Комплексная методика регионального мониторинга атмосферы на основе регистрации навигационных радиосигналов спутниковыми и наземными приемниками.

Центральный промышленный регион Российской Федерации, как один из наиболее населенных и промышленно развитых регионов страны, характеризуется осложненной экологической обстановкой. В частности, город Москва и непосредственно прилегающие к ней территории образуют т.н. Московскую городскую агломерацию, где на относительно малой площади сосредоточены значительные производственные мощности и большое количество населения. По этой причине, Москва с пригородами представляет собой крупный источник антропогенных возмущений окружающей среды. Вследствие высокого потребления электрической и тепловой энергии, моторного топлива, а также сравнительно низкого альбедо городских ландшафтов в видимой области спектра, город является мощным компактным источником тепла, рассеиваемого в окружающую атмосферу. Кроме того, город является мощным источником выбросов водяного пара, углекислого газа, сажи, пыли, аэрозолей и других загрязнений, оказывающих влияние на местный тепловой и радиационный баланс в атмосфере, местный климат и перенос воздушных масс в городе и регионе. Все перечисленные факторы вызывают сильные возмущения естественного распределения физических параметров атмосферы, в т.ч. температуры, давления и относительной влажности. Как следствие всего этого, оказывается возможной генерация акустико-гравитационных волн (АГВ), распространяющихся в атмосфере и способных достигать ионосферных высот.
Сложность проблемы дополнительно усиливается большим разнообразием естественных источников АГВ, в т.ч. температурных неоднородностей подстилающей поверхности, орографии и др. Влияние городской среды на перенос воздушных масс было неоднократно подтверждено экспериментальными исследованиями. Результаты эксперимента показывают, что АГВ от источника на поверхности Земли действительно могут достигать высот ионосферы. Разрушение АГВ за счет нелинейных эффектов и затухания происходит в интервале высот, расположенном выше главного ионосферного максимума слоя F2 [1].
По мере распространения в атмосфере, наиболее устойчивыми оказываются волновые структуры с периодами, близкими к периоду свободных вертикальных осцилляций стратифицированной атмосферы (частота Брента-Вяйсяля). Типичные частоты АГВ не превышают частот Брента-Вяйсяля на ионосферных высотах, в то время как скорости не превышают местной скорости звука (сотни метров в секунду - 2 км/с для этих высот[2]).
По этой причине, в задачах регионального мониторинга атмосферы приобретают особую важность комбинированные подходы, сочетающие прецизионные контактные измерения атмосферных параметров in situ с дистанционными измерениями, и алгоритмы ассимиляции и обработки разнородных данных. Целью настоящего исследования является разработка комплексной методики анализа данных мультиинструментальных измерений, включая прямые измерения с помощью шаров-зондов и дистанционные измерения в радиозатменных и интерферометрических экспериментах с сигналами спутниковых радиомаяков глобальных навигационных систем.
В настоящем исследовании уделяется особое внимание специфическим атмосферным ситуациям, имевшим место в последние годы. В частности, к ним следует отнести аномально жаркое лето 2010 г, сопровождавшееся блокирующим циклоном, вызвавшим серьезные последствия в Канаде, Европе и Российской федерации. Данные радиоинтерферометрических измерений на региональных сетях приемников сигналов GPS в регионах г. Москва (РФ) и Фэйрбенкс (Аляска, США) обработаны и проанализированы. Проведен сравнительный анализ выявленных в этих экспериментах ионосферных волновых структур и вертикальных профилей физических параметров тропосферы и стратосферы, непосредственно измеренных радиозондами.
Показано, что совместный анализ данных GPS- мониторинга ионосферы, спутникового радиозондирования атмосферы и метео-зондирования с помощью метеошаров позволяет улучшить интерпретацию наблюдаемых высотных спутниковых метеопрофилей в атмосфере путем выявления ситуаций, в которых возможно влияние волновых образований в атмосфере. Данные метеозондов в этом случае выступают как критерий правильной верификации особенностей наблюдаемых структур.

Авторы выражают признательность администрации НИВЦ МГУ за предоставленный доступ к ресурсам высокопроизводительных параллельных систем "Чебышев" и "Ломоносов". Исследование поддержано Российским Фондом Фундаментальных Исследований (гранты 15-45-03266 "Разработка комплексных методов регионального мониторинга атмосферы на основе спутникового и наземного приема навигационных сигналов" и 15-02-05476 "Разработка новых методов и средств метеорологического радиолокационного зондирования атмосферных осадков в миллиметровом диапазоне")