卜令兵， 張祖熠， 郜海陽(yáng)*， 霍朝陽(yáng)， 王震， 朱紅

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京　210044 2 南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 南京　210044 3 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院， 南京　210044 4 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院， 南京　210044

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夜光云內(nèi)小尺度重力波對(duì)冰晶粒徑譜的影響規(guī)律研究

卜令兵1,2,3， 張祖熠2,3， 郜海陽(yáng)2,3*， 霍朝陽(yáng)3， 王震2,3， 朱紅4

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京210044 2 南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 南京210044 3 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院， 南京210044 4 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院， 南京210044

摘要本文利用AIM衛(wèi)星搭載的CIPS云圖反照率和冰晶粒徑數(shù)據(jù)，從中提取了2007/08南半球和2008年北半球共6489個(gè)小尺度重力波活動(dòng)(波長(zhǎng)5～150 km范圍)個(gè)例，對(duì)重力波區(qū)域與背景云層冰晶粒徑譜進(jìn)行對(duì)比分析，從而研究重力波對(duì)冰晶平均半徑和譜寬的影響規(guī)律.結(jié)果表明，北半球重力波區(qū)域冰晶的平均半徑和譜寬分別比背景云層小2.5 nm和6.1 nm，南半球則分別減小1.1 nm和7.9 nm.在隨緯度的分布上，小于80°時(shí)，南北半球的平均半徑擾動(dòng)值均為負(fù)值，絕對(duì)值隨緯度增大而減小，而大于80°時(shí)，負(fù)擾動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜_動(dòng)，且絕對(duì)值增加；譜寬擾動(dòng)的絕對(duì)值也隨著緯度增加而減小，但均為負(fù)值.在季節(jié)內(nèi)隨時(shí)間的分布上，南北半球重力波對(duì)冰晶平均半徑和譜寬的擾動(dòng)在始末階段以負(fù)值為主，且絕對(duì)值較大，而在中期階段正負(fù)值相當(dāng)，且絕對(duì)值較小.這一特征與重力波引起冰晶粒徑變化的振幅在緯度和時(shí)間上的分布趨勢(shì)一致.重力波的波長(zhǎng)均隨緯度升高而減小，在季節(jié)的始末階段較大，中期小，且南半球的平均波長(zhǎng)和變化幅度都要明顯大于北半球的，粒徑擾動(dòng)振幅隨波長(zhǎng)的變化率為南半球0.207 nm·km-1，北半球的0.163 nm·km-1.根據(jù)分析推斷，重力波自身的擾動(dòng)振幅應(yīng)與其影響區(qū)域內(nèi)的譜參數(shù)相對(duì)于背景云層的變化量有直接關(guān)系，且振幅越大，平均半徑和譜寬的負(fù)擾動(dòng)就越大.關(guān)鍵詞中高層大氣； 夜光云； 重力波； 冰晶粒徑譜； CIPS

Using the level_2 albedo images and particle effective radius data of both North (NH) and South (SH) hemispheres during 2007—2008 from the cloud imaging and particle size (CIPS) experiment, 6489 GW events were distinguished to calculate the corresponding PSDs. The differences of PSDs in the mean clouds formed in GW areas were employed to determine the effect of GWs with regard to latitude and throughout the PMCs seasons. Additionally, the amplitudes in particle radius and wavelength of GWs were used to explore the relationship between the GWs and clouds.

The mean radius and width of PSDs in GW areas were 2.5 nm and 6.1 nm, respectively; less than those of mean clouds in the NH season. The differences were 1.1 nm and 7.9 nm in the SH season. The radius perturbations induced by GWs were almost negative at latitudes below 80° for both hemispheres, and the absolute values decreased as latitude increased. These distributions reversed at latitudes above 80°. Similarly, the absolute width decreased as latitude increased. Both the mean radius and width were dominated by negative perturbations during the starting and ending stages of the seasons, but increased to positive values in the middle of the seasons. These characteristics are consistent with the distributions of amplitude in particle size induced by GWs regarding latitude and season. GW wavelengths also decreased as latitude increased, reaching larger values during the starting and ending stages but smaller values in the middle of both seasons. The magnitude of variations in the SH season was considerably larger than that in the NH season, and the change rate of perturbation amplitude in particle size varied with wavelength at 0.207 nm·km-1in the SH season and 0.163 nm·km-1in the NH season.

According to our results and those found in the literature, we deduced that the parameters of PSDs in GW areas have direct relationship with GW properties (e.g., amplitude and wavelength.) Large amplitude and wavelength create large negative perturbation for the mean radius and width. The results presented here further suggest that the micro physical processes under the effect of GWs on ice crystals can be further studied via the cloud micro physical model.

1引言

夜光云(noctilucent clouds, NLCs)是形成于南北半球高緯度地區(qū)(55°—90°)中高層大氣(83 km左右)厚度約1 km的云，當(dāng)利用星載儀器進(jìn)行觀測(cè)時(shí)也稱其為極區(qū)中間層云(Polar Mesospheric Clouds, PMCs).目前的研究結(jié)果普遍認(rèn)為夜光云主要由半徑為0.02～0.2 μm的冰晶組成，常出現(xiàn)在北半球的5月中旬至8月，南半球則為11月至次年2月之間，這段時(shí)間常被稱為夜光云季(NLCs season).由于受到重力波對(duì)緯向和經(jīng)向環(huán)流的影響等這些動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制的支配(Li et al., 2007; Xu et al.,2007; Zhang et al., 2014; Yuan et al., 2013)，夏季極區(qū)中間層頂附近的溫度能夠低至130 K，比冬季時(shí)要冷大約90 K，只需很少的水汽(3～10ppmv量級(jí))便可使大氣處于過(guò)飽和狀態(tài)，從而借助異質(zhì)凝華過(guò)程形成這種稀薄的云(Thomas,1991).夜光云不僅有瑰麗的外觀，而且極具科學(xué)研究?jī)r(jià)值，已有研究表明，它的觀測(cè)亮度和出現(xiàn)頻率在近半個(gè)世紀(jì)里呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)(Gadsden,1998; Thomas,2003; Deland et al.,2006)，分布范圍也有所擴(kuò)展，甚至出現(xiàn)在中緯度(41.7°N)地區(qū)(Taylor et al., 2002).因此逐漸引起了人們的關(guān)注，并成為了中高層大氣研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支.

