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...     

利用超声风速仪阵列估算近海面光学湍流强度

在中国南部热带海域,基于超声风速仪阵列测量的大气三维风速可计算得到速度结构常数C_v²,结合折射率梯度可计算得到折射率结构常数C_n²,其中温度和湿度对C_n²的影响是通过折射率梯度体现。将超声单点虚温估算方法的计算结果作为标定,与本研究的超声风速仪阵列估算方法的144次计算结果进行相关性分析,得到平均相关系数为0.85,最高可达0.99,最低为0.71;通过误差分析,可得平均|Δlg C_n²|为0.3。研究表明：超声风速仪阵列能够捕捉高频光学湍流效应的变化情况,利用超声风速仪阵列估算近海面光学湍流强度可以从风速、湿度、温度等不同方面分析湍流效应,实现在无人值守情况下对光学湍流的连续、长期的全天候观测。     

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。     

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。     

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。     

基于M2因子测量的大气湍流参数的确定方法

基于广义惠更斯-菲涅尔原理以及大气湍流理论,推导出部分相干光束在大气湍流中传输的光束传输M ^{2因子的解析表达式.定量分析了表征大气湍流参数的折射率结构常数 C2_n}和涡旋内尺度 l _{0对 M ^{2因子的影响,并由此提出了一种通过实验测量大气湍流中光束的 M 2因子,进而确定出大气湍流参数的新方法.研究结果表明,由于大气湍流对相干性好的光束影响更为明显,在测量中可采用具有高相干性的基模高斯光束作为测量光源,而测量装 关键词： 2因子')" href="#">光束传输 M 2因子 大气湍流参数 湍流折射率结构常数 湍流涡旋内尺度}}     

钙钛矿型晶体A(B1/31B2/32)O3中的有序-无序相变

本文利用原子集团变分方法,讨论了A⁺²(B_1/3⁺²B_2/3⁺⁵)O₃系统中有序-无序相变,指出在此系统中相互作用能参数对形成(B_2/3⁺²B_1/3⁺⁵)_1/2:B_1/2⁺⁵=1:1的混合型有序畴和B_{1/3关键词：}     

Al Ⅱ1P10序列能级结构的多通道量子亏损理论分析

本文利用多通道量子亏损理论(MQDT),分析了Al Ⅱ受干扰序列¹P₁⁰的能级结构。分析表明,主序列3snp ¹P₁⁰受到了来自双激发态3p4s ¹P₁⁰的强烈干扰。这种相互作用使3p4s¹P₁⁰分布到整个3snp¹P₁⁰之中,而不再对应于一条单独的谱线。利用拟合能级实验数据所得的MQDT参数,计算了序列3snp¹P₁⁰中n≤50的能级。对于已测得的能级,计算结果与实验值符合得很好。 关键词：     

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.     

像散椭圆高斯光束的M2因子矩阵的理论与实验研究

对像散椭圆高斯光束, 传统的M²因子测量采用M_x²和M_y²来描述光束质量. 当光束绕z轴旋转, M_x²和M_y²会随之变化, 单纯采用M_x²和M_y²来评价激光光束质量并不唯一. 为此采用了像散椭圆高斯光束的M²因子矩阵, 理论推导出了在同一坐标系下光场绕z轴旋转不同角度后的M²因子矩阵, 找出了光场旋转前后的M²因子矩阵元的不变量关系. 数值模拟、 实验测量得到M²因子矩阵主对角元随光斑旋转角度的变化轨迹曲线, 及反对角元随旋转角度的变化规律. 理论推导与实验结果相符. 结果表明, 像散椭圆高斯光束在主方向上时M_x²与M_y²之和最小; 在其他方向上的M_x², M_y²之和大于在主方向上的M_x², M_y²之和; 反对角元随旋转角度呈周期变化, 在主方向上为零. 关键词： M²因子矩阵')" href="#">M²因子矩阵 像散椭圆高斯光束 实验测量 矩阵光学     

超冷铯分子0u+(6P3/2)长程态的高灵敏光缔合光谱研究

利用发展的调制俘获损耗荧光光谱技术实验测量了超冷铯分子0_u⁺(6P_3/2)长程态的高灵敏光缔合光谱. 光谱探测范围较国际已有报道扩大了60 cm^-1, 观察到25个长程区域新的振动能级. 通过LeRoy-Bernstein公式对振动束缚能数据进行拟合, 获得了超冷铯分子0_u⁺(6P_3/2)态的长程系数C₃ 为16.103±0.010. 构建了超冷铯分子0_u⁺(6P_3/2)态长程区域的势能曲线.     

