论文总字数：17913字

目 录

1 引言 5

1.1 极地中间层云 5

1.2 通过WINDII/UARS观测到的极地中间层云 6

2 反演流程 9

3 除去WIDNII原始图像中的噪声 11

3.1除去仪器中的背景噪声 11

3.2 除去后向散射噪声 12

3.2.1 计算I积分散射信号，反演体散射 12

3.2.2 最大概率法（Maximum Probability Mthod） 12

3.2.3 洋葱剥皮法（Onion Peeling Method） 15

3.2.4 两种方法的结果对比分析 16

4 求极地中间层云的体散射系数β_a 19

5 结论 21

参考文献： 22

致谢 24

利用WINDII风成像干涉仪数据反演夜光云特性

范永琛

, China

Abstarct: A large number of level 0 images were obtained from the wind imaging interferometer (WINDII) launched on the upper atmosphere research satellite (UARS) on July 24, 1993. This research is aiming for inverting the polar mesospheric clouds (PMCs) characteristics from WINDII level 0 data. The first step is removing the background noise which is made up of two parts. One comes from thermal noise generated by CCD instruments and other external factors. The other part is the residual scattered sunlight by the baffle in front of the detector. We describes the processing for removing the noise from original polar mesosphere cloud data. Then the principles of Maximum Probability Method (MPM) and Onion Peeling (OP) method are described respectively. The backscattering ratio images of PMCs were obtained by using MPM and OP respectively. By the combined comparison of these two results, MPM is more accurate in the inversion on PMCs’ backscattering ratio. The basic reason is the asymmetric distribution of PMCs throughout the layers by MPM. While OP assumes that PMCs’ intensities are uniform throughout the layer. The results show that backscattering ratios of PMCs inverted form MPM are more suitable for describing the characteristics on PMC. Furthermore, the result of this work provides basis on the inversion of microphysical parameters of PMCs.

Key words: Polar Mesospheric Clouds; Wind Imaging Interferometer; Maximum Probability Method; backscattering ratio

1 引言

1.1 极地中间层云

夜光云（NLCs，Noctilucent Clouds），由直径10~100 nm的冰晶组成，是深暑夜幕期间出现于地球高纬度地区高空的一种发光而透明的波状云。在拉丁语中，夜光是夜间发光的意思。夜光云又叫极地中间层云（PMCs，Polar Mesospheric Clouds），在发明卫星以前，只有在太阳落下地平线后才能被观测到，但是白天也同样存在。极地中间层云不仅外观艳丽多姿，而且科学研究价值丰富。它一般出现在高纬度地区（55°~90°）的中高层大气（其高度约为76~85 km，厚度约1~3km），通常于5月中旬至8月出现在北半球， 11月至次年2月出现在南半球。在夏季，极地中间层云持续约60~90天 ^[1]。

与对流层中的成云过程类似，极地中间层云的形成和消融也主要受到周围大气中温度、水汽含量和凝结核的影响，同时也会对大气波动及低电离层的扰动过程产生响应。在两极地区，夏季中间层顶附近的温度能够低至130K（有时会低于145K），比冬季时温度要低90K左右，只需要很少的水汽就能使大气处于过饱和状态，通过水汽异质凝华过程形成极地中间层云^[2]。而中间层顶附近的水汽来源是无法确定的^[3]：有可能来自于对流层，由于重力作用抬升的水汽；有可能是OH和CH₄之间发生化学反应产生水汽；还有可能是火箭在中间层喷焰是产生水汽。和水汽一样，冰核的来源也同样不确定，但冰核数目是充足的。

虽然极地中间层云和极光、气辉看起来相似，但它们是完全不同的：极光是一种出现于地球的高磁纬地区上空的绚丽多彩的发光现象。它形成的原因是由于太阳带电粒子流（太阳风）进入地球磁场，在地球南北两极附近地区的高空使得大气分子或原子激发产生光，从而在夜间出现灿烂美丽的光辉，一般呈带状、弧状、幕状、放射状，这些形状有时稳定有时作连续性变化。极光产生的条件有三个：大气、磁场和高能带电粒子，这三者缺一不可。而气辉是高层大气的微弱发光现象。源自大气某些成分受太阳光照射后产生光化学反应，在反应过程中会放射微弱的光辉。气辉在全球晴夜都可看到，有各种颜色，季节性、周期性变化。很明显三者不是同一种事物，所以不能混为一谈。