與對(duì)流層中的成云過(guò)程類似，夜光云的形成和消融也主要受到周圍大氣中溫度、水汽含量和凝結(jié)核的影響，同時(shí)也會(huì)響應(yīng)大氣波動(dòng)及低電離層的擾動(dòng)過(guò)程.盡管國(guó)外在這一領(lǐng)域已經(jīng)開展了多年的研究，但在其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)以及大氣中各相關(guān)要素如何影響這一趨勢(shì)的研究方面仍然存在爭(zhēng)議.Thomas等(1989)推測(cè)這一趨勢(shì)與自工業(yè)時(shí)代起大氣中甲烷(CH4)含量的翻倍有關(guān).也有研究者認(rèn)為大氣中CO2的溫室效應(yīng)在造成對(duì)流層變暖的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致中高層及電離層的冷卻，而溫度的下降會(huì)使飽和水汽壓降低進(jìn)而有利于成云(Qian et al., 2011).Rong等(2012)利用多年的衛(wèi)星資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在夜光云季的始末階段，即相對(duì)亮度較弱的云主要受到對(duì)溫度極其敏感的飽和水汽壓的控制，而在中期階段，即較亮的云更容易受到實(shí)際水汽壓的影響，這也與Deland等(2006)的研究結(jié)果一致.在受動(dòng)力學(xué)影響機(jī)制方面，Karlsson等(2011)研究發(fā)現(xiàn)，平流層緯向風(fēng)反轉(zhuǎn)時(shí)間與南半球夜光云季的起始時(shí)間有很強(qiáng)的相關(guān)性，這一結(jié)論隨后也在Benze等(2012)的研究中得到驗(yàn)證.Liu等(2015)利用SOFIE的數(shù)據(jù)研究了平流層和中間層5天行星波的擾動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)與夜光云中冰水混合含量(IWC)呈現(xiàn)明顯的反相關(guān).Rapp和Thomas(2006)利用ALOMAR激光雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)較大的冰晶粒子出現(xiàn)時(shí)，會(huì)阻礙小尺度重力波的傳播并降低湍流擴(kuò)散率，而較強(qiáng)的大氣擾動(dòng)則會(huì)降低冰晶粒子的增長(zhǎng)速率，從而使粒子等效半徑偏小，這種效應(yīng)也會(huì)干擾電子擴(kuò)散效率，從而影響極區(qū)中間層夏季回波(PMSE)的觀測(cè)(Rapp and Lübken , 2004).

從上述研究可以看出，大氣動(dòng)力過(guò)程對(duì)夜光云的影響是至關(guān)重要的，而目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)多來(lái)自單站的地基觀測(cè)及一些星載儀器的副產(chǎn)品，直到2007年NASA的AIM衛(wèi)星(the Aeronomy of Ice in the Mesosphere)成功運(yùn)行，才極大地推動(dòng)了這一領(lǐng)域的深入研究(Russell et al., 2009).其中，CIPS(the Cloud Imaging and Particle Size experiment)是AIM衛(wèi)星上用于冰晶粒子實(shí)驗(yàn)的云成像探測(cè)器，能夠提供夜光云季中每日50°—85°緯度的紫外波段全景反照率和冰晶粒徑云圖(Rusch et al.,2009; Lumpe et al., 2013).

在過(guò)去有限的地基影像觀測(cè)資料中，幾乎都能夠觀測(cè)到重力波活動(dòng)的頻繁出現(xiàn)，其中地基影像資料還能觀測(cè)到在主波列垂直方向上分布的“波浪(billows)”(Dubietis et al., 2011; Pautet et al., 2011; Dalin et al., 2010)，這與氣輝成像儀觀測(cè)到的重力波活動(dòng)十分相似，表明重力波擾動(dòng)在一定程度上也會(huì)影響夜光云的時(shí)空分布，但目前關(guān)于影響趨勢(shì)和作用機(jī)理尚未有明確的研究結(jié)果，也是制約正確評(píng)估夜光云長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.Chandran等(2010)利用2007—2009年CIPS反照率圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)夜光云的出現(xiàn)頻率與重力波活動(dòng)的出現(xiàn)頻率呈反相關(guān)，而與SABER觀測(cè)到的溫度擾動(dòng)幅度呈一定的正相關(guān)趨勢(shì)，進(jìn)而推測(cè)重力波的破碎和能量的耗散會(huì)引起短期內(nèi)局部溫度的波動(dòng)，而熱量向下傳輸?shù)倪^(guò)程中又會(huì)引起冰晶顆粒的消融，從而導(dǎo)致云亮度短期內(nèi)變?nèi)?，但長(zhǎng)期來(lái)看可能會(huì)增加云的出現(xiàn)頻率和亮度.隨后Chandran等(2012)利用CARMA 2D云模式分析了不同周期和尺度的重力波對(duì)冰晶成核速率及最終亮度的影響，結(jié)果顯示周期大于30 h的波才有可能起到減弱云亮度的作用，而周期更短的小尺度波對(duì)平均亮度的影響并不大，其中波動(dòng)引起水汽含量的變化是主要作用機(jī)制.但這一結(jié)果與以往的一些地基觀測(cè)和模式研究結(jié)果有矛盾之處，例如Liu等(2014)利用SOFIE的數(shù)據(jù)提取了重力波的溫度擾動(dòng)，并發(fā)現(xiàn)與夜光云的IWC在經(jīng)度分布上并沒有明顯的單一相關(guān)性.Rapp等(2002)用云微物理模式揭示了低于7 h的重力波活動(dòng)可以破壞冰晶粒子的增長(zhǎng)，而高于7 h的波可以使冰晶粒徑暫時(shí)增大，從而導(dǎo)致亮度被增強(qiáng)，隨后Rapp和Thomas(2006)又利用單站激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，證實(shí)了短周期的小尺度重力波擾動(dòng)也會(huì)使夜光云的后向散射系數(shù)和平均亮度有所減弱.另外，Gerrard等(1998, 2004)利用格陵蘭島的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)證實(shí)了短周期的重力波出現(xiàn)頻率與夜光云后向散射成反比，Thayer等(2003)也利用模式再現(xiàn)了當(dāng)出現(xiàn)短周期重力波時(shí)，會(huì)形成較弱的后向散射系數(shù)和較薄的云層.

