Geomagnetism and AeronomyGeomagnetism and AeronomyГеомагнетизм и аэрономия0016-79403034-5022The Russian Academy of Sciences65092210.31857/S0016794024040072RSVTYWArticlesСтатьиResearch ArticleGravity waves activity in the mesosphere and lower thermosphere during a meteorological stormВолновая активность внутренних гравитационных волн в мезосфере и нижней термосфере в период метеорологического штормаBorchevkinaO. P.БорчевкинаО. П.
Russian Federation

Kaliningrad division

Калининградский филиал (Кф ИЗМИРАН)

olga.borchevkina@mail.ruBessarabF. S.БессарабФ. С.
Russian Federation

Kaliningrad division

Калининградский филиал (Кф ИЗМИРАН)

olga.borchevkina@mail.ruTimchenkoA. V.ТимченкоА. В.
Russian Federation

Kaliningrad division

Калининградский филиал (Кф ИЗМИРАН)

olga.borchevkina@mail.ruKarpovI. V.КарповИ. В.
Russian Federation

Kaliningrad division

Калининградский филиал (Кф ИЗМИРАН)

olga.borchevkina@mail.ruPushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, Russian Academy of SciencesИнститут земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова23082024644ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ51952801022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0016-7940/article/view/650922

The influence of the meteorological storm in October 2018 in the Baltic Sea on the state of the mesosphere and lower thermosphere is investigated. The wave activity of gravity waves was analyzed using TIMED/SABER satellite data and the effects of the meteorological storm at altitudes of 80-100 km were determined. A method based on mode decomposition from SABER data was adapted to calculate the gravity waves potential energy density and to separate the temperature perturbations due to their propagation at lower thermospheric heights. The wavelet analysis of temperature perturbations revealed two ranges of vertical wavelengths 5-8 km and 14-18 km. In the area of a meteorological storm, the GWs amplitude with vertical wavelengths of 5-8 km increases, and the area of their maximum expands and shifts upward to heights of ~90 km, while on meteorologically calm days these waves are observed at heights of 65-70 km and with smaller amplitudes. Above the meteorological storm region at altitudes of 90-100 km, the values of the gravity waves potential energy density significantly increase compared to calm days before and after the storm, as well as the spatial dimensions of the disturbance region increase.

Исследуется влияние метеорологического шторма в октябре 2018 г. в Балтийском море на состояние мезосферы и нижней термосферы. Проведен анализ волновой активности внутренних гравитационных волн по данным спутника TIMED/SABER и определены эффекты метеорологического шторма на высотах 80–100 км. Для расчета плотности потенциальной энергии внутренних гравитационных волн и выделения возмущений температуры, обусловленных их распространением на высотах нижней термосферы, был адаптирован метод на основе модовой декомпозиции из данных SABER. Проведенный вейвлет-анализ возмущений температуры выявил два диапазона вертикальных длин волн 5–8 км и 14–18 км. В области метеорологического шторма амплитуда внутренних гравитационных волн с вертикальными длинами волн 5−8 км возрастает, а область их максимума расширяется и смещается вверх на высоты ~90 км, в то время как в метеорологически спокойные дни данные волны наблюдаются на высотах 65–70 км и с меньшими амплитудами. Над областью метеорологического шторма на высотах 90–100 км значительно увеличиваются значения плотности потенциальной энергии внутренних гравитационных волн по сравнению со спокойными днями до и после шторма, а также увеличиваются пространственные размеры области возмущения.

