重力波活动对夜光云亮度影响的统计规律及机理研究

The increasing brightness of noctilucent clouds (NLCs) from the first record in 1883 have been proven that there may be a relation with the global warming and human activities. The atmospheric gravity waves (GWs) can induce the flexuosity on the brightness of NLCs, but the rules and influence mechanism of space and time distributions are not yet clear. With regard to this open issue, the author infers that the GWs with different periods and wavelengths may induce the flexuosity of saturation, then impact the nucleation rate and particle size of ices that can cause regular changes on the brightness of NLCs. This project adopt a method combining the microphysics mechanism and macrography of GWs. The GWs can be extracted from CIPS data by means of the multiple fractal. This research plans to obtain the statistical corresponding relation between the occurrence frequencies of GWs and saturation and the statistical relation between the wavelengths and period of GWs and ice particle sizes, and analyze the cases in the overlap of the two adjoining orbits of both the CIPS and SOFIE. These parameters and their interaction relations can be used to further reveal possible mechanism of the influence of GWs on the brightness of NLCs. The research in this project can provide a novel idea and means for studying the GWs in the upper atmosphere.

夜光云的观测亮度自1883年第一次记录至今呈逐年增长的趋势，并已被证明可能与全球变暖及人类活动有关。大气重力波活动会引起夜光云观测亮度的波动，但短期和长期时空分布规律和影响机理尚未完全明确。针对这一问题，申请人推测不同周期和波长的重力波活动首先会引起夜光云饱和度的波动，进而影响夜光云中冰晶的成核速率乃至冰晶尺寸的改变，最终导致观测亮度的规律性变化。为此，本项目拟采用夜光云微物理机制与重力波宏观特性相结合的思路，利用多重分形方法从CIPS数据中提取重力波活动，并结合其它星载仪器的相关数据，获取重力波出现频率与饱和度波动的统计对应关系，明确不同尺度重力波活动与冰晶粒径分布变化的相关性，并对CIPS和SOFIE重叠区域的重力波个例进行分析，从而揭示重力波引起夜光云亮度变化的可能机制，为中高层大气重力波的研究提供一种新的思路和途径。

大气重力波活动会引起夜光云观测亮度的波动，但短期和长期时空分布规律和影响机理尚未完全明确。针对这一问题，本项目借助卫星仪器CIPS、SOFIE和MLS的观测数据，并结合PMCs 0-D模型的模拟结果，研究了重力波活动对夜光云亮度扰动的影响，主要的研究结果如下：（1）发现小尺度重力波（波长10~150 km）在短期内对夜光云亮度的影响以增强为主，其增强的百分比能够达到16.4%~21.6%，而过去已有的研究绝大多数认为重力波活动会使云层消逝而引起亮度的削弱；（2）重力波能够影响夜光云冰晶粒径谱的分布，对冰晶平均半径和谱宽扰动值均随纬度增大而减小，且基本为负值，在季节的始末阶段以绝对值较大的负值为主，而在中期阶段正负值相当，且绝对值较小，粒径扰动振幅随波长的变化率为0.163~ 0.207 nm/km，重力波自身的扰动振幅应与其影响区域内的谱参数相对于背景云层的变化量有直接关系，且振幅越大，平均半径和谱宽的负扰动就越大；（3）重力波引起的反照率变化值既与背景云层的状态有关，也与重力波活动强度即引起的振幅变化有关，在季节的始末阶段和较低纬度区域，此时弱云中的饱和度处于临界状态，重力波对温度的正扰动作用会大于对水汽向上的输送作用，从而削弱云层亮度，而在高纬地区和季节的中期阶段，云层较强时，重力波对水汽向上的输运作用要大于对温度的正扰动，从而增强云层的亮度。上述结果给出了重力波对夜光云亮度的扰动规律，并解释了可能的作用机制，为中高层大气动力过程对夜光云微物理过程的影响机制研究提供了新的思路和途径。