利用AIM卫星搭载的CIPS仪器观测PMC的结构：大气重力波 是引起PMC出现频率在经向上变化的驱动因素外文翻译资料

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

利用AIM卫星搭载的CIPS仪器观测PMC的结构：大气重力波

是引起PMC出现频率在经向上变化的驱动因素

A. Chandran, D. W. Rusch, A. W. Merkel, S. E. Palo, G. E. Thomas, M. J. Taylor,

S. M. Bailey, and J. M. Russell III

Received 11 September 2009; revised 3 December 2009; accepted 22 January 2010; published 8 July 2010

摘要：云成像及粒径实验仪（CIPS）是2007年4月25日发射到600公里太阳同步轨道的中间层大气冰晶物理学研究卫星（AIM卫星）搭载的三个仪器之一。CIPS的PMC观测图像中展示了大量的可以被清晰辨别的波状图案和结构，它们大多出现在夏季极区的中层顶附近区域。这些结构极其类似于从地面观察到的夜间云（NLC）中看到的波状结构。PMC中的结构通常被认为是向上传播的大气重力波（AGWs）所引起的。过去的研究显示，AGW对几个不同经度上分布的激光雷达站点彼此的观测结果有很大的差异性经向。本研究比较了CIPS观测波发生频率和PMC发生频率和反照率的经向变化，以及这两个量与TIMED卫星上SABER仪器观测的温度之间的关系。我们从70°和80°之间的纬度范围的分析结果中发现，在四个PMC季节中的至少两个季节里，波状结构与云层出现频率和与温度扰动具有有明显的反相关特性，从而映证了重力波可以诱导冰晶升华的推断。观察到的重力波事件的位置也展示出了两个半球中的波活动较为频繁的区域。观测到的重力波结构经向在经向分布上的差异性显示出从2007-2008年波动扰动的季节性变化，按波出现频率划分北半球区域可分为高频区域和低频区域。这些固有的特征可以解释在不同站点地基激光雷达仪所观察到的PMC活动在经向上的差异性。至少在250km波长范围内，波水平尺度的统计分布会随波长的增加而变大。我们还讨论了大气潮汐的可能影响，特别是非迁移半日潮，会混淆我们的观测并影响我们的分析结果。

1. 引言

在夏季寒冷的中期区域形成，从天基观测中可以看到的云，叫做夜间云（NLC）或极地中层云（PMC）。这个区域比冬季中层顶区域低约90K，中层顶平均温度在128K，在82km高度温度为150K [Luuml;bken，1999]。中间层的气压条件十分适合水冰形成。 Rapp和Thomas [2006]提供了PMC的微物理学的综述，以及描述PMC性质对温度的高敏感性的模型研究。从Hines的开创性工作[1968]开始，大气重力波（AGW）已被认为是NCL中常见的大范围波动结构的主要原因。作为寒冷夏季中间层温度的驱动因素，AGW很重要。AGW扰动主要起源于低层大气并向上传播，由于大气密度降低而振幅增大，变得不稳定并在上层大气中破碎。普遍接受的理论是，在这个过程期间沉积的动量很大程度上影响了高层大气中的平均纬向环流，与辐射平衡预期的相反。这反过来对经向环流造成强迫，气块的上升运动和绝热冷却便会导致寒冷的夏季中间层顶区域的形成[ Leovy，1964; Holton，1983]。

NLC经常显示出不同的小规模波状结构，称之为波浪，水平间距约3至10公里，而较大规模的波段呈现出典型的大于30公里的水平波长 [Witt，1962；Haurwitz和Fogle，1969； Gadsden和Parviainen，1995]。 Hines [1968]首先提出，在NLC中看到的结构是AGW的表现。 后来Fritts等人[1993]的模拟工作也表明，一些小规模的中尺度结构可能是AGW破碎后引起的次级波。 我们在本文中讨论的问题是这些波对PMC的影响，导致PMC事件中的明显的经向差异差异性，其由AGW活动的经向变化驱动。

Turco等[1982]首先开发了用于研究NLC形成过程的气溶胶和大气辐射模型（CARMA）的1-D版本，其包括AGW诱导的温度变化的影响。Jensen和Thomas [1994]和随后Rapp等人[2002]使用多维版本的CARMA模型来研究大规模单色AGW对PMC形成和演化演化的影响。 Turco等[1982]和Jensen与Thomas [1994]发现，波浪诱导温度扰动的净效应是降低云反照率，因为冰升华比冰晶生长快得多。他们还提出，相比AGW不存在的情况，在AGW的存在下，PMC形成的平均期温度必须低于5K。Rapp等人[2002]使用Jensen和Thomas模型的更新版本，表明AGW周期大于6.5小时可以暂时放大P​​MC亮度，而短周期波产生相反的效果。使用火箭探测测量，他们还表明，温度6K，10K和20K的波浪相关温度波动高度分别位于海拔80、85和95公里处。

