Solar-Terrestrial Physics Solar-Terrestrial Physics Солнечно-земная физика 2712-9640 112071 10.12737/szf-122202607 wonyjt Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Seasonal variability of horizontal neutral wind in the Baikal Region from Fabry—Perot interferometer observations and different versions of HWM Сезонная динамика горизонтального нейтрального ветра в Байкальском регионе по данным интерферометра Фабри—Перо и различным версиям модели HWM Будовкина Александра Андреевна Budovkina Aleksandra Andreevna abudovkina@iszf.irk.ru https://orcid.org/0000-0002-6795-3995 Едемский Илья Константинович Edemsky Ilya Konstantinovich ilya@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0001-8758-7964 Васильев Роман Валерьевич Vasilyev Roman Valeryevich roman_vasilyev@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Артамонов Максим Фёдорович Artamonov Maksim Fedorovich artamonov.maksim@iszf.irk.ru Институт солнечно-земной физики СО РАН RU Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS RU Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation 12 2 63 75 01 09 2025 27 11 2025 https://naukaru.ru/en/nauka/article/112071/view

Работа основана на данных о характеристиках естественного свечения верхней атмосферы Земли, генерируемого атомарным кислородом на длине волны 630 нм, полученных при помощи интерферометра Фабри—Перо (ИФП) Национального гелиогеофизического комплекса. ИПФ установлен в Геофизической обсерватории (ГФО) Института солнечно-земной физики СО РАН (с. Торы, 52° N, 103° Е). Измерение доплеровского смещения линии свечения и последующее соотнесение его с направлением луча наблюдения позволяют восстанавливать величины зональной и меридиональной компонент горизонтального ветра в ночной и сумеречные периоды суток. В работе проводится анализ сезонной динамики компонент нейтрального ветра в 2022 г. по данным интерферометра Фабри—Перо и вычислениям по моделям HWM93, HWM07 и HWM14. Анализ выполнен для локальной ночи 10–24 UTC. Данные были разделены по сезонам относительно дней солнцестояния и равноденствия, а также отфильтрованы по условию наличия облачности. Расхождение между значениями модели и измерениями каждого компонента ветра варьирует как в течение суток, так и в зависимости от сезона. При этом можно заключить, что ни одна модель не дает приемлемого согласования с измеренными величинами и предоставляемые моделью HWM значения ветра для Байкальского региона не следует рассматривать как точные. Развитие настоящей работы позволит выработать рекомендации по коррекции или улучшению модели HWM с целью более точного описания динамики верхней атмосферы региона. Полученные в работе результаты будут также полезны при выборе версии модели нейтрального ветра для расчетов заданной компоненты ветра в заданный сезон.

This study is based on observations of the atomic oxygen airglow emission at 630 nm obtained with a Fabry—Perot interferometer (FPI) of the National Heliogeophysical Complex. FPI is installed in the Geophysical Observatory of the Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS (Tory, 52° N, 103° E). Doppler shifts of the emission line were measured and then converted into horizontal wind velocities along the zonal and meridional directions during nighttime and twilight periods. We analyze the seasonal variability of neutral wind components during 2022, using both FPI measurements and model calculations from three versions of the Horizontal Wind Model: HWM93, HWM07, and HWM14. The analysis covers local nighttime hours (10–24 UTC). The data was separated by seasons relative to solstices and equinoxes and filtered by cloud conditions. The discrepancies between modeled and observed wind components vary with both local time and season. None of the HWM versions provide acceptable agreement with the measurements, indicating that HWM outputs for the Baikal region should not be considered accurate. The results of this study can be used to develop recommendations for improving or adjusting HWM in order to better describe the dynamics of the upper atmosphere in the region. These findings are also useful when choosing the most suitable HWM version for estimating a specific wind component in a given season.

