Acoustic monitoring of internal gravity waves in the lower troposphere using an anti-hail acoustic cannon

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of study of the influence of internal gravity waves (IGWs) on the spatial and temporal variability of the lower troposphere using a triangular network of three microbarographs and an anti-hail acoustic cannon installed in Talin (Armenia) are presented. By coherent analysis of pressure fluctuations measured at different points, the IGWs generated by thunderstorm cells about 5-6 h before the passage of the cells over the network of microbarographs were detected. The regularities of changes with time of phase speeds and directions of propagation of IGWs precursors of thunderstorms were studied. The possibility of monitoring of IGWs in the troposphere by measuring temporal fluctuations of the travel time of acoustic pulses along the ray-paths connecting the anti-hail cannon with spatially separated acoustic receivers has been demonstrated. Vertical profiles of wind velocity fluctuations in certain layers of the lower troposphere up to a height of 800 m were reconstructed from the shapes and travel times of acoustic pulses with a shock front scattered by a fine layered structure of wind velocity and temperature in the stably-stratified lower troposphere. Due to the high vertical resolution (of the order of 1 m) of the method of pulsed acoustic sounding of the lower troposphere used here, the vertical wavenumber spectra of layered inhomogeneities of wind velocity in the range of short vertical scales, from one to tens of meters, were obtained for the first time and theoretically interpreted.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. P. Chunchuzov

Obukhov Institute of Atmospheric Physics

Author for correspondence.
Email: igor.chunchuzov@gmail.com
Russian Federation, 3 Pyzhevsky Per., 119017 Moscow

V. G. Perepelkin

Obukhov Institute of Atmospheric Physics

Email: igor.chunchuzov@gmail.com
Russian Federation, 3 Pyzhevsky Per., 119017 Moscow

S. N. Kulichkov

Obukhov Institute of Atmospheric Physics

Email: igor.chunchuzov@gmail.com
Russian Federation, 3 Pyzhevsky Per., 119017 Moscow

O. E. Popov

Obukhov Institute of Atmospheric Physics

Email: igor.chunchuzov@gmail.com
Russian Federation, 3 Pyzhevsky Per., 119017 Moscow

G. V. Azizyan

Obukhov Institute of Atmospheric Physics

Email: igor.chunchuzov@gmail.com
Russian Federation, 3 Pyzhevsky Per., 119017 Moscow

