DIAGNOSTICS OF INTERNAL ATMOSPHERIC WAVE SATURATION AND DETERMINATION OF THEIR CHARACTERISTICS IN EARTH’S STRATOSPHERE FROM RADIOSONDE MEASUREMENTS
Abstract and keywords
Abstract (English):
Internal gravity waves (IGW) significantly affect the structure and circulation of Earth’s atmosphere by transporting wave energy and momentum upward from the lower atmosphere. Since IGW can propagate freely through a stably stratified atmosphere, similar effects may occur in the atmospheres of Mars and Venus. Observations of temperature and wind speed fluctuations induced by internal waves in Earth’s atmosphere have shown that wave amplitudes increase with height, but not quickly enough to correspond to the amplitude increase due to an exponential decrease in the density without energy dissipation. The linear theory of IGW explains the wave amplitude growth rate as follows: any wave amplitude exceeding the threshold value leads to instability and produces turbulence, which hinders further amplitude growth (internal wave saturation). The mechanisms that contribute most to the energy dissipation and saturation of IGW in the atmosphere are thought to be the dynamical (shear) and convective instabilities. The assumption of internal wave saturation plays a key role in radio occultation (RO) monitoring of IGW in planetary atmospheres. A radiosonde study of wave saturation processes in Earth’s atmosphere is therefore actual and important task. We report the results of determination of actual and threshold amplitudes, saturation degree, and other characteristics for the identified IGW in Earth’s atmosphere obtained from the analysis of SPARC (Stratospheric Processes And their Role in Climate) radiosonde measurements of wind speed and temperature [http://www.sparc.sunysb.edu/].

Keywords:
Earth’s atmosphere, internal gravity waves, saturation, radiosonde measurements, wind speed, temperature
Text
Publication text (PDF): Read Download

ВВЕДЕНИЕ

Фундаментальной задачей физики атмосфер планет является исследование волновых процессов, которые, как показывают результаты наблюдений, определяют атмосферную динамику на всех высотах [Губенко и др., 2012]. Важная роль внутренних гравитационных волн (ВГВ), в первую очередь, связана с тем, что они обеспечивают эффективный механизм переноса энергии и импульса из нижних слоев атмосферы в верхние. Большой интерес к ВГВ со стороны специалистов по ионосфере связан с тем, что многие ионосферные процессы и процессы распространения радиоволн хорошо объясняются путем привлечения понятий атмосферных волн. Согласно интерпретации, принятой в настоящее время, перемещающиеся ионосферные возмущения и спорадические слои Es представляют собой ионосферное проявление волн в преимущественно нейтральной атмосфере [Госсард, Хук, 1978; Gubenko et al., 2018]. Источниками генерации ВГВ в атмосфере могут быть тепловые контрасты вблизи поверхности, топография, сдвиговая неустойчивость ветра, конвекция и фронтальные процессы. В атмосфере Земли в отсутствие диссипации энергии амплитуда волновых возмущений скорости ветра или температуры растет примерно экспоненциально с увеличением высоты и поэтому возмущения с малой амплитудой вблизи поверхности могут производить значительные эффекты на больших высотах, где происходит обрушение волн и передача энергии и импульса ВГВ в невозмущенный поток. Поскольку ВГВ являются характерной особенностью устойчиво стратифицированной атмосферы, аналогичные эффекты можно ожидать в атмосферах Венеры и Марса. Полагают, что на Марсе внутренние атмосферные волны могут играть более важную роль, чем на Земле, так как во многих случаях амплитуды ВГВ в атмосфере Марса оказываются существенно больше своих земных аналогов [Creasey et al., 2006; Gubenko et al., 2008a; Губенко и др., 2012, 2015, 2016a].