 модель горизонтального ветра (HWM) интерферометр Фабри—Перо нейтральный ветер термосфера Horizontal Wind Model (HWM) Fabry—Perot interferometer neutral wind thermosphere Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (субсидия № 075-ГЗ/Ц3569/278) The work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Grant No. 075-GZ/C3569/278)

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». Солнечно-земная физика. 2017, т. 3, № 3, с. 70–87. https://doi.org/10.12737/szf-33201707 / Vasiliev R.V., Artamonov M.F., Beletsky A.B., et al. Registration of upper atmosphere parameters in Eastern Siberia using the Fabry—Perot interferometer KEO Scientific “Arinae”. Sol.-Terr. Phys. 2017, vol. 3, iss. 3, pp. 61–75. https://doi.org/10.12737/stp-33201707. Drob D.P. et al. An empirical model of the Earth’s horizontal wind fields: HWM07. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2008, vol. 113, iss. A12. https://doi.org/10.1029/2008JA013668. Васильев Р.В., Артамонов М.Ф., Белецкий А.Б. и др. Научные задачи оптических инструментов Национального гелиогеофизического комплекса. Солнечно-земная физика. 2020, т. 6, № 2, с. 105–122. https://doi.org/10.12737/szf-62202008 / Vasiliev R.V., Artamonov M.F., Beletskii A.B., et al. Scientific goals of optical instruments of the National Heliogeophysical Complex. Sol.–Terr. Phys. 2020, vol. 6, iss. 2, pp. 84–97. https://doi.org/10.12737/stp-62202008. Drob D.P. et al. An update to the Horizontal Wind Model (HWM): The quiet time thermosphere. Earth and Space Sci. 2015, vol. 2, pp. 301–319. https://doi.org/10.1002/2014EA000089. Жеребцов Г.А. Комплекс гелиогеофизических инструментов нового поколения. Солнечно-земная физика. 2020, т. 6, № 2, с. 6–18. https://doi.org/10.12737/szf-62202001 / Zherebtsov G.A.. Complex of heliogeophysical instruments of new generation. Sol.–Terr. Phys. 2020, vol. 6, iss. 2, pp. 3–13. https://doi.org/10.12737/stp-62202001. Emmert J.T. et al. Climatologies of nighttime upper thermospheric winds measured by ground-based Fabry—Perot interferometers during geomagnetically quiet conditions: 1. Local time, latitudinal, seasonal, and solar cycle dependence. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2006, vol. 111, iss. A12. https://doi.org/10.1029/2006JA011948. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 752 с. Fuller-Rowell T.J. et al. A Coupled Thermosphere–Ionosphere Model (CTIM). In: Schunk R.W. (ed.) Solar-Terrestrial Energy Program: Handbook of Ionospheric Models. Logan, Utah State Univ. Press. 1996, pp. 217–238. Подлесный С.В., Девятова Е.В., Саункин А.В., Васильев Р.В. Сопоставление методов определения облачного покрова над Байкальской природной территорией в декабре 2020 г. Солнечно-земная физика. 2022, т. 8, № 4, с. 102–109. https://doi.org/10.12737/szf-84202210 / Podlesnyi S.V., Devyatova E.V., Saunkin A.V., Vasiliev R.V. Comparing methods to estimate cloud cover over the Baikal Natural Territory in December 2020. Sol.-Terr. Phys. 2022, vol. 8, iss. 4, pp. 95–102. https://doi.org/10.12737/stp-84202210. Hedin A.E. et al. Empirical global model of upper thermosphere winds based on Atmosphere and Dynamics Explorer satellite data. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1988, vol. 93, iss. A9, pp. 9959–9978. https://doi.org/10.1029/JA093iA09p09959. Тащилин А.В., Леонович Л.А. Моделирование ночных свечений красной и зеленой линий атомарного кислорода для умеренно возмущенных геомагнитных условий на средних широтах. Солнечно-земная физика. 2016, т. 2, № 4, с. 76–84. https://doi.org/10.12737/21491 / Tashchilin A.V., Leonovich L.A. Modeling nightglow in atomic oxygen red and green lines under moderate disturbed geomagnetic conditions at midlatitudes. Sol.-Terr. Phys. 2016, vol. 2, iss. 4, pp. 94–106. https://doi.org/10.12737/24276. Hedin A.E. et al. Revised global model of thermosphere winds using satellite and ground-based observations. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1991, vol. 96, iss. A5, pp. 7657–7688. https://doi.org/10.1029/91JA00251. Щербаков А.А., Медведев А.В., Кушнарев Д.С. и др. Расчет нейтральных меридиональных ветров в средних широтах с помощью Иркутского радара НР. Солнечно-земная физика. 