Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 86068 10.12737/szf-111202509 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Upper atmosphere response to extratropical cyclones Отклик верхней атмосферы на внетропические циклоны Захаров Виктор Иванович Zakharov Victor Ivanovich zvi_555@list.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Соловьева Мария Сергеевна Solovieva Maria Sergeevna rozhnoi@ifz.ru Шалимов Сергей Львович Shalimov Sergey Lvovich pmsk7@mail.ru Акперов Мирсеид Габиль оглы Akperov Mirseid Gabil-ogly aseid@ifaran.ru Коркина Галия Мугтасимовна Korkina Galiya Mugtasimovna gkor@emsd.ru Булатова Надежда Руслановна Bulatova Nadezhda Ruslanovna geofizik@emsd.ru Московский государственный университет им. Ломоносова Москва Россия Lomonosov Moscow State University Moscow Russian Federation Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS Moscow Russian Federation Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН Москва Россия A.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS Moscow Russian Federation Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS Moscow Russian Federation Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS Moscow Russian Federation Институт космических исследований РАН Москва Россия Space Research Institute RAS Moscow Russian Federation Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН Москва Россия A.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS Moscow Russian Federation Камчатский филиал ФИЦ «Единая геофизическая служба РАН» Петропавловск-Камчатский Россия Kamchatka Branch, Unified Geophysical Service of the Rus-sian Academy of Sciences Federal Research Center Petropavlovsk-Kamchatsky Russian Federation Камчатский филиал ФИЦ «Единая геофизическая служба РАН» Петропавловск-Камчатский Россия Kamchatka Branch, Unified Geophysical Service of the Rus-sian Academy of Sciences Federal Research Center Petropavlovsk-Kamchatsky Russian Federation 26 03 2025 26 03 2025 11 1 77 87 23 07 2024 25 10 2024 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/86068/view

На основе измерений на региональных станциях сверхдлинноволнового радиопросвечивания и на спутниках миссии Swarm исследован отклик нижней и верхней ионосферы на прохождение внетропических циклонов в Дальневосточном регионе России в период 2014–2023 гг. Для двенадцати циклонов обнаружено, что возмущения в нижней ионосфере, отмечаемые по вариациям амплитуды и фазы СДВ-сигнала, а также сопряженные с ними вариации электронной плотности в верхней ионосфере на активной стадии циклонов соответствуют прохождению атмосферных внутренних гравитационных волн и их диссипации, что продемонстрировано на нескольких примерах. Рассмотрены механизмы воздействия внутренних атмосферных волн на ионосферу, позволяющие интерпретировать наблюдаемые в нижней ионосфере вариации фазы СДВ-сигнала и вариации электронной плотности в верхней ионосфере.

We have examined the response of the lower and upper ionosphere to the passage of extratropical cyclones in 2014–2023, using measurements made at regional ultra-long-wave radio stations and satellites of the Swarm mission in the Far Eastern region of Russia. For twelve cyclones, we have found that disturbances in the lower ionosphere, observed in VLF signal amplitude and phase variations, as well as their associated electron density variations in the upper ionosphere during the active stage of the cyclones, correspond to the passage of atmospheric internal gravity waves and their dissipation, as evidenced by several examples. We have studied the mechanisms of the influence of internal atmospheric waves on the ionosphere, which make it possible to interpret the VLF signal phase variations observed in the lower ionosphere and the electron density variations in the upper ionosphere.