可以看出，目前關(guān)于重力波擾動(dòng)對(duì)夜光云的影響趨勢(shì)和作用機(jī)理的研究結(jié)果彼此之間存在一定的差異.因此，基于上述的研究結(jié)果，本文將從重力波在水平方向上的擾動(dòng)對(duì)夜光云冰晶粒徑譜的影響規(guī)律這一角度出發(fā)，利用2007年11月至2008年9月南北半球CIPS的反照率圖像及冰晶等效半徑數(shù)據(jù)，從中提取重力波活動(dòng)個(gè)例和冰晶粒徑譜，檢驗(yàn)重力波水平波長(zhǎng)譜與冰晶粒徑譜的擾動(dòng)在時(shí)空分布規(guī)律上存在的作用關(guān)系，本文的結(jié)果可以從一個(gè)新的角度去研究重力波擾動(dòng)對(duì)夜光云變化趨勢(shì)產(chǎn)生的影響.

2CIPS數(shù)據(jù)及處理方法

2.1CIPS數(shù)據(jù)

CIPS是AIM衛(wèi)星上的紫外全景成像儀，由四臺(tái)帶有紫外濾光片的CCD相機(jī)組成，帶寬從258 nm至274 nm，中心波長(zhǎng)為265 nm.CIPS獲取的信息主要來(lái)自夜光云的前向散射光和背景大氣的瑞利散射光，而該高度上的臭氧Hartley帶剛好對(duì)這一波段太陽(yáng)輻射有較強(qiáng)的吸收，從而降低瑞利散射的影響(Bailey et al., 2009).四臺(tái)紫外相機(jī)最終組成的視場(chǎng)(FOV)為120°(沿軌道軌跡方向)×80°(垂直于軌道軌跡方向)，每43 s拍攝一次，在一條軌道中每臺(tái)相機(jī)會(huì)記錄26張?jiān)紙D像(McClintock et al., 2009).本文將使用CIPS的二級(jí)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已將每條軌道的26張?jiān)紙D像進(jìn)行了融合，具備統(tǒng)一的5 km×5 km空間分辨率，因此能夠分辨夜光云中大于5 km波長(zhǎng)的重力波，但更小的波浪結(jié)構(gòu)(ripples)則不能得到辨識(shí).夜光云出現(xiàn)的時(shí)段是有規(guī)律的，一般為南北半球的夏季，持續(xù)110天左右，因此習(xí)慣上把一次完整的夜光云出現(xiàn)時(shí)段叫做一個(gè)夜光云季，本文選取了2007年11月至2008年9月之間的兩個(gè)夜光云季數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.北半球從夏至前47天(2008年5月26日)至夏至后的72天(2008年8月31日)，總共120天的數(shù)據(jù)，每天15條軌道，也即15幅原始條形成像圖(如圖1所示)，但排除定標(biāo)和調(diào)節(jié)衛(wèi)星姿態(tài)占用的時(shí)間，總共有1702幅原始圖片；相應(yīng)的，南半球從夏至前50天(2007年11月1日)至夏至后的47天(2008年2月7日)，總共98天的數(shù)據(jù)，總共有1428幅原始圖片.二級(jí)數(shù)據(jù)已經(jīng)在這些原始圖片的基礎(chǔ)上，將每一副圖反演出了反照率圖像、冰晶粒子等效半徑、冰水混合含量(IWC)等一組數(shù)據(jù)產(chǎn)品，圖1給出了2008年北半球8月3日第6947條軌道的圖像.本文將使用其中的反照率圖像和粒子等效半徑的數(shù)據(jù).

2.2冰晶粒徑譜的提取過(guò)程

本文使用了2007年南北半球共2866幅冰晶粒子等效半徑圖.通常用于對(duì)流層云滴譜擬合的譜型多為修正的Γ分布(K-M分布)和對(duì)數(shù)正態(tài)分布(Wallace and Hobbs, 2006)，本文在實(shí)際分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)正態(tài)分布能夠更好地?cái)M合夜光云的冰晶粒徑曲線，其表達(dá)式可寫為

(1)

其中，N為半徑r對(duì)應(yīng)的冰晶粒子數(shù)目，N0為冰晶粒子總數(shù)，μi、σi為控制譜型形狀的常數(shù)，i對(duì)應(yīng)不同的重力波個(gè)例.由于不同緯度和時(shí)間間隔內(nèi)，粒子總數(shù)N0的變化很大，所以在分析時(shí)將N(r)除以N0得到冰晶粒徑出現(xiàn)率(Occurrence rate)來(lái)代替粒徑數(shù)目作為縱坐標(biāo)(Baumgarten et al., 2007)，下文簡(jiǎn)稱冰晶粒徑譜.為了方便對(duì)比，從(1)式中還可計(jì)算出與高斯分布類似的平均半徑ri m和譜寬(半高寬)σiw：

(2)

(3)

通過(guò)對(duì)第i個(gè)個(gè)例實(shí)際粒徑譜進(jìn)行最小二乘擬合，從而確定譜形常數(shù)μi和σi，再利用(2)和(3)式計(jì)算出ri m和σiw，并根據(jù)ri m和σiw來(lái)對(duì)比分析不同緯度和時(shí)間段內(nèi)的云微物理特性.

2.3重力波擾動(dòng)個(gè)例的獲取方法和流程

CIPS反照率圖像能夠提供夜光云中重力波在水平方向上的擾動(dòng)情況，因此為了獲取波長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律和水平波長(zhǎng)譜(文中簡(jiǎn)稱重力波譜)，首先需要在圖像數(shù)據(jù)中識(shí)別CIPS反照率圖像中的重力波個(gè)例.在本文的研究中，CIPS圖像中一個(gè)波的個(gè)例被定義為至少有四個(gè)或更多波峰結(jié)構(gòu)的條紋序列出現(xiàn)，如果水平波長(zhǎng)大于100 km，那么只有三個(gè)波峰也可被認(rèn)為是一個(gè)重力波個(gè)例.二級(jí)數(shù)據(jù)每條軌道的圖像均由26幅單次拍攝的圖像組成，而單次拍攝圖像的空間分辨率限制了小于5 km的波長(zhǎng)無(wú)法被辨識(shí)，視場(chǎng)寬度的限制也會(huì)導(dǎo)致大于150 km的個(gè)例失真，因此，本文所識(shí)別的重力波個(gè)例均屬于小尺度，水平波長(zhǎng)分布范圍在5～150 km.另外，由于相鄰軌道彼此之間重疊面積非常有限，且僅在78°以上才會(huì)重疊，加之相隔約90 min，因此，無(wú)法推算出個(gè)例隨時(shí)間的變化參量，如相速度和傳播方向等，與地基的氣輝全天空成像儀這類儀器有明顯的區(qū)別，但CIPS的優(yōu)勢(shì)就在于其出色的空間覆蓋能力.