Российский Научный ФондRussian Science Foundation23-77-10004Бахметьева Н.В., Григорьев Г.И., Виноградов Г.Р., Жемяков И.Н., Калинина Е.Е., Першин А.В. Параметры атмосферной турбулентности и динамика нижней ионосферы в исследованиях на стенде СУРА // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 61. №6. С. 777−793. 2021. doi 10.31857/S0016794021060031Бахметьева Н.В., Григорьев Г.И., Калинина Е.Е. Акустико-гравитационные волны в условиях неоднородного профиля температуры нейтральной компоненты в атмосфере Земли // Хим. физика. Т. 41. № 5. С. 441−52. 2022. doi 10.31857/S0207401X22050028Бахметьева Н.В., Жемяков И.Н., Григорьев Г.И., Калинина Е.Е. Влияние природных факторов на температуру нижней термосферы // Хим. физика. Т. 42. № 10. С. 50−63. 2023. doi 10.31857/S0207401X23100023Беляев А.Н. Механизм формирования в атмосфере земли мезомасштабных пульсирующих струйных течений // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 58. № 3. С. 344−351. 2022. doi 10.31857/S0002351522030038Борчевкина О.П., Карпов И.В., Карпов М.И. и др. Ионосферные возмущения, обусловленные прохождением метеорологического шторма в Калининграде в октябре 2018 г. // Радиотехника. 2020. Т. 84. № 2. С. 37−41. doi 10.18127/j00338486-202002(04)-06Григорьев Г.И. Акустико-гравитационные волны в атмосфере Земли (Обзор) // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 42. № 1. С. 3−24. 1999.Карпов И.В., Борчевкина О.П., Дадашев Р.З., Ильминская А.В. Влияние метеорологических штормов на параметры ионосферы в Балтийском регионе в 2010 г. // Солнечно-земная физика. Т. 2. № 2. С. 64−68. 2016. doi 10.12737/18653Карпов И.В., Васильев П.А. Возмущения ионосферы, обусловленные воздействием локализованных термосферных источников // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 60. №4. С. 496−501. 2020. doi 10.31857/S0016794020040069Карпов М.И., Карпов И.В., Борчевкина О.П. и др. Возмущения ионосферы во время метеорологических штормов // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 60. № 5. С. 646−654. 2020. doi 10.31857/S0016794020050107Коршунов В.А., Зубачев Д.С. Определение параметров волновых возмущений средней атмосферы по данным лидарных измерений // Оптика атмосферы и океана. Т. 28. № 11. С. 993−1002. 2015. doi 10.15372/AOO20151106Кшевецкий С.П., Курдяева Ю.А., Гаврилов Н.М. Приближение коротких по вертикали волн малой амплитуды в атмосфере с учетом среднего ветра // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 59. № 1. С. 44−54. 2023. doi 10.31857/S0002351523010078Куницын В.Е., Крысанов Б.Ю., Воронцова А.М. Генерация акустико-гравитационных волн различными источниками на поверхности Земли // ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия. № 6. С. 112−119. 2015.Федоренко А.К., Беспалова А.В., Жук И.Т., Крючков Е.И. Широтные особенности акустико-гравитационных волн в верхней атмосфере по данным спутниковых измерений // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 57. № 4. С. 510−521. 2017. doi 10.7868/S0016794017030051Шалимов С.Л., Захаров В.И., Соловьева М.С. и др. Волновые возмущения нижней и верхней ионосферы во время тропического циклона Faxai 2019 г. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 63. № 2. С. 216−226. 2023. doi 10.31857/S0016794022600442Шалимов С.Л., Соловьева М.С. Отклик ионосферы на прохождение тайфунов по наблюдениям методом СДВ-радиопросвечивания // Солнечно-земная физика. Т. 8. № 3. С. 54−61. 2022. doi 10.12737/szf-83202208Baumgarten K., Gerding M., Baumgarten G., Lübken F.J. Temporal variability of tidal and gravity waves during a record long 10-day continuous lidar sounding // Atmos. Chem. Phys. V. 18. № 1. P. 371−384. 2018. doi 10.5194/acp-18-371-2018Borchevkina O.P., Adamson S.O., Dyakov Y.A. et al. The influence of tropospheric processes on disturbances in the D and E ionospheric layers // Atmosphere. V. 12. № 9. P. 1116. 2021. doi 10.3390/atmos12091116Fritts D.C., Alexander M.J. Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere // Rev. Geophys. V. 41. № 1. P. 3−64. 2003. doi 10.1029/2001RG000106Fritts D.C., Bizon C., Wern, J.A., Meyer C.K. Layering accompanying turbulence generation due to shear instability and gravity‐wave breaking // J. Geophys. Res. V. 108. № D8. 