已有研究表明，极地中间层云的观测亮度和出现频率在近半个世纪里呈逐渐增长的趋势^[4-8]，分布的纬度也降低到巴黎、犹他州、意大利、土耳其和西班牙以南，甚至出现在中纬度（41.7°N）附近地区^[9]。因此逐渐引起了人们的关注，并成为了中高层大气研究领域的一个重要分支。尽管国外在这一领域已经开展了多年的研究，但在极地中间层云的长期变化趋势^[10]以及大气中各相关要素如何影响这一趋势的研究方面仍然存在众多争议。有研究者推测这一趋势和从工业时代开始大气中CH₄含量的翻倍有关。也有研究者认为大气中CO₂的温室效应在造成对流层变暖的同时，会导致中高层及电离层温度下降，而温度的下降会使饱和水汽压降低从而有利于形成极地中间层云。同时，研究发现极地中间层云的强度、高度和动力学有关^[11-12]，比如：潮汐波、5或27天的行星波、重力波、中间层逆温等等。这样的一些研究推测表明：极地中间层云的出现频率以及观测高度与气候变化长期趋势等有一定的联系。这说明对于极地中间层云的研究是从新的角度来研究大气，同时对与大气的研究有着很好的促进作用。但也有研究表明其出现频率和亮度，没有变化趋势^[13-14]。

1.2 通过WINDII/UARS观测到的极地中间层云

美国高层大气研究卫星(UARS)主要用来研究平流层，了解高层大气结构和过程以及高层大气活动对自然界和人类活动的影响^[16]。它的主要任务目标有：测量高层大气里的能量流(输入和损失)和全球光化学，其中包含臭氧洞的变化。UARS参考标准多任务模块卫星(MMS)设计，由仙童公司研制，卫星用反应轮和力矩杆来保证三轴稳定。1991年9月12日UARS卫星成功升空，轨道高度585km，赤道倾角57°，单组太阳能电池阵列产生1.6千瓦电能。UARS由10种仪器组成有效载荷，其中九种实验仪器相互补充，保证所有科学任务的顺利完成。UARS本来被设计搭载9台仪器；研究太阳能量输出的ACRIMⅡ，是在确定卫星可以加入第10台仪器后才有机会搭载卫星进入太空的。UARS的9种仪器由三类组成，SUSIM、SOLSTICE、PEM为能量输入实验仪器，MLS、HALOE、CLAES、ISAMS为化学物质和温度实验仪器，WINDII、HRDI为测风仪器。UARS经过11年绕地循环完成了太阳紫外线辐射谱段的第一次测量，但是其设计寿命是3年。

风成像干涉仪搭载于高层大气研究卫星(UARS)平台，用于探测卫星覆盖范围的大气风场、温度及气辉体发射率等信息，垂直分辨率为1.1 / 2.2 km，水平分辨率为5 / 10 / 25 km，纬度范围为45° ~ 72°，高度为70 ~ 105 km，有(45°/135°)的双通道，时间分辨率7~26秒钟，观测波长为553.1 nm 及1.6 nm的半高宽，主要探测谱线波长分别为557. 7nm和630. 0nm的绿光与红光，以及相关的几条弱红外谱线。WINDII在夜间条件下也可以开展监测大气的任务，WINDII使用可见光通道观测气辉，开创了被动式探测高层大气风场的先河。

WINDII实际上是一个CCD（电荷耦合器件）照相机，其关键器件是一台经过视场补偿和温度补偿设计后的带有纳米精度步进动镜的广角迈克耳逊干涉仪。风成像干涉仪的测量原理是运用光学多普勒干涉技术来确定大气中气辉原子和分子辐射波长微小的频移变化来反演风速、温度和气辉的体发射率的信息。其测风精度能够达到10 m/s。尽管WINDII的特性是为了气辉探测所设计的，但在1993年夏季中将近一个月的时间里（7月07日~8月04日）^[17]，WINDII执行了一段专门针对极地中间层云探测的任务。在此期间，其553.1nm的通道全程拍摄太阳光的瑞利散射信号，而当极地中间层云冰晶出现时，将会在瑞利背景上叠加米散射信号，如果能将米散射信号精确提取，并合理反演，那么可用于极地中间层云物理的研究。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：17913字

相关图片展示：