圖2(a—d)給出了2008年6月22日北半球第6309條軌道反照率圖像中一個(gè)重力波擾動(dòng)個(gè)例的辨識(shí)過(guò)程.圖2a中明亮的區(qū)域?yàn)檩^強(qiáng)的云，而較暗和黑色的區(qū)域?yàn)檩^弱的云或無(wú)云的情況，通過(guò)調(diào)節(jié)圖像顯示的對(duì)比度，能夠清晰分辨出一組重力波結(jié)構(gòu)，如圖2a的紅色方框和圖2b所示.沿圖像中連續(xù)波列的垂直方向，也即重力波傳播方向，截取一條反照率廓線(紅色斜線)，其數(shù)據(jù)值顯示在圖2c上部的藍(lán)色曲線上.為了獲取波長(zhǎng)信息，需要二維小波分析對(duì)截取的反照率廓線值進(jìn)行變換，得到數(shù)據(jù)列的二維功率譜，將空域信息轉(zhuǎn)化為頻域的信息.在進(jìn)行小波分析之前，需要對(duì)截取的廓線數(shù)據(jù)做一次平滑處理，平滑動(dòng)窗口選取數(shù)據(jù)量的三分之一，如圖2c上部的紅色曲線所示，實(shí)際上是實(shí)施了一次低通濾波的處理，然后用原數(shù)據(jù)減掉平滑數(shù)據(jù)，剩余的值即是高頻的部分，也即進(jìn)行了一定程度的高通濾波，顯示在圖2c下部的綠色曲線上.如果圖中紅色曲線不被剔除，會(huì)在小波分析時(shí)多出一些大尺度的波動(dòng)信息，這些“波動(dòng)”通常認(rèn)為是云整體性質(zhì)響應(yīng)背景大氣特性的緩慢變化所引起的，而不是有規(guī)律的真實(shí)波動(dòng)的體現(xiàn)，必須通過(guò)濾波的處理，緩變的云背景才能夠被剔除，從而僅僅留下由于重力波擾動(dòng)所引起的反照率變化值，因此，最終獲取的個(gè)例絕大多數(shù)為單色波或準(zhǔn)單色波.圖2d即二維小波分析結(jié)果，通過(guò)功率譜的數(shù)據(jù)可以獲取波長(zhǎng)及位置等信息，一旦確定，便會(huì)被記錄在文檔中，包括波長(zhǎng)、波峰個(gè)數(shù)、波列的起止經(jīng)緯度及主波位置等信息，從而完成一個(gè)重力波個(gè)例的識(shí)別過(guò)程.為了更有效地進(jìn)行對(duì)比分析，也要對(duì)重力波水平波長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)分布曲線進(jìn)行擬合，通過(guò)實(shí)際的分析，發(fā)現(xiàn)與粒徑譜一樣的對(duì)數(shù)正態(tài)分布恰好能夠很好地?cái)M合重力波譜.將反照率圖像中的重力波信息投影至冰晶粒徑圖像中，便可獲取到本文所需要使用的粒徑數(shù)據(jù).

圖1　2008年北半球8月3日第6947條軌道的CIPS二級(jí)數(shù)據(jù)(a) 反照率圖像; (b) 冰晶粒子等效半徑; (c) IWC圖像. 虛線為緯度等值線.Fig.1　Orbit-spliced CIPS Level 2 image of No. 6947 orbit for NH season on August 3, 2008(a) Albedo map; (b) Particle radius map; (c) IWC map. Dotted lines denote latitudes.

圖2　CIPS反照率圖像數(shù)據(jù)中分辨和提取重力波活動(dòng)個(gè)例的過(guò)程, 以一個(gè)環(huán)形重力波為例(a) CIPS二級(jí)數(shù)據(jù)中第6309條軌道拼合后的反照率圖像； (b) 將重力波個(gè)例區(qū)域局部放大后的圖像； (c) 沿重力波波列垂直截取反照率廓線,藍(lán)色為原始數(shù)據(jù),綠色為高通濾波后的擾動(dòng)量； (d) 對(duì)擾動(dòng)量進(jìn)行小波變換,記錄每一個(gè)個(gè)例的具體信息.Fig.2　Example of gravity wave event identification process from CIPS Level 2 albedo image(a) Orbit-spliced CIPS Level 2 image of No. 6309 orbit; (b) Enlarged screenshot including clear monochromatic wavy pattern; (c) Original albedo data (blue) in the profile normal to wavefronts; mean PMC albedo (red) by low-pass filtering; residuals (green) denoting GW perturbation signatures; (d) The power spectrum of 2-D wavelet analysis including the detailed information needed to be recorded.

3結(jié)果分析

3.1重力波隨水平波長(zhǎng)的整體分布

利用2.2節(jié)中的方法，從CIPS2007-08年南半球、2008年北半球數(shù)據(jù)中分別提取了波長(zhǎng)在5～150 km范圍內(nèi)的4121和2368個(gè)重力波活動(dòng)個(gè)例.圖3給出了這些重力波個(gè)例個(gè)數(shù)隨水平波長(zhǎng)的分布，步長(zhǎng)間隔為5 km，并對(duì)其進(jìn)行了對(duì)數(shù)正態(tài)分布的擬合，參數(shù)列在表1中.可以看出，兩半球的整體趨勢(shì)保持一致，70%以上的波長(zhǎng)均落在20～60 km的范圍內(nèi)，其中，北半球的峰值波長(zhǎng)和平均波長(zhǎng)均比南半球稍小，譜寬也比南半球略窄.另外，北半球的重力波個(gè)例數(shù)量遠(yuǎn)大于南半球，主要是北半球的云層覆蓋面積更廣及夜光云季持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)造成的.

