GBAVTII探测西安上空夜气辉反演O2(0-1)柱浓度及其波动的研究

方妍, 李存霞, 惠宁菊, 刘洋河, 李文文, 李凌青, 唐远河

西安理工大学理学院, 西安 710048

0 引言

地球中高层大气的MLT(Mesosphere and Lower Thermosphere)区域是中间层与热层的重要耦合区域,对该区域进行观测可以获取大气中性风温数据以及气辉发射有关数据等,这些数据为研究上下圈层耦合、太阳活动变化、特殊天气事件等提供了重要的信息.气辉辐射不仅与发生在MLT区域内的许多化学过程和动力学过程有密切关系,还受到该区域内大气化学成分的控制,因此我们可利用气辉辐射特征反演大气成分.气辉辐射还对不同大气尺度的波动特征有响应,可以用于反演各种大气波动的传播特征.与此同时,人类新进开展对火星、土星气辉分布等方面的遥测也已成为行星学的前沿课题(武魁军等, 2023).对地球大气MLT区域开展气辉观测对于地球或其他行星大气空间、环境、模式研究等都有重要的科学意义.

人们对大气气辉辐射及其波动变化已经做了大量的研究,这些研究使用的观测仪器按照其载体可以分为星载和地基仪器.星载仪器如1991年搭载在NASA(National Aeronautics and Space Administration)的上层大气研究卫星UARS(Upper Atmosphere Research Satallite)上的风成像干涉仪器WINDII(Wind Imaging Interferometer)(Shepherd et al., 1993)通过多条气辉辐射谱线探测高层大气(80～300 km)的风速、温度和体发射率,得到OI绿线557.7 nm昼夜气辉体发射率VER(volume emission rate)峰值分别为280 photons cm-3·s-1和960 photons cm-3·s-1.2001年发射的TIMED(Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics)卫星上的宽带辐射计SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)探测MLT区域的温度、密度、压强等随高度的变化,观测得到5.3 μm的NO气辉的VER相对误差为15%(Oberheide et al., 2013).星载仪器具有很好的全球覆盖能力,而地基遥感探测中高层大气气辉辐射的优势在于可对特定区域大气进行长时间、高时间分辨率观测,可以区分观测到的波结构中的时间和空间效应的混叠(Sargoytchev et al., 2004).2012年在科尔哈普尔低纬度站(16.8°N,74.2°E)同时测量OI 557.7 nm和OH(7-2)波段气辉强度变化,提取得到周期在2～12 h的波动,向上传播的亚谐波潮汐振荡周期有4、6、8和12 h,速度在1.6～11.3 m·s-1范围内,垂直波长在28.6～163 km(Ghodpage et al., 2012).2019年在(31.8°S、69.3°W)地区对于OH(6-2)和O2(0-1)的地基观测得到周期9～15.5 h的半昼夜潮(Reisin et al., 2019).通过地基SATI(Spectral Airglow Temperature Imager)探测得到O2(0-1)及OH Meinel (6-2)气辉的大气温度及VER长期序列中所提取得到强烈的准两天波和准五天波(López-González et al., 2009),利用SATI 的15年观测VER和大气温度数据提取得到中纬度MLT区域的重力波,发现周期小于3 h的重力波比周期为3～6 h的重力波更普遍,且重力波活动受潮汐和行星波调制的影响(López-González et al., 2020).2023年利用昼气辉光度计CDAP(CCD-based Daytime Airglow Photometer)观测OI(630.0)nm的日间体发射率波动变化,其在中午达到峰值,峰值体发射率在4～5 kR(Pallamraju et al., 2023).

2019年,我们课题组研制了地基气辉成像干涉仪GBAVTII(Ground-based atmosphere VER &temperature imaging interferometer)(Tang et al., 2019; Xue et al., 2023 ),在西安城区尽可能地进行连续的夜间观测,本文报道了我们得到的西安上空90～100 km夜气辉O2(0-1)的柱浓度及其波动特征.全文安排如下：第一部分阐述GBAVTII的结构、探测O2(0-1)柱浓度原理及探测结果;第二部分研究O2(0-1)的柱浓度的波动变化,从O2(0-1)柱浓度的单日及多日波动中提取了重力波、潮汐及行星波的周期信息,第三部分给出结论.

1 GBAVTII观测O2(0-1)夜气辉

1.1 GBAVTII结构及观测

GBAVTII用于探测地球上空80～300 km 的高层大气温度和气辉VER(Tang et al., 2019),仪器的实物图及内部光路图如图1所示.GBAVTII由入射光阑、胶合透镜、可换窄带干涉滤光片、成像透镜和一个CCD探测器组成.GBAVTII的视场角为±13.6°,可探测双原子O2(0-1)、单原子O(1S)绿线、O(1D)红线以及OH(8-3)Meinel带气辉光源,气辉谱线进入仪器后在CCD上呈现出明暗相间的干涉圆环,经过降噪、平场等处理后可反演大气温度和VER等气辉的信息(Xue et al., 2023).