A. A. Vardanyan

National Polytechnic University of Armenia

Email: igor.chunchuzov@gmail.com
Armenia, 105 Teryan, Yerevan

G. E. Ayvazyan

National Polytechnic University of Armenia

Email: igor.chunchuzov@gmail.com
Armenia, 105 Teryan, Yerevan

References

  1. Бовшеверов В.М., Грачев А.И., Ломадзе С.О. Жидкостный микробарограф // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1979. Т. 15. № 2. C. 1215–1217.
  2. Грачев А.И., Данилов С.Д., Куличков С.Н., Свертилов А.И. Основные характеристики внутренних гравитационных волн в нижней атмосфере от конвективных штормов // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1994. Т. 30. № 6. C. 759–767.
  3. Данилов С.Д., Свертилов А.И. ВГВ, генерируемые при прохождении гроз // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1991. Т. 27. № 3. С. 234–242.
  4. Каллистратова М.А., Кузнецов Р.Д., Петенко И.В. Реализация идей А.М. Обухова о наземном дистанционном зондировании нижней тропосферы акустическими и электромагнитными волнами // В сб. Труды конференции «Турбулентность, динамика атмосферы и климата» / Под. ред. Г.С. Голицына, И.И Мохова. М: ГЕОС, 2014. C. 593–620.
  5. Куличков С.Н., Н.Д. Цыбульская, И.П. Чунчузов, В.А. Гордин, Ф.Л. Быков, А.И. Чуличков, В.Г. Перепелкин, Г.А. Буш, Е.В. Голикова. Исследования внутренних гравитационных волн от атмосферных фронтов в московском регионе // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53. № 4. С. 455–469.
  6. Куличков С.Н, И.П. Чунчузов, О.Е. Попов, В.Г. Перепелкин, Е.В. Голикова, Г.А. Буш, И.А. Репина, Н.Д. Цыбульская, Г.И. Горчаков. Внутренние гравитационные и инфразвуковые волны во время урагана в Москве 29 мая 2017 г. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 2. C. 32–40.
  7. Люлюкин В.С., Каллистратова М.А., Кузнецов Р.Д., Кузнецов Д.Д., Чунчузов И.П., Широкова Г.Ю. Внутренние гравитационно-сдвиговые волны в атмосферном пограничном слое по данным акустической локации // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. V. 51. P. 218–229.
  8. Сапунов М.В., Мельникова И.Н., Донченко В.К., Самуленков Д.А, Кузнецов А.Д. Сопоставление вертикальных профилей скорости и направления ветра, полученных на основе лидарных и аэрологических измерений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 1. С. 149–160.
  9. Перепелкин В.Г., Куличков С.Н., Чунчузов И.П. Изучение оптимальных условий регистрации информативного сигнала при исследовании пограничного слоя атмосферы акустическим методом частичных отражений // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49. № 2. C. 180–195.
  10. Шакина Н.П., Иванова А.Р. Прогнозирование метеорологических условий для авиации. Росгидромет, 2016. 308 с.
  11. Чунчузов И.П, Перепелкин В.Г., Куличков С.Н., Горчаков Г.И., Каллистратова М.А., Джола А., Лу Джун, Пенсяо Тэнг, Ичун Янг, Ву Лин, Килонг Ли, Ели Сан. Влияние внутренних гравитационных волн на метеорологические поля и газовые примеси вблизи городов Москва и Пекин // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 2017a, Т. 53. № 5. С. 597–611.
  12. Чунчузов И.П., Перепелкин В.Г., Попов О.Е., Куличков С.Н., Варданян А.А., Айвазян Г.Е., Хачикян Х.З. Исследование характеристик тонкой слоистой структуры нижней тропосферы с помощью акустического импульсного зондирования // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 2017 б. Т. 53. № 3. C. 279–293.
  13. Чунчузов И.П., Перепелкин В.Г., Куличков С.Н., Попов О.Е., Варданян А.А., Айвазян Г.Е. Рассеяние акустического импульса на анизотропных неоднородностях устойчиво-стратифицированного пограничного слоя атмосферы // В сб. трудов XXXII сессии Российского акустического общества. Москва. 2019. ГЕОС. C. 53–59.
  14. Aramyan A.R., Galechyan G.A., Vardanyan A.A. A study of acoustic waves generated by the shock wave of an antihail gun // Acoustical Physics. 2011. V. 57. № 3. P. 432–436.
  15. Avilov K.V. Pseudo-differential parabolic eduations of sound propagation in the slowly range-dependent ocean and their numerical solutions // Acoust. Phys. 1995. V. 41. № 1. P. 1–7.
  16. Balsley B.B., Lawrence D.A., Woodman R.F., Fritts D.C. Fine-scale characteristics of temperature, wind, and turbulence in the lower atmosphere (0–1300 m) over the south Peruvian coast // Boundary-Layer Meteorology. 2013. V. 147. P. 165–178. https://doi.org/10.1007/s10546-012-9774-x.
  17. Banakh V.A., Smalikh I.N. The Impact of Internal Gravity Waves on the Spectra of Turbulent Fluctuations of Vertical Wind Velocity in the Stable Atmospheric Boundary Layer // Remote Sens. 2023. V. 15. P. 2894. https://doi.org/10.3390/rs15112894.
