论文总字数：20009字

目 录

摘要 3

Abstract 4

1. 绪论 5

1.1 选题的目的和意义 5

1.2 国内外研究现状 6

1.3 论文主要研究内容 7

2. SOFIE中提取双层结构的方法 8

2.1 SOFIE数据 8

2.2 双层夜光云结构的提取 8

2.3 数据分析 9

2.4 本章小结 9

3. 双层PMCs统计特征与微物理参数平均廓线的变化趋势 10

3.1 双层夜光云统计特征 10

3.2 夏季IWC的日变化（DFS） 12

3.3 微物理参数平均廓线的变化趋势 13

3.4 本章小结 15

4. 双层结构与背景大气条件的联系 16

4.1 与温度和水汽的关系 16

4.2 可能的物理机制 18

4.3 本章小结 19

5. 结论与总结 20

参考文献 21

致谢 23

摘要

利用SOFIE数据研究双层夜光云的垂直结构

艾菲拉·艾斯卡尔

，China

Abstract: The noctilucent clouds (NLCs) are clouds of about 1 km in the upper atmosphere (83 km) appearing in the summer for both hemispheres at high latitudes regions (55 ° ~90 °). Polar Mesospheric Clouds (PMCs) are also known as polar regions when using satellite-based instruments. The fine structure of PMCs is considered to be an important indicator of some dynamic processes in the region of the mesosphere and lower thermosphere region (MLT). In this research, we use the SOFIE data of all PMC seasons between 2007 and 2015 to study the double vertical structure in PMCs and analyze the relationship between the two-layer structure and its relationship with background atmospheric conditions. We found that the double-layer structure of 816 and 301 events accounted for a total of PMC events and the average distance of 3.06 km and 2.73 km, respectively, the northern hemisphere (NH) and the southern hemisphere (SH) between the two peaks were 10.32% and 7.25 %. Double-layer PMCs always mean that the ice water content (IWC) is less than the daily average IWC for the core of the season, but they are very close at the beginning and the end. The results of averaging all events show that the particle concentration of double layer PMC has obvious double peaks, and the particle radius shows a significant monotonously increasing trend with the decrease of altitude. By further analyzing the temperature background and the residual water vapor profile, we conclude that the lower layer is newly formed at the bottom of the upper layer.

Keyword: Polar mesospheric clouds; atmospheric composition and structure; cloud physics and chemistry; middle atmosphere and chemical composition

1. 绪论

1.1 选题的目的和意义

夜光云（Noctilucent clouds，NLCs）是在南半半球高纬度地区（55°~90°）中间层顶区域（约83 km）形成的云，其厚度大约为1 km。使用星载仪器进行观测时也称为极区中间层云（Polar Mesospheric Clouds，PMCs）。常出现在北半球的5月中旬至8月，南半球则为11月至次年2月之间，这段时间常被称为夜光云季（NLCs season）。由于受到重力波对纬向和经向环流的影响等这些动力学驱动机制的支配，夏季极区中间层顶附近的温度能够低至130K，比冬季时要冷大约90K，只需很少的水汽（3~10 ppmv量级）便可使大气处于过饱和状态，从而借助异质凝华过程形成这种稀薄的云。夜光云不仅有瑰丽的外观，而且极具科学研究价值，已有研究表明，它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，分布范围也有所扩展，甚至出现在中纬度（41.7°N）地区。PMCs层状结构被认为是（The mesosphere and lower thermosphere region，MLT）区域中一些动态过程的重要指标。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^[1]。

夜光云精细的尺度结构很早开始就被人们知道^[2]。与对流层中的成云过程类似，夜光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，同时也会响应大气波动及低电离层的扰动过程。尽管国外在这一领域已经开展了多年的研究，但在其长期变化趋势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争议。Qian等^[3]认为大气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的冷却，而温度的下降会使饱和水汽压降低进而有利于成云。研究者利用多年的卫星资料进行分析，发现在夜光云季的始末阶段，即相对亮度较弱的云主要受到对温度极其敏感的饱和水汽压的控制，而在中期阶段，即较亮的云更容易受到实际水汽压的影响。研究人员研究发现，平流层纬向风反转时间与南半球夜光云季的起始时间有很强的相关性。研究者利用SOFIE的数据研究了平流层和中间层5天行星波的扰动特征，发现与夜光云中冰水混合含量（IWC）呈现明显的反相关。研究人员利用ALOMAR激光雷达的观测数据发现当较大的冰晶粒子出现时，会阻碍小尺度重力波的传播并降低湍流扩散率，而较强的大气扰动则会降低冰晶粒子的增长速率，从而使粒子等效半径偏小，这种效应也会干扰电子扩散效率，从而影响极区中间层夏季回波（PMSE）的观测。从上述研究可以看出，大气动力过程对夜光云的影响是至关重要的^[4]。