表1　重力波水平波長(zhǎng)分布的對(duì)數(shù)正態(tài)擬合參數(shù)

整個(gè)夜光云季中，無(wú)論從云層的覆蓋面積、出現(xiàn)頻率和亮度來(lái)說(shuō)，始末階段都要弱于中期階段.而重力波的辨識(shí)非常依賴于云層的覆蓋面積，因此，這就造成辨識(shí)出的重力波覆蓋時(shí)段明顯沒有整個(gè)夜光云季長(zhǎng)，而單純的粒子探測(cè)時(shí)段要大于重力波所出現(xiàn)的時(shí)段.圖4給出了冰晶粒子探測(cè)與重力波拾取所覆蓋時(shí)段的差異，隨著季節(jié)內(nèi)時(shí)間的變化，為了便于準(zhǔn)確分析，本文需要將粒子探測(cè)覆蓋時(shí)段縮短至與重力波匹配，即北半球?yàn)橹咙c(diǎn)前19天到至點(diǎn)后66天，南半球?yàn)橹咙c(diǎn)前18天到至點(diǎn)后47天.圖中的冰晶粒徑是對(duì)每天所有軌道上的全部云粒子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，始末階段的峰值粒徑和譜寬均比中期階段的稍小，且在南半球夏季更明顯一些.而重力波個(gè)例的數(shù)目也隨著云層覆蓋面積而變化，呈現(xiàn)始末少中期多的趨勢(shì).值得注意的是，南半球在至點(diǎn)后47天的數(shù)據(jù)均缺失，這在CIPS所有的南半球數(shù)據(jù)中都有不同程度的出現(xiàn)，另外，在季節(jié)的始末階段，粒子探測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了一定程度的失真.

3.2冰晶粒徑譜的整體分布

冰晶粒徑譜需要被分成兩部分進(jìn)行分析：一部分為重力波影響區(qū)域內(nèi)的冰晶粒徑譜，代表經(jīng)重力波作用后的云層狀態(tài)；另一部分則為比該區(qū)域更為廣闊的背景云層的冰晶粒徑譜，既包含有重力波活動(dòng)的區(qū)域，也包含其周圍一些無(wú)波動(dòng)的區(qū)域，這代表緩變的背景狀態(tài).這樣的兩部分可以結(jié)合對(duì)比分析，從而得出重力波活動(dòng)對(duì)冰晶粒徑的影響規(guī)律.

其中，重力波影響區(qū)域的冰晶粒徑譜可以通過(guò)對(duì)圖2b和2c中波列垂直方向上一條廓線的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和擬合，由于重力波活動(dòng)個(gè)例的邊界不規(guī)則且多變，使用固定幾何區(qū)域內(nèi)的所有數(shù)據(jù)顯然不太方便，但其波列所經(jīng)過(guò)的區(qū)域具有相對(duì)均勻的周期性變化，而且粒徑譜實(shí)際上屬于直方圖的統(tǒng)計(jì)規(guī)則，因此，完全可以使用這條廓線的譜形來(lái)表示重力波活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的平均狀況.對(duì)于背景云層的冰晶粒徑譜，我們選擇以每一個(gè)波個(gè)例的中心經(jīng)緯度為中心，在該波對(duì)應(yīng)的二級(jí)軌道條狀數(shù)據(jù)(如圖2a)中選取正負(fù)2°的矩形區(qū)域作為背景云層，將有云區(qū)域的冰晶粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而計(jì)算出背景云層的冰晶粒徑譜.因此，這兩部分的數(shù)據(jù)完全是一一對(duì)應(yīng)的兩組粒徑譜數(shù)據(jù).

首先對(duì)南北半球兩個(gè)季節(jié)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其粒徑譜如圖5所示，各項(xiàng)譜參數(shù)列在表2中.在圖5中，紅色和藍(lán)色的柱狀圖分別表示北半球和南半球背景云層的粒徑譜，紅色和藍(lán)色的曲線分別代表北和南半球重力波區(qū)域內(nèi)的粒徑譜.結(jié)合表2，總體來(lái)看，在南北半球，重力波區(qū)域冰晶的平均半徑和譜寬都要比背景云層的小，但峰值出現(xiàn)率則要高出一些.其中北半球重力波區(qū)域冰晶的平均半徑和譜寬分別比背景云層小2.5 nm和6.1 nm，南半球則分別減小1.1 nm和7.9 nm，因此平均半徑上兩者的差值在北半球更明顯，而在譜寬上的差值南半球更明顯.縱向?qū)Ρ?，背景云層中南北半球粒徑大小幾乎相同，但譜寬的差異非常明顯，這與南北半球背景大氣的性質(zhì)以及云層的壽命有關(guān)(Baumgarten et al., 2008)；而重力波區(qū)域內(nèi)南北半球譜參數(shù)都有一定的差異，且北半球均小于南半球，這與重力波活動(dòng)的強(qiáng)度有一定關(guān)系，在下文中會(huì)涉及到.

3.3冰晶粒徑譜隨緯度的變化

為了分析冰晶粒徑譜隨緯度的變化情況，取2.5°為一個(gè)緯度間隔，按照重力波個(gè)例的中心緯度值規(guī)整至各個(gè)緯度區(qū)間，并對(duì)平均半徑和譜寬求平均值，其結(jié)果如圖6所示.

圖6(a、b)分別給出了北半球的重力波活動(dòng)區(qū)域(紅色)和背景云層(綠色)的平均半徑及譜寬.背景云層中的冰晶半徑和譜寬均隨緯度的增加而減小，趨勢(shì)較為平緩；重力波區(qū)域的冰晶半徑隨緯度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在小于80°時(shí)比背景云層的粒徑要小，但在80°—85°的區(qū)間里則超過(guò)了背景云層，而譜寬為較明顯的下降趨勢(shì)，且均小于背景云層的譜寬.圖6(c、d)分別給出了南半球的重力波活動(dòng)區(qū)域(藍(lán)色)和背景云層(綠色)的平均半徑及譜寬.背景云層中的冰晶半徑和譜寬均隨緯度的增加而減小，但趨勢(shì)并不平坦，在有些緯度出現(xiàn)了一定的波動(dòng)；重力波區(qū)域的情況與北半球有所不同，冰晶半徑隨緯度增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在小于80°時(shí)仍然比背景云層的粒徑要小，但在80°—85°的區(qū)間里也超過(guò)了背景云層，同時(shí)譜寬有較小幅度的增加且均小于背景云層.

圖3　2008南北半球提取出的重力波個(gè)數(shù)隨波長(zhǎng)的分布Fig.3　Horizontal wavelength distributions of GWs in both hemispheres in 2008

圖4　重力波活動(dòng)覆蓋范圍與冰晶粒徑數(shù)據(jù)時(shí)間段的匹配(a)和(c)為粒徑譜在夜光云季節(jié)內(nèi)的分布； (b)和(d)為重力波個(gè)例個(gè)數(shù)在夜光云季節(jié)內(nèi)的分布.Fig.4　Matching results between PMC seasons and covering durations of GW events (a, c) Variations in particle size distributions (PSDs) with regard to days from solstice (DFS); (b, d) Events number distributions of GWs regarding DFS.