Зондирование внутренних волн любыми способами сталкивается с проблемой, суть которой в том, что измеряемыми являются параметры возмущенного состояния атмосферы, например скорость ветра, температура или плотность, и по этому измерению необходимо определить, какая часть сигнала обусловлена ВГВ. Общий подход здесь заключается в том, чтобы отделить мелкомасштабные вариации от медленных изменений невозмущенного состояния и считать эти вариации связанными с волновыми проявлениями. Так, если измерения представляют собой временные реализации для фиксированного места наблюдений, например, как в случае измерений, выполняемых с помощью лидаров или радаров, указанное выше разделение масштабов можно осуществить в результате частотного анализа. Однако при этом необходимо учитывать, что не все анализируемые мелкомасштабные вариации обусловлены ВГВ. Наблюдаемые вариации могут быть связаны не только с внутренними волнами, но также с влиянием регулярных тонких слоев или турбулентности в атмосфере планеты. Корректная интерпретация результатов исследования ВГВ предполагает наличие дискриминационного критерия идентификации волновых событий. Только в том случае, когда данный критерий удовлетворяется, анализируемые вариации могут рассматриваться как волновые проявления в атмосфере планеты [Gubenko et al., 2008b, 2011; Губенко и др., 2012, 2015, 2016a, b, c].

Спутниковые наблюдения в атмосфере радио-затменным методом являются мощным средством радиофизических исследований активности ВГВ по всей планете с почти однородным и высоким качеством экспериментальных данных [Gorbunov, Gurvich, 1998]. Анализ вертикальных профилей вариаций температуры, определяемых из радиозатменных экспериментов, дал возможность найти некоторые статистические характеристики (потенциальную энергию ВГВ на единицу массы) внутренних волн в атмосфере Земли [Steiner, Kirchengast, 2000; Tsuda et al., 2000; Tsuda, Hocke, 2002]. Преимуществом радиозатменных измерений с целью изучения внутренних атмосферных волн является широкий географический и временной охват исследуемых районов, позволяющий проводить глобальный мониторинг волновой активности в атмосфере планеты [Gavrilov et al., 2004; Гаврилов, Мануйлова, 2016]. Этот метод дает возможность получать в глобальном масштабе вертикальные профили атмосферных параметров (давления, плотности и температуры) с высоким вертикальным разрешением при любых погодных условиях [Liou et al., 2003, 2004; Pavelyev et al., 2009, 2012, 2015]. Однако до недавнего времени исследователи полагали, что восстанавливаемых вертикальных профилей температуры и плотности в радиозатменных экспериментах недостаточно для количественного описания волновых эффектов в атмосфере планеты [Губенко и др., 2012, 2015].

В этой связи мы разработали оригинальный метод идентификации дискретных волновых событий и реконструкции параметров ВГВ по результатам анализа индивидуальных вертикальных профилей температуры, плотности или квадрата частоты Брента—Вяйсяля в атмосфере планеты [Gubenko et al., 2008b, 2011; Губенко и др., 2012, 2015]. Метод не требует какой-либо дополнительной информации, не содержащейся в профиле, и может быть использован для анализа вертикальных профилей, полученных любыми способами. Сформулирован и обоснован пороговый критерий идентификации волновых событий, при выполнении которого анализируемые вариации могут рассматриваться как волновые проявления [Gubenko et al., 2008b, 2011; Губенко и др., 2012, 2015, 2016b]. Метод базируется на анализе относительной волновой амплитуды, а также на положении линейной теории ВГВ, согласно которому волновая амплитуда ограничена пороговой величиной динамической (сдвиговой) неустойчивости в атмосфере. Предполагается, что, когда амплитуда внутренней волны достигает порога сдвиговой неустойчивости по мере распространения волны вверх, диссипация волновой энергии происходит таким образом, что амплитуда ВГВ поддерживается на уровне указанного порога (насыщение волновой амплитуды). Для апробации и проверки разработанного метода мы использовали данные одновременных зондовых измерений температуры и скорости ветра в стратосфере Земли [Cot, Barat, 1986]. С помощью анализа годографа скорости ветра авторы этой работы идентифицировали насыщенную ВГВ и определили ее характеристики. Использование зондовых измерений температуры и разработанного нами метода позволило независимым способом реконструировать все характеристики идентифицированной внутренней волны с погрешностями, не превышающими 30 % [Gubenko et al., 2008b; Губенко и др., 2012]. Применение метода к анализу радиозат-менных данных о температуре позволило нам впервые идентифицировать волновые события в атмосферах Земли и Марса, определить ключевые характеристики обнаруженных волн, включая собственную частоту ВГВ, вертикальные потоки волновой энергии и импульса [Gubenko et al., 2008b, 2011; Губенко и др., 2015, 2016a, b, c]. Результаты мониторинга волновой активности могут быть полезными при построении численных моделей циркуляции атмосферы, включающих параметризацию волновых эффектов. Экспериментальное определение и анализ географических и сезонных распределений характеристик внутренних волн [Губенко и др., 2012, 2015, 2016b] являются необходимыми и важными этапами при построении адекватных моделей общей циркуляции атмосферы Земли. Разработанный нами оригинальный метод идентификации волновых событий и реконструкции характеристик ВГВ в атмосферах планет [Gubenko et al., 2008b, 2011; Губенко и др., 2012, 2015, 2016a, b, c] получил широкое признание научного сообщества как в России, так и за рубежом и в настоящее время успешно применяется при исследовании волновых процессов в атмосфере Земли [Horinouchi, Tsuda, 2009; Xiao, Hu, 2010; Rechou et al., 2014; Sacha et al., 2014; Noersomadi, Tsuda, 2017; Zagar et al., 2017] и Венеры [Altieri et al., 2014; Peralta et al., 2015]. В частности, исследователи из Франции и Швеции в своей работе [Rechou et al., 2014] показали, что данные численного моделирования и анализ независимых радарных и зондовых измерений в атмосфере Земли демонстрируют высокую эффективность разработанного нами метода и хорошую надежность получаемых на его основе научных результатов.