 сверхдлинноволновое радиопросвечивание атмосферные внутренние гравитационные волны внетропические циклоны ионосфера ultra-long-wave radio sounding atmospheric internal gravity waves extratropical cyclones ionosphere Исследование выполнено в рамках государственного задания ИФЗ РАН и МГУ The research was carried out under the Government assignment of IPE RAS and MSU

Акперов М.Г., Бардин М.Ю., Володин Е.М. и др. Функции распределения вероятностей циклонов и антициклонов по данным реанализа NCEP/NCAR и модели климата ИВМ РАН. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. T. 43, № 6. С. 764–772. DOI: 10.1134/S0001433807060. Akperov M.G., Bardin M.Yu., Volodin E.M., Golitsyn G.S., Mokhov I.I. Probability distributions for cyclones and anticyclones from the NCEP/NCAR reanalysis data and the INM RAS climate model. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2007, vol. 43, no. 6, pp. 705–712. DOI: 10.1134/S00014338 07060047. Бардин М.Ю., Полонский А.Б. Североатлантическое колебание и синоптическая изменчивость в Европейско-Атлантическом регионе в зимний период. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2005. Т. 41, № 2. C. 3–13. Bardin M.Yu., Polonsky A.B. North Atlantic Oscillation and synoptic variability in the European-Atlantic region in winter. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2005, vol. 41, no. 2, pp. 127–136. Ванина-Дарт Л.Б., Шарков Е.А. Основные результаты современных исследований физических механизмов взаимодействия тропических циклонов и ионосферы. Исследование Земли из космоса. 2016. № 3. С. 75–83. Bertin F., Testud J., Kersley L. Medium-scale gravity waves in the ionospheric F-region and their possible origin in weather disturbances. Planet. Space Sci. 1975, vol. 23, pp. 493–507. Ванина-Дарт Л.Б., Покровская И.В., Шарков Е.А. Реакция нижней экваториальной ионосферы на сильные тропические возмущения. Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48, № 2. С. 255–260. Chernigovskaya M.A., Kurkin V.I., Orlov I.I., Sharkov E.A., Pokrovskaya I.V. Study of coupling of the ionospheric parameter short period variations in the North Eastern region of Russia with manifestation of tropical cyclones. Issledovanie Zemli iz kosmosa [Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics]. 2010, no. 5, pp. 32–41. (In Russian). Голицын Г.С., Мохов И.И., Акперов М.Г., Бардин М.Ю. Функции распределения вероятности для циклонов и антициклонов в период 1952–2000 гг.: инструмент для определения изменений глобального климата. Доклады АН. 2007. Т. 413, № 2. C. 254–256. Chernogor L.F. A tropical cyclone or typhoon as an element of the Earth–atmosphere–ionosphere–magnetosphere system: Theory, simulations, and observations. Remote Sens. 2023, vol. 15, iss. 20, 4919. DOI: 10.3390/rs15204919. Данилов А.Д., Казимировский Э.С., Вергасова Г.В., Хачикян Г.Я. Метеорологические эффекты в ионосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 267 с. Chou M.Y., Lin C.H., Yue Jia, Tsai H.F., Sun Y.Y., Liu J.Y., Chen C.H. Concentric traveling ionosphere disturbances triggered by Super Typhoon Meranti (2016). Geophys. Res. Lett. 2017a, vol. 44, pp. 1219–1226. DOI: 10.1002/2016GL072205. Дягилев Р.А., Сдельникова И.А. Уникальная научная установка «Сейсмоинфразвуковой комплекс мониторинга арктической криолитозоны и комплекс непрерывного сейсмического мониторинга Российской Федерации, сопредельных территорий и мира». Геодинамика и тектонофизика. 2022. Т. 13, № 2, 0591. DOI: 10.5800/GT-2022-13-2s-0591. Chou M.Y., Lin C.H., Jia Yue, Chang L.C., Tsai H.F., Chen C.H. Medium-scale traveling ionospheric disturbances triggered by Super Typhoon Nepartak (2016). Geophys. Res. Lett. 2017b, vol. 44, pp. 7569–7577. DOI: 10.1002/2017GL073961. Захаров В.И., Куницын В.Е. Региональные особенности атмосферных проявлений тропических циклонов по данным наземных GPS-сетей. Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52, № 4. С. 562–574. Danilov A.D., Kazimirovskii E.S., Vergasova, G.V., Khachikyan G.Ya. Meteorologicheskie effekty v ionosphere [Meteorological Effects in the Ionosphere]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1987, 267 p. (In Russian). Захаров В.И., Пилипенко В.А., Грушин В.А., Хами-дуллин А.Ф. Влияние тайфуна Vongfong 2014 на ионо-сферу и геомагнитное поле по данным спутников SWARM: 1. Волновые возмущения ионосферной плазмы. Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 2. C. 114–123. DOI: 10.12737/szf-52201914 // Zakharov V.I., Pilipenko V.A., Grushin V.A., Khamidullin A.F. Impact of typhoon Vongfong 2014 on the ionosphere and geomagnetic field according to SWARM satellite data: 1. Wave disturbances of ionospheric plasma. Solar-Terrestrial Physics. 2019, vol. 5, iss. 2, pp. 101–110. DOI: 10.12737/stp-52201914. Das B., Sen A., Pal S., Haldar P.K. Response of the sub-ionospheric VLF signals to the super cyclonic storm Amphan: First observation from Indian subcontinent. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2021, vol. 220, 105668. DOI: 10.1016/j.jastp.2021.105668. Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Рожной А.А., Соловьева М.С. Вариации параметров СДВ-сигналов на радиотрассе Австралия–Камчатка во время магнитных бурь. Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т. 44, № 3. С. 1–9. Dyagilev R.A., Sdelnikova I.A. Unique large-scale research facilites “Seismic infrasound array for monitoring arctic cryolitozone and continuous seismic monitoring of the Russian Federation, neighbouring territories and the world”. Geodynamics and Tectonophysics. 2022, vol. 13, no. 2, 0591. DOI: 10.5800/GT-2022-13-2-0591. (In Russian). Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: Наука, 2006. 582 с. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. Variability of the ionosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000, vol. 62, pp. 685–693. DOI: 10.1016/S1364-6826(00)00029-8. Черниговская М.А., Куркин В.И., Орлов И.И. и др. Исследование связи короткопериодных временных вариаций параметров ионосферы в северо-восточном регионе России с проявлениями тропических циклонов. Исследование Земли из космоса. 2010. № 5. С. 32–41. Golitsyn G.S., Mokhov I.I., Akperov M.G., Bardin M.Yu. Distribution functions of probabilities of cyclones and anticyclones from 1952 to 2000: An instrument for the determination of global climate variations. Doklady Earth Sciences. 2007, vol. 413, no. 2, pp. 324–326. DOI: 10.1134/ S1028334X07020432. Шалимов С.Л., Соловьева М.С. Отклик ионосферы на прохождение тайфунов по наблюдениям методом СДВ радиопросвечивания. Солнечно-земная физика. 2022. Т. 8, № 3. С. 54–61. DOI: 10.12737/szf-83202208 // Shalimov S.L., Solovieva M.S. Ionospheric response to the passage of typhoons observed by subionospheric VLF radio signals. Solar-Terrestrial. Physics. 2022. Vol. 8, iss. 3. P. 51–57. DOI: 10.12737/stp-83202208. Haldoupis C., Shalimov S. On the altitude dependence and role of zonal and meridional wind shears in the generation of E region metal ion layers. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2021, vol. 214, 105537. DOI: 10.1016/j.jastp.2021.105537. Шалимов С.Л., Захаров В.И., Соловьева М.С. и др. Об отклике ионосферы на сильные тропосферные возмущения. Исследование Земли из космоса. 2023а. № 6. C. 106–117. DOI: 10.31857/S0205961423060088. Kelley M.C. The Earth’s Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics. Academic Press, 1989, 500 p. Шалимов С.Л., Захаров В.И., Соловьева М.С. и др. Волновые возмущения нижней и верхней ионосферы во время тропического циклона Faxai 2019. Геомагнетизм и аэрономия. 2023б. Т. 63, № 1. С. 216–226. DOI: 10.31857/S0016794022600442. Khromov S.P., Petrosyants M.A. Meteorologia i klimatologia [Meteorolovogy and Climatology]. Moscow, Nauka Publ., 2006, 582 p. (In Russian). Швед Г.М. Введение в динамику и энергетику атмосферы. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2020. 396 с. Kleimenova N.G., Kozyreva O.V., Rozhnoy A.A., Solov’eva M.S. Variations in the VLF signal parameters on the Australia–Kamchatka radio path during magnetic storms. Geomagnetism and Aeronomy. 2004, vol. 44, no. 3, pp. 354–361. Ясюкевич Ю.В., Едемский И.К., Перевалова Н.П., Полякова А.С. Отклик ионосферы на гелио- и геофизические возмущающие факторы по данным GPS. Иркутск: ИГУ, 2013. 160 с. Lutgens F.K., Tarbuck E.J., Herman R.L. The Atmosphere. An Introduction to Meteorology. 14 Edition. New York, Pearson, 2018, 1912 p. Bertin F., Testud J., Kersley L. Medium-scale gravity waves in the ionospheric F-region and their possible origin in weather disturbances. Planet. Space Sci. 1975. Vol. 23. P. 493–507. Medvedev A.