2015, т. 1, № 3, с. 37–48. https://doi.org/10.12737/10962. Hedin A.E. et al. Empirical wind model for the upper, middle and lower atmosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1996, vol. 58, iss. 13, pp. 1421–1447. https://doi.org/10.1016/0021-9169(95)00122-0. Drob D.P., Emmert J.T., She M., et al. An empirical model of the Earth’s horizontal wind fields: HWM07. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2008, vol. 113, iss. A12. https://doi.org/10.1029/2008JA013668. Holton J.R., Hakim G.J. An Introduction to Dynamic Meteorology. Academic Press, 2012, 532 p. Drob D.P., Emmert J.T., Meriwether J.W., et al. An update to the Horizontal Wind Model (HWM): The quiet time thermosphere. Earth and Space Science. 2015, vol. 2, pp. 301–319. https://doi.org/10.1002/2014EA000089. Jiang G., Xu J., et al. A comparison of quiet-time thermospheric winds between FPI observations and model calculations. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018, vol. 123, pp. 7789–7805. https://doi.org/10.1029/2018JA025424. Emmert J.T., Faivre M.L., Hernandez G., et al. Climatologies of nighttime upper thermospheric winds measured by ground-based Fabry—Perot interferometers during geomagnetically quiet conditions: 1. Local time, latitudinal, seasonal, and solar cycle dependence. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2006, vol. 111, iss. A12. https://doi.org/10.1029/2006JA011948. Klimenko M.V. et al. Numerical modeling of the equatorial electrojet UT-variation on the basis of the model GSM TIP. Adv. Radio Sci. 2007, vol. 5, pp. 385–392. https://doi.org/10.5194/ars-5-385-2007. Fuller-Rowell T.J., Rees D., Quegan S., et al. A Coupled Thermosphere–Ionosphere Model (CTIM). In: Schunk R.W. (ed.) Solar–Terrestrial Energy Program: Handbook of Ionospheric Models. Logan, Utah State Univ. Press. 1996, pp. 217–238. Matveev L.T. Course of General Meteorology. Physics of the Atmosphere. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1984, 752 p. (In Russian). Hedin A.E., Spencer N.W., Killeen T.L. Empirical global model of upper thermosphere winds based on Atmosphere and Dynamics Explorer satellite data. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1988, vol. 93, iss. A9, pp. 9959–9978. https://doi.org/10.1029/JA093iA09p09959. Okoh D. et al. Thermospheric neutral wind measurements and investigations across the African region — A review. Atmosphere. 2022, vol. 13, no. 6, p. 863. https://doi.org/10.3390/atmos13060863. Hedin A.E., Biondi M.A., Burnside R.G., et al. Revised global model of thermosphere winds using satellite and ground-based observations. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1991, vol. 96, iss. A5, pp. 7657–7688. https://doi.org/10.1029/91JA00251. Podlesnyi S.V. et al. Comparing methods to estimate cloud cover over the Baikal natural territory in December 2020. Sol.-Terr. Phys. 2022, vol. 8, iss. 4, pp. 95–102. Hedin A.E., Fleming E.L., Manson A.H., et al. Empirical wind model for the upper, middle and lower atmosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1996, vol. 58, iss. 13, pp. 1421–1447. https://doi.org/10.1016/0021-9169(95)00122-0. https://doi.org/10.12737/stp-84202210. Holton J.R., Hakim G.J. An Introduction to Dynamic Meteorology. Academic Press, 2012, 532 p. Prölss G. Physics of the Earth’s Space Environment: An Introduction. Springer. 2012, 486 p. Jiang G., Xu J., Wang W., et al. A comparison of quiet-time thermospheric winds between FPI observations and model calculations. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018, vol. 123, pp. 7789–7805. https://doi.org/10.1029/2018JA025424. Richmond A.D., Maute A. Ionospheric electrodynamics modeling. In: Modeling the Ionosphere—Thermosphere System. Wiley, 2014, pp. 57–71. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Numerical modeling of the equatorial electrojet UT-variation on the basis of the model GSM TIP. Adv. Radio Sci. 2007, vol. 5, pp. 385–392. https://doi.org/10.5194/ars-5-385-2007. Richmond A.D. et al. A thermosphere/ionosphere general circulation model with coupled electrodynamics. Geophys. Res. Lett. 1992, vol. 19, iss. 6, pp. 601–604. https://doi.org/10.1029/92GL00401. Okoh D., Bounhir A., Habarulema J.B., et al. Thermospheric neutral wind measurements and investigations across the African region — A review. Atmosphere. 