ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 4, с. 492-501
УДК 551.51:538.566
СТРУКТУРА МЕЗОМАСШТАБНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ТРОПОСФЕРЫ И СТРАТОСФЕРЫ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ РЕФРАКЦИИ РАДИОВОЛН
СО СПУТНИКОВ CHAMP
© 2007 г. H. М. Гаврилов
Санкт-Петербургский государственный университет, Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1
E-mail: gavrilov@pobox.spbu .ru Поступила в редакцию 06.12. 2006 г., после доработки 22.01.2007 г.
Данные эксперимента по радиозатменному зондированию атмосферы сигналами системы GPS, проводимого на спутнике CHAMP за 2001-2005 гг., использованы для получения глобальных распределений дисперсий мезомасштабных вариаций коэффициента преломления в тропосфере и стратосфере. Измеренные вертикальные профили сглажены с использованием полиномов второго порядка внутри слоев толщиной 5-10 км с центрами на различных высотах в тропосфере и стратосфере. Отклонения от сглаженных величин и их дисперсии получены для каждого профиля и усреднены для каждого месяца года в течение анализируемого интервала эксперимента CHAMP. Исследованы высотно-широтно-долготные неоднородности распределений дисперсий коэффициента преломления. Высотные и широтные распределения максимумов и минимумов дисперсий зависят от высоты и сезона. Причинами мелко- и мезомасштабных вариаций коэффициента преломления в тропосфере и стратосфере могут быть турбулентность и акустико-гравитационные волны. Дисперсии вариаций коэффициента преломления больше в областях тропосферных струйных течений и в зонах приэкваториальной глубокой конвекции. Возмущенность атмосферы увеличивается над горными системами.
1. ВВЕДЕНИЕ
Важной проблемой атмосферной динамики, особенно для средней и верхней атмосферы, является изучение возникновения и распространения мезомасштабных внутренних гравитационных волн (ВГВ) и их влияния на глобальную циркуляцию, температурный режим и состав атмосферы. Наблюдения показывают, что волновые процессы являются важной составляющей динамических процессов на всех высотах. Распространенными источниками мезомасштабных атмосферных волн являются метеорологические и турбулентные процессы (ветры над горами, циклоны, мелко- и крупномасштабные вихри, атмосферные фронты, струйные течения и т.д.).
В последние годы для анализа атмосферных процессов широко используются спутниковые дистанционные измерения, которые дают глобальную информацию о динамических структурах, возмущениях планетарного масштаба и мезомасштабных флуктуациях атмосферных параметров. Благодаря интенсивным экспериментальным и теоретическим исследованиям, использующим наземные и спутниковые данные, за последние годы наши знания об атмосферных волнах и турбулентности значительно возросли.
Для изучения мезомасштабных вариаций авторы [1] использовали спутниковые данные LIMS (Limb Infrared Monitor of the Stratosphere). В [2] представлены результаты обработки данных спутника CRISTA (Cryogenic Infrared Spectrometer and Telescopes for the Atmosphere). В [3, 4] исследованы ме-зомасштабные температурные возмущения и получены глобальные распределения активности ВГВ в стратосфере и мезосфере по данным прибора MLS (Microwave Limb Sounder) на борту спутника UARS. Результаты UARS-MLS были сопоставлены с расчетами по численной модели [5], предполагающей глобальное возбуждение ВгВ в тропосфере. Однако особенности глобальных распределений мезомасштабной изменчивости еще изучены недостаточно и дальнейшие исследования необходимы для более глубокого понимания и моделирования волновых и турбулентных процессов при различных географических расположениях и сезонных состояниях атмосферы.
С появлением спутников GPS (Global Positioning System) началось их использование для изучения атмосферы. Высота орбиты геостационарных спутников GPS составляет около 20000 км. Сигналы спутников GPS регистрируются приемниками, расположенными либо на поверхности Земли, либо на борту низкоорбитального спутника. При прохождении радиосигнала сантиметро-
вого диапазона через атмосферу его траектория искривляется, а скорость распространения уменьшается. Измерение соответствующего изменения фазы прихода сигнала для различных длин радиоволн позволяет определить координаты передатчика, а также восстановить вертикальные профили коэффициента преломления атмосферы для радиоволн.
Мезомасштабные флуктуации температуры до высот 30-35 км исследованы в [6] с использованием фазовых измерений радиоволн в эксперименте GPS/MET. Этот первый эксперимент по радиопросвечиванию атмосферы сигналами радионавигационных спутников американской системы GPS проводился на спутнике Microlab-1 в 1995-1997 гг. [6, 7]. Фазовые измерения во время радиозаходов позволили получить вертикальные профили коэффициента преломления атмосферы п. В [8] отмечается, что флуктуации фазы радиосигналов пропорциональны флуктуациям индекса радиорефракции N ~ п - 1, проинтегрированным вдоль луча. По данным спутника GPS/Microlab была получена обширная информация о мезомасштабных атмосферных неоднородностях, которые могут порождаться ме-зомасштабными динамическими и волновыми процессами в атмосфере [9-15] . В [9, 11] обнаружено достаточно хорошее согласие между сезонными вариациями интенсивности атмосферных возмущений в тропосферы и стратосфере, измеренными спутником GPS/Microlab и МСТ радарами в Японии и Северной Америке.
