверх в стратосфере.
Авторы предположили, что, скорее всего, они генерируются нелинейной связью зонально распространяющихся и стационарных волн. Позже, при исследовании PWs, увиденных в температурах SABER / TIMED, эти функции были одтверждены для стратосферы и мезосферы. Зонально-симметричные волны играют важную роль в связи с динамическими режимами высокой и низкоширотной стратосферы и мезосферы, в частности во время событий SSW, как в Северной зиме
2003/2004.
Долгосрочные колебания были обнаружены совсем недавно в данных наземного озонного спектрометра ГРОМОС.
Он непрерывно измеряет профиль стратосферного озона между высотами от 20 до 65 км над Берном (46°N, 7° E) за период времени между 1995 и 2011 годами (Studer et al., 2012). Спектральный анализ за все годы измерений озона свидетельствовал о доминирующем осцилляционном периоде около 20 дней в нижней и средней стратосфере в зимнее время. Сильная ~20-30-дневная зонально-симметричная волна также была обнаружена в измеренных по высоте геопотенциальных измерениях высоты микроволнового эхолота на борту спутника Aura (Aura / MLS), который авторами были названы внутрисезонные колебания. Последние колебания подтверждают наземные наблюдения за озоном ГРОМОС и подчеркивают связь между озоном и динамикой. Авторы нашли также внутрисезонные колебания в ветре, температуре и других параметрах выше Берна, найденные в метеорологических реанализах Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF).
Хорошо известно, что ионосфера Земли имеет значительную изо дня в день изменчивость и проявляет колебания в широком диапазоне временных масштабов. Существуют квазипериодические вариации солнечных и геомагнитных индексов как 27-дневный период вращения и его гармоники, которые могут генерировать такую изменчивость в ионосфере (Pancheva et al., 1991, 2002; Altadill et al., 2001; Altadill and Apostolov, 2003; Borries et al., 2007; Lei et al., 2008; Borries and Hoffmann, 2010; Mukhtarov et al., 2010b; Pedatella et al., 2010; Tulasi Ram et al., 2010a, b; Muhtarov and Панчева, 2012). Однако ионосферная изо дня в день изменчивость и, в частности, с периодами PW (? 2-30 дней) также наблюдается в геомагнитно невозмущенных условиях (Pancheva and Lysenko, 1988; Chen, 1992; Apostolov et al., 1995; Lastovicka, 2006, Xiong et al., 2006; Pancheva et al., 2008c; Borries and Hoffmann, 2010).
Численное моделирование показало, что только сверхбыстрые волны Кельвина и короткопериодические планетарные волны могут распространяться до 150 км и способны вызывать ионосферные возмущения, а долгопериодные и квазистационарные планетарные волны не могут проникать в термосферу. Недавние наземные и спутниковые наблюдения поддержали прямое взаимодействие атмосферы и ионосферы сверхбыстрым Кельвином и короткопериодическими PW. Несмотря на то, что долгопериодические PW не могут непосредственно проникать в систему термосфера-ионосфера, можно выделить несколько непрямых процессов, Связь между атмосферой и ионосферой. Возможные пути передачи информации PW в верхнюю атмосферу могут быть следующими: (i) модуляция приливов, (ii) PW-модуляция электрических динамо полей и (iii) модуляция гравитационных волн с помощью PW.
В большинстве вышеупомянутых работ, посвященных PW-сцеплению атмосферы-ионосферной системы, использовались наземные ионосферные наборы данных, которые имеют ограниченный пространственный охват. Использование такого типа данных не позволяет детально изучить вертикальные, широтные и долготные структуры волн, присутствующих одновременно в обеих областях. Система наблюдения за созвездием для метеорологии, ионосферы и климата (COSMIC) обеспечила непрерывные глобальные данные электронной плотности для диапазона высоты 100-800 км и широты одного из (80°N-80°S) с 2007 года. Затем спутники работали На их конечных орбитах с наклоном 72°И 30° Разделение по долготе и, таким образом, дает возможность детально изучить волновое воздействие от ионосферы снизу. Настоящая работа будет посвящена долговременному (20-25 дней) PW-сцеплению атмосферы-ионосферной системы в северной зиме
2008/2009. Акцент делается на долгопериодических PW не только потому, что такая изменчивость уже сообщалась Studer et al. (2012) для нескольких стратосферных параметров, но измерения озона SABER / TIMED также показали колебания 18 и 23 дня в Северной зиме 2008/2009 гг. (Jin et al., Представленный для публикации). Для изучения PW-связи атмосферы-ионосферной системы глобальные температуры SABER / TIMED используются для определения воздействия PW снизу, а данные электронной плотности COSMIC используются для уточнения ионосферного отклика PW.
