季节和纬度变化对于夜光云海拔影响外文翻译资料

 2022-12-08 15:42:31

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季节和纬度变化对于夜光云海拔影响

F.-J. Luuml;bken, G. Baumgarten, J. Fiedler, M. Gerding, J. Houml;ffner, and U. Berger

摘要：分别对Kuuml;hlungsborn（54°N），ALOMAR（69°N），和Spitsbergen（78°N）（平均高度Zc是82.75km，83.33km，和83.68km）这一区域的夜光云进行一段1500小时的激光雷达探测。标准偏差sigma;代表地转变化，变化范围0.7~1.6km。平均海拔误差∆Zc小于60–340 m。因此采用标准偏差sigma;来矫正Zc得到∆Zc。由于∆Zc的增加对于海拔维度的变化影响很小，在ALOMAR地区Zc随季节变化范围为1~1.5km。我们发现在69°N到78°N范围内，夜光云海拔积累大约为气候温度145 K。通过LIMA模型能够很好的模拟出夜光云海拔的变化，是因为极地地区纬度的不均匀性。通过模拟发现：145K等温线的的变化引起的海拔变化小于250米（0°N~60°N）。

引用： Citation: Luuml;bken, F.-J., G. Baumgarten, J. Fiedler, M. Gerding, J. Houml;ffner, and U. Berger (2008), Seasonal and latitudinal variation of noctilucent cloud altitudes, Geophys. Res. Lett., 35, L06801, doi:10.1029/2007GL032281.

1. 介绍

夜光云出现在在夏季的中高纬度地区，海拔在大约83km。夜光云对温度的变化十分敏感，因此温度可以作为观察其长期变化的重要指标。夜光云在大约100年前被发现，通过对历史数据的分析影响夜光云的海拔的的因素已经确定，而影响亮度的等因素的原因还在讨论中。激光雷达是对夜光云分析的最好的方法（除了现场探测），精确度能够达到100米。通过激光雷达可以提取到2000小时内不同纬度的夜光云数据。因为夜光云高度对于中间层顶部和低热层的敏感性，对其深入的研究可以完善全球环流模型。例如几K的温度变化也会导致夜光云1km的海拔误差。

过去已有一些公开出版的文献研究了夜光云高度变化的问题。而目前，我们在Spitsbergen、Kuuml;hlungsborn和ALOMAR地区的激光雷达探测又有了新的发现。本文中我们研究了夜光云高度随季节与纬度的变化，并把它与来自LIMA的冰粒子模拟进行了对比。

2. 在北半球激光雷达观测夜光云高度变化

激光雷达探测是通过夜光云粒子的后向散射得到雷达回波，这额外的信号通常是赋予相对的分子信号（后向散射比R）或者是其数值的绝对值（后向散射系数beta;）。我们使用beta;的高度剖面来确定最大的后向散射的高度(云顶高度Zp)以及质心高度（Zc）来定义beta;权重函数的平均高度。Zp和Zc的差别很小。在一般情况下后向散射系数取决于激光波长和粒子的大小。因为云粒子的直径与高度有关，我们认为不同的夜光云高度应对应不同的激光波长。在ALOMAR地区我们已经研究这种情况，对于瑞利/米氏/拉曼三种散射，激光雷达355nm、532nm、1064nm波段，当波长在这一范围内变化时，夜光云的高度仅仅增加50-100m，这一量值非常小。所以本文使用的波长(532 nm和770 nm)的影响会更小。

数据库提取每日Kuuml;hlungsborn(54.1°N)、ALOMAR (69.3°N)地区的用RMR-激光雷达 (532 nm)和Spitsbergen (78.2°N)用K激光雷达探测得到的夜光云平均高度。首先，取两分钟时间段的数据获取平均质心高度（在ALOMAR地区取十五分钟），之后确定每日所有时段Zc的平均值。我们也测试了另一个方法，就是平均对比一天内所有夜光云刨面图然后求得Zc。这两种方式之间的差异很小。

在2001年夏季和2003年的夏季的Spitsbergen地区，我们可移动式的K激光雷达对夜光云进行了共计226小时的观测。第一个观测成果由Houml;ffner从2001年开始发表。现在我们提出平均每个季节的质心高度（图1）。2001年的平均质心高度为83.74km，2003年平均质心高度为83.63km，2001年加上2003年的平均质心高度为83.68km（表1）。相应的平均峰值高度为83.64km、83.52km、83.58km，只是略低于Zc。一个季节内平均质心高度和峰值的变化只有100米，换句话说这种变化甚至比每日变化还要小。

图1 Spitsbergen地区，K激光雷达观测夜光云平均海拔。蓝色表示2001年每日平均海拔；绿色表示2003年平均海拔；蓝色水平线表示2001年总体的平均海拔，绿色水平线表示2003年总体的平均海拔；红色表示2001年和2003年两年总体的平均海拔。