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., Oinats A.V., Alsatkin S.S., Zherebtsov G.A. Relation of internal gravity wave anisotropy with neutral wind characteristics in the upper atmosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017, vol. 122, pp. 7567–7580. DOI: 10.1002/2017JA024103. Chernogor L.F. A tropical cyclone or typhoon as an element of the Earth–atmosphere–ionosphere–magnetosphere system: Theory, simulations, and observations. Remote Sens. 2023. Vol. 15, iss. 20, 4919. DOI: 10.3390/rs15204919. Neu U., Akperov M.G., Bellenbaum N., Benestad R., Blender R., Caballero R., Cocozza A., Dacre H.F., et al. IMILAST: a community effort to intercompare extratropical cyclone detection and tracking algorithms. Bull. American Meteorological Soc. 2013, vol. 94, no. 4, pp. 529–547. DOI: 10.1175/BAMS-D-11-00154.1. Chou M.Y., Lin C.H., Jia Yue, et al. Concentric traveling ionosphere disturbances triggered by Super Typhoon Meranti (2016). Geophys. Res. Lett. 2017a. Vol. 44. P. 1219–1226. DOI: 10.1002/2016GL072205. Olsen N., Friis-Christensen E., Floberghagen R., Alken P., Beggan C.D., Chulliat A., Doornbos E., et al. The Swarm Satellite Constellation Application and Research Facility (SCARF) and Swarm data products. Earth, Planets and Space. 2013, vol. 65, pp. 1189–1200. Chou M.Y., Lin C.H., Jia Yue, et al. Medium-scale traveling ionospheric disturbances triggered by Super Typhoon Nepartak (2016). Geophys. Res. Lett. 2017b. Vol. 44. P. 7569–7577. DOI: 10.1002/2017GL073961. Pal S., Sarkar Sh., Midya S.K., Mondal S.K., Hobara Y. Low-latitude VLF radio signal disturbances due to the extremely severe cyclone Fani of May 2019 and associated mesospheric response. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2020. Vol. 125, iss. 5, e2019JA027288, 11 p. DOI: 10.1029/2019JA027288. Das B., Sen A., Pal S., Haldar P.K. Response of the sub-ionospheric VLF signals to the super cyclonic storm Amphan: First observation from Indian subcontinent. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2021. Vol. 220, 105668. DOI: 10.1016/j.jastp.2021.105668. Polyakova A.S., Perevalova N.P. Investigation into impact of tropical cyclones on the ionosphere using GPS sounding and NCEP/NCAR reanalysis data. Adv. Space Res. 2011, vol. 48, iss. 7, pp. 1196–1210. DOI: 10.1016/j.asr.2011.06.014. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. Variability of the ionosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000. Vol. 62. P. 685–693. DOI: 10.1016/S1364-6826(00)00029-8. Rozhnoi A., Solovieva M., Levin B., Hayakawa M., Fedun V. Meteorological effects in the lower ionosphere as based on VLF/LF signal observations. Natural Hazards and Earth System Sciences. 2014, vol. 14, iss. 10, pp. 2671–2679. DOI: 10.5194/nhess-14-2671-2014. Haldoupis C., Shalimov S. On the altitude dependence and role of zonal and meridional wind shears in the generation of E region metal ion layers. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2021. Vol. 214. 105537. DOI: 10.1016/j.jastp.2021.105537. Shalimov S.L., Solovieva M.S. Ionospheric response to the passage of typhoons observed by subionospheric VLF radio signals. Solar-Terrestrial Physics. 2022, vol. 8, iss. 3, pp. 51–57. DOI: 10.12737/stp-83202208. Lutgens F.K., Tarbuck E.J., Herman R.L. The Atmosphere. An Introduction to Meteorology. 14 Edition. New York: Pearson, 2018. 1912 p. Shalimov S.L., Zakharov V.I., Solov’eva M.S., Bulatova N.R., Korkina G.M., Sigachev P.K. Response of the ionosphere to strong tropospheric disturbances. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2023a, vol. 59, pp. 1326–1336. DOI: 10.1134/S0001433823120216. Kelley M.C. The Earth’s Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics. Academic Press, 1989. 500 p. Shalimov S.L., Zakharov V.I., Solov’eva M.S., Sigachev P.K. Wave perturbations of the lower and upper ionosphere during the 2019 Faxai tropical typhoon. Geomagnetism and Aeronomy. 2023b, vol. 63, no. 2, pp. 186–196. DOI: 10.1134/S0016793222600576. Medvedev А.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., et al. Relation of internal gravity wave anisotropy with neutral wind characteristics in the upper atmosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. Vol. 122. P. 7567–7580. DOI: 10.1002/2017JA024103. Shved G.M. Vvedenie v dinamiku i energetiku atmosfery [Introduction to the Dynamics and Energetics of the Atmosphere]. SPbU Publ., 2020, 396 p. (In Russian). Neu U., Akperov M.G., Bellenbaum N., et al. IMILAST: a community effort to intercompare extratropical cyclone detection and tracking algorithms. Bulletin of the American Meteorological Society. 