2. Наблюдения и метод анализа данных
Набор данных метеорологического бюро Великобритании используется для изучения особенностей аномалий зимой 2008-2009 стратосферы Северного полушария (NH). Этот набор данных является результатом ассимиляции данных на месте и дистанционного зондирования в числовой прогнозной модели стратосферы и тропосферы. Описание новой трехмерной вариационной системы описано в Swinbank и Ortland (2003). Результатами ассимиляции являются глобальные области суточной температуры, геопотенциальных высот и компонентов ветра при уровнях давления с поверхности до 0,1 ч Па. Ежедневные поля данных имеют глобальное покрытие с 2,50 и 3,750 шагами по широте и долготе соответственно. Мы используем данные UKMO, поскольку они хорошо отражают глобальные ежедневные характеристики динамики стратосферы.
Солнечно-земная связь включает эффект солнечной энергии и ее вариации, а также включает в себя эффекты распространения в межпланетной среде, которые в конечном итоге приводят к нарушениям геомагнитной активности. В качестве прокси-эффекта эффекта солнечной ионизации излучения EUV(Экстремальное ультрафиолетовое излучение) будет использоваться солнечный радиопоток F10.7, тогда как геомагнитная активность будет описываться Kp-индексом.
Принуждение снизу изучается с использованием измерений температуры прибора SABER на борту спутника TIMED. Он измеряет СО2 инфракраснм излучением в 15 микрометров с высоты приблизительно от 20 до 120 км. Кинетические профили температуры извлекаются с использованием переноса излучения LTE в стратосфере и самой нижней части мезосферы (до 60 км) и полной инверсии без LTE в MLT (Mertens et al., 2001, 2004). Непрерывные измерения доступны только в широтном диапазоне ± 50º. Используя как восходящие, так и нисходящие орбитальные режимы, для SABER требуется 60 дней для отбора данных в течение 24 часов местного времени. Результаты получены из последней версии 1.07 данных SABER, которые были загружены с веб-сайта: https://saber.gatsinc.com/. Подробные сведения об оценке данных SABER можно найти в Remsberg et al. (2008). Данные были отсортированы по: (i) широте, на каждые 10 между 500Sи 500N; (Ii) долготу, на каждые 15; (Iii) высота на каждые 5 км между 20 и 120 км и (iv) время для каждого часа UT.
Профили электронной плотности, используемые в этом исследовании, были получены усовершенствованными приемниками GPS на борту спутников COSMIC с использованием метода инверсии радиопокрытия (Cheng et al., 2006). Шесть идентичных микросателлитов составляют систему созвездий COSMIC. Детали метода инверсии, применяемого для инвертирования зазеркальных зондов COSMIC, для профилей электронной плотности ионосферы приведены в работе Schreiner et al. (1999) и ионосферные измерения были оценены по сравнению с наземными измерениями и модельным предсказанием (Lei et al., 2007). Преимущества использования данных COSMIC для изучения ионосферной изменчивости - это их глобальное распределение профилей электронной плотности с достаточно высокой высотой и горизонтальными разрешениями, которые не могут быть достигнуты для данных, взятых из обычных наземных сетей ионозондов. Таким образом, эксперимент по окклюзии COSMIC GPS оказался мощным инструментом в исследовании вертикальных профилей электронной плотности ионосферы по наблюдениям за глобальным охватом. Данные плотности электронов с сентября 2008 года по апрель 2009 года используются в этом исследовании. Данные были загружены с веб-сайта https://cosmic-io.cosmic.ucar.edu/cdaac/. Они были отсортированы в соответствии с: (i) широтой, на каждые 10 между 80 и 80N; (Ii) долготу, на каждые 15; (Iii) высота на каждые 25 км между 100 и 800 км и (iv) время для каждого часа UT. Было упомянуто, что ионосферная реакция PW будет изучаться с учетом плотности электронов на фиксированных высотах от 100 до 800 км. Помимо них, F-область характеризуется также ее максимальной электронной плотностью (f0F2)и высотой F2-пика (fmF2). Параметры foF2 и hmF2 определяются их реальными значениями из профиля, однако, чтобы избежать влияния спорадических слоев Es, они обнаруживаются для высот более 175 км.
