基于天气数值预报模式预报高空光学湍流

介绍了天气数值预报模式的运行流程、模式安装、模拟参数设置等。结合光学湍流的参数化方案,预报了大气光学湍流强度廓线,并与探空气球实测数据对比验证。结果表明,预报的大气光学湍流强度廓线符合高空光学湍流的一般特征和变化规律,但廓线的形状与实测存在一定的差异,并分析产生差异的原因。分析表明,提高预报精度需要改进高空湍流外尺度模式。     

基于支持向量机估算大气光学湍流廓线的研究

主要利用支持向量机的机器学习方法开展估算大气光学湍流廓线的研究。通过选取沿海地区实测探空数据,利用温度、压强、相对湿度、风速、风速切变和温度切变实测廓线数据,依据支持向量机估算得到不同日期的大气光学湍流廓线,并与实际测量值进行比较。误差分析结果表明:在2018-05-05和2018-05-10,估算的大气光学湍流廓线与实际测量廓线的均方根误差分别为0.4461和0.3939,相关性分别为70.42%和62.17%。研究证明:根据实测数据训练学习得到的支持向量机模型能够较为准确地估算沿海地区大气光学湍流廓线,虽有一定误差,但大致趋势吻合,验证了支持向量机方法估算大气光学湍流廓线的可行性,从而为利用常规气象探空数据直接估算大气光学湍流廓线,并为建立相关模式的可能性打下基础。     

大气光学湍流模式研究——方法和进展

分层是大气湍流特别是高空湍流显著特征.在某一固定高度真实光学湍流C_n²值在平均值上有1—2个量级甚至更大的起伏.以观测数据建立的湍流廓线模式,是一个统计平均的结果.既不能代表某次实际大气湍流廓线的分层特征,也没有预报功能,不能完全满足光学工程需求.受限于计算机的容量和速度,无法通过DNS (direct numerical simulation)以及LES (large eddy simulation)求解Navier-Stokes方程来预报光学湍流,解决方案是通过中尺度天气数值预报模式MM5/WRF,预报出常规气象参数,再由湍流参数化方案计算出C_n².本文介绍了近地面层、边界层和自由大气层C_n²预报方法和研究成果,从湍流动能预报方程和温度脉动方差预报方程详细推导出Tatarski公式,归纳出该公式所隐含的物理意义和适用条件.重点介绍了神经网络预报C_n²和C_n²估算和预...     

低平流层下温度结构常数和温度起伏谱幂率廓线的探空测量

两个不同空间距离上(r1=0.5m,r2=1m)温度结构常数廓线C2T(h)和温度起伏谱幂率廓线α(h)由探空仪获得。研制的湍流气象探空仪具有两个微温测量通道,可根据研究内容进行多种组合。除测量温度、湿度、压强、风速、风向、折射率结构常数C2n廓线、Fried参数r0、视宁度εFWHM、等晕角θ0和相干时间τ0等积分计算值外,还可得到高空湍流谱幂率廓线数据。谱幂率测量结果与Zilberman三层谱模式相比,在对流层顶以上有较大区别。这些结果对光传输、光通信、遥感和大气湍流建模等应用领域研究具有十分重要的意义。     

合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式

 利用QHTP-2型温度脉动探空仪对合肥地区大气折射率结构常数进行了长期连续的实地探空测量,对大量探空实验数据的统计分析得出合肥地区(0～25 km)折射率结构常数随高度分布廓线,并以国际广泛应用的Hufnagel-Valley模式为基础拟合得出合肥地区大气折射率结构常数统计模式廓线。研究发现:合肥地区大气湍流随高度分布廓线存在明显的昼夜和季节变化,大气湍流在随高度增加而减小的趋势上叠加了随机起伏,并具有鲜明的跳跃式结构;合肥地区的高空湍流模式廓线较好地符合实测的平均廓线,能反映自由大气中湍流随高度分布的重要特征——指数递减和对流层增强。     

随机并行梯度下降算法拟合大气湍流廓线统计模式的研究

掌握湍流基本规律及其廓线结构分布,是大气光学理论与应用研究中的关键问题之一。利用随机并行梯度下降算法对大气湍流廓线统计模式拟合进行了研究。在已获合肥地区整层大气折射率结构常数C2N平均廓线的前提下,以广义Hufnagel-Valley湍流模型为基础,拟合获得了该地区不同时间与不同季节的湍流模式廓线。研究发现,该方法获得的该地区湍流模式廓线在整层大气高度上均能很好地同实测平均廓线相符合,且两者所表征的整层湍流特征参量也能保持非常好的一致性。对寻求基于Hufnagel-Valley模型的通用湍流廓线模式拟合方法进行了有益的探索。     

