Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
We studied ionospheric total electron content (TEC) disturbances associated with tropical cyclones (TCs). The study was based on the statistical analysis of six cyclones with different intensity which occurred in the North-West Pacific Ocean in September–November 2005. We used TEC data from the international network of two-frequency ground-based GPS receivers and NCEP/NCAR Reanalysis meteorological archive. TEC variations of different period ranges (2–20 and 20–60 min) are shown to be more intense during TC peaks under quiet geomagnetic conditions. The highest TEC variation amplitudes are registered when the wind speed in the cyclone and the TC area are maximum. The intensification of TEC disturbances is more pronounced when several cyclones occur simulta-neously. We found that the ionospheric response to TC can be observed only after the cyclone has reached typhoon intensity. The ionospheric response is more pronounced at low satellite elevation angles.
GPS, TEC, tropical cyclones, ionosheric disturbances
ВВЕДЕНИЕ
Тропические циклоны (ТЦ) являются одними из самых драматических и разрушительных геофизических явлений. ТЦ представляют собой мощные вихревые структуры, зарождающиеся в экваториальной тропосфере над океанами. После образования ТЦ перемещаются преимущественно по направлению общей циркуляции, под которой понимают систему крупномасштабных течений воздушных масс в земной атмосфере. Стадии развития ТЦ принято классифицировать согласно максимальной установившейся скорости ветра в циклоне, которая определяется как усредненная за 10 мин скорость ветра, зафиксированная в свободном пространстве стены воронки циклона на высоте 10 м над уровнем моря [Emanuel, 2003]. Стена воронки - это кольцо, примыкающее непосредственно к глазу циклона и характеризующееся наиболее мощными ветрами и осадками [Terry, 2007]. Циклон с максимальной скоростью ветра менее 17 м/с называют тропической депрессией, 18-32 м/с - тропическим штормом. Когда скорость превышает 33 м/с, считается, что циклон достиг стадии урагана. В Юго-Восточной Азии ТЦ в стадии урагана носят название тайфунов [Emanuel, 2003].
Тропические циклоны могут быть одним из источников внутренних атмосферных волн (ВАВ). Исследования гравитационных волн на основе моделирования показали, что над зонами действия ТЦ в верхней атмосфере существуют ВАВ с горизонтальными длинами волн 15-600 км и периодами от 20 мин до 11 ч [Chan-Ming et al., 2002; Kim et al., 2005; Kuester et al., 2008]. Зародившись в нижних слоях атмосферы, ВАВ при благоприятных условиях могут подниматься до высот ионосферы и вызывать возмущения электронной концентрации, проявляющиеся как перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ) [Kazimirovsky, 2002].
Возмущения в ионосфере, вызванные действием тропических циклонов, регистрировались различными методами: с помощью измерений доплеровского сдвига частоты и фарадеевского вращения плоскости поляризации зондирующего сигнала, вертикального и наклонного зондирования, ракетного зондирования и GPS.
Авторы работы [Xiao et al., 2007], основываясь на измерениях доплеровского сдвига частоты, проведенных во время действия 24 тайфунов, для 22 из них выявили наличие в ионосфере среднемасштабных ПИВ с периодом около 20 мин. Возмущения оказывались более интенсивными, когда тайфун достигал побережья или находился над материком. Кроме того, с помощью данных радаров некогерентного рассеяния в период прохождения мощных ТЦ вблизи точки наблюдения были обнаружены волновые возмущения в ионосфере с периодами 13-14 мин [Huang et al., 1985] и 90 мин [Bishop et al., 2006].
_____________________________________________________________________________________________
* Впервые статья опубликована на английском языке в журнале "Advances in Space Research" 2013. V. 52. Р. 1416-1426. На русском языке публикуется впервые по лицензии издательства.
1. Afraimovich E.L., Perevalova N.P., Voyeikov S.V. Traveling wave packets of total electron content disturbances as deduced from global GPS network data // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2003, vol. 65, no. 11-13, pp. 1245-1262. DOI: 10.1016/ j.jastp.2003.08.007.
