Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Обнинск, Россия
Исследования скорости ветра в верхней атмосфере чрезвычайно важны для понимания как механизмов трансформации энергии внешних воздействий в нагрев, движение и химическую активность атмосферы, так и обратных процессов передачи энергии, запасенной в нижней атмосфере, ее вышележащим слоям. Инструменты и методы для исследования поведения скорости ветра и ее вариаций на различных высотных уровнях, как правило, взаимно дополняют друг друга, поэтому в работе был проведен сравнительный анализ сведений о нейтральном горизонтальном ветре в зимне-весенний период в Восточной Сибири, полученных различными методами. Отмечены особенности, возникающие при воздействии геомагнитных бурь и внезапных стратосферных потеплений на нейтральный ветер на различных высотах. Предложен метод статистического сравнительного анализа скорости и направления нейтрального ветра, полученных в различных точках, и показана его состоятельность. При помощи предложенного метода проведено количественное сравнение ветра в зимне-весенний период в Восточной Сибири на различных высотных уровнях. Показано, что ветер, полученный с помощью метеорного радара и интерферометра Фабри — Перо на высоте 90 км, не различается по величине абсолютной скорости и направлению; на высоте 100 км ветер, полученный при помощи интерферометра Фабри — Перо, отличается от ветра, измеренного метеорным радаром, только по направлению; на высоте 250 км ветер, полученный с помощью интерферометра Фабри — Перо, имеет скорость в 2.5 раза выше и направление, отличающееся на 30–40° от направления, полученного с помощью метеорного радара.
метеорный радар, интерферометр Фабри — Перо, горизонтальный ветер, мезосфера, нижняя термосфера, геомагнитная буря, внезапное стратосферное потепление, статистический корреляционный анализ
ВВЕДЕНИЕ
Синхронные наблюдения скорости ветра и температуры оптическими и радиофизическими методами предоставляют полезную информацию об особенностях аэрономии и циркуляции верхней атмосферы. Довольно редко расположенные на поверхности Земли станции наблюдений хоть и не могут дать детальную картину глобального распределения характеристик верхней атмосферы так, как это могут сделать спутниковые системы, тем не менее они обладают несоизмеримо лучшим временным разрешением. Это позволяет наблюдать особенности локального поведения атмосферы, связанные с изменениями, вызываемыми сезонно-суточными вариациями, а также внезапными стратосферными потеплениями (ВСП) или геомагнитной активностью. Кроме того, независимые способы регистрации, как правило, не только подтверждают полученные сведения, но и взаимно дополняют друг друга, позволяя сформировать более целостную картину исследуемого явления.
Совместные исследования поведения ветра в верхней атмосфере при помощи интерферометра Фабри — Перо и метеорного радара выполнялись неоднократно. Исследования подобного рода, в которых была показана значительная роль волновых процессов как источника ошибок при определении скорости горизонтального ветра методом частичных отражений, использовались, например, для верификации новых методов наблюдений [Hines et al., 1993]. Одновременные наблюдения ветра при помощи спектра свечения линии гидроксила 843 нм и отражения от метеорных следов [East et al., 1995] показали состоятельность оптического метода как базы для дальнейшего создания модели нейтрального ветра, поскольку параметры ветра, определяемые радиофизическим методом, интегрировались в значительном диапазоне высот (75–110 км), в то время как слой свечения гидроксила довольно тонок (6 км). Различия наблюдений разными методами авторы также объяснили достаточно большим разнесением наблюдательных пунктов. Авторы работы [Plagmann et al., 1998], посвященной исследованию ветра оптическим и радиофизическим методами, в связи c более близким, чем в работе [East et al., 1995], расположением наблюдательных пунктов, отметили высокую степень корреляции наблюдаемых скоростей ветра и предложили корреляционный метод определения высоты высвечивания гидроксила. Схожий метод определения слоя высвечивания гидроксила также применен в работе [Yu et al., 2017]. Исследования вариации высоты слоя свечения атомарного кислорода на длине волны 557.7 нм по результатам наблюдения метеорного эха радиофизическим методом проведены в работе [Fujii et al., 2004]. В работе [Salah et al., 1999] при проведении наблюдений оптическими и радиофизическими методами одной конкретной области верхней атмосферы также указано на высокую степень корреляции получаемых данных о ветре. Различия в результатах авторы объяснили статистическими погрешностями, разной геометрией областей обзора и наличием локальных градиентов и неоднородностей мелкого масштаба в общем объеме просматриваемой атмосферы. Подобные наблюдения проводились в ходе как самостоятельных исследований [Jiang et al., 2012; Jee et al., 2014], так и международных наблюдательных кампаний [Hu et al., 2014]. Исследования особенностей поведения верхней атмосферы во время сильных геомагнитных бурь при помощи таких наблюдений позволяют оценить вертикальную динамику переноса воздушных масс. В работе [Shiokawa et al., 2003] отмечена двухчасовая задержка вариаций мезосферного ветра по отношению к термосферному при прохождении крупномасштабного ионосферного возмущения, вызванного магнитной бурей. Исследования ВСП набором оптических и радиофизических инструментов позволяют выполнить верификацию моделей циркуляции атмосферы и определить вариации глобальных параметров планетарных волн при этом событии [Wu et al., 2016]. Данная работа посвящена описанию и сравнительному анализу результатов совместных наблюдений ветра в верхней атмосфере в средних широтах, в часовом поясе +8 UT, при помощи интерферометра Фабри — Перо и метеорного радара.