圖5　整個(gè)夜光云季內(nèi)粒徑譜分布(柱狀圖)及重力波擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)的粒徑譜分布(曲線圖)Fig.5　Bar plots of PSDs in PMCs derived from data in NH and SH seasons. Curves represent PSDs in GWs areas during both seasons

將圖5中重力波區(qū)域的譜參數(shù)減去背景云層的譜參數(shù)，得到的結(jié)果即是重力波擾動(dòng)引起的冰晶粒徑的變化值，如圖7(a、b)所示.在圖7a中，南北半球的平均半徑擾動(dòng)值均為負(fù)值，小于80°時(shí)，擾動(dòng)絕對(duì)值逐漸減小，而大于80°時(shí)，擾動(dòng)值為正值且逐漸增大，南半球的變化幅度要略大于北半球的，最大時(shí)能夠達(dá)到10.9 nm；圖7b給出了譜寬擾動(dòng)值的變化，趨勢(shì)與圖7a相似，擾動(dòng)絕對(duì)值也隨著緯度增加而減小，但均為負(fù)值，且北半球比南半球的變化更平緩，而南半球幅度更大，最大時(shí)有13.8 nm.這兩幅圖的結(jié)果意味著重力波對(duì)冰晶粒徑的負(fù)擾動(dòng)作用會(huì)隨著緯度增加而減弱，直到超過(guò)80°時(shí)對(duì)平均半徑的影響會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜_動(dòng).為了將這一結(jié)果與重力波本身的性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，在圖7c中給出了重力波對(duì)冰晶粒徑的擾動(dòng)振幅，其總體趨勢(shì)與圖7(a、b)中曲線基本一致，均隨緯度的增加而減小，與北半球的吻合度更高，南半球稍差，偏差的主要原因來(lái)自背景云層的選取范圍.另外，南半球的振幅整體高于北半球，這也剛好解釋圖7(a、b)中南半球譜參數(shù)變化幅度明顯高于北半球的現(xiàn)象.

圖6　背景云層和重力波區(qū)域內(nèi)的冰晶平均半徑(a)(c)及譜寬(b)(d)隨緯度的分布Fig.6　Variations in mean radius rm and width σ in mean PMCs and GWs with regard to latitude(a, c) Left panels show mean radius curves; (b, d) Right panels show width curves.

季節(jié)時(shí)段背景云層的冰晶粒徑譜參數(shù)重力波區(qū)域的冰晶粒徑譜參數(shù)差值平均半徑rm-p(nm)譜寬σp(nm)平均半徑rm-g(nm)譜寬σg(nm)rm-g-rm-p(nm)σg-σp(nm)NH200846.780520.257644.276514.1129-2.50395-6.14467SH2007-0846.744123.824345.66715.9543-1.0771-7.86996

圖7　重力波區(qū)域與背景云層內(nèi)的平均粒徑(a)和譜寬(b)的差值隨緯度的分布情況.(c)為重力波引起冰晶粒徑周期性變化的振幅隨緯度的變化Fig.7　Variations in residuals of mean radius rm (a) and width σ (b) in GWs minus those in mean PMCs in terms of latitude. (c) GW-induced amplitudes in particle size regarding latitude

3.4冰晶粒徑譜在季節(jié)內(nèi)隨時(shí)間的變化

為了分析冰晶粒徑譜在季節(jié)內(nèi)隨時(shí)間的變化情況，對(duì)每天的譜參數(shù)進(jìn)行平均，并作窗口為三天的滑動(dòng)平均，其結(jié)果如圖8所示，由于每天的個(gè)例數(shù)量有限，因此曲線不如圖6中緯度趨勢(shì)那么平滑.圖8(a、b)分別給出了北半球的重力波活動(dòng)區(qū)域(紅色)和背景云層(綠色)的平均半徑及譜寬.與緯度變化不同的是，背景云層中的冰晶半徑和譜寬變化趨勢(shì)并不一致，其中半徑在季節(jié)的始末階段小，在中期大，而譜寬為始末大，中期?。恢亓Σ▍^(qū)域的譜參數(shù)與背景云層的整體趨勢(shì)保持一致，只是在始末階段背離較明顯，且均為負(fù)值，而在中期階段則有較好的貼合，甚至有些時(shí)段要大于背景云層.圖8(c、d)分別給出了南半球的重力波活動(dòng)區(qū)域(藍(lán)色)和背景云層(綠色)的平均半徑及譜寬.整體趨勢(shì)與北半球很相似，但由于南半球季節(jié)持續(xù)的時(shí)間要短一些，加上47天后的數(shù)據(jù)缺失，所以平均半徑看起來(lái)變化幅度更大一些，而譜寬的變化趨勢(shì)則沒有那么明顯.

將圖8中重力波區(qū)域的譜參數(shù)減去背景云層的譜參數(shù)，可以得到重力波對(duì)冰晶粒徑的影響在季節(jié)內(nèi)隨時(shí)間的變化情況，如圖9(a、b)所示，由于每天的個(gè)例有限，平均后的起伏仍然較大，但不影響整體趨勢(shì)的分析.在圖9a中，南北半球的平均半徑擾動(dòng)在始末階段以負(fù)值為主，且絕對(duì)值較大，而在中期階段正負(fù)值相當(dāng)，且絕對(duì)值較??；圖9b中譜寬擾動(dòng)值的變化也有類似的趨勢(shì)，始末階段的負(fù)擾動(dòng)更強(qiáng)烈，中期階段負(fù)擾動(dòng)減弱，同時(shí)出現(xiàn)少量較弱的正擾動(dòng).這樣的結(jié)果意味著重力波對(duì)冰晶粒徑的負(fù)擾動(dòng)作用在始末階段強(qiáng)烈，在中期階段會(huì)逐漸減弱甚至轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜_動(dòng).與圖7c類似的，圖9c也給出了重力波對(duì)冰晶粒徑的擾動(dòng)振幅，其總體趨勢(shì)與圖7(a、b)中曲線的變化規(guī)律基本一致，始末大，中期小，且南半球的振幅整體高于北半球的，這也剛好解釋圖7(a、b)中南半球譜參數(shù)變化明顯大于北半球的現(xiàn)象.