2. Afraimovich E.L., Voeykov S.V., Ishin A.B., Perevalova N.P., Ruzhin Yu.Ya. Variations in the total electron content during the powerful typhoon of August 5-11, 2006, near the south-eastern coast of China // Geomagnetism and Aeronomy. 2008, vol. 48, Iss. 5, pp. 674-679. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793208050113.
3. Bishop R.L., Aponte N., Earle G.D., Sulzer M., Larsen M.F., Peng G.S. Arecibo observations of ionospheric perturbations associated with the passage of tropical storm Odette // J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, A11320. DOI:https://doi.org/10.1029/2006JA011668.
4. Bishop R.L., Straus P. Characterizing Ionospheric Variations in the Vicinity of Hurricanes and Typhoons Using GPS Occultation Measurements. American Geophysical Union. Fall Meeting 2006, Abstract #SA33B-0276.
5. Chane-Ming F., Roff G., Robert L., Leveau J. Gravity wave characteristics over Tromelin Island during the passage of cyclone Hudah // Geophys. Res. Lett. 2002, vol. 29 (0). DOI:https://doi.org/10.1029/2001GL013286.
6. Chernigovskaya M.A., Kurkin V.I., Orlov I.I. et al. Studying coupling of short-period variations in ionospheric parameters in the North Eastern region of Russia and manifestations of tropical cyclones. Issledovanie Zemli iz Kosmosa [Earth Research from Space]. 2010, no. 5, pp. 32-41 (in Russian).
7. Chernigovskaya M., Kurkin V., Orlov I., Oinats A., Sharkov E. Studying the influence of strong meteorological disturbances in the Earth’s lower atmosphere on variations of ionospheric parameters in the Asian region of Russia. Geophysical Research Abstracts, 2010, vol. 12, EGU2010-7681.
8. Emanuel K. Tropical cyclones. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2003, vol. 31, pp. 75-104. DOI:https://doi.org/10.1146/annurev.earth.31. 100901.141259.
9. Evans A.G. Comparison of GPS pseudorange and biased Doppler range measurements to demonstrate signal multipath effects. Proc. the Forth International Geodetic Symposium on Satellites Positioning. Austin, Texas, April 28 - May 2. 1986, vol. 1, pp. 573-587.
10. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. Springer-Verlag Wien, New York, 1992. 355 p. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-7091-3311-8.
11. Huang Y.N., Cheng K., Chen S.W. On the detection of acoustic gravity waves generated by typhoon by use of real time HF Doppler frequency shift sounding system. Radio Sci. 1985, vol. 20, pp. 897-906. DOI:https://doi.org/10.1029/RS020i004 p00897.
12. Garner T.W., Gaussiran T.L., Tolman B.W., Harris R.B., Calfas R.S., Gallagher H. Total electron content measurements in ionospheric physics. Adv. in Space Res. 2008, vol. 42, pp. 720-726. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2008.02.025.
13. Kazimirovsky E.S. Coupling from below as a source of ionospheric variability: A review. Ann. of Geophys. 2002, vol. 45, no. 1, pp. 1-29. DOI:https://doi.org/10.4401/ag-3482.
14. Kim S.-Y., Chun H.-Y., Baik J.-J. A numerical study of gravity waves induced by convection associated with Typhoon Rusa. Geophys. Res. Lett. 2005, vol. 32. L24816. DOI:https://doi.org/10.1029/2005 GL024662.
15. Kuester M.A., Alexander M.J., Ray E.A. A model study of gravity waves over hurricane Humberto (2001). J. Atm. Sci. 2008, vol. 65, no. 10, pp. 3231-3246. DOI:https://doi.org/10.1175/2008JAS2372.1.
16. Kunitsyn V.E., Nesterov I.A., Padokhin A.M., Tumanova Yu.S. Ionospheric radio tomography based on the GPS/GLONASS navigation systems. J. of Com. Technology and Electronics. 2011, vol. 56, no. 11, pp. 1269-1281. DOI: 10.1134/ S1064226911100147.
17. Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D., Ionospheric Tomography. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2003. DOI: 10.1007/ 978-3-662-05221-1.
18. Liu Y.-M., Wang J.-S., Suo Y.-C. Effects of typhoon on the ionosphere. Adv. Geosci. 2006, vol. 29, pp. 351-360. DOI:https://doi.org/10.1142/9789812707185_0029.
19. Mao T., Wang J.S., Yang G.L., Tao Y.U., Ping J.S., Suo Y.C. Effects of typhoon Matsa on ionospheric TEC. Chinese Sci. Bull. 2010, vol. 55, pp. 712-717. DOI:https://doi.org/10.1007/s11434-009-0472-0.
20. Perevalova N.P., Ishin A.B. Effects of tropical cyclones in the ionosphere from data of sounding by GPS signals. Izvestiya. Atmos. Oceanic Phys. 2011, vol. 47, no. 9, pp. 1072-1083. DOI:https://doi.org/10.1134/S000143381109012X.
21. Perevalova N.P., Polekh N.M. An investigation of the upper atmosphere response to cyclones using ionosonde data in Eastern Siberia and the Far East. Proc. SPIE - Int. Society for Optical Engineering. 2009, 7296, pp. 72960J1-11. DOI:https://doi.org/10.1117/12.823814.
22. Polyakova A.S., Perevalova N.P. Investigation into impact of tropical cyclones on the ionosphere using GPS sounding and NCEP/NCAR Reanalysis data. Adv. in Space Res. 2011, vol. 48, pp. 1196-1210. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.06.014.
23. Rice D.D., Sojka J.J., Eccles J.V., Schunk R.W. Typhoon Melor and ionospheric weather in the Asian sector: A case study. Radio Sci. 2012, vol. 47, RS0L05. DOI:https://doi.org/10.1029/2011RS004917.
24. Rolland L.M., Lognonne P., Munekane H. Detection and modeling of Rayleigh wave induced patterns in the ionosphere. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, A05320. DOI:https://doi.org/10.1029/2010 JA016060.
25. Terry J.P. Tropical Cyclones. Climatology and Impacts in the South Pacific. Springer Science + Business Media, LLC, New York, 2007.
26. Van Nee R.D.J. Multipath effects on GPS code phase measurements. J. Navigation. 1992, vol. 39, no. 2, pp. 177-190. DOI:https://doi.org/10.1002/j.2161-4296.1992.tb01873.x.
27. Vanina Dart L.B., Pokrovskaya I.V., Sharkov E.A. Response of the lower equatorial ionosphere to strong tropospheric disturbances. Geomagnetism and Aeronomy. 2008, vol. 48, no 2, pp. 245-250. DOI:https://doi.org/10.1134/S001679320802014X.
28. Vanina-Dart L.B., Romanov A.A., Sharkov E.A. Influence of a tropical cyclone on the upper ionosphere according to tomography sounding data over Sakhalin Island in November 2007. Geomagnetism and Aeronomy. 2011, vol. 51, no. 6, pp. 774-782. DOI:https://doi.org/10.1134/S001679321106017X.
29. Xiao Z., Xiao S., Hao Y., Zhang D. Morphological features of ionospheric response to typhoon. J. Geophys. Res. 2007, vol. 112, A04304. DOI:https://doi.org/10.1029/2006JA011671.
30. Xu G. GPS Theory, Algorithms and Applications. Second ed. Springer Berlin Heidelberg, New York, 2007.
31. 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:https://doi.org/10.1134/S0016793212040160.
32. Available at: http://wunderground.com/hurricane.
33. Available at: http://sopac.ucsd.edu.
34. Available at: http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp.
35. Available at: http://clust1.wdcb.ru/spidr.
36. Available at: http://www.esrl.noaa.gov/psd.
37. Available at: http://wunderground.com/hurricane.