2022, vol. 13, no. 6, p. 863. https://doi.org/10.3390/atmos13060863. Ridley A.J. et al. The global ionosphere–thermosphere model. J. Atmos. Solar–Terr. Phys. 2006, vol. 68, pp. 839–864. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2006.01.008. Prölss G. Physics of the Earth’s Space Environment: An Introduction. Springer. 2012, 486 p. Shcherbakov A.A. et al. Calculation of neutral meridional winds at midlatitudes using the Irkutsk Incoherent Scatter Radar. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terr. Phys.]. 2015, vol. 1, iss. 3, pp. 37–48. https://doi.org/10.12737/10962. (In Russian). Richmond A.D., Maute A. Ionospheric electrodynamics modeling. In: Modeling the Ionosphere–Thermosphere System. Wiley, 2014, pp. 57–71. Tashchilin A.V., Leonovich L.A. Modeling nightglow in atomic oxygen red and green lines under moderate disturbed geomagnetic conditions at midlatitudes. Sol.-Terr. Phys. 2016, vol. 2, iss. 4, pp. 94–106. https://doi.org/10.12737/24276. Richmond A.D., Ridley E.C., Roble R.G. A thermosphere/ionosphere general circulation model with coupled electrodynamics. Geophys. Res. Lett. 1992, vol. 19, iss. 6, pp. 601–604. https://doi.org/10.1029/92GL00401. Vasiliev R.V. et al. Registration of upper atmosphere parameters in Eastern Siberia using the Fabry—Perot interferometer KEO Scientific “Arinae”. Sol.-Terr. Phys. 2017, vol. 3, iss. 3, pp. 61–75. https://doi.org/10.12737/stp-33201707. Ridley A.J., Deng Y., Tóth G. The global ionosphere–thermosphere model. J. Atmos. Solar-Terr. Phys.2006, vol. 68, pp. 839–864. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2006.01.008. Vasiliev R.V. et al. Scientific goals of optical instruments of the National Heliogeophysical Complex. Sol.-Terr. Phys. 2020, vol. 6, iss. 2, pp. 84–97. https://doi.org/10.12737/stp-62202008. Xu H., Shiokawa K., Oyama S., et al. High-latitude thermospheric wind study using a Fabry—Perot interferometer at Tromsø in Norway: averages and variations during quiet times. Earth, Planets and Space. 2019, vol. 71, article 110. https://doi.org/10.1186/s40623-019-1093-8. Xu H. et al. High-latitude thermospheric wind study using a Fabry—Perot interferometer at Tromsø in Norway: averages and variations during quiet times. Earth, Planets and Space. 2019, vol. 71, article 110. https://doi.org/10.1186/s40623-019-1093-8. Yang C., Zhao B., Jin Y., et al. Climatology of nighttime upper thermospheric winds from Fabry—Perot interferometer 2011–2019 measurements over Kelan (38.7 N, 111.6 E), China: Local time, seasonal, solar cycle, and geomagnetic activity dependence. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2020, vol. 125, iss. 9, e2020JA027892. https://doi.org/10.1029/2020JA027892. Yang C. et al. Climatology of nighttime upper thermospheric winds from Fabry—Perot interferometer 2011–2019 measurements over Kelan (38.7 N, 111.6 E), China: Local time, seasonal, solar cycle, and geomagnetic activity dependence. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2020, vol. 125, iss 9, e2020JA027892. https://doi.org/10.1029/2020JA027892. Yao X., Yu T., Zhao B., et al. Climatological modeling of horizontal winds in the mesosphere and lower thermosphere over a mid-latitude station in China. Adv. Space Res. 2015, vol. 56, iss. 7, pp. 1354–1365. Yao X. et al. Climatological modeling of horizontal winds in the mesosphere and lower thermosphere over a mid-latitude station in China. Adv. Space Res. 2015, vol. 56, iss. 7, pp. 1354–1365. https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.06.026. https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.06.026. Zherebtsov G.A.. Complex of heliogeophysical instruments of new generation. Sol.-Terr. Phys. 2020, vol. 6, iss. 2, pp. 3–13. https://doi.org/10.12737/stp-62202001. URL: https://ccmc.gsfc.nasa.gov/models/HWM14~2014/ (дата обращения 27 февраля 2026 г.). URL: https://ccmc.gsfc.nasa.gov/models/HWM14~2014/ (accessed February 27, 2026). URL: https://nom.esa.int/models/hwm (дата обращения 27 февраля 2026 г.). URL: https://nom.esa.int/models/hwm (accessed February 27, 2026). URL: https://github.com/timduly4/pyglow (дата обращения 27 февраля 2026 г.). URL: https://github.com/timduly4/pyglow (accessed February 27, 2026). URL: https://ckp-rf.ru/catalog/usu/4138180/ (дата обращения 27 февраля 2026 г.). URL: https://ckp-rf.ru/catalog/usu/4138180/ (accessed February 27, 2026).