  18. Blanc E., Farges T., Le Pichon A. and Heinrich P. Ten year observations of gravity waves from thunderstorms in western Africa // J. Geophys. Res. Atmos. 2014. V. 119. P. 6409–6418. doi:10.1002/ 2013JD020499.
  19. Blumen W., Banta R., Durns S.P., Fritts D.C., Newsom R., Poulos G.S., Sun J. Turbulence statistics of a Kelvin– Helmholtz billow event observed in the nightime boundary layer during the CASES-99 field program // Dyn. Atmos.Oceans. 2001. V. 34. P. 189–204.
  20. Bowman H.S., Bedard A.J. Observations of infrasound and subsonic pressure disturbances related to severe weather // Geophys. J. Roy. Astron. Soc.. 1971. V. 26. P. 215–242.
  21. Birner T. Fine‐scale structure of the extratropical tropopause region. J. Geophys. Res. 2006. V. 111. D04104. doi: 10.1029/2005JD006301.
  22. Caughey S.J. and Readings C.J. An observation of waves and turbulence in the earth’s boundary layer // Boundary–Layer Meteorol. 1975. V. 9. P. 279–296.
  23. Chimonas G. and Peltier W.R. On severe storm acoustic signals observed at ionospheric heights // J. Atmos. Terr. Phys. 1974. V. 36. P. 821–828.
  24. Chimonas G. Steps, Waves and Turbulence in the Stably Stratified Planetary Boundary Layer // Boundary-Layer Meteorol. 1999. V. 90. P. 398–416.
  25. Chunchuzov I., Kulichkov S., Otrezov A., Perepelkin V. Acoustic pulse propagation through a fluctuating stably stratified atmospheric boundary layer // J. Acoust. Soc. Am. 2005. V.117. P. 1868–1879.
  26. Chunchuzov I., Kulichkov S.N., Perepelkin V., Ziemann A., Arnold K. and Kniffka A. Acoustic tomographic study of the mesoscale coherent structures in the lower atmosphere // Proc. Meetings Acoust. 2007. http://scitation.aip.org/confst/ASA/pub/8/4pPA5.
  27. Chunchuzov I., Kulichkov S., Perepelkin V., Ziemann A., Arnold K., Kniffka A. Mesoscale variations in acoustic signals induced by atmospheric gravity waves // J. Acoust. Soc. Am. 2009. V. 125. № 2. P. 651–664.
  28. Chunchuzov I., Kulichkov S., Perepelkin V., Popov O., Firstov P., Assink J.D., Marchetti E. Study of the wind velocity-layered structure in the stratosphere, mesosphere and lower thermosphere by using infrasound probing of the atmosphere // J. Geophys. Res. 2015. V. 120. doi: 10.1002/2015JD023276.
  29. Chunchuzov I.P. Nonlinear formation of the three-dimensional spectrum of mesoscale wind velocity and temperature fluctuations in a stably stratified atmosphere // J. Atmos. Sci. 2018. V. 75. P. 3447–3467.
  30. Chunchuzov I., Kulichkov S., Popov O., Perepelkin V., Vardanyan A. and Ayvazyan G. Physical modeling of waveguide propagation and scattering of infrasound signals in the atmosphere. // Proceed. 18-th Long Range Sound Propagation (LRSP) Symposium. 2020. University of the District of Columbia (Washington).
  31. Chunchuzov I., Kulichkov S., Popov O., Perepelkin V., Vardanyan A. and Ayvazyan G. Atmospheric boundary layer as a laboratory for modeling infrasound propagation and scattering in the atmosphere. // Pure and Applied Geophysics. 2021. V. 178. № 2. doi: 10.1007/s00024-020-02507.
  32. Chunchuzov I.P., Kulichkov S.N., Popov O.E., and Perepelkin V.G. Infrasound Generation by Meteorological Fronts and Its Propagation in the Atmosphere // J. Atm. Sci. 2021. V. 78. № 5. P. 1673–1686.
  33. Chunchuzov I., Kulichkov S., Popov O., Perepelkin V., Vardanyan A. and Ayvazyan G. Infrasound and Internal Gravity Waves generated by Meteorological Fronts // Proceedings of Meetings on Acoustics. 2023. V. 0. Acoustical Society of America. https://doi.org/10.1121/2.0001713.
  34. Dalaudier F., Sidi C., Crochet M., Vernin J. Direct evidence of sheets in the atmospheric temperature field // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51. P. 237–248.
  35. Danilov S.D., and Chunchuzov I.P. Possible Mechanism of Layered Structure Formation in a Stably Stratified Atmospheric Boundary Layer // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 1992. V. 28. P. 684–688.
  36. Einaudi F., and Finnigan J.J. Wave-turbulence dynamics in the stably stratified boundary layer // J. Atmos. Sci. 1993. V. 50. P. 1841–1863.
  37. Fritts D.C., Wang L., Werne J.A. Gravity Wave–Fine Structure Interactions. Part I: Influences of Fine Structure Form and Orientation on Flow Evolution and Instability // J. Atmos. Sci. 2013. V. 70. P. 3710–3734.
  38. Georges T.M. Infrasound from convective storms: Examining the evidence // Reviews of Geophysics. 1973. V. 11. № 3. P. 571–594.
  39. Gossard E.E. and Hooke W.H. Waves in the atmosphere. 1975. Elsevier, Amsterdam, 456 pp.