图1 GBAVTII实物图及光路图

GBAVTII探测地点在西安理工大学教九楼顶(海拔457m,34.23°N,109.01°E),地处中纬度地区中国西部的西安城区灯光较多、沙尘较为严重,GBAVTII在晴朗、无月光、云层稀薄的夜晚可整晚进行长达8 h的自动观测,每次拍摄气辉的曝光时间为3 min.从2019年12月以来每月对于峰值高度在94 km处的O2(0-1)所辐射的气辉谱线有效观测天数如表1所示.虽然GBAVTII的观测实验受西安城区环境和天气等影响较大,观测数据的分布较离散,有效天数较少,导致其观测数据很稀缺,但不影响对个例的研究.已有的高质量观测能为我们提供高层大气的相关信息,本文从这些观测中反演得到西安上空94 km处O2(0-1)粒子的柱浓度及其扰动,进而提取波动周期特征.

表1 GBAVTII每月有效观测的天数Table 1 Monthly effective observation days of GBAVTII

1.2 GBAVTII探测O2(0-1)气辉原理

气辉是大气的“指纹”,气辉的体发射率表示气辉在单位体积单位时间内辐射的光子数,单位photons cm-3·s-1,根据Chapman激发机制,O2(0-1)气辉体发射率可表示为(Murtagh et al., 1990)：

(1)

上式中k1=9.4×10-33(300/T)2cm3/s,k2=3.6×10-18exp(-220/T),k3=5.8×10-18exp(-220/T),k4=1.3×10-16,其中T表示热平衡状态下的温度,VER与气辉粒子激发态浓度的关系为

VER=A·C,

(2)

其中A是爱因斯坦自发辐射系数,A867.7 nm=0.08 s-1,这一系数本质上是原子或分子能级之间的跃迁概率;C是位于激发态的O2(0-1)粒子的数密度亦,即浓度(单位cm-3).

要用地基仪器探测(2)式中的大气粒子浓度,必须转换为地基GBAVTII的CCD探测器上所得到的积分发射率IER(Integrated Emission Rate),亦即单位时间单位面积上得到的光子数,单位为photons cm-2·s-1,我们观测的其实是O2(0-1)的柱浓度,用c表示(单位为cm-2).VER反映气辉的亮度,IER则反映出探测的照度,而地面观测的IER实际上是VER在视线方向上的积分效应(Shepherd, 2002).根据图2所示GBAVTII 的探测模式,O2(0-1)夜气辉沿视线方向经大气传输至GBAVTII并成像在CCD上,得到图1右上角的成像干涉图,再通过实验定标、图像去噪、正演和反演过程处理后,最终得到气辉干涉图像的IER探测结果：

其中Ns表示探测信号强度(气辉成像干涉图的电子计数值),Nd表示暗噪声强度,0.0096×0.0096表示CCD上一个像素点的面积,单位为cm2;CADV=2表示CCD的数模转换效率;η=0.38表示仪器的量子效率;τsys是CCD的透过率,t为曝光时间为180 s.

图2 地基GBAVTII的探测模式(a) 气辉辐射与探测模型; (b) GBAVTII的探测模型及探测范围.

为了获得地球上空90～100 km的O2(0-1)柱浓度,必须将CCD探测IER的过程关联起来：图2a的GBAVTII的镜筒垂直地面z向朝天空拍摄,以O点为观测点,建立如图空间坐标系,假设地球为球体,GBAVTII拍摄气辉光源O2(0-1)的峰值高度在94 km处,气辉层厚度约为3～6 km,图2b是根据GBAVTII的视场角得到单次45.6 km的拍摄范围.

气辉光源向各方向辐射,经过大气吸收和散射后到达GBAVTII的探测器上,我们课题组将高斯线型气辉的VER随高度的变化用4段一元三次方程进行离散拟合表示为VER(h)(Tang et al., 2019),于是IER的计算式为

×τ·r2sinθdrdθdφ,

(4)

虽然O2(0-1)辐射的峰值高度在94 km,但是(4)式中我们取高斯线型的O2(0-1)气辉的扩线范围r1到r2的范围为 80～120 km,代入计算得到O2(0-1)的IER：

(5)

最终得到GBAVTII探测得到O2(0-1)柱浓度与IER的关系为

(6)

这里的O2(0-1)柱浓度实际上为GBAVTII在观测路径上有关气辉层的积分(柱含量),单位为cm-2,其中τ表示大气透过率,根据GBAVTII目标谱线、入射角、实验环境(晴朗、无云、水汽含量少气溶胶模型为城市模型),可从MODTRAN(Moderate Spectral Resolution Atmosphere Transmittance)软件中模拟得到,图3为2019年12月31日夜GBAVTII探测O2(0-1)所含谱线的大气透过率,平均大气透过率为0.5.