Основная цель этого исследования - найти сильнейшие PW, наблюдаемые в средней атмосфере во время Северной зимы 2008/2009 года, и рассмотреть их влияние на ионосферу. Это означает, что нам необходимо исследовать пространственно-временную изменчивость PW, наблюдаемых как в температурах SABER, так и в электронной плотности COSMIC, и сравнить их. Чтобы минимизировать как эффекты сглаживания, так и возможное искажение более слабых волн более сильными, все приливы (мигрирующие и немиграционные) и планетарные волны (стационарные и зонально распространяющиеся) извлекаются одновременно из данных двумерной (долгота) техники наименьших квадратов. Поэтому данные SABER и COSMIC анализируются тем же способом, который подробно описан Pancheva et al. (2009a).
Чтобы извлечь волны из данных SABER и COSMIC (т. Е. Для определения их амплитуд и фаз) на заданной широте и высоте, мы выполняем линейную 2D-аппроксимацию наименьших квадратов, которая включает в себя основные приливы (24, 12 и 8 -h приливов) с зональными волновыми числами до 3, а также зонально движущимися PW с зональными волновыми числами до 3 вместе с первыми тремя режимами неподвижных планетных волн (SPW), то есть SPW с зональными волновыми числами 1, 2 и 3. Чтобы определить Основной спектральный анализ PW выполняется заранее. Это показывает, что самые известные PW-режимы с периодами около 5, 9, 17 и 23 дней являются самыми сильными PW, наблюдаемыми в зимних температурах 2008/2009 годов. Поскольку время SABER 60 дней составляет 24 часа по местному времени, комбинируя восходящие и нисходящие данные вместе, длина скользящего окна, используемого для выполнения процедуры подбора наименьших квадратов для обоих наборов данных, составит 60 дней. Отметим, что устойчивые решения можно получить, используя более короткое окно для данных COSMIC (около 20 дней), но по мере того, как мы будем исследовать Д. Панчева, П. Мухтаров / Advances in Space Research 50 (2012) 1189-1203 1191 long -периодный PW-ответ ионосферы, также будет применено 60-дневное окно для данных COSMIC. Затем, чтобы найти временную изменчивость характеристик PW, 60-дневное окно перемещается по временному ряду с шагом 1 день для получения суточных значений волновых характеристик.
Из-за шаблона выборки спутниковых данных и изменчивости атмосферы и ионосферы во время использования окон очень важная проблема в оценке волн заключается в том, как определить эталонный уровень шума. С этой целью такой же подход применяется как к данным SABER, так и к COSMIC, и он подробно описан Pancheva et al. (2009c). В результате анализа уровня шума было обнаружено, что все температурные волны SABER с амплитудами более 1 К и всеми COSMIC волнами с амплитудами более 0,02 МГц (Панчева и Мухтаров, 2011b) принимаются как статистически значимые, и только эти волны рассматриваются в этом анализе.