  40. Gossard E.E., Gaynor J.F., Zamor R.J., and Neff W.D. Fine structure of elevated stable layers observed by sounder and in situ Tower Sensors // J. Atmos. Sci. 1985. V. 42. P. 2156–2169.
  41. Jones R.M. and Georges T.M. Infrasound from convective storms. III. Propagation to the ionosphere // J. Acoust. Soc. Am. 1976. V. 59. P. 765. https://doi.org/10.1121/1.380942.
  42. Hung R.J., Plan T. and Smith R.E. Coupling of ionosphere and troposphere during the occurrence of isolated tornadoes on November 20, 1973 // J. Geophys. Res. 1979. V. 84. P. 1261–1267.
  43. Kantha et al. Atmospheric structures in the troposphere as revealed by high-resolution backscatter images from MU radar operating in range imaging mode // Progress in Earth and Planetary Science. 2019. https://doi.org/10.1186/s40645-019-0274-1
  44. Martin S., Bange J. and Beyrich F. Meteorological profiling of the lower troposphere using the research UAV “M2AV Carolo” // Atmos. Meas. Tech. 2011. V. 4. P. 705–716.
  45. Lay E.H., Shao X.-M., Kendrick A.K. and Carrano C.S. Ionospheric acoustic and gravity waves associated with midlatitude thunderstorms // J. Geophys. Res. Space Physics. 2015. V.120. P. 6010–6020. doi: 10.1002/2015JA021334.
  46. Laštovička J. Forcing of the ionosphere by waves from below // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2006. V. 68. P. 479–497. doi: 10.1016/j.jastp.2005.01.01.
  47. Hubert Luce et al. Vertical structure of the lower troposphere derived from MU radar, unmanned aerial vehicle, and balloon measurements during ShUREX 2015 // Progress in Earth and Planetary Science. 2018. V. 5. № 29. https://progearthplanetsci.springeropen.com/ articles/10.1186/s40645-018-0187-4.
  48. Nalbandyan O. The Clouds Microstructure and the Rain Stimulation by Acoustic Waves // Atmospheric and Climate Sciences. 2011. V. 1. P. 86–90 doi: 10.4236/acs.2011.13009.
  49. Plougonven R. and Zhang F. Internal gravity waves from atmospheric jets and fronts // Reviews of Geophysics, American Geophysical Union. 2014. V. 52. № 1. P. 33–76.
  50. Šauli P. and Boška J. Tropospheric events and possible related gravity wave activity effects on the ionosphere // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2001. V. 63. P. 945–950.
  51. Stobie J.G., Einaudi F. and Uccellini L.W. A case study of gravity waves-convective storms interaction // J. Atm. Sci. 1983. V. 40. P. 2804–2830.
  52. Staquet C. and Sommeria J. Internal gravity waves: From instabilities to turbulence // Annual Review of Fluid Mechanics. 2002. V. 34. P. 559–593.
  53. Sun J. et al. Review of wave-turbulence interactions in the stable atmospheric boundary layer // Rev. Geophys. 2015a. V.53. doi: 10.1002/2015RG000487.
  54. Sun J., Mahrt L., Nappo C., Lenschow D.H. Wind and Temperature Oscillations Generated by Wave–Turbulence Interactions in the Stably Stratified Boundary Layer // J. Atmos. Sci. 2015b. V. 72. P. 1484–1503.
  55. Tsuda T. Characteristics of atmospheric gravity waves observed using the MU (middle and upper atmosphere) radar and GPS (global positioning system) radio occultation // Proc. Japan Acad. 2014. V. 90B. P. 12–27.
  56. Uccellini L.W. Historical Perspective on the Research and Operational Application of Weather-Significant Gravity Waves. // Presentation at SPARC Gravity Wave Symposium, May 16–20. 2016. Pennsylvania State University US.
  57. Vardanyan A.A., Galechyan G.A. Acoustic waves and flows of negative ions for stimulation of the precipitations // Intеrnational Journal of Altern. Energy and Ecology. 2012. V. 8. P. 85–90.
  58. Vardanyan А.А., Galechyan G.A., Perepelkin V.G., Chunchuzov I.P. On generation of a shock wave in a hail protection setup // Technical Physics. 2011. V. 56. № 10. P. 1524–1526.
  59. Zeri M. and Sá L.D.A. Horizontal and Vertical Turbulent Fluxes Forced by a Gravity Wave Event in the Nocturnal Atmospheric Surface Layer Over the Amazon Forest // Boundary-Layer Meteorol. 2011. V. 138. P. 413–431. doi: 10.1007/s10546-010-9563-3.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Top: triangular network of microbarographs in Talin (Armenia). Bottom: internal gravity waves (IGWs) caused by the passage of thunderstorm cells F1 and F2 through the triangular network of microbarographs 1 (“Barva”)-2 (“Artem”)-3 (“Zavod”) and recorded on November 1–2, 2019. Also shown are IGWs-harbingers of thunderstorms, filtered out from atmospheric pressure fluctuations using coherence analysis. The horizontal axis shows local time in hours, equal to UTC+4 h; the vertical axis shows atmospheric pressure in Pa.