 

References

1. Altieri F., Migliorini A., Zasova L., Shakun A., Piccioni G., Bellucci G. Modeling VIRTIS/VEX O2(a1 delta g) nightglow profiles affected by the propagation of gravity waves in the Venus upper mesosphere. J. Geophys. Res. 2014, vol. 119, pp. 2300–2316. DOI:https://doi.org/10.1002/2013JE004585.

2. Cot C., Barat J. Wave-turbulence interaction in the stratosphere: A case study. J. Geophys. Res. 1986, vol. 91, no. D2, pp. 2749–2756.

3. Creasey J.E., Forbes J.M., Hinson D.P. Global and seasonal distribution of gravity wave activity in Mars’ lower atmosphere derived from MGS radio occultation data. Geophys. Res. Lett. 2006, vol. 33, L01803. DOI:https://doi.org/10.1029/2005GL024037.

4. Fritts D.C. A review of gravity wave saturation processes, effects, and variability in the middle atmosphere. Pure Appl. Geophys. 1989, vol. 130, pp. 343–371.

5. Fritts D.C., Alexander M.J. Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere. Rev. Geophys. 2003, vol. 41, no. 1, pp. 1–59. DOIhttps://doi.org/10.1029/2001RG000106.

6. Gavrilov N.M., Karpova N.V., Jacobi Ch., Gavrilov A.N. Morphology of atmospheric refraction index variations at different altitudes from GPS/MET satellite observations. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2004, vol. 66, no. 6–9, pp. 427–435.

7. Gavrilov N.M., Manuilova R.O. Long-term global distributions of mesoscale variations in atmospheric radio refraction obtained from the GPS Champ Satellite Data. Radiophysics and Quantum Electronics. 2016, vol. 59, no. 7, pp. 535–545. DOI:https://doi.org/10.1007/s11141-016-9721-7.

8. Gill A.E. Dinamika atmosfery i okeana [Atmosphere-Ocean Dynamics]. Moscow: Mir Publ., 1986, vol. 1. (In Russian). English Edition: Gill A.E. Atmosphere-Ocean Dynamics. New York, London, Paris: Academic Press, 1982.

9. Gorbunov M.E., Gurvich A.S. Microlab-1 experiment: Multipath effects in the lower troposphere. J. Geophys. Res. 1998, vol.103, no. D12, pp. 13819–13826.

10. Gossard E.E, Hooke W.H. Waves in the Atmosphere. Elsevier Scientific Publishing Co., Amsterdam–Oxford–New York, 1975.

11. Gubenko V.N., Andreev V.E., Pavelyev A.G. Detection of layering in the upper cloud layer of Venus northern polar atmosphere observed from radio occultation data. J. Geophys. Res. 2008a, vol. 113, E03001. DOI:https://doi.org/10.1029/2007JE002940.