大气光学湍流模式研究:Cn2廓线模式

由于大气湍流的存在,当光束在大气中传播时会发生相位起伏、光强闪烁等一系列湍流效应现象,严重制约光电系统的性能,是造成天文观测困难的主要原因.大气折射率结构常数C_n²廓线是评估大气湍流效应的重要参数.本文归纳了几种有代表性的C_n²廓线模式,提出了修正的CLEAR I夜晚模式;分析了高美古、拉萨、大柴旦、茂名、荣成等5个实验点探空测量数据,给出了5个实验点算术平均拟合的C_n²廓线公式;计算了各模式和测量数据在波长为0.5μm时的大气相干长度r0、视宁度εFWHM、等晕角θ0、相干时间τ0、等效高度h和等效风速V等大气光学参数以及各大气层C_n²递减率和不同大气层湍流贡献百分比.重点对H-V(5/7)模式的存疑、 C_n²廓线模式采用的平均方法、低平流层C_n²是否具有统一的递减率等问题进行讨论并给出答案.     

近地面湍流对整层湍流的贡献及相关研究

用由HTP-2型温度脉动仪和WXT520气象传感器组成的近地面参数测量系统以及大气相干长度仪的两年观测数据分析了西北高原地区近地面湍流。近地面参数测量系统分两层分别搭建在6 m和2 m高度上。温度脉动仪测量折射率结构常数,气象传感器测量常规气象参数,大气相干长度仪测量大气相干长度。分析结果表明:不同高度的折射率结构常数随高度按幂指数规律变化,白天幂指数平均值为-0.8,夜间为-0.3。用相干长度比评估近地面湍流层对整层湍流的贡献,结果表明:相干长度比有明显的日变化特征,白天小而夜间大;不同月份相干长度比日变化趋势和大小均不同。讨论了近地面局地视宁度与局地温差的关系,结果表明:局地视宁度和局地温差白天正相关,夜间负相关。     

Thorpe尺度估算库尔勒、茂名、拉萨大气光学湍流廓线

在新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区释放的探空气球, 实现了温度、气压、风速等常规气象参数以及大气折射率结构常数的廓线测量。基于Tatarski湍流参数化方案以及以上地区探空数据, 利用Thorpe尺度估算了新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区的高空大气光学湍流廓线, 并将这三个地区实测的廓线与其对应的估算结果做了对比, 结果表明: 估算值与实测值在量级和变化趋势上表现出较好的一致性, 相关性分别为69%, 60%, 68%;Thorpe尺度相较于其他估算湍流廓线的参数化方法输入参数少、更简便。     

利用多源测量数据实时估算整层大气光学湍流

综合利用微波辐射计、风廓线雷达、自动气象站、温度脉动仪及历史探空资料等多源测量数据可实时估算整层大气光学湍流。本文通过构建实时大气参数廓线,计算边界层高度,在边界层和自由大气层分别采用指数递减模式和Dewan外尺度模式估算大气折射率结构常数（Cn2）廓线,拼接后积分实现了大气相干长度（r0）的实时估算,并与相干长度仪实测r0进行了对比。通过误差分析可知,r0的模式估算值与实测值在大气层结不稳定状态均方根误差最小,相关性较好,在稳定和近中性状态均方根误差较大,相关性较差,尤其在近中性状态均方根误差最大。研究结果表明,利用多源大气测量数据,采用分层估算的方法实时估算整层大气光学湍流是可行的,具有一定的工程应用价值。     

近海边高空光学湍流的探空测量与模式比较

 用自行研制的探空仪测量了近海边高空湍流廓线。探空气球携带微温传感器以4 m·s-1速度上升至20 km测量大气湍流，微温传感器附加在59型气象探空仪上，可同时测量垂直空间分辨率为30 m的气压、温度和湿度以及折射率结构常数。运用Tatarskii公式计算了高空湍流外尺度，分析了边界层湍流和自由大气层湍流特征。与AFGL AMOS模式、Hufnagel模式以及北京天文台兴隆站的探空拟合曲线进行的比较发现，海边测量的高空湍流强度比其它模式大2个量级，折射率结构常数随高度从表面层较大值以近似相同的递减率缓慢地减小，对流层顶附近没有出现较强的湍流区，外尺度测量值小于30 m，并得到外尺度的拟合曲线。     