图3 利用MODTRAN模式模拟西安上空于2019年12月31日O2(0-1)气辉大气透过率

1.3 GBAVTII探测O2(0-1)柱浓度结果

以2020年9月17日探实验数据为例,根据O2(0-1)柱浓度与气辉IER的关系得到的O2(0-1)柱浓度结果如图4实线所示.为了对结果进行验证,利用NRLMSISE-00(Naval Research Laboratory Mass Spectrometer Incoherent Scatter)模型中提取的数据进行比较.NRLMSISE-00是一个针对地球大气层从地面到太空的经验性全球气象参考模型,可以用于模拟大气成分的温度和密度等,从该模型网站上(https：∥ccmc.gsfc.nasa.gov/models/NRLMSIS～00/)提取出(1)式所需的粒子柱浓度廓线,代入相应的参数,即可模拟得到91～97 km处的O2(0-1)粒子柱浓度的积分值,如图4虚线所示.由图4可知,2020年9月17日晚GBAVTII对于西安上空90～100 km高度夜气辉O2(0-1)的观测有效时长约8 h,反演得到气辉柱浓度范围为(1.5～2.6)×104cm-2,整体呈下降趋势,同时又有一些小的波动.GBAVTII探测整晚O2(0-1)柱浓度结果与NRLMSISE-00模拟结果具有相同数量级,在变化趋势上显示出相同的特征,实验探测值与NRLMSISE-00理论模拟值相对误差范围在0.5%～30%.

图4 2020年9月17日GBAVTII观测结果与NRLMSISE-00模拟结果

我们挑选表1所示的不同年份、不同季节4晚GBAVTII连续探测的O2(0-1)气辉的成像干涉图,得到柱浓度数据如图5所示,探测O2(0-1)柱浓度结果为1.5×104～5×104cm-2.

图5 GBAVTII 4晚观测O2(0-1)的柱浓度结果

GBAVTII对于整晚的有效观测结果与昼夜时长、月相有关,夏季夜晚时间较短,观测时长短,冬季月初和月末夜晚时间长观测条件好,有效观测时间可超10 h.由图5可以看出,GBAVTII探测整晚O2(0-1)柱浓度显现一定波动特性：傍晚到午夜之前O2(0-1)柱浓度通常呈下降趋势,这可能与曙暮气辉以及白天气辉的余晖辐射有关;午夜后会出现小的峰值,午夜到日出之前又会呈不同程度的上升趋势.不同实验日期的柱浓度波动变化形态不同,但总体有占主导作用的波形.GBAVTII通常放置在西安理工大学曲江校区教9楼顶这一固定地点并对某一特定气辉进行连续观测,因此可以认为与O2(0-1)气辉辐射有关的O2(0-1)柱浓度变化来源于大气波动影响.潮汐对于中纬度大气MLT区域的温度及气辉辐射有很强的调制作用,当较小尺度重力波叠加在较大尺度潮汐波以后,就会使得与气辉辐射有关的激发态粒子浓度呈现出各种不同形态的波动变化(刘伟军等, 2015).基于这些讨论,下面将从GBAVTII的这些数据中提取波动特征参数.

2 夜气辉O2(0-1)柱浓度的扰动波动特征

2.1 单日扰动提取大气潮汐波和重力波周期

地球大气中存在丰富的波动现象,包括周期在几日的行星波、一日或半日的潮汐波以及几分钟到几小时的重力波(Ghodpage et al., 2012),这些波动在大气中的传播会导致大气含量的扰动.

根据“转动谱线测温法”(Xue et al., 2023),我们得到2020年9月17日整晚GBAVTII探测的大气温度和O2(0-1)柱浓度结果如图6所示,可见大气温度和O2(0-1)柱浓度都呈现出明显的波状结构.通常来说,对于一个夜晚观测,O2(0-1)柱浓度和温度的波动并不是只受单一周期波动的影响,而是多种波动相互叠加的结果.所以我们首先用MATLAB对原始柱浓度序列和温度序列进行谐波拟合,拟合得到的波动周期约为8～10 h,这一周期范围的波动符合MLT区域潮汐波的尺度,在以往文献中被多次提及(López-González et al., 2007; 刘伟军等, 2015).

