Теория флуктуации радиозатменных сигналов: геометрооптическое приближение метода канонических преобразований

В настоящее время метод радиозатменного зондирования успешно применяется для численного прогнозирования погоды и мониторинга изменений глобального климата. Радиозатменный метод зондирования атмосферы обладает следующими достоинства: 1) всепогодность, 2) глобальное покрытие, 3) высокое вертикальное разрешение, 4) отсутствие калибровок. Это позволяет использовать данные радиозатменного зондирования не только для восстановления регулярных профилей метеопараметров, но и для изучения неоднородностей преломления атмосферы по флуктуация принимаемых сигналов (Belloul, Hauchecorne, 1997; Gurvich et al., 2000; Tsuda et al., 2000; Wang, Alexander, 2010; Shume, Ao, 2016; Kan et al., 2018).
В данной работе развита теория флуктуаций радиозатменных сигналов, основанная на геометрооптическом приближении метода канонических преобразований. Метод канонических преобразований (Gorbunov, 2002), (Gorbunov, Lauritsen, 2004) является эффективным и широко применяемым для получения угла рефракции из радиоданных, реконструкции структуры лучевого многообразия из измерений комплексной волны. Интегральный оператор Фурье, используемый в методе канонических преобразований, компенсирует эффекты распространения волнового поля в свободном пространстве. Таким образом, снимаются ограничения, связанные с величиной зоны Френеля, и это позволяет извлекать профили угла рефракции с более высоким разрешением. Амплитуда преобразованного волнового поля нечувствительна к любым эффектам распространения волны в сферически-слоистой среде, поэтому ее флуктуации обусловлены только горизонтально-неоднородными структурами. Наблюдения звездных мерцаний показали, что атмосфера Земли характеризуется двумя типами неоднородностей: 1) изотропные флуктуации (Колмогоровская турбулентность) и 2) сильно анизотропные слоистые структуры (внутренние гравитационные волны). Исходя из этих данных, эмпирическая двухкомпонентная модель спектра трехмерной неоднородности, у которой анизотропная составляющая описывается моделью насыщенных внутренних гравитационных волн (ВГВ), и изотропная составляющая моделируется как колмогоровская турбулентность (Gurvich, Brekhovskikh, 2001; Gurvich, Kan, 2003a Gurvich, Kan, 2003b). В работе получено уравнение для амплитуды преобразованного поля в геометрооптическом приближении. Получено операторное соотношение между спектрами флуктуаций амплитуды и спектрами флуктуаций показателя преломления атмосферы и амплитуды. Найдена простая асимптотика для спектров флуктуаций амплитуды. Для проверки было выполнено численное моделирование радиозатменного зондирования атмосферы, включая случайную составляющую с изотропным спектром Колмогорова. Оценены спектры флуктуаций амплитуды для частот 1 ГГц, 2 ГГц, 4 ГГц и 8 ГГц, у которых имеется дифракционный спад после пространственной частоты, пропорциональной квадратному корню из частоты волнового поля. Проведено сравнение этих спектров с нашей геометрооптической асимптотической формулой, которое продемонстрировало хорошее согласие для пространственных частот ниже дифракционного предела. Результаты данной работы могут быть полезны для исследования флуктуаций атмосферного показателя преломления. Данная работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, гранты № 16-05-00358 и № 18-35-00368.


Литература

1. Belloul M.B., Hauchecorne A. Effect of periodic horizontal gradients on the retrieval of atmospheric profiles from occultation measurements // Radio Sci. 1997. Vol. 32. P. 469-478.
2. Gurvich A.S. , Kan V. and Fedorova O.V. Stratospheric radio occultation measurements on the GPS-Microlab-1 satellite system: Phase fluctuations // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2000. Vol. 36. P. 300-307.
3. Tsuda T., Nishida M., Rocken C. and Ware R.H. A global morphology of gravity wave activity in the stratosphere revealed by the GPS occultation data (GPS/MET) // J. Geophys. Res. 2000. Vol. 105. P. 7257-7273.
4. Wang L. and Alexander M.J. Global estimates of gravity wave parameters from GPS radio occultation temperature data // J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115. P. D21122.
5. Shume E. and Ao C. Remote sensing of tropospheric turbulence using GPS radio occultation, Atmos. Meas. Tech. 2016. Vol. 9, P. 3175-3182. doi: 10.5194/amt-9-3175-2016
6. Kan V., Gorbunov M.E. and Sofieva V.F. Fluctuations of radio occultation signals in sounding the Earth's atmosphere // Atmos. Meas. Tech. 2018. Vol. 11, P. 663–680. doi: 10.5194/amt-11-663-2018.
7. Gorbunov M.E. Canonical transform method for processing radio occultation data in lower troposphere // Radio Sci. 2002. Vol. 37. P. 9-1–9-10. doi:10.1029/2000RS002592.
8. Gorbunov M.E., Lauritsen K.B. Analysis of wave fields by Fourier Integral Operators and its application for radio occultations // Radio Sci. 2004. Vol. 39. P. RS4010. doi:10.1029/2003RS002971
9. Gurvich A.S. and Brekhovskikh V.L. Study of the Turbulence and Inner Waves in the Stratosphere Based on the Observations of Stellar Scintillations from Space: A Model of Scintillation Spectra, Waves in Random Media // 2001. Vol. 11 P. 163–181.
10. Gurvich A.S. and Kan V. Structure of air density irregularities in the stratosphere from spacecraft observations 5 of stellar scintillation: 1. Three-dimensional spectrum model and recovery of its parameters // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2003a. Vol. 39. P. 300–310.
11. Gurvich A.S. and Kan V. Structure of air density irregularities in the stratosphere from spacecraft observations of stellar scintillation: 2.Characteristic scales, structure charac-teristics, and kinetic energy dissipation // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2003b. Vol. 39. P. 311–321.