论文总字数：14626字

目 录

1 引言 5

2 数据处理方法 7

2.1 CIPS数据来源和AIM卫星 7

2.2 MLS数据 8

3 CIPS夜光云反照率分布规律 9

3.1 CIPS数据处理 9

3.2 CIPS反照率图像的5年平均值 11

3.3反照率分布规律分析 12

4 夜光云空洞的成因分析 13

4.1 MLS数据处理 13

4.2 温度对夜光云空洞可能产生的影响 14

4.3水汽对夜光云空洞可能产生的影响 15

4.4 0-D模型对IWC的模拟结果 15

4.5 温度与水汽异常值的讨论 16

5 结论 18

5.1夜光云空洞及成因 18

5.2 南北半球差异 18

参考文献： 19

致谢 20

夜光云空洞以及南北半球差异研究

黄 岳

, China.

Abstract: Using Cloud Imaging and Particle Size instrument (CIPS) albedo data on-board aeronomy of ice in the mesosphere (AIM) satellite during 2007~2011, a Noctilucent clouds (NLCs) hole is found in the area of 75°S~81°S and 30°W~130°W in south hemisphere. The albedo in this area decreases by 50% compared with the surrounding parts from the albedo map averaged by 5 years. Also, the hole can be clearly seen from annual maps. In order to introduce a further research, we employ the temperature and water vapor data from microwave limb sounding experiment (MLS) on-board AURA satellite to analyze their influence on the NLCs hole. The grid maps indicate that the average temperature in the hole area increase 10 K from surrounding area, while the water vapor decreases 0.5 ppmv. These abnormal variations may induce the hole. The higher temperature cannot allow the NLCs to be kept stable, while the fewer water vapor is not conducive to the growth of ice crystals. Furthermore, 0-D model is employed to simulate the ice water content (IWC) by inputting temperature and water vapor. It obtain an IWC hole in the same area where the IWC has an obvious reduction of 5 g/km² (~41%). This result can prove the double modulation from temperature and water vapor. According to the previous researches, we conclude that the gravity waves can occur more frequently in this area because of a high mountain locating there. The gravity waves then induce a nonlinear interaction between the migrating tidal waves and planetary waves. The result of this processing is to produce a non- migrating tidal waves with a fixed phase and larger amplitude. Finally the hole will be created since the non- migrating tidal waves can warm the air. However, the reasons for inducing the abnormal variations in water vapor need to be researched in further work.

Key words：Noctilucent clouds, Mesosphere, CIPS, MLS, 0-D model, temperature, water vapor

1 引言

夜光云是发生在南北半球55°~90°高纬度地区的中高层大气，厚度约1km的波状云，也成为极区中间层云。通常的类型有：面纱型、条带型、波浪型、漩涡型。目前的研究结果普遍认为夜光云主要由半径为10^-5～10^-4cm的冰晶微粒组成，在北半球的5月中旬至8月， 南半球则为11月至次2月之间夜光云产生， 这段时间常被称为夜光云季，由于这段时间，极地处于夏季，中间层顶温度最低只有130K比冬季时还要冷大约90K，所以只需要很小的水汽条件就可以是大气处于过饱和状态，十分有利于夜光云的形成。夜光云从极地向赤道方向移动，平均速度40 m/s，寿命1～3 h。一般弱夜光云用肉眼看不见，需要用紫外或红外光学仪器可以观测激光雷达是对夜光云分析的最好的方法（除了现场探测），精确度达到100米。在近半个世纪内对通过对南北半球的夜光云的持续观测发现，夜光云的观测亮度和出现频率和纬度范围都在增大。这种变化引起了科学界的关注，让夜光云的研究成为中高层大气研究的一个热点。

图1.1 英国上空美丽的夜光云

夜光云作为特种云的一种出现在在夏季极地地区的，高度在大约83km。夜光云对温度、水汽的变化十分敏感，因此温度、水汽可以作为观察其长期变化的重要指标。目前对于夜光云的形成原因科学界还在讨论组。目前普遍认可的理论就是：夜光云主要有细微的冰粒子构成（只对于对流层成立）。平流层也称同温层，位于对流层上，平流层往上是中间层，但是平流层有一个特点，就是上热下冷，所以在其垂直方向上只有很少的对流，大气运动一般集中在水平方向上，因此，中间层的温度实际上是很高的。由于南北极地地区地表环境，南北半球低纬度地区地表海洋环境的分布，大气环流的都存在各种不同，而且夜光云的生成易受温度水汽条件的影响。南北半球夜光云也很有可能存在差异。

