论文总字数：21480字

目 录

摘要 - 2 -

Abstract - 3 -

1. 引 言 - 4 -

2. 数据和分析方法 - 6 -

2.1 SOFIE数据简介 - 6 -

2.2 0-D PMCSs模型 - 6 -

3. 冰水含量IWC的经向分布规律 - 8 -

4. IWC与温度相关系数的经向分布规律 - 15 -

5. IWC与水汽相关系数的经向分布规律 - 20 -

6. 温度与水汽对IWC影响的总体分析 - 25 -

7. 结论 - 28 -

参考文献 - 29 -

致谢 - 30 -

夜光云对温度及水汽依赖性的经向分布影响研究

杨 锐

China.

Abstract: Noctilucent clouds (NLCs) has strong dependence on surrounding atmospheric temperature and water vapor. The solar occultation for ice experiment (SOFIE) data are used in this work to research the longitudinal distributions of dependence. The data covers all NLCs’ seasons from 2007 to 2014. Additionally, a 0-D model is employed for analyzing the relationship between NLCs’ ice water content (IWC) and their saturations. We separate the clouds as strong and weak conditions, and calculate the correlations of their dependence of IWC on temperature and water vapor respectively. From the results we can conclude that the unobvious correlations between IWC and saturation for both weak and strong clouds. It may indicate that saturation is only related to the initial nucleation condition of cloud formation. The influence of ambient temperature on IWC is greater for weak clouds than bright clouds, while the conditions are reversed when analyzing with water vapor. Furthermore, all data are averaged by years to analyze the general distributions. The results suggest that the regularity seems more obvious in north hemisphere than in south. However, a strong longitudinal distribution occurs in south hemisphere which cannot be clearly distinguished in north hemisphere. It is interesting noted that there are more conditions needed to be considered if one research NLCs’ physics in south hemisphere.

Key words: Noctilucent clouds; Ice water content; Saturation ratio; Longitudinal distribution;

Correlation coefficient

1. 引 言

夜光云，也被称为极地中间层云，被用作中间层的过程和中间层顶区域中的长期变化的示踪物。从地基仪器到空基仪器，我们可以多种不同的方法对夜光云进行观测。夜光云在中间层顶附近约80～85 公里的高度上，在高纬度地区的夏季黄昏，可观测到状如卷云，具有银白色、微发青、十分明亮的光芒的云，即为夜光云。夜光云由半径为10^-5～10^-4 cm 的冰晶微粒组成， 云面积可达3×10⁶ km²。从光学象征看，一般认为是由水滴和冰晶组成，经阳光照耀所致。北半球5～8月的晨昏出现，南半球11到2月份的晨昏出现，纬度约45°～70°。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。中间层自平流层顶到85 公里左右的高度为中间层，主要特点是气温随高度的增加而迅速降低，到顶部降至160～170 K。其原因是由于该层几乎没有臭氧，而氮、氧等气体所能直接吸收的波长更短的太阳辐射大部分已被上层大气所吸收的缘故。由于气温随高度而降低，故有垂直对流运动，因而又称为高空对流层。由于有对流，以及顶部靠近暖层处的逆温有利于水汽的聚积，所以在靠近中间层顶的地带可以出现云层很薄、具有特异银白色的夜光云，尤其高纬地区当黄昏来临时，在落日余光辉映下十分明亮，这是水汽凝结物的光学现象。此外中间层内还进行着强烈的光化学反应，这些反应与大气的电离过程以及太阳辐射的变化过程有着密切的联系。顶部靠近暖层处的逆温有利于水汽的聚积，靠近中间层顶的地带可以出现云层很薄、且能发光的夜光云。中间层顶垂直风速上的这种明显扰动多发生在100 km 以上的区域， 扰动幅度可达几十米每秒。

目前国内外对夜光云的研究并不多，关于夜光云对水汽和温度依赖性的研究更少。对夜光云进行观测的卫星有AIM，Aura等。AIM卫星上运载的紫外成像仪（CIPS）从2007年5月开始常规采集全球夜光云（PMCS）的图像，从这些图像中可以检索到云反照率，冰柱和冰粒子的半径^[1]。例如，使用Aura卫星^[2]上运载的微波肢体测深仪（MLS）测量的水汽和CIPS测量的每日云反照率和相应的温度可以来研究确定在夜光云季节的不同阶段世界范围的云亮度日变化和环境温度以及水汽之间的关系^[3]。相关性的动力学变化可以通过应用0-D PMCS模型来进一步解释^[4]。物理0-D模型可以用来评估温度和水汽在决定云冰质量密度的变化方面的相关性作用。对于夜光云的研究，目前可能采取的合适的PMCS数据集包括SNOE于1996至2003年采集的数据集^[5][6]，光学摄谱仪和红外成像系统（OSIRIS）从2002年至今所采集的数据集^[7]和AIM CIPS从2007年至今所采集的数据集^[2]。例如，Merkel et al. [2008]一文中使用SNOE和SABER采集的数据来研究夜光云和温度内的行星模式^[8]。OSIRIS的数据集已经覆盖全球，它可以检测到极微弱的云，到目前为止，有十多年的测量结果，但其数据的一致性或多或少受到气层测量模式间歇性关闭的影响。因此，它需要一个更全面的技术来抽样调查OSIRIS PMCSs数据集，用于研究PMCS的空间变化^[9]。太阳紫外后向散射系列探测器（SBUV）从1978年开始测量至今提供了PMCS气候学的迄今为止最长的数据集^[10]，但因为它测量的是云的一个子集，所以使用的时候也有限制。本文使用的是SOFIE的2007至2015年的数据，数据集比较全面。