3.5與重力波振幅和波長(zhǎng)的關(guān)系

由3.3和3.4節(jié)的內(nèi)容可以看出，重力波引起冰晶粒徑變化的規(guī)律與重力波本身的擾動(dòng)強(qiáng)度有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，本節(jié)來(lái)考察描述重力波性質(zhì)的另一個(gè)重要參數(shù)——波長(zhǎng)的分布.圖10(a、b)給出了南北半球固定間隔內(nèi)平均波長(zhǎng)隨緯度和時(shí)間的分布曲線.圖10a中的波長(zhǎng)均隨緯度的升高而減小，北半球的整體波長(zhǎng)更小，趨勢(shì)平緩，且變化幅度相對(duì)較小，從低緯的48.9 km到高緯的42.6 km，而南半球的趨勢(shì)有所起伏，平均波長(zhǎng)比北半球大6.2 km，且變化幅度也較大，從58.1 km到46.6 km，這與圖7c中重力波擾動(dòng)振幅隨緯度變化的趨勢(shì)相似.圖10b中南北半球的波長(zhǎng)均在季節(jié)的始末階段較大，中期階段變小，且南半球的整體波長(zhǎng)和變化幅度都要明顯大于北半球，這也與圖9c中重力波擾動(dòng)振幅隨時(shí)間變化的趨勢(shì)相似.

圖8　背景云層和重力波區(qū)域內(nèi)的冰晶平均半徑(a、c)及譜寬(b、d)在季節(jié)內(nèi)隨時(shí)間的分布Fig.8　Variations in mean radius rm and width σ in mean PMCs and GWs with regard to DFS (a, c) Left panels show mean radius curves; (b, d) right panels show width curves.

圖9　重力波區(qū)域與背景云層內(nèi)的平均粒徑(a)和譜寬(b)的差值在季節(jié)內(nèi)隨時(shí)間的分布情況； (c)為重力波引起粒徑周期性變化的振幅在季節(jié)內(nèi)隨時(shí)間的變化Fig.9　Variations in residuals of mean radius rm (a) and width σ (b) in GWs minus that in mean PMCs regarding DFS. (c) GW-induced amplitudes in particle size regarding DFS

圖10　(a)和(b)分別為重力波波長(zhǎng)隨緯度及在季節(jié)內(nèi)隨時(shí)間的變化Fig.10　Curves indicating wavelength with latitude (a) and DFS (b)

圖11　重力波引起粒徑周期性變化的振幅隨重力波波長(zhǎng)的變化Fig.11　Variations in GW-induced amplitudes in particle size with regard to wavelength

既然重力波對(duì)冰晶粒徑擾動(dòng)的振幅變化趨勢(shì)與波長(zhǎng)變化趨勢(shì)十分相似，我們對(duì)這兩組量做相關(guān)性分析，從而得出了擾動(dòng)振幅與波長(zhǎng)的變化關(guān)系，如圖11所示.以5 km為波長(zhǎng)間隔，對(duì)粒徑擾動(dòng)振幅求取平均值，紅色和藍(lán)色分別為北半球和南半球.從離散點(diǎn)中能明顯看出線性關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行線性擬合后，發(fā)現(xiàn)南半球的整體波長(zhǎng)要大于北半球的，且其變化率為0.207 nm·km-1，大于北半球的0.163 nm·km-1.這也從一個(gè)側(cè)面解釋了南北半球的差異性.

4討論

CIPS圖像不僅為夜光云的研究提供了基礎(chǔ)，也為這一高度區(qū)域重力波活動(dòng)的研究提供了條件.Chandran等(2009)給出了2007年北半球亮云中重力波水平波長(zhǎng)譜的分布，雖然其樣本較少，但仍與本文圖3有近乎相同的譜形.Pautet等(2011)利用地基影像系統(tǒng)(59.41°N)獲取的曙暮期間夜光云中重力波峰值水平波長(zhǎng)峰值也與本文低緯時(shí)的值近似.另外，利用氣輝(如OH)觀測(cè)重力波的結(jié)果也有相似之處(Li et al.,2011; Hecht, 2004; Suzuki et al., 2011, Jiang et al., 2012).對(duì)于冰晶粒徑譜的研究，星載和地基觀測(cè)都表明不同緯度的峰值半徑一般都會(huì)落在30～60 nm之間(Hervig et al., 2009a; Baumgarten et al., 2008; Thomas, 1991)，與本文圖5的結(jié)果基本一致.關(guān)于背景云層中冰晶粒徑大小隨緯度的變化，尚存在一些爭(zhēng)議.Robert等(2009)利用SCIAMACHY數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)冰晶粒徑隨緯度的增加而緩慢增大，但Hervig等(2009b)利用SOFIE的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)溫度更低時(shí)冰晶濃度會(huì)增加，但粒徑會(huì)減小，也就意味著高緯的冰晶粒徑應(yīng)比低緯的更小，與本文圖5的結(jié)果相吻合.

在解釋重力波影響冰晶粒徑的機(jī)制時(shí)，可以借助Hervig等(2009b)的觀測(cè)和理論，即溫度降低時(shí)首先會(huì)形成大量的小冰晶，使?jié)舛仍黾?，而不是促使冰晶凍結(jié)增長(zhǎng)或碰并增長(zhǎng)導(dǎo)致粒徑增大.在云層附近，當(dāng)出現(xiàn)重力波時(shí)，在波動(dòng)上升的相位上，處于輻散過(guò)程，氣團(tuán)的抬升會(huì)導(dǎo)致絕熱膨脹，對(duì)外做功的同時(shí)消耗內(nèi)能而使氣團(tuán)的溫度下降，過(guò)飽和度升高，當(dāng)凍結(jié)核濃度足夠高時(shí)，大量的小冰晶(一般大于30 nm)會(huì)迅速形成，從而對(duì)云層內(nèi)冰晶平均半徑的減小有一定貢獻(xiàn)；而在波動(dòng)的下沉相位中，處于輻合的過(guò)程，熱力學(xué)過(guò)程剛好與上升相位相反，外界做功會(huì)使氣團(tuán)被壓縮，內(nèi)能增加溫度升高，氣團(tuán)內(nèi)的冰晶會(huì)不同程度地減小甚至消融，這樣不僅減少了大粒子的數(shù)量，而且進(jìn)一步加劇了該區(qū)域云層內(nèi)冰晶平均半徑的降低.這一推斷剛好與圖5相吻合，小冰晶的大量增加和大冰晶的消融會(huì)使平均半徑減小，同時(shí)使譜寬也被收窄.值得注意的是，CIPS中小于20 nm的數(shù)據(jù)一般不能直接拿來(lái)進(jìn)行科學(xué)分析.通常認(rèn)為大冰晶的形成，一般是云頂處初生的小冰晶在下沉過(guò)程中凍結(jié)和碰并增長(zhǎng)變大的，需要相對(duì)穩(wěn)定的背景大氣環(huán)境(Zasetsky et al., 2009)，但重力波短時(shí)劇烈的溫度和動(dòng)力擾動(dòng)并不利于大冰晶的形成，另外，譜寬越寬大冰晶越多，決定了該區(qū)域云層會(huì)有更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間或壽命(Baumgarten and Fiedler, 2008)，因此重力波擾動(dòng)的出現(xiàn)會(huì)縮短夜光云局部云層的持續(xù)時(shí)間.按照這一機(jī)制，重力波自身的擾動(dòng)振幅應(yīng)與其影響區(qū)域內(nèi)的譜參數(shù)相對(duì)于背景云層的變化量有直接關(guān)系，且振幅越大，平均半徑和譜寬的負(fù)擾動(dòng)就越大，這恰恰與圖6—9所展示的緯向及季節(jié)內(nèi)時(shí)間上的變化趨勢(shì)相一致.當(dāng)然，具體的冰晶成核微物理過(guò)程還有待進(jìn)一步深入研究，并希望能夠通過(guò)云微物理模式來(lái)驗(yàn)證這一機(jī)制.