基于气象参数戈壁沙漠地区近地面大气湍流建模

 提出一种适合戈壁沙漠地区的近地面大气湍流模型。通过测量近地面层不同高度处温度、湿度、压强和风速等常规气象参数,结合模型可给出近地面层大气湍流强度。模型计算的近地面层大气湍流强度通常白天值最大,中午前后出现较宽的最大值区间,在日出时段和日落时段出现较明显的最小值,夜间呈不规则变化,该结果能够很好地反映近地面层大气湍流强度的变化特性。在影响大气湍流强度变化的参数中,大气温度的变化趋势直接影响着大气湍流强度的变化：通常白天大气温差较高时,大气湍流强度较强;大气温差较低时,大气湍流强度较弱;大气温差起伏较大的时刻,大气湍流强度的变化也会较大,大气温差起伏趋势与大气湍流强度变化趋势有相似之处。     

典型地区高空大气光学湍流模拟研究

依据Tatarski大气光学湍流参数化方案,利用数值天气预报模式(WRF)模拟了高美古、茂名、乌鲁木齐等典型地区高空大气光学湍流廓线。并将高美古和茂名使用温度脉动仪实测的光学湍流与其对应的模拟数据做了对比,结果表明,模拟的光学湍流廓线与实测的光学湍流廓线吻合得较好,相关性在76%左右。高美古和茂名的对比验证结果表明,利用WRF模拟高空大气光学湍流的方法是可行的,模拟得到了乌鲁木齐高空大气光学湍流廓线。结合这3个典型地区的气候特点,分析了不同气候类型下光学湍流的特征和变化趋势。     

一个新的海边光学湍流外尺度和C_n~2的廓线模式

2016年12月13日至2017年1月2日期间,在茂名博贺海洋气象科学实验基地,采用自行研制的湍流气象探空仪,获取了30份海边温、湿、压、风速、风向和C_n~2等探空数据.基于HMNSP99外尺度模式,利用海边的探空数据拟合得到一个茂名大气光学湍流外尺度经验公式.同时对实验测得的高空湍流廓线数据进行统计平均,然后基于Hufnagel-Valley模式拟合得到符合海边湍流廓线规律的统计平均模式(C_n~2sea model).根据Tatarski高空湍流参数化方案,将用茂名外尺度公式估算的C_n~2分别与探空测量的C_n~2以及用其他外尺度模式估算的C_n~2进行了比较.对其进行统计性分析发现,利用新拟合的茂名外尺度公式、HMNSP99,Dewan以及(Coulman等外尺度模式计算的log10C_n~2)与实测值的整体相关系数分别为0.924,0.848,0.763和0.651,在变化趋势和量级上都表现出较好的一致性;以上四种外尺度模式估算结果的误差都很小,其整体平均绝对误差和平均相对误差分别为0.514和2.963%,0.627和3.612%,0.943和5.439%,0.766和4.417%,新拟合的外尺度模式的误差最小.进一步验证了新的海边外尺度和C_n~2廓线模式的可靠性和有效性,此外还发现高空大气光学湍流的发生与风切变和温度梯度具有十分密切的关系,为光电工程在海边场景应用所需的大气光学湍流廓线模式提供支持.     

湍流廓线激光雷达的研制

 对采用光波波段测量大气湍流强度廓线的湍流廓线激光雷达进行了研究。利用焦点附近的大气瑞利后向散射作为测量信标测量湍流信息，当聚焦高度不同时，可以测得不同高度的整层信息,从而可以得到一系列高度的整层湍流信息，最后通过算法得到分层的大气湍流廓线。介绍了湍流廓线激光雷达系统的组成原理和系统结构，采用像增强器的控制系统使得系统的有效测试距离达到15 km；通过与传统测量方法的对比，得出了可以作为湍流强度廓线测量工具的结论。最后展望了该系统的应用前景。     