В данной работе исследуются широтно-дол-готно-высотные распределения мезомасштабных дисперсий коэффициента преломления атмосферы по данным наблюдений рефракции радиосигналов GPS, принимаемых на борту низкоорбитального спутника CHAMP в 2001-2005 гг. Эксперимент CHAMP проводится с апреля 2001 г. Измерения позволяют получить вертикальные профили коэффициента преломления и определить стратосферную температуру. С использованием этих данных был выполнен ряд исследований широтных распределений интенсивности мезомасштабных волн в стратосфере [16, 17]. В [18] исследовались их долготные распределения на разных широтах. Была продемонстрирована значительная неоднородность структуры мезомас-штабной изменчивости. Поэтому для выявления устойчивых климатических особенностей долгот-но-широтных распределений мезомасштабной изменчивости атмосферы требуется большая статистическая обеспеченность измерений. В данной работе для анализа используются более 180000 вертикальных профилей коэффициента преломления и температуры на спутнике CHAMP с апреля 2001 г. по февраль 2005 г. из базы данных Центра геофизических исследований в Потсдаме, Германия, которые доступны через Интернет.
2. МЕТОД АНАЛИЗА ДАННЫХ
Немецкий низкоорбитальный спутник CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload), принимающий радиосигналы геостационарных спутников глобальной позиционной системы (GPS) был запущен в июле 2000 г. с российского космодрома Плесецк. Спутник находится на почти круговой околополярной орбите с начальной высотой 454 км [19]. Наряду с изучением гравитационного и магнитного полей, со спутника CHAMP проводится лимбо-вое радиопросвечивание атмосферы Земли сигналами GPS спутников. Регулярные данные о параметрах атмосферы приводятся в базе данных немецкого Центра геофизических исследований в Потсдаме, начиная с апреля 2001 г. В данной работе использованы данные 5-й версии выделения атмосферных параметров из данных CHAMP [20]. Определение атмосферных параметров из регистрируемых спутником радиосигналов GPS в Центре геофизических исследований начинается с исключения расхождения показаний часов на спутниках методом двойных разностей [21]. Углы рефракции радиолучей на двух частотах определяются путем дифференцирования по времени набега фазы лучей в атмосфере после специальной фильтрации [22], использующей 70 измерений с частотой 50 Гц. Коррекция вклада ионосферы выполняется с использованием линейной комбинации углов рефракции радиолучей на двух частотах [23]. Для коррекции эффектов многолучевого распространения радиоволн на высотах менее 15 км используется метод полной спектральной инверсии [24], основанный на подходах геометрической оптики. Вертикальные профили индекса радиорефракции, N = (п - 1) х 106 (где п - коэффициент преломления радиоволн), в тропо-стратосфере определяются из скорректированных вертикальных профилей угла радиорефракции, измеренных спутником CHAMP, и приводятся с шагом по высоте 0.2 км. Более детально используемые методы определения атмосферных параметров описаны в [25].
В тропосфере и стратосфере N уменьшается с высотой пропорционально плотности атмосферы. Часто при анализе данных GPS спутников вводится так называемая "сухая температура" Tdy = Cp/N, где p - давление в мбар, а константа C = 77.6 K/мбар. Сухая температура дает хорошую оценку атмосферной температуры в стратосфере. В тропосфере на показатель преломления может влиять влажность воздуха, и сухая температура может отличаться от температуры атмосферного воздуха. Выше 30-35 км значительным становится влияние неполного исключения вклада ионосферы [8]. Динамические процессы в атмосфере создают вариации давления p, температуры T и других параметров. Для мелкомасштабной турбулентности и низкочастотных коротких ВГВ обычно |ôp/p| < |ôT/T| и можно показать, что èN/N ~ bTdry/Tdry. В [12, 14] по данным эксперимента на американском GPS
спутнике Microlab-1 показано хорошее выполнение этого соотношения. Это подтверждается также для данных спутника CHAMP. Это может рассматриваться в качестве теста правильности и самосогласованности методики обработки данных GPS спутников. Поэтому относительные вариации ôTdry|Tdry могут использоваться (наряду с ôN/N) для оценки флуктуаций коэффициента преломления.
В [8] отмечено, что для изучения характеристик мезомасштабной изменчивости атмосферы требуются уменьшение вертикальной неоднородности данных, а также фильтрация длинноволновых составляющих. Для этих целей в данном исследовании, аналогично [12, 14], вначале вычисляются сглаженные профили T0(z0) и N0(z0) путем аппроксимации методом наименьших квадратов вертикальных профилей Tdry(z) и lnN полиномами второго порядка внутри слоев толщиной ôz с центром на высотах z0. Затем,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.