Middle Atmosphere Dynamics: Exploiting Infrasound Using a Multidisciplinary Approach at High Latitudes

Været vi opplever bestemmes i stor grad av prosesser i den nedre atmosfæren - troposfæren. Observasjoner og modeller brukes til å produsere numeriske værvarsler. Men, den nedre atmosfæren påvirkes også av dynamikken i den midtre atmosfæren: stratosfæren (15-50 km høyde) og mesosfæren (50-90 km). Den midtre atmosfæren har et lengre minne og dynamiske endringer kan koble nedover for å påvirke været over tidsskalaer av måneder eller sesong. En bedre forståelse av dynamikken i den midtre atmosfæren og koblingen mellom atmosfæriske lag vil derfor kunne forbedre langtidsværvarsler. Direkte observasjon av dynamikken i den øvre stratosfæren og mesosfæren er mye vanskeligere å gjøre enn i troposfæren, og vi må derfor bruke indirekte metoder for å fjernmåle og for å karakterisere denne regionen. En slik indirekte metode bruker infralyd, som er lyd i lavere frekvenser enn mennesket kan høre og som genereres av kilder som eksplosjoner, sjokkbølger som blir generert når lydmuren blir brutt, fra vulkaner, meteorer, rakettoppskytinger og fra havbølger. Infralyd forplanter seg over lange avstander (opp til tusenvis av kilometer) i den midtre atmosfæren. På samme måte som høyfrekvent ultralyd kan brukes til å se inn i menneskekroppen, kan infralydobservasjoner brukes til å hente informasjon om den midtre atmosfæren. Vårt prosjekt "Middle Atmosphere Dynamics: Exploiting Infrasound Using a Multidisciplinary Approach at High Latitudes" (MADEIRA) har assimilert infralyddata inn i atmosfæremodeller. Fokus har vært på infralyd generert fra kontrollerte eksplosjoner og fra sjøbølger (mikrobaromer). De viktigste fagfellevurderte og publiserte resultatene fra prosjektet er: 1) Sammen med forskere fra Universitetet i Reading, Storbritannia, viste MADEIRA for første gang hvordan man kan assimilere infralyddata fra eksplosjoner inn i atmosfæremodeller. Det er fremdeles behov for mye forskning infralyddata kan assimileres i operasjonell numerisk værvarsling. Det er heller ikke klarlagt hvor mye disse dataene kan forbedre værvarslinger. Denne studien representerer likevel et viktig skritt i retning av fremtidig forbedring av langtidsværvarslinger. 2) MADEIRA etablerte en direkte kobling mellom infralyddata og den gjennomsnittlige vindstyrken i den øvre stratosfæren over polarområdene. Dette ble gjort gjennom å trene et spesialisert nevralt nettverk til å lenke tidsserier av infralydmålinger til gjennomsnittlig stratosfærisk vind. Det nevrale nettverket ble først trent på fem års av data fra tre polare infralydstasjoner og atmosfæremodellen ERA5. Infralyddatane ble filtrert slik at de i hovedsak innholdt mikrobaromsignaler. Mikrobaromer propagerer i stratosfæren og er derved følsomme for vindstrukturen der. Resultatene ble validert med hjelp av to år med infralyddata og ERA5-modeller. Dette viste at vi kan finne gode estimater av gjennomsnittlig vind i den øvre stratosfæren ved bare å bare bruke infralyddata. Usikkerheten i estimatene er rundt 12 m/s. Dette er et lovende resultat, spesielt med tanke på at vi bare brukte data fra tre infralydstasjoner, og fordi det nevrale nettverk ikke var eksponert for informasjon om mikrobaromkildene. Siden infralyddata er tilgjengelig i sanntid, legger dette arbeidet grunnlaget for fremtidige operasjonell diagnostikk av den stratosfæriske polarvirvelen med hjelp av infralyd. 3) MADEIRA målte mesosfæriske tyngdebølger ved bruk av infralyddata fra en konsistent serie av eksplosjoner. Tyngdebølger oppstår for eksempel når luft beveger seg oppover over fjell, og de spiller en viktig rolle i overføringen av energi mellom ulike lag av atmosfæren. Å representere småskala tyngdebølger bedre er viktig fordi dagens klima- og værvarslingsmodeller generelt ikke modellerer disse fullstendig. I denne MADEIRA-studien brukte vi infralydopptak fra 49 eksplosjoner. Ved bruk av en spesialisert signalbehandlingsmetodikk ble diss brukt til å måle det vertikale bølgetallsspekteret hos fin-skala mesosfæriske strukturer relatert til tyngdebølger. Vi sammenlignet våre funn med radardata og fikk god overensstemmelse. Denne studien var den første som brukte infralyd fra en stor og konsistent serie av eksplosjoner til å måle tyngdebølger. MADEIRA har utviklet innovative metoder som bruker infralyddata til å forbedre representasjonen av den midtre atmosfærens dynamikk i atmosfæremodeller. Prosjektet har lagt et grunnlag som på lengre sikt kan gi bedre langtidsværvarslinger.

MADEIRA has developed and validated methodologies to explore the middle atmosphere with novel infrasound data assimilation techniques, propagation modeling, and data processing approaches to demonstrate a remote atmospheric sensing potential. MADEIRA has paved the way for realtime infrasound-based stratospheric polar vortex diagnostic tools. MADEIRA facilitates work towards inclusion of more realistic middle atmospheric wind into medium- and long-range prediction models. A more consistent new-generation models will be valuable to a society relying on accurate medium- and long-range range weather predictions. This includes sectors such as energy, agriculture, health, offshore, transport, food security, disaster risk reduction, and insurance. Another long-term aim is to derive the global signature of atmospheric tides and normal mode oscillations using the global infrasound network.

We will contribute to a more realistic incorporation of the middle atmosphere in weather models, providing a path towards more accurate medium-range forecasts. We use techniques having the advantage of providing continuous observations over long timescales with wide geographical coverage. Our data-driven tools to derive the dynamic properties of the middle atmosphere at 30-60 km altitudes rely on time series of infrasound (very low-frequency, inaudible sound) recorded at ground-based Arctic stations. In particular, we consider infrasonic ambient noise from ocean surface wave interaction - microbaroms - where oceanic wave-action models will be used to identify active sources. These data will provide constraints on probabilistic medium-range weather forecasts and climate models. The middle atmosphere is relatively inaccessible to continuous measurements, particularly for winds above 40 km altitude. The region is poorly studied and not well understood compared with the thermosphere aloft from which satellites and radars provide data, and with altitudes below probed by weather balloons and other technologies. Established forecast models assimilate very little middle atmospheric data, so modelling is less accurate above ~50 km altitude. Still, this region is coupled to the troposphere below, with events like Sudden Stratospheric Warmings (SSWs) known to influence the conditions at ground level. Infrasound data will also be interpreted in the context of: a) Meteor radar wind measurements at 70-100 km: We will obtain new understanding of stratosphere-mesosphere coupling, especially for regional and global events like SSWs. b) The role of middle atmosphere dynamics in probabilistic medium-range weather prediction and sub-seasonal prediction: This will be based on combined meteor radar and infrasound data. We will design diagnostic tools to interpret the data in terms of the middle atmospheric circumpolar vortex circulation.