Результаты
Условия зимы 2008/2009 и колебания типа PW во внешнем принуждении
Набор данных UKMO (Swinbank and Ortland, 2003) используется для изучения особенностей аномалий в зимний период 2008-2009 стратосферы Северного полушария (NH). Согласно критериям Всемирной метеорологической организации для крупного SSW, как зональный средний температурный градиент, так и зональные средние зональные ветры на 10 ч Па (высота 30 км) обратного знака с полюсом 600 во время события. Вот почему верхняя панель рис. На рис. 1а показано поперечное сечение по высоте средней зональной средней температуры (в Кельвине), а нижняя - зональный средний зональный ветер (в м / с) на широте 600N. Рассматриваемый период времени с 1 октября 2008 года по 31 марта 2009 года показан на панелях. Во время нормальных зимних условий в стратосфере преобладают холодный воздух и сильные восточные зональные средние ветры. Большую температурную аномалию сильного теплого импульса можно выделить примерно между 18 января и 20 февраля. Быстрое замедление зонального среднего ветра (нижняя панель) началось одновременно с нарастания теплого температурного импульса, а ветер сменился на запад (разбивка Полярный вихрь) 24 января 2009 г. Пик температурного импульса и разворота ветра в стратосфере около 60N составляет соответственно около 60 К и более 100-120 м / с, что указывает на огромное изменение в полях атмосферной температуры и циркуляции, Система циркуляции в средней и нижней стратосфере была нарушена почти целый месяц. Зональный средний поток влияет на вертикальное распространение PW путем изменения показателя преломления, следовательно, ожидается, что обратный зональный поток в западном направлении будет препятствовать ему.
Северная зима 2008/2009 характеризуется очень низким солнечным и геомагнитным состоянием. В качестве прокси-эффекта эффекта солнечной ионизации излучения EUV используется радиопоток F10.7, который показан на верхнем графике рис. 1б. Видно, что в целом уровень солнечной активности очень низок, около 60-62 единиц солнечного потока (sfu = 10-22м-2Гц-1), и только в октябре и начале ноября очень слабые (с амплитудой менее 2-3 сфут) можно выделить долгопериодические колебания. Здесь будет интересен период времени после середины декабря 2008 года, поэтому мы можем заключить, что за это время солнечное излучение EUV не проявляет существенной изменчивости. Геомагнитная активность в этом исследовании описывается Kp-индексом. Известно, что во время фазы снижения и минимума Солнца увеличивается повторяющаяся геомагнитная активность с периодом 9 дней. Последнее связано с существованием триады солнечных корональных дыр, распределенных примерно на 1200 в солнечной долготе (Vrsnak et al., 2007). Реакция ионосферы на эту рекуррентную геомагнитную активность, наблюдаемую в данных TEC, была отмечена Мухтаровым и др. (2010b) и Pedatella et al. (2010) и в измерениях электронной плотности COSMIC Туласи Рам и др. (2010a, b) и Мухтаровым и Панчевой (2012). Нижний график на рис. 1b показан спектр вейвлетов геомагнитного Kp-индекса, рассчитанный на период от 3 до 30 дней. Он демонстрирует сильную 9-дневную изменчивость с конца октября 2008 года по середину января 2009 года, а также слабые колебания 13,5 и 27 дней в октябре и часть ноября 2008 года. Уже упоминалось, что в настоящем документе будет сообщаться Долгопериодическая (20-25 дней) PW-связь атмосферы-ионосферы. Спектр всплесков Kp-индекса ясно показывает, что с середины декабря 2008 года не существует какой-либо долговременной геомагнитной изменчивости. Поэтому, если такая изменчивость обнаружена в электронной плотности COSMIC, это наверняка не будет связано с солнечной или геомагнитной активностью.
Рис. 1. (a) Поперечное сечение среднеквадратичной средней температуры UKMO (верхний график, в Кельвине) и зональный средний зональный ветер (нижний график, м / с) на широте 60N; (B) Временная изменчивость потока солнечного радиоизлучения F10.7 (верхний график) и вейвлет-спектр геомагнитного Kp-индекса за период времени 01 октября 2008 года - 31 марта 2009 года.
Рис 2. 2D амплитудный спектр для зонально-симметричных (s = 0) планетарных волн в периодическом диапазоне 2-30 дней для температур SABER на высоте 110 км.