1. Васильев Р.В., Артамонов М.Ф., Белецкий А.Б. и др. Регистрация параметров верхней атмосферы Восточной Сибири при помощи интерферометра Фабри - Перо KEO Scientific “Arinae” // Cолнечно-земная физика. 2017a. Т. 3, № 3. С. 70-87. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-33201707.
2. Васильев Р.В., Клименко М.В., Клименко В.В. Некоторые особенности поведения скорости горизонтального ветра на высотах верхней атмосферы зимой в Восточной Сибири // XXIII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы»: Материалы. Конференция D. Иркутск, 2017б. С. D252-D255.
3. Дьяченко В.А., Лысенко И.А., Портнягин Ю.И. Климатический режим ветра нижней термосферы. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1986. 114 с.
4. East S.A., Meredith N.P., Harris M.J., et al. First summer results on winds in the upper mesosphere derived from the 843 nm hydroxyl emissions measured from the Bear Lake Observatory, Utah // J. Atmos. Terr. Phys. 1995. V. 57, N 9. P. 995-1008. DOI:https://doi.org/10.1016/0021-9169(94)00086-4.
5. Fujii J., Nakamura T., Tsuda T., Shiokawa K. Comparison of winds measured by MU radar and Fabry-Perot interferometer and effect of OI5577 airglow height variations // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004. V. 66, N 6-9. P. 573-583. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp. 2004.01.010.
6. Hines C.O., Adams G.W., Brosnahan J.W., et al. Multi-instrument observations of mesospheric motions over Arecibo: comparisons and interpretations // J. Atmos. Terr. Phys. 1993. V. 55, N 3. P. 241-287. DOI:https://doi.org/10.1016/0021-9169(93)90069-B.
7. Hu G.-Y., Ai Y., Zhang Y.-G., et al. Thermospheric wind observation by a scanning Fabry-Perot interferometer during MERINO campaign // Acta Geophysica Sinica. 2014. V. 57, N 11. P. 3688-3694. DOI:https://doi.org/10.6038/cjg20141123.
8. Jacobi Ch. Meteor heights during the recent solar minimum // Adv. Radio Sci. 2014. V. 12. P. 161-165. DOI:https://doi.org/10.5194/ars-12-161-2014.
9. Jee G., Kim J.-H., Lee C., Kim Y.H. Ground-based observations for the upper atmosphere at King Sejong Station, Antarctica // J. Astron. Space Sci. 2014. V. 31, N 2. P. 169-176. DOI:https://doi.org/10.5140/JASS.2014.31.2.169.
10. Jiang G.Y., Xu J.Y., Yuan W., et al. A comparison of mesospheric winds measured by FPI and meteor radar located at 40° N // Science China Technological Sciences. 2012. V. 55, N 5. P. 1245-1250. DOI:https://doi.org/10.1007/s11431-012-4773-1.
11. Plagmann M., Marsh S.H., Baggaley W.J., et al. Annual variation of airglow heights derived from wind measurements // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25, N 24. P. 4457-4460. DOI:https://doi.org/10.1029/1998GL900212.
12. Salah J.E., Goncharenko L.P., Sipler D.P., et al. Common-volume measurements of mesospheric winds using radar and optical instruments: 1. Comparison of observations // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1999. V. 61, N 17. P. 1259-1271. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(99)00085-1.
13. Shiokawa K., Otsuka Y., Ogawa T., et al. Thermospheric wind during a storm-time large-scale traveling ionospheric disturbance // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2003. V. 108, N A12. N 1423. DOI:https://doi.org/10.1029/2003JA010001.
14. Vergasova G.V., Kazimirovsky E.S. External impact on wind in the mesosphere/lower thermosphere region // Geomagnetism and Aeronomy. 2010. V. 50, N 7. P. 914-919. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793210070145.
15. Wu Q., Maute A., Yudin V., et al. Observations and simulations of midlatitude ionospheric and thermospheric response to the January 2013 stratospheric sudden warming event // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. V. 121, N 9. P. 8995-9011. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JA023043.
16. Yu T., Zuo X., Xia C., et al. Peak height of OH airglow derived from simultaneous observations a Fabry-Perot interferometer and a meteor radar // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122, N 4. P. 4628-4637. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JA023743.
17. URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (дата обращения 15 марта 2018 г.).
18. URL: https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/met/ann_ data.html (дата обращения 15 марта 2018 г.).