5結(jié)論

本文利用AIM衛(wèi)星搭載的CIPS云圖數(shù)據(jù)，提取了2007/08南半球和2008年北半球共6489個(gè)小尺度重力波活動(dòng)(波長(zhǎng)5～150 km范圍)個(gè)例，通過(guò)對(duì)重力波區(qū)域與背景云層冰晶粒徑譜的對(duì)比分析，研究了重力波對(duì)冰晶平均半徑和譜寬的影響規(guī)律，并探討了影響機(jī)理，得出以下結(jié)論：

(1)兩半球中近70%的小尺度重力波波長(zhǎng)均落在20～60 km的范圍內(nèi)，其中，北半球的峰值波長(zhǎng)和平均波長(zhǎng)均比南半球的稍小，譜寬也比南半球略窄.

(2)總體來(lái)看，北半球重力波區(qū)域冰晶的平均半徑和譜寬分別比背景云層小2.5 nm和6.1 nm，南半球則分別減小1.1 nm和7.9 nm，但峰值出現(xiàn)率則要稍高.

(3)在隨緯度的分布上，小于80°時(shí)，南北半球的平均半徑擾動(dòng)值均為負(fù)值，絕對(duì)值隨緯度增大逐漸減小，而大于80°時(shí)，負(fù)擾動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜_動(dòng)，且絕對(duì)值增加；譜寬擾動(dòng)的絕對(duì)值也隨著緯度增加而減小，但均為負(fù)值.在季節(jié)內(nèi)隨時(shí)間的分布上，南北半球重力波對(duì)冰晶平均半徑和譜寬的擾動(dòng)在始末階段以負(fù)值為主，且絕對(duì)值較大，而在中期階段正負(fù)值相當(dāng)，且絕對(duì)值較小.這一特征與重力波引起冰晶粒徑變化的振幅在緯度和時(shí)間上的分布趨勢(shì)一致.

(4)重力波的波長(zhǎng)均隨緯度升高而減小，在季節(jié)的始末階段較大，中期階段變小，且南半球的整體波長(zhǎng)和變化幅度都要明顯大于北半球.重力波對(duì)粒徑擾動(dòng)振幅隨波長(zhǎng)的變化率為南半球0.207 nm·km-1，北半球的0.163 nm·km-1.

根據(jù)本文的研究結(jié)果和已有理論推斷，重力波自身的擾動(dòng)振幅應(yīng)與其影響區(qū)域內(nèi)的譜參數(shù)相對(duì)于背景云層的變化量有直接關(guān)系，且振幅越大，平均半徑和譜寬的負(fù)擾動(dòng)就越大.但重力波對(duì)冰晶成核微物理過(guò)程的擾動(dòng)還需要使用云微物理模式進(jìn)行深入研究.

致謝感謝NASA-AIM Satellite Mission網(wǎng)站提供了CIPS Level_2全部數(shù)據(jù)產(chǎn)品.

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(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41304124,41305032)，江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(BK20141480)，南京信息工程大學(xué)校科研啟動(dòng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2013X027)聯(lián)合資助.

作者簡(jiǎn)介卜令兵，男，1976年生，副教授，主要從事激光大氣探測(cè)技術(shù)、云微物理學(xué)及云降水的研究.E-mail:lingbingbu@nuist.edu.cn *通訊作者郜海陽(yáng)，男，1984年生，講師，主要從事大氣光學(xué)遙感技術(shù)、夜光云物理學(xué)的研究.E-mail:yuanzineng@126.com

doi:10.6038/cjg20160205 中圖分類號(hào)P412 10.1029/2011JD016464.

收稿日期2015-07-17，2015-10-09收修定稿

Characteristics of perturbations induced by small-scale gravity waves on ice particle size distribution of noctilucent clouds

BU Ling-Bing1,2,3， ZHANG Zu-Yi2,3， GAO Hai-Yang2,3*， HUO Chao-Yang3，WANG Zhen2,3， ZHU Hong4

1CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China2KeyLaboratoryforAerosol-Cloud-PrecipitationofChinaMeteorologicalAdministration,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China3SchoolofAtmosphericPhysics,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China4SchoolofAtmosphericScience,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China

AbstractRecent research has shown that the occurrence frequency and brightness of polar mesospheric clouds (PMCs) have been gradually increasing since first recorded in 1883; the trend is likely related to global warming and associated anthropogenic activity. The increasing trend is somewhat under debate, however, as not all studies on the subject have reached similar conclusions. Analysis of the thermodynamic mechanism remains necessary to confirm the impact of climate change and the surrounding atmosphere on this trend. Upward-propagating atmospheric gravity waves (GWs) are a thermodynamic process with significant effect on the upper mesosphere, which were addressed in this work by examining characteristics of perturbations induced by small-scale GWs on the ice particle size distribution (PSDs) of PMCs.

KeywordsUpper atmosphere; Noctilucent clouds; Gravity waves; Ice particle size distribution; CIPS

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