2003. doi 10.1029/2002JD002406Garcia R.R., Lieberman R., Russell J.M., Mlynczak M.G. Large-scale waves in the mesosphere and lower thermosphere observed by SABER // J. Atmos. Sci. V. 62. № 12. P. 4384−4399. 2005. doi 10.1175/JAS3612.1Hindley N.P., Wright C.J., Smith N.D., Mitchell N.J. The southern stratospheric gravity wave hot spot: individual waves and their momentum fluxes measured by COSMIC GPS-RO // Atmos. Chem. Phys. V. 15. Is. 14. P. 7797−7818. 2015. doi 10.5194/acp-15-7797-2015Huang N.E., Shen Z., Long S.R. et al. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis // Proc. R. Soc. Lond. A. V. 454. P. 903−995. 1998. doi 10.1098/rspa.1998.0193John S.R., Kumar K.K. TIMED/SABER observations of global gravity wave climatology and their interannual variability from stratosphere to mesosphere lower thermosphere // Clim. Dynam. V. 39. P. 1489–1505. 2012. doi 10.1007/s00382-012-1329-9Koucká Knížová P., Podolská K., Potužníková K. et al. Evidence of vertical coupling: meteorological storm Fabienne on 23 September 2018 and its related effects observed up to the ionosphere // Ann. Geophys. V. 38. № 1. P. 73−93. 2020. doi 10.5194/angeo-38-73-2020.Llamedo P., Salvador J., de la Torre A. et al. 11 Years of Rayleigh lidar observations of gravity wave activity above the southern tip of South America // J. Geophys. Res. Atmos. V. 124. Is. 2. P. 451−467. 2019. doi 10.1029/2018JD028673Medvedev A.S., Yiğit E. Gravity waves in planetary atmospheres: Their effects and parameterization in global circulation models // Atmosphere. V. 10. P. 531. 2019. doi 10.3390/atmos10090531Mlynczak M. A comparison of space-based observations of the energy budgets of the mesosphere and the troposphere // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. V. 64. № 8–11. P. 877–887. 2002. doi 10.1016/S1364-6826(02)00043-3Mosna Z., Kouba D., Koucka Knizova P. et al. Ionospheric storm of September 2017 observed at ionospheric station Pruhonice, the Czech Republic // Adv. Space Res. V. 65. № 1. P. 115–128. 2020. doi 10.1016/j.asr.2019.09.024Nayak C., Yiğit E. Variation of small-scale gravity wave activity in the ionosphere during the major sudden stratospheric warming event of 2009 // J. Geophys. Res. V. 124. P. 470–488. 2019. doi 10.1029/2018JA026048Nigussie M., Moldwin M., Yizengaw E. Investigating the role of gravity waves on equatorial ionospheric irregularities using TIMED/SABER and C/NOFS satellite observations // Atmosphere. V. 13. № 9. P. 1414. 2022. doi 10.3390/atmos13091414Plougonven R., Zhang F. Internal gravity waves from atmospheric jets and fronts // Rev. Geophys. V. 52. № 1. P. 33–76. 2014. doi 10.1002/2012RG000419Remsberg E.E., Marshall B.T., Garcia-Comas M. et al. Assessment of the quality of the Version 1.07 temperature-versus-pressure profiles of the middle atmosphere from TIMED/SABER // J. Geophys. Res. V. 113. Is. D17. P. D17101. 2008. doi 10.1029/2008JD010013Sakib M.N., Yiğit E. A Brief overview of gravity wave retrieval techniques from observations // Front. Astron. Space Sci. V. 9 Art. 824875. P. 1–9. 2022. doi 10.3389/fspas.2022.824875Savitzky A., Golay M. J. E. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures // Anal. Chem. V. 36. P. 1627–1639. 1964. doi 10.1021/ac60214a047Strelnikova I., Almowafy M., Baumgarten G. et al. Seasonal cycle of gravity wave potential energy densities from lidar and satellite observations at 54° and 69°N // J. Atmos. Sci. V. 78. P. 1359–1386. 2021. doi 10.1175/JAS-D-20-0247.1Walterscheid R.L., Schubert G. Nonlinear evolution of an upward propagating gravity wave: overturning, convection, transience and turbulence // J. Atmos. Sci. V. 47. P. 101–125. 1990. doi 10.1175/1520-0469(1990)047<0101:NEOAUP>2.0.CO;2Wang L., Geller M.A., Alexander M.J. Spatial and temporal variations of gravity wave parameters. part I: Intrinsic frequency, wavelength, and vertical propagation direction // J. Atmos. Sci. V. 62. P. 125–142. 2005. doi 10.1175/JAS-3364.1Yiğit E., Medvedev A.S., Ern.M. Effects of latitude-dependent gravity wave source variations on the middle and upper atmosphere // Front. Astron. Space Sci. V. 7. Art. 614018. P. 1–17. 2021. doi 10.3389/fspas.2020.614018