为了去除潮汐影响,我们用原始时间序列减去图6中实线所表示的谐波拟合,进一步得到剩余时间序列即整晚温度残差和柱浓度残差如图7(a,c)所示,可以看出温度残差和柱浓度残差都存在一系列明显的准单色波动,波动趋势比较相近,对于温度残差和柱浓度残差序列进小波分析,小波周期谱如图7(b,d)所示.由于GBAVTII每张图片曝光的时间为3 min,即周期信号采样间隔为3 min,所以在使用小波分析进行周期信号提取时,只针对周期大于12 min的波动.从小波周期谱中可以得到柱浓度残差序列和温度残差序列的波动存在共同周期2.3 h,北半球中纬度地区对于气辉辐射及旋转温度的观测中,周期小于3 h的重力波最为普遍,这一观测结果与López-González等(2020)的结论符合得很好.

图7 GBAVTII观测的大气温度、O2(0-1)柱浓度残差及小波分析结果(a) 温度残差; (b) 温度残差小波周期谱; (c) 柱浓度残差; (d) 柱浓度残差小波周期谱.

2.2 多日柱浓度扰动提取行星波周期

由于GBAVTII的观测点固定不变,对O2(0-1)日平均柱浓度进行连续观测,可提取出行星波周期(López-González et al., 2009).行星波又称罗斯贝波,在很长的距离范围(数千km)能重新分配能量、动量和大气成分的浓度.静态行星波由于形态相对地球固定,很难用地基观测进行分辨,因此地基仪器主要用于研究行进中的行星波.在MLT区域的这类行星波在一定范围内自由传播,不需强迫来维持并进行准周期(2日、5日、10日、16日)的波动(Sivjee et al., 1994).

图8a显示GBAVTII观测日期为2022年4月21日—2022年5月6日时间跨度17日内(超过16日)的每日柱浓度测量结果,圆点表示日平均数据.由于GBAVTII只能在夜间观测,且观测日期由于天气云层等原因并不连续,有效观测数据点不是等间距.因此提取行星波周期对每日平均柱浓度数据进行最小二乘拟合,并采用LS (Lomb-Scargle)功率谱进行评估：

(7)

图8 (a) 2022年4月21日—2022年5月6日GBAVTII每日柱浓度测量数据; (b) LS功率-周期谱

其中P(ω)表示数据与频率ω的单一谐波函数可能拟合的程度,P(ω)值越大,拟合度越好;在功率谱上表现为峰值的频率即为与原始数据拟合度最高的频率.我们对GBAVTII数据进行LS功率谱分析,并将频率换算为周期,得到功率-周期谱的结果如图8b所示.

由于样本数据的不确定性,LS谱上每个点都具有相应的置信度水平,这些置信度通常使用随机排列测试或Monte-Carlo模拟方法进行估计.通过这些方法,计算出LS谱上每个点的置信度,通常置信度在70%以上的峰值所对应的频率才认为是原始波动存在的显著频率.我们对得到的LS谱进行置信度计算,划分70%置信度及95%置信度范围,得到期间存在2.1天及2.8天周期的波动特征,完全符合准2天行星波的尺度范畴,如图8b所示.这是我们首次在西安上空观测到90～100 km准2天的行星波,准两天的行星波在中纬度和高纬度地区有很多报道(Murphy et al., 2007; Jacobi et al., 2008),Lopez-Gonzalez等人也曾在与GBAVTII探测纬度相近的37°N地区利用SATI探测得到周期为2.1±0.4天的准2天波动(López-González et al., 2009).

3 结论

利用安装在中国西安城区(海拔457 m,34.23°N,109.01°E)的GBAVTII观测大气94 km处O2(0-1)夜气辉,从2019年至今反演得到多日O2(0-1)柱浓度.研究了西安上空夜气辉O2(0-1)柱浓度变化的单日及多日波动特性,结论如下.

(1) 由GBAVTII探测到的照度IER导出地基仪器探测地球上空90～100 km的O2(0-1)柱浓度表达式,与仪器的参数及观测模式关联起来;

(2) GBAVTII探测得到地球上空高度在94 km的O2(0-1)柱浓度数量级在104cm-2,与NRLMSISE-00模型数据具有相同量级, 2020年9月17日两者相对误差在0.5%～30%;

(3) 利用谐波拟合及小波分析,从2020年9月17日整夜反演得到的大气温度及O2(0-1)柱浓度的扰动中提取得到时间周期在8～10 h的潮汐波动和2.3 h的重力波;

(4) 对2022年4月21日—2022年5月6日期间的日平均柱浓度提取得到时间周期为准2日的行星波.

GBAVTII观测结果与其他中纬度地区仪器探测得到的结论吻合,但后续仍需要进行连续观测,同时考虑与过境卫星或附近区域其他地基仪器等的探测结果进行相互验证.希望通过长期观测,能够对西安上空大气的气辉辐射与波动数据进行补充.