从多站点夜光云RGB光度测量中的三维速度分析与粒子尺寸动态研究

《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》：Three-dimensional velocity analysis and particle size dynamics from multi-site RGB-photometry of noctilucent clouds

　　

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  近年来已开展利用相似的全天相机进行夜光云的广泛RGB光度测量。
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  已开发一种确定速度分量、粒子半径及其随时间变化率的方法。
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  研究发现，云层的经向速度是中纬度中间层中粒子升华的主要因素。

引言

自19世纪末以来，中纬度和高纬度地区在夏季就已被观测到夜光云（Leslie, 1885; Backhouse, 1885）。Wegener（1912）提出并最终在UARS任务中得到确认（Hervig et al., 2001），这些云由中间层上部的水冰组成。三角测量高度观测（Jesse, 1896）得出的平均值为82.1 km。这比夏季中间层顶低数公里，由于上升气流运动和绝热冷却，该处温度可低至120–130 K。水蒸气可在流星尘埃粒子（Rosinski and Snow, 1961）或水合离子（Witt, 1969）上再升华。

冰粒子的生长最初由Gadsden（1981）和Turco等（1982）建模研究。他们表明，当H₂O体积混合比（VMR）为2 ppm或更高时，粒子半径可增长至100 nm。最大的粒子在80–84 km高度形成可见的云层。该层的形成需要温度低于霜点（145–150 K），最适宜约为130 K。在更低的温度下，离子成核主导尘埃成核，导致大量微小的亚可见粒子产生。粒子增长至半径100 nm的特征时间估计约为10 h。Gadsden和Schr?der（1989）在H₂O体积混合比5 ppm、温度140 K条件下发现，半径增长速率约为0.003 nm?s^?1。CARMA模型估计的特征粒子生长时间约为5–10 h（Rapp and Thomas, 2006; Lübken et al., 2007）。粒子生长持续时间的效应可通过多经度观测中夜光云最大出现与2025年夏季与强5天行星波相关的温度最低点之间的相位差来考察（Ugolnikov et al., 2026）。该时间滞后预计约为粒子生长时间的一半，实测值为3.4 ± 2.2 h。

模型中的粒子升华速率取决于最大粒子下降至80 km以下高度，该处温度高于冰的凝固阈值。Gadsden和Schr?der（1989）在温度150 K条件下得到的?0.01 nm?s^?1对应约3 h的升华时间。随温度升高，该过程将显著加快。

粒子的成核和升华过程也可能受到水平运动、尤其是经向运动的影响。如前些年利用广角夜光云成像所测（Ugolnikov et al., 2025），大多数情况下经向速度为负（向南），可达?50 m?s^?1。夏季中间层顶温度向极地方向递减，向赤道方向的风将冷空气团带至中纬度地区（Gerding et al., 2013）。由于这一过程，云粒子可被输运至较温暖的环境介质中，随后在保持恒定的高度下升华。

要观测这一过程，我们必须在夜光云碎片水平移动的过程中对其进行追踪。这无法由激光雷达完成，因为激光雷达的观测方向固定不变。激光雷达曾观测到夜光云平均高度的降低以及夜间粒子尺寸的变化（Gerding et al., 2013, 2021），但在每一个时刻这些测量对应的是不同的云样本。在较长时间内观测固定云碎片对卫星遥感同样具有挑战性。

基于地面的广角夜光云场成像为在暮光时期（可见性最佳的时段）追踪固定云元素提供了机会。如果这些观测由两个或更多地点使用相同的标定RGB相机进行，则可以同时测量高度和有效粒子尺寸（Ugolnikov, 2024）。本文将该方法扩展至测量有效半径对时间的导数，以及碎片速度的三个分量——纬向、经向和垂直分量。将结果与近年来夏季数次明亮的夜光云观测案例进行比较，从而识别出控制夏季中间层冰粒子演变的主要因素。

章节摘要

观测

2023–2025年夏季，利用一套相同的全天RGB相机在俄罗斯中部（55–57°N，36–38°E）对夜光云进行了观测。相机的光谱特性见Ugolnikov（2023），对于夜光云光散射情况，有效波长（按实际信号加权平均）分别为469、529和578 nm。然而，分析是通过在光谱波段上进行积分来实现的，而非直接使用有效值。

数据处理

处理的初始阶段重复了Ugolnikov（2024）和Ugolnikov等（2025）所描述的步骤。含夜光云的天空RAW图像被投射到一个事先确定的固定高度H₀ = 81.33 km的表面上，计算时考虑了地球的椭球模型以及观测点距海平面的微小高度h_i。数据投影的空间分辨率为150 m。云元素在该表面上的投影位置由坐标(x

结果

对于由不同地点不同相机观测到的明亮碎片，可以分析夜光云垂直运动和粒子尺寸变化等细微效应。我们展示了所有在以下方面精度良好的观测日期和碎片的结果：高度H₀（优于0.5 km）、有效粒子半径r（在假设单分散粒子集合的条件下优于15 nm）及其对时间的导数r'（优于0.04 nm?s^?1）。位置

讨论与结论

夜光云的快速运动使得地面成像成为其最有效的研究工具，尤其是当研究主题涉及特定云碎片随时间的物理演变时。如之前所述（Ugolnikov, 2024），利用分布在约100 km距离上、沿近南北方向的相同相机对含夜光云的天空背景进行RGB光度测量，可以确定夜光云碎片的高度和有效粒子半径。本文解决了一个更为

CRediT作者贡献声明

Oleg S. Ugolnikov：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式化分析，数据管理，概念设计。Olga Yu Golubeva：调查。Egor O. Ugolnikov：调查。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Oleg S. Ugolnikov报告获得了俄罗斯科学院空间研究所（FSBSI）的资金支持。Oleg S. Ugolnikov报告与俄罗斯科学院空间研究所（FSBSI）存在雇佣关系。Oleg S. Ugolnikov报告获得了俄罗斯科学基金会的资金支持。

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