夜光云对背景大气温度、水分和中层大气动力学过程及其敏感。因此，他们被认为是中间层和低热区（MLT）长期变化的示踪剂。背景大气结构的垂直变化导致PMC垂直分布的变化类似与气辉和PMSE观测到的层状结构。雷达能够很好的检测NLCs中的这些小尺度垂直结构。有学者基于观测对夜光云层状结构的成因进行了分析与研究，事实上，分层过程的形成可能是由一个主导机制或各种混合机制导致。这些零星的多层PMCs结构导致对其观测数据资料的相对缺乏，因此加大对分层现象的全面系统研究的难度。也是制约正确评估夜光云长期变化势的重要问题。因此，对NLCs层状结构的垂直分布的研究具有一定的实现意义^[5]。

1.2 国内外研究现状

中间层和低热（MLT）区表现出平衡的过程，往往作为一个单独的大气区域。在MLT区中一个值得探讨的问题是热结构和大气成分随时间的变化主要由大气波动引起，包括重力波（GWs），大气热潮汐，月潮汐，行星波（PWs）^[6]。这些变化会影响MLT区域中发生的自然现象，并使其分布产生一些小尺度结构，如多层结构^[7]。由风成像干涉仪观察（WINDII）的OH夜气辉，O(¹S) 绿线和O₂(^b₁P g )(0-0) 带的观测结果展示出了明显的双峰结构。这些可能由GWs，氧原子或中层温度逆温层（MILS）扰动引起，也可能周日潮汐相关。SABER（the Sounding of the Atmosphereusing Broadband Emission Radiometry）对OH气辉的观测也发现了一个长期稳定的双层结构是由涉及O₃的光化学过程引起并且由温度和H浓度调制所引起的^[8]。此外，还有在极区中层夏季回波（PMSE）中往往也有多层结构出现^[9]。通过比较观测和模型模拟的结果，可以证明，从某种程度上这样的精细结构与GWs、冰粒子和风速相关^[10]。

夜光云对背景大气温度、水分和中层大气动力学过程及其敏感。因此，他们被认为是中间层和低热区（MLT）长期变化的示踪剂^[11]。虽然从地面中间和副极地纬度（50–64◦N）区域观测到NLC的特点无统计上的显著趋势^[12]。因此，背景大气结构的垂直变化导致PMC垂直分布的变化类似与气辉和PMSE观测到的层状结构。雷达能够很好的检测NLCs中的这些小尺度垂直结构。Baumgarten等人^[13]观测了NLCs中的几个双层结构和亮度周期增强，其大部分时间嵌入在较宽的层内。kaifler等人^[14]通过时间分辨率为30s的ALOMAR 雷达提出了包含多层结构的小尺度结构。结果表明，NLC是由断开的GW激发的小尺度波形成可以用导致其存的动态过程来检测。kaifler等人^[15]通过使用位于挪威北部的ALOMAR Rayleigh/Mie/Rama雷达和南极洲Davis Rayleigh/Raman 雷达中获取的两个大数据提供双层结构的统计数据。他们在NLC所有观测期间的9%时发现了多层结构其在1.5和3.0km之间伴随双层的垂直分离。得出的结论是NLCs在短时间尺度上的特征大概是受云层附近小尺度波的影响。Dubinskii和Popel^[16]使用尘埃等离子体结构的模型，调节颗粒浓度分布用于证明层状结构的形成。在时间序列中的变化分布表明通过吸收几乎所有的流经水蒸汽较低的层有更快的沉积速度，而上层移动更慢。其他可能性有如两个不同的云系统在垂直风切变区域内的对流，或NLC地区内的增温也可以产生层状结构^[17]。事实上，分层过程的形成可能是由一个主导机制或各种混合机制导致。这些零星的多层PMCs结构导致对其观测数据资料的相对缺乏，因此加大对分层现象的全面系统研究的难度。

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