F.-J. Lu¨bken等人分别对Ku¨hlungsborn（54°N），阿洛玛（69°N），和斯匹次卑尔根（78N）（平均质心高度（Z_c）是82.75公里，83.33公里，和83.68公里）这一区域的夜光云进行一段1500小时的激光雷达探测。在通过分析数据发现。主要原因时夜光云高度随纬度的稳定性取决于系统的热力结构，所以他们通过LIMA模型能很好的模拟夜光云发生发展的热力条件，海拔高度条件。他们的研究提供了一个很好的研究夜光云的方法。基于他们的对夜光云激光雷达观测数据和观测方法，可以对南北半球发生的夜光云反照率进行多年的平均，来更加的观察夜光云的情况。拉普和托马斯提供了夜光云粒子物理学的资料和描述夜光云对温度的高灵敏度属性的物理模型。卜令兵等在《利用CIPS图像研究夜光云中重力波扰动对冰晶径谱的影响规律》论文中，介绍了AIM卫星上搭载的CIPS，

CIPS是由四台带有紫外滤光片的CCD相机组成的紫外全景成像仪。CIPS可以获取来自前向散射光和背景大气的瑞利散射光，而且不受同高度上臭氧带辐射光的影响。他们通过对2007年南北半球CIPS数据进行分析，将每条轨道的所有原始图像进行了融合，给予他们相同的分辨率，所以能很清晰的显示出南北半球高纬度地区夜光云的反照率图像像。他们的研究提供了跟好的方法和思路，利用AIM卫星搭载的CIPSLevel 3A Data数据，Level 3A Data包含了近几年南北半球夜光云反照率图像像。

本文的研究主要是以AIM的CIPS数据和NASA的MLS数据为主，通过IDL计算机编译程序进行处理得到直观的夜光云图像和水汽，热力因素，对南半球高纬度地区处相对的夜光云空洞和对夜光云南北半球差异进行分析，在本文第二部分会详细介绍数据处理方法和数据分析过程，以及IDL程序部分重要的编译过程。这一部分为本文的重点，由于夜光云只在极地夏季短暂的时间出现，出现地和时间存在随机性，所以要对多年的数据进行叠加平均才能更准确的分析出夜光云在南北半球存在差异的原因。对本南北半球夜光云雷达回拨图，水汽、热力因素图像之后在本文的第三部分，我会对南北半球存在的差异进行独立对比分析，探究其存在差异的原因，在第四章我会得出最终的结论，对于夜光云南北半球的差异。

2 数据处理方法

2.1 CIPS数据来源和AIM卫星

由 NASA 研制的中层大气冰晶探测卫星（AIM）于 2007年4月25日进入太阳同步轨道，发射 AIM 卫星的一个目的就是展开对于重力波在夜光云结构和演变中造成的影响的研究。 AIM 卫星的运行轨道离地面高度约为 600km，倾斜角是 97.8°，AIM卫星运行的轨道是圆形极地轨道,AIM 每隔时间约96min 或经度约 24°分离连续两次的日出或日落。测量的日落纬度范围一般在南纬约 65°~85°之间，测量日出的范围一般在北纬约 65°~85°之间。AIM卫星的太阳同步轨道上一个升交点恰好在午夜时分经过赤道。 AIM 卫星的发射状态堪称完美，所以在其运行过程中仅产生了一个初始漂移误差，其误差每月的穿越时间低于 20s，也就是其运行轨道每年发生 β＜1°的漂移。 CIPS 图像显示夜光云中明显存在重力波结构，这与地基仪器拍摄到的夜光云图像相类似。 CIPS 观测到的重力波其水平波长变化范围一般在15km~320km 之间，最普遍的是波长小于 50km 的重力波。地基仪器观测到的夜光云通常有很明显的波浪结构，且忽明忽暗，间隔距离一般为 10~100km。本课题利用 CIPS 主要因为 CIPS 仪器具备几个明显的优势：从几何角度观测夜光云更有优势，其观测角度覆盖范围广，从天底点拓展到最大离轴角 60°；瞬时视场较大（1000km×2000km），纬度上能使极区的重叠区域延伸至 82°；能完全覆盖极区。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：14626字

相关图片展示：