12. Gubenko V.N., Pavelyev A.G., Andreev V.E. Determination of the intrinsic frequency and other wave parameters from a single vertical temperature or density profile measurement. J. Geophys. Res. 2008b, vol. 113, D08109. DOI:https://doi.org/10.1029/2007JD008920.

13. Gubenko V.N., Pavelyev A.G., Salimzyanov R.R., Pavelyev A.A. Reconstruction of internal gravity wave parameters from radio occultation retrievals of vertical temperature profiles in the Earth’s atmosphere. Atmos. Meas. Tech. 2011, vol. 4, no. 10, pp. 2153–2162. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-4-2153-2011.

14. Gubenko V.N., Pavelyev A.G., Salimzyanov R.R., Andreev V.E. A method for determination of internal gravity wave parameters from a vertical temperature or density profile measurement in the Earth’s atmosphere. Cosmic Res. 2012, vol. 50, no. 1, pp. 21–31. DOI:https://doi.org/10.1134/S0010952512010029.

15. Gubenko V.N., Kirillovich I.A., Pavelyev A.G. Characteristics of internal waves in the Martian atmosphere obtained on the basis of an analysis of vertical temperature profiles of the Mars Global Surveyor mission. Cosmic Res. 2015, vol. 53, no. 2, pp. 133–142. DOI:https://doi.org/10.1134/S0010952515020021.

16. Gubenko V.N., Kirillovich I.A. Pavelyev A.G., Andreev V.E. Detection of saturated internal gravity waves and reconstruction of their characteristics in the Martian atmosphere. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Fizika [Russian Physics Journal]. 2016a, vol. 59, no. 12-2, pp. 46–49. (In Russian).

17. Gubenko V.N., Kirillovich I.A., Liou Y.-A., Pavelyev A.G. Monitoring of internal gravity waves in the Arctic and Antarctic atmosphere. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Fizika [Russian Physics Journal]. 2016b, vol. 59, no. 12-3, pp. 80–85. (In Russian).

18. Gubenko V.N., Pavelyev A.G., Andreev V.E., Kirillovich I.A., Salimzyanov R.R. Radio occultation investigations of internal waves and layered structures in atmospheres of the Earth, Mars and Venus. Sovremennye Dostizheniya v Plazmennoi Geliogeofizike [Modern Achievements in Plasma Heliogeophysics]. 2016c. Moscow: IKI RAN Publ., 2016. pp. 548–554. (In Russian). URL: http://iki.cosmos.ru/ books/2016petrukovich-2.pdf (accessed 31 March 2018).

19. Gubenko V.N., Pavelyev A.G., Kirillovich I.A., Liou Y.-A. Case study of inclined sporadic E layers in the Earth’s ionosphere observed by CHAMP/GPS radio occultations: Coupling between the tilted plasma layers and internal waves. Adv. Space Res. 2018, vol. 61, iss. 7, pp. 1702–1716. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2017.10.001.

20. Hines C.O. Tropopausal mountain waves over Arecibo: A case study. J. Atmos. Sci. 1988, vol. 46, no. 4, pp. 476–488.

21. Horinouchi T., Tsuda T. Spatial structures and statistics of atmospheric gravity waves derived using a heuristic vertical cross section extraction from COSMIC GPS radio occultation data. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, D16110. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JD011068.

22. Liou Y.A., Pavelyev A.G., Huang C.Y., Igarashi K., Hocke K., Yan S.K. Analytic method for observation of the gravity waves using radio occultation data. Geophys. Res. Let. 2003, vol. 30, no. 20. CiteID 2021. DOI:https://doi.org/10.1029/2003GL017818.

23. Liou Y.A., Pavelyev A.G., Wickert J., Huang C.Y., Yan S.K., Liu S.F. Response of GPS occultation signals to atmospheric gravity waves and retrieval of gravity wave parameters. GPS Solutions. 2004, vol. 8, no. 2, pp. 103–111.