Hecht等人[1997]提供了在格陵兰岛Souml;ndrestrom站进行的激光雷达测量的PMC中波诱导冰晶升华的观测证据。Gerrardetal [1998,2004]和Thayer等人[2003]提供了Souml;ndrestrom（67°N）激光雷达测量的证据，平流层的短时间AGW活动与PMC后向散射成反比。Thayer等人[2003]也使用包含短期AGW的CARMA建模来再现了测量较弱的PMC反向散射和较薄的云。相反，应该注意的是，德国Kuuml;hlungsborn（54°N）以上的类似激光雷达测量[Geringetal，2007];挪威的奥罗马（69.3°N）[Schouml;ch，2007]；和戴维斯（68.6°S），南极洲[Innis等人，2008]，PMC亮度和平流层AGW活动之间没有显着的相关性。Chu等人[2009]已经通过激光雷达观测显示，PMC亮度与Rothera（67.5°S）的平流层AGW强度呈负相关，而在南极（90°S）没有发现显着的相关性。

AGW诱导的温度变化与PMC之间存在的密切关系已有了多年的研究，但仍然缺乏统一的解释。固定激光雷达站点之间的PMC / AGW相关性的差异表明，AGW经向/纬度差异的特征应该是存在的。基于局地研究提供了有价值的“快照”测量，但是更需要的是大尺度范围的测量，而这一测量仅可能来自星载仪器。恰好，来自CIPS观测的5times;5公里郜分辨率图像可以帮助我们进行研究，这些图像来自于AIM卫星[Russell et al., 2009]每天绕着整个极地区域运行中获得，并可提供新的信息来研究这些相互作用，因为它们解决了大多数影响PMC的波形结构。 Thomas和Olivero [1989]调查了太平洋中尺度探测器（SME）数据的PMC的经向差异性，但发现中纬度地区覆盖率达到65％以上的纬度处于70°以上的纬度地区没有显着的大规模变化。在以下部分中，我们分析CIPS图像以在2007-2008夏季期间搜索PMC数据中的周期性结构。在第2节中，我们提供了使用宽带辐射辐射测量（SABER）仪器的CIPS和大气探测的概述。在第3节中，介绍了提取波状结构和个例的算法及其局限性以及纬度区域的分析。我们提出结果表明在这些周期性结构的发生中存在经向差异性，并显示了CIPS在第4节中测量的这种差异性和云特性之间的反相关关系。我们还展示了在PMC高度的SABER实验中进行的温度测量的相关性。在第5节中，我们讨论了AGW活动和温度的经向变化及其对PMC形成和演化的影响的可能原因，以及可能引起CIPS观察到的大尺度变化。

2. 观察资料

2.1. CIPS

CIPS仪器[McClintock等人，2009]由四个紫外天底成像仪组成，测以265 nm为中心，从258到274 nm（半功率点）的带通成像地球反照率图像。四个CIPS相机具有120°（沿着轨道）times;80°（交叉轨道）的重叠视场。CIPS仪器的细节、相机配置和第一结果由Rusch等人给出[2009]。四个CIPS相机图像被合并以形成被称为“场景”的单个图像，当投影到球形地球表面上时具有蝴蝶结的形状.CIPS相机每43秒拍摄图像，曝光时间为 1秒。平均来说，每个CIPS照相机在阳光照射的夏季极地区域每个轨道拍摄26张图像。 本文中波形结构的分析仅使用来自最向阳的观察相机的图像。

图1. 灰度级的CIPS前向摄像机图像，背景散射被去除。 a）5月28日PMC季节开始时，CIPS图像拍摄50°N。 b）7月17日在80°N拍摄的CIPS图像显示多个PMC结构。 白线是经度和纬度的轮廓线。c）绘制曲线上显示反照率值（用虚线红线表示）的图形，并通过图1a中的图像以实心红色对数据进行多项式拟合。 d）沿着与波前正交的轨迹1（由虚线红线表示）示出反照率的图，以及通过图1b中波场的轨迹的多项式拟合。

构成场景的像素在最低点处具有1times;2公里的最佳分辨率。 本研究中使用的数据被平均，以在整个场景中得到约5times;5公里的空间分辨率。 在CIPS图像中，来自大气的瑞利散射构成了明亮的背景，由于冰云粒子的散射，PMC被认为是背景反照率的增强的结果。 因此，精确地去除瑞利散射背景是云检测所需的数据处理的关键方面。由Rusch等人[2009]研究得知随散射和观察角度的变化，Rayleigh散点背景因场景而异。而且Bailey等人 [2009]也详细描述了CIPS观测中分离PMC和瑞利辐射的技术。