大多数卫星数据集包含每天14至15个轨道，因此可以实现~20°垂直分辨率。包括轨道条数的CIPS的数据集，可以达到高的多的水平分辨率（25平方公里），在AIM任务阶段内任何给定的季节中的整个极地覆盖率，可以测得出弱云和强云（除了一些较低纬度的很弱的云）（lt; 60°N / S）。因此CIPS数据集有利于小尺度云结构的研究，但即使我们研究行星尺度的云的变化，高分辨率仍然很有利，因为大范围的信息将会从更宽的尺度谱宽中更准确地提取。从2007年起，CIPS和MLS数据在同一时间段的可用性使得可以研究或长或短时间尺度上夜光云和环境温度以及水汽之间的关系。此外，可以获得的所有年份的整个夜光云季节的每日极地覆盖率使得分析的结果在统计意义上更可靠。

夜光云的空间变异性非常复杂，因为各种不同的过程都可能影响云变化。对环境温度和水汽做出反应的微物理过程是关键的控制过程，这个过程以在几个小时到一天的时间尺度内云的起源和升华为特征。此外，动态效果如平流、行星和重力波，潮汐也可以通过改变环境温度和水汽或通过直接干扰云的起始和升华的过程来控制PMCS变化。例如，长或短波长的重力波通过干扰云升华或起源可以暂时地增强或削弱云亮度^[11]。如果没有波动的影响，纬向的风可以将云吹到下游几百公里处^[11]。PMCS在时间尺度的层次结构内变化，它的出现不能被预测。例如，每90分钟画一张的连续轨道之间的重叠CIPS图像表明，云结构可以在几个轨道之间保持不变，也可以在每个轨道之间都改变，这都决定于动力条件。这种不可预测性可能导致PMCSs和温度（或水汽）的空间相关性很小并使得解释这个结果变得困难。

规模较小且相对局部的PMCS特性变化更加迅速，而且PMCS中大部分的不可预测性来自这些快速的变化。但是如果我们忽视小规模的变化而关注行星尺度的变化性，那么云结构将会存在更长时间。有文章发现从2007年到2011年五个北部的夜光云季节每天的分析表明，温度和反照率每日地域性的变化在夜光云季节的开始和结束成反比，而在夜光云季节的中间相关性相对较小。反照率和水在整个季节里的地域性方向上的相关性很小^[12]。0-D model的结果也表明，当夜光云越弱，或环境越温暖和干燥时，温度在决定云冰质量变化时发挥着越重要的作用，这解释了在季节的开始和结束温度和反照率的强相关性。当夜光云比较强，环境比较冷和潮湿时，水汽在季节中间决定冰的质量变化方面起很重要的作用^[12]。

2. 数据和分析方法

2.1 SOFIE数据简介

太阳掩星法冰晶探测仪（SOFIE）为搭载在AIM卫星上用于观测云的一台仪器。SOFIE整个仪器是由16个微波辐射计与8个对不同信号测量的通道组成，其采样频率为20Hz，相对应的垂直分辨率为145m。SOFIE的总有效带宽可以由在扫过视场的一段相对距离的时间或者约为0.5秒的一个有效结束时间分辨率来获得，只需要用10赫兹的一个电子低通滤波器便可确保采样。在时空扫描速率和光学视场的组合下，SOFIE产生了一个约为2公里的垂直分辨率。由于搭载SOFIE的AIM卫星轨道为一个呈圆形的极地逆行轨道，在间隔大约96分钟的时间内或者每隔24度的经度便可观测到连续两次的日出或日落，SOFIE观测到的日出和日落的时间与当地发生日出和日落的时间相近。SOFIE每天在南纬的65度和85度之间和北纬的65和85度之间分别对日落和日出执行15次测量。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：21480字

相关图片展示：