2013. Vol. 94, no. 4. P. 529–547. DOI: 10.1175/BAMS-D-11-00154.1. Simmonds I., Keay K. Extraordinary September Arctic sea ice reductions and their relationships with storm behavior over 1979–2008. Geophys. Res. Lett. 2009, vol. 36, no. 19, L19715, pp. 1–5. DOI: 10.1029/2009GL039810. Olsen N., Friis-Christensen E., Floberghagen R., et al. The Swarm Satellite Constellation Application and Research Facility (SCARF) and Swarm data products. Earth Planets Space. 2013. Vol. 65. P. 1189–1200. Ulbrich U., Leckebusch G.C., Grieger J., Schuster M., Akperov M., Bardin M.Yu., Feng Ya., Gulev S., et al. Are greenhouse gas signals of Northern Hemisphere winter extra-tropical cyclone activity dependent on the identification and tracking methodology? Meteorologische Zeitschrift. 2013, vol. 22, pp. 61–68. DOI: 10.1127/0941-2948/2013/0420. Pal S., Sarkar Sh., Midya S.K., et al. Low-latitude VLF radio signal disturbances due to the extremely severe cyclone Fani of May 2019 and associated mesospheric response. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2020. Vol. 125, iss. 5, e2019JA027288. 11 p. DOI: 10.1029/2019JA027288. Vadas S.L., Fritts D.C. Influence of solar variability on gravity wave structure and dissipation in the thermosphere from tropospheric convection. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, A10S12. DOI: 10.1029/2005JA011510. Polyakova A.S., Perevalova N.P. Investigation into impact of tropical cyclones on the ionosphere using GPS sounding and NCEP/NCAR reanalysis data. Adv. Space Res. 2011. 48, P. 1196–1210. DOI: 10.1016/j.asr.2011.06.014. Vanina-Dart L.B., Sharkov E.A. Main results of recent investigations into the physical mechanisms of the interaction of tropical cyclones and the ionosphere. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016, vol. 52, no. 9, pp. 1120–1157. DOI: 10.1134/S0001433816090279. Rozhnoi А., Solovieva М., Levin B., et al. Meteorological effects in the lower ionosphere as based on VLF/LF signal observations. Natural Hazards and Earth System Sciences. 2014. Vol. 14, iss. 10. P. 2671–2679. DOI: 10.5194/nhess-14-2671-2014. Vanina-Dart L.B., Pokrovskaya I.V., Sharkov E.A. Response of the lower equatorial ionosphere to string tropospheric disturbances. Geomagnetism and Aeronomy. 2008, vol. 48, no. 2, pp. 245–250. DOI: 10.1134/s001679320802014x. Simmonds I., Keay K. Extraordinary September Arctic sea ice reductions and their relationships with storm behavior over 1979–2008. Geophys. Res. Lett. 2009. Vol. 36, no. 19. L19715. P. 1–5. DOI: 10.1029/2009GL039810. Yasyukevich Yu.V., Edemskii I.K., Perevalova N.P., Polyakova A.S. Otklik ionosfery na gelio- i geofizicheskie vozmushchayushchie faktory po dannym GPS [Ionospheric Response to Helio- and Geophysical Disturbing Factors According to GPS Data]. Irkutsk, Irkutsk State University Publ., 2013, 160 p. (In Russian). Ulbrich U., Leckebusch G.C., Grieger J., et al. Are greenhouse gas signals of Northern Hemisphere winter extra-tropical cyclone activity dependent on the identification and tracking methodology? Meteorologische Zeitschrift. 2013. Vol. 22. P. 61–68. DOI: 10.1127/0941-2948/2013/0420. Zakharov V.I., Kunitsyn V.E. Regional features of atmospheric manifestations of tropical cyclones according to ground-based GPS network data. Geomagnetism and Aeronomy. 2012, vol. 52, no. 4, pp. 533–545. DOI: 10.1134/S001679321204016. Vadas S.L., Fritts D.C. Influence of solar variability on gravity wave structure and dissipation in the thermosphere from tropospheric convection. J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111. A10S12. DOI: 10.1029/2005JA011510. Zakharov V.I., Pilipenko V.A., Grushin V.A., Khamidullin A.F. Impact of typhoon Vongfong 2014 on the ionosphere and geomagnetic field according to SWARM satellite data: 1. Wave disturbances of ionospheric plasma. Solar-Terrestrial Physics. 2019, vol. 5, iss. 2, pp. 101–110. DOI: 10.12737/stp-52201914. URL: https://ckp-rf.ru/usu/507436/ (дата обращения 22 октября 2024 г.). URL: https://ckp-rf.ru/usu/507436/ (accessed October 22, 2024). URL: http://www.gsras.ru/unu (дата обращения 22 октября 2024 г.). URL: http://www.gsras.ru/unu (accessed October 22, 2024). URL: http://ultramsk.com (дата обращения 22 октября 2024 г.). URL: http://ultramsk.com (accessed October 22, 2024). URL: http://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/Swarm (дата обращения 22октября 2022 г.). URL: http://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/Swarm (accessed April 22, 2024).