基于在ALOMAR地区1270小时的观测，在图2中我们显示出所有的夜光云的日平均高度。Zc的均值是83.33km（标准偏差：sigma; = 1.04km）。为了研究季节的变化，在一年内选取一个中心时段，即每年的第180天到200天，之后确定在这时期内的平均夜光云高度。我们发现的平均高度和标准差分别为83.55km(1.0km)，83.11km（0.9km）、83.47km（1.2km）。我们选取的中心时段取决与夜光云高度随季节变化的平缓程度，但是这种方法还是有点不合适。一个周期的中点相对夏至日（积日=172）移动了23天。在季节的始末阶段的平均高度分别比这个观测周期中点的平均高度高大约440米和360米。这种差异仍然随着背景大气的变化而在变化。因为，我们只采用一个激光雷达，不适用于大多数之后讨论的系统不确定性。在这种情况下，我们考虑平均夜光云高度误差的意义。平均高度误差通常小于100米，意味着夜光云高度的季节变化有很大的意义。在ALOMAR地区平均夜光云高度每一年都在变化（这里没有展现出来）。此外，当更明亮的夜光云出现在更低的高度上时，就不得不去考虑激光雷达的敏感度问题。这也刚好再次强调了在确定误差偏差之前考虑地理信息的变化和仪器的工作状态的重要性。

图2 ALOMAR地区，用RMR激光雷达测量夜光云平均高度。在给定的周期内，水平线表示平均海拔，虚线表示平均值的变化情况；粗的蓝色水平线表示在整个夜光云发生的时间里的水平海拔。

自从1997年Kuuml;hlungsborn地区RMR就开始用激光雷达对夜光云进行观测。在夜光云生成时对温度与风同步比较观测，对非局地影响的观测很重要。总之，在22天内只有总共29小时的夜光云观测数据可用。随着季节的变化高度变化很小。平均高度是82.75km，标准偏差1.58km（平均误差：0.3km）。

表1 Spitsbergen地区K激光雷达探测夜光云高度统计

2001

2003

2001 2003

夜光云出现日期

6月12日

6月11日

6月11日

夜光云最后出现日期

8月11日

8月21日

8月21日

持续发生时间h

142

84

226

观测总时间h

184

121

306

出现频率%

77

69

74

平均高度km

83.74

83.63

83.68

平均高度变化km

0.82

0.58

0.70

平均峰值高度km

83.64

83.52

83.58

平均峰值高度变化km

0.84

0.64

0.74

半最大值全宽度km

1.7

1.4

1.6

bmax1010（m·sr）

3.9

4.6

4.1

a. 7月11日到8月21日的一段时期

b. 半高宽

3. 讨论

在图3中，我们给出了平均质心高度随纬度的变化关系。这些数据覆盖了超过一年的激光雷达的观测，我们从中选取了数个小时（gt;20）的数据并着重研究（表2）。最大的数据集来自在ALOMAR地区的RMR激光雷达观测。我们还显示了一个观点基于Soslash;ndrestroslash;m (67.0°N)地区1994到2000年220小时的夜光云观测。从这文章中确定了平均质心高度为82.97km（sigma;=1.07km）。我们可以假设sigma;是该数据集所代表的地球物理变化日平均夜光云高度。

图3 在北半球激光雷达测量夜光云平均海拔。红色竖条表示标准偏差，黑色表示系统误差；粗红线表示这些点的线性拟合；红色点表示的是进一步测量发现，出现的较大偏侧的点。在42°N显示出了两个单日夜光云的峰值海拔高度（见文）。蓝色十字表表示在南半球激光雷达测量的夜光云高度。绿色线表示LIMA模型模拟出的夜光云发生季节的夜光云平均高度，北半球为实线；南半球为虚线。南北半球平均高度差为300M。

从激光雷达平均Zc值和表2中的sigma;值，我们发现夜光云高度随纬度变化43plusmn;65m每度，这个变化很小而且没有统计学意义。如果我们使用平均高度的误差作为不稳定度变化达到47plusmn;9m每度。在计算与∆Zc斜率发现单个数据点是独立统计和随机分布的，也就是说不受系统的影响。我们认为，每日平均值是统计独立的，因为一个典型的夜光云的持续时间为几个小时，因为夜光云的持续时间远远比一天短。然而夜光云高度随系统的不同高度不同，从去年到今年，随着季节，随着激光雷达的灵敏度，波浪等的存在，夜光云高度随系统的不同高度不同。而且，潮汐的影响已经被研究出来了，大约能够对夜光云高度造成0~800米的影响，但是据推测如果分析每日的平均值，影响会很小。这种情况很有可能是上述的一些数据被那些情况影响了。不幸的是，它不能够适当地把这些变化考虑在内，因为他们研究的还不是很好。因此我们认为∆Zc就是夜光云平均高度时过于乐观的估计，而地球物理变化系数sigma;才是更加适当的。这意味着所观察到的夜光云高度随高度小幅度的增加在统计学上是不显著的。与CHU呈现的结果相反。

表2. 北极雷达观测夜光云平均海拔数据

纬度

54.1°N

67.0°N

69.3°N

78.2°N

激光波长 nm

532

532

532

770

夜光云持续时间h

29

220

1270

226

平均高度km

82.75

82.97

83.33

83

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