24. Noersomadi N., Tsuda T. Comparison of three retrievals of COSMIC GPS radio occultation results in the tropical upper troposphere and lower stratosphere. Earth, Planets and Space. 2017, vol. 69:125. DOI:https://doi.org/10.1186/s40623-017-0710-7.

25. Pavelyev A.G., Liou Y.A., Wickert J., Gubenko V.N., Pavelyev A.A., Matyugov S.S. New Applications and Advances of the GPS Radio Occultation Technology as Recovered by Analysis of the FORMOSAT-3/COSMIC and CHAMP Data-Base. New Horizons in Occultation Research: Studies in Atmosphere and Climate. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg. 2009, pp. 165–178. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-642-00321_9.

26. Pavelyev A.G., Liou Y.A., Zhang K., Wang C.S., Wickert J., Schmidt T., Gubenko V.N., Pavelyev A.A., Kuleshov Y. Identification and localization of layers in the ionosphere using the eikonal and amplitude of radio occultation signals. Atmos. Meas. Tech. 2012, vol. 5, no. 1, pp. 1–16. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-5-1-2012.

27. Pavelyev A.G., Liou Y.A., Matyugov S.S., Pavelyev A.A., Gubenko V.N., Zhang K., Kuleshov Y. Application of the locality principle to radio occultation studies of the Earth's atmosphere and ionosphere. Atmos. Meas. Tech. 2015, vol. 8, no. 7, pp. 2885–2899. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-8-2885-2015.

28. Peralta J., Sanchez-Lavega A., Lopez-Valverde M.A., Luz D., Machado P. Venus’s major cloud feature as an equatorially trapped wave distorted by the wind. Geophys. Res. Let. 2015, vol. 42. DOI:https://doi.org/10.1002/2014GL062280.

29. Pfister L., Chan K.R., Bui T.P., Bowen S., Legg M., Gary B., Kelly K.; Proffitt M., Starr W. Gravity waves generated by a tropical cyclone during the STEP tropical field program: A case study. J. Geophys. Res. 1993, vol. 98, no. D5, pp. 8611–8638.

30. Rechou A., Kirkwood S., Arnault J., Dalin P. Short vertical-wavelength inertia gravity waves generated by a jet-front system at Arctic latitudes — VHF radar, radiosondes, and numerical modeling. Atmos. Chem. Phys. 2014, vol. 14, pp. 6785–6799. DOI:https://doi.org/10.5194/acp-14-6785-2014.

31. Sacha P., Foelsche U., Pisoft P. Analysis of internal gravity waves with GPS RO density profiles. Atmos. Meas. Tech. 2014, vol. 7, pp. 4123–4132. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-7-4123-2014.

32. Steiner A.K., Kirchengast G. GW spectra from GPS/MET occultation observations. J. Atmos. Ocean. Tech. 2000, vol. 17, pp. 495–503.

33. Tsuda T., Hocke K. Vertical wave number spectrum of temperature fluctuations in the stratosphere using GPS occultation data. J. Meteorol. Soc. Jpn. 2002, vol. 80, no. 4B, pp. 1–13.

34. Tsuda T., Nishida M., Rocken C., Ware R.H. A global morphology of GW activity in the stratosphere revealed by the GPS occultation data (GPS/MET). J. Geophys. Res. 2000, vol. 105, no. D6, pp. 7257–7273.

35. Xiao C.Y., Hu X. Analysis on the global morphology of stratospheric gravity wave activity deduced from the COSMIC GPS occultation profiles. GPS Solutions. 2010, vol. 14, pp. 65–74. DOI:https://doi.org/10.1007/s10291-009-0146-z.

36. Zagar N., Jelic D., Blaauw M., Bechtold P. Energy spectra and inertia–gravity waves in global analyses. J. Atmosph. Sci. 2017, vol. 74. no. 8, pp. 2447–2466. DOI:https://doi.org/10.1175/JAS-D-16-0341.1.

37. Zink F., Vincent R.A. Wavelet analysis of stratospheric gravity wave packets over Macquarie Island. 1. Wave parameters. J. Geophys. Res. 2001, vol. 106, no. D10, pp. 10275–10288.

38. http://www.sparc.sunysb.edu/ (accessed 9 March 2018).

Login or Create
* Forgot password?