不同地区大气折射率结构常数分布特性及分析

 大气湍流对光波传播的影响主要是由于大气随机起伏的湍流引起折射率的随机起伏,破坏了光波的相干性。研究传输问题就是研究湍流所造成的折射率随机变化的规律。主要利用HTP-2型温度脉动探空仪对大气折射率结构常数进行了实地探测及计算分析。通过对大量探空实验数据的统计分析,分别得出了合肥地区和北方干旱地区(0～30km)大气折射率结构常数在不同季节的白天和夜间的分布廓线和分布特性,对合肥地区和北方干旱地区的大气湍流结构特性有了比较清晰的认识,为大气光学传输工程的应用和理论计算提供了参考。     

拉萨光学湍流探空测量与模式分析

利用自行研制的湍流气象探空仪,对西藏拉萨的温度、风速、风向等常规气象参数廓线和C_n~2廓线进行探测。分析了湍流强度和常规气象参数随高度的变化趋势。比较了夜晚和早晨的湍流特征,发现8～15km处两者均出现强湍流层,且8km以上早晨的湍流强度大于夜晚的湍流强度。同时基于Hufnagel-Vally 5/7模式,利用探空数据拟合得到符合拉萨湍流特征的拉萨C_n~2经验模式。对此经验模式进行统计分析,结果进一步证明拉萨C_n~2经验模式能有效估算拉萨的湍流强度。最后,将拉萨与高美谷的探空数据进行对比分析,发现拉萨的风速较小对天文观测有利,但湍流强度较强对天文观测有一定影响。该研究为后续拉萨湍流廓线和天文台选址的研究提供了参考,并为光电工程的应用提供了技术支持。     

对流层晴空湍流耗散率的风廓线雷达测量及特征

从Airda16000低平流层风廓线雷达的谱宽出发,扣除非湍流因素引起的谱宽加宽,得到湍流对谱宽的贡献,并计算出湍流耗散率。对对流层湍流耗散率的变化特征进行了分析,得出结论:对流层以下耗散率的量级在10-6~10-2m2.s-3之间,并且随高度增加而减小。在3 km以下,晴空湍流耗散率具有明显的日变化特征,中午逐渐增大,在夜间和清晨偏小,并且随着高度增加,日变化规律随时间向后延迟;3 km以上则不具有明显的日变化规律。耗散率的季节变化很突出,不同季节耗散率随高度递减的程度有差异,2008年夏季耗散率随高度的递减率为5.67%;冬季耗散率随高度递减率为14.7%;秋季分别为12.5%;而09年春季递减率为11.5%。耗散率的变化可以反映出雷达的探测高度,夏季雷达探测高度可达12 km;冬季雷达探测高度很低,仅为7 km;春秋两季探测高度为8~10 km。     

大气温度分布特性及对折射率结构常数的影响

影响大气湍流运动强弱和时空结构的因子比较复杂,大气中平均流场和大气温度的分布都是不均匀的,特别是沿垂直方向的大气温度分布,决定着垂直方向的热力不稳定性和湍流的强弱。观测事实表明,随着季节和天气条件的不同,大气温度垂直分布有很大的变化。通过对我国安徽合肥地区整层(0～20km)大气温度的观测资料的分析,得到了大气温度的垂直分布廓线和统计特性模式误差廓线;大气折射率结构常数Cn^2是表示大气光学湍流强度的一个重要参量,但大气折射率的测量较为困难,因此通常先测量温度起伏量,再用平均的温度和气压来计算得到Cn^2。通过对温度和气压模式误差的分析,可以计算得到Cn^2结果的误差,重点分析大气温度分布特性及由此带来的模式误差,并讨论其对计算Cn^2的影响。     

模拟的对流边界层大气闪烁频谱特性研究

边界层是地面与自由大气的过渡带,对人类活动有重要影响.由于边界层上部位置较高,进行精细结构观测很难.在室内对流水槽(150 cm×150 cm×60 cm)中模拟了大气对流边界层的发生发展.将准直光通过模拟对流边界层得到光斑图像数据,对光斑图像数据进行频谱分析.根据光在湍流介质中的传输理论确定无标度区间得到边界层各高度处的标度指数.研究表明,均匀下垫面标度指数在混合层基本在-8/3左右,接近各向同性湍流的理论值.而夹卷层的标度指数,实验初期严重偏离理论值,但在实验后期,由于对流剧烈也逐渐接近-8/3,此时夹卷层也趋于混合均匀.夹卷层平均标度指数与对流Richardson数存在一定的关系.标度指数廓线随高度的变化特点与同时刻的热通量廓线和归一化光强方差廓线有比较一致的对应关系.