AIM网站http://aim.hamptonu.edu/library/documentation/instruments/cips/cips_docs.html，各种CIPS数据产品的描述可从该网站在线获取。用于AGW检测分析中使用的数据是1c级别，并且云出现频率从4级格式导出。我们对该分析中使用的级别1c数据的反射率归一化，散射角为90°和最低点（0°）视角。这通过去除几何因子来解决视角依赖性并且通过假定具有有效半径60nm和14nm半宽度的高斯粒度分布来解决散射角依赖性来实现。这个假设由Rusch等人[2009]提出。 McClintock等人[2009]描述了CIPS图像的平坦场和校准。图1a和1b是具有瑞利背景的两个CIPS图像的示例。图1a是在低纬度拍摄的图像，其中不存在云。沿图1a中虚线红线表示的沿着图像拍摄的反照率值和云反照率（红色）的多项式拟合曲线如图1c所示。图1b是包含多个周期结构的PMC的图像。用红色虚线表示的四个列编号的轨迹用于导出图像中存在的波形结构的水平刻度。沿着图像右边缘附近的最长迹线对反照率进行云反照和多项式拟合，以及由图1中的“1”表示。图1c和1d中的反照率值的比较说明了背景去除和平坦场的质量。我们将在第3节和图2中提供图1b中波形结构的分析。由于PMC冰粒Bailey等人[2009]的前向散射特性很强，所以使用正向相机图像来最大化PMC检测能力。

图2. 四幅图，显示了图1b沿着（a）水平波长为255公里的轨迹1（b）轨迹2的波形功率谱图，其轨迹1具有水平波长在~150 km的多波，~ 60公里，（c）水平波长为158公里的痕迹3，（d）具有57公里水平波长的痕迹4。

图3.波形检测算法的图形描述。

2.2 SABER

SABER是2001年12月Russell等人[1999]发射的热电离层电离层中层能量和动力学（TIMED）卫星的四种仪器之一。它是一个10通道红外肢体扫描辐射计，可以在大约180公里到上层对流层顶之间的58度范围内产生温度、化学和能量学参数的高度分布。每秒58公里。这里给出的分析由Merkel等人[2009]提出，并Remsberg等[2008]使用经过验证的SABER v1.07温度数据验证温度达到2至3 K 。由于温度扰动在本文中用于分析，与绝对值相反，所以SABER结果中任何温度偏差的影响都可以忽略不计。SABER观测的纬度范围为52°S至83°N，83°S至52°N。因为TIMED卫星轨道进近3°/天，航天器必须每隔63天进行偏航操作，以使SABER探测器避免观察太阳。不幸的是，偏航机动发生在每个半球PMC季节的中间（提供数据从大约35天之前到大约25天之后）。这导致只有从开始到中间才能提供连续的温度数据的PMC季节。本文提出的观察结果是以每个半球的至少20-25天为中心。SABER测量在此期间涵盖所有当地时间（LT）。

3. 波状结构的提取方法

Chandran等人提出了一种用于检测CIPS PMC图像中AGW结构的初始波分析技术[2009]。该技术包括首先在视觉上识别PMC中的准单色波结构，类似于从NLC的地面观测结果所看到的结构。 Chandran等人 [2009]显示了PMC中具有不同波形结构的CIPS图像的示例，类似于图1b。在本文中，我们使用自动波搜索程序呈现结果，以检测CIPS PMC图像中的周期性结构。第3节描述了以图3中的流程图的形式描绘的波检测过程所涉及的步骤。

对于周期性结构系统地分析对应于轨道上的整个像素列的摄像机图像的跟踪。这是针对相机图像中的每列和10个相等间距的行完成的。波检测过程的第一阶段是将四阶多项式拟合到整个轨迹上的云数据，以估测潜在的平滑PMC场。这种云场周期性扰动被认为是由PMC中的波形结构引起的。该多项式拟合的结果是作为低通滤波器，从PMC数据中减去仅剩下周期性结构[见Chandran 等，2009]。如第2节所述，图1d显示了图1b中CIPS图像右边缘附近轨迹1的反照率值和四阶多项式拟合。然后计算减去多项式拟合后的残差。通过试错，我们发现最强视觉上明显的准单色波在15times;10^-6 sr^-1以上的云反照率中产生扰动，小于5times;10^-6 sr^-1的扰动可能是相机伪像，其中包括像素相机灵敏度的像素间变化

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[26137]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word