Download (134KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Change in the correlation coefficient between pressure fluctuations on the triangular antenna, the azimuth of arrival of low-frequency IGWs in the frequency range of 0.00020–0.00035 Hz (periods of 48–83 min) over time. The time interval of the sharp change in the azimuth of wave propagation after the passage of the thunderstorm cell F2 through the triangular network is indicated.

Download (35KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. (a) Pressure jumps F1 and F2 recorded on microbarographs 1 and 3 during the passage of thunderstorm cells above them, and pressure fluctuations caused by IGWs, recorded several hours before the arrival of thunderstorm cells. (b) Coherence functions between pressure fluctuations on microbarographs 1 and 3 depending on time and frequency (c). Change in the horizontal phase velocity of the IGW over time (relative to 01.10.2019, 00:00 h) for the frequency range of 0.0029–0.0031 Hz (corresponding periods of 5.4–5.7 min).

Download (129KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Upper panel: conical outlet pipe of the shock wave generator. Middle panel: pulse signals recorded on the ground surface at a horizontal distance of 30 m from the generator pipe, and directly above the pipe cut at a height of 30 m. Lower panel: weakening of the amplitude of the leading edge of the signal with an increase in the vertical coordinate z, measured from the ground surface (obtained by lifting a quadcopter with acoustic receivers). The amplitude is normalized to the amplitude near the source.

Download (78KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Variations in time delays (marked as z21, z23, z13) between the arrivals of acoustic pulses from the anti-hail acoustic gun in Armenia to the receivers of each pair: 2–1, 2–3, 1–3, measured on September 17, 2015 (20:00–21:08) (a) and the coherence between time fluctuations of delays z21 and z23 (b).

Download (65KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Measured signals (01.10.2018, 19:36, Talin, Armenia) and signals calculated by the PPU method at distances of = 2250 m (a) and = 2750 m (b) from the acoustic gun, and the average (over three pairs of the triangular antenna of the receivers) coherences between the signals.

Download (86KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Top: reconstructed vertical profiles of fluctuations in the effective speed of sound at distances of 1125 m and 1375 m from the acoustic gun in Armenia (a)–(b). Bottom: results of calculations by the PPU method of the main signal arrival (“main”) in the surface waveguide and arrivals 1, 2, 3 scattered by the reconstructed fluctuations shown at the top.

Download (90KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Reconstructed vertical fluctuations in the signal reflection layer of 600–670 m at a distance of 1125 m from the source, and in the layer of 700–770 m at a distance of 1375 m from the source (a) and the coherence between the vertical fluctuations reconstructed at distances of 1125 and 1375 m from the source (b).

Download (32KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Vertical spectra of fluctuations reconstructed in different years.

Download (51KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Vertical oscillations of the gradient in the 430–500 m layer.

Download (31KB)
Indexing metadata


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».