磷分子离子(P2+)注入硅的损伤行为

本文研究了不同能量(5—600keV)和不同剂量(10¹⁴-10¹⁶atom/cm²)下的P₂⁺和P⁺注入〈100〉单晶硅后的损伤及退火行为。实验结果表明,P₂⁺注入所产生的损伤总是大于P⁺注入所产生的损伤。由移位效率之比N_D^*(mol)/2N_D^*(atom)所表征的分子效应随入射能量的改变而变化并在100keV(P₂⁺),50keV(P⁺)处达到极大值。P₂⁺与P⁺注入的样品,退火后的载流子分布也有某些区别。我们认为,产生这些分子效应的基本原因是位移尖峰效应,但当入射离子的能量较高时,还应该考虑离子、靶原子之间的多体碰撞效应的贡献。 关键词：     

H2D+与固体的相互作用及H2D+的结构测量

报道了分子离子H₂D⁺与超薄固体膜相互作用的实验研究.阐述了H₂D⁺对天体物理等领域的重要性,简述了近几年针对H₂D⁺的研究,分析了在实验室条件下H₂D⁺的形成机理,给出了其与固体膜相互作用产生库仑爆炸的能谱.进行了辅助实验,使D₂⁺与相同固体膜发生作用,并利用这个结果和其他分析与处理方法,将H₂D⁺的D⁺能谱中D₂⁺计数部分做了去除.实验再次证实了分子离子与固体相互作用时尾流效应的存在,采用三体尾流效应对比的方法最终确定了H₂D⁺结构形状和键长.对H₂D⁺库仑爆炸后的较重离子尾流谱形状的反常现象做了讨论和分析.     

CLi+5超碱团簇的结构及储氢性能的理论研究

利用密度泛函理论( B3LYP) 方法，在 6 - 311 + + G ( d,p) 基组水平上，对超碱团簇 CLi₅及其阳离子体系 CLi₅⁺的几何结构和稳定性等物理化学性质进行理论计算，并进一步研究它们的储氢性能． 分析可知，CLi₅⁺超碱离子团簇结构相比中性 CLi₅团簇结构动力学稳定性要高，表面吸氢能力更强． 氢分子在 CLi₅⁺表面能以介于物理吸附与化学吸附之间的形式吸附，每个 Li 原子最多可以有效吸附三个 H₂，平均吸附能处于 1. 065 ～ 2. 732 k Cal/mol 范围内，储氢质量分数可达 39. 30 wt % ，表明 CLi₅⁺超碱离子团簇可以作为一种理想的储氢材料．     

基于天气预报模式预报阿里天文站大气光学湍流EI北大核心CSCD

利用气象模式预报大气光学湍流,能够使地基望远镜根据不同的大气视宁度条件,选取相应的观测目标和终端设备,还可以优化自适应光学系统性能和激光器打击目标的发射时机。介绍了采用天气预报模式建立的大气光学湍流预报方法。利用该预报方法,采用数值和分析两种模型,分别提前3d、2d和1d预报出2011年11月6日夜间阿里天文站的气象参数、大气光学湍流强度Cn2廓线和视宁度。共计6次的预报结果均显示近地面层、边界层2km高度以及对流层12km高度存在强湍流层。与单星闪烁测量层析(SICDAR)的实测数据对比结果表明,本预报方法能够反映大气光学湍流廓线的结构特征。预报的视宁度反映出夜间的增大趋势和差分像运动视宁度仪(DIMM)实测结果相似。     

基于探空数据分析低云对大气折射率结构常数的影响

本文基于实测的热力湍流探空数据,使用WR95方法识别低云的垂直结构,对比分析了低云与晴空天气下大气折射率结构参数C_n~2、气象条件和大气稳定度的平均统计结果.结果表明,低层薄云对C_n~2起伏变化的影响微乎甚微,仅仅表现出轻微增大的趋势,云底C_n~2相对于晴空天气平均增大1.6倍,云顶之上最大程度增大2.5倍.低层中厚云在云顶处C_n~2相对于晴空天气增大了3.80—6.61倍,且云顶区域C_n~2增大的幅度大于云底区域.云底区域大气湍流特性受到地面热力驱动与低云冷却的联合作用,沉降气流与地面向上气流发生了耦合,增强了风切变,C_n~2在这一高度附近也出现了增强.综合对比晴空和有云天气C_n~2大小可知,云对C_n~2的增强效应大致在10–16量级.一方面,风切变在云顶处或者云顶之上达到最大值;另一方面,因为云顶短波辐射增温和长波辐射冷却的共同作用,云顶之上会形成不同厚度的逆温层,致使云顶处位温变化率急剧增大,Brunt-V...     

钙钛矿锰氧化物(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7 (x=0, 0.025) 磁性和输运性质研究

采用传统的高温固相烧结法制备了双层钙钛矿锰氧化物(La_1-xGd_x)_4/3Sr_5/3Mn₂ O₇ (x=0, 0.025)多晶样品. 通过X射线衍射仪研究发现样品为Sr₃Ti₂O₇型四方结构, 空间群为I4/mmm; 磁性测量表明, Gd³⁺掺杂后的样品(La_0.975Gd_0.025)_4/3Sr_5/3Mn₂O₇的三维磁有序转变温度(T_C1^3D)、磁化强度(M)均降低, 这是由于Gd³⁺的掺杂引起晶格的畸变, 从而使得晶格常数发生改变, 减弱了铁磁耦合而导致的; 通过电子自旋共振谱测量发现, 在T_C^3D<T<300 K温度范围内, 两样品在顺磁的基体上均有短程的铁磁团簇存在, 出现了相分离现象. 电性测量表明: 两样品分别在T_C1^3D (La_4/3Sr_5/3Mn₂O₇ 样品的三维磁有序转变温度, T_C0^3D)<T<300 K温度范围内均以三维变程跳跃的方式导电, 分析得出Gd³⁺的掺杂使得载流子局域长度的减小. 这表明载流子需要吸收更多的能量才能克服晶格的束缚进行跳跃, 因此(La_0.975Gd_0.025)_4/3Sr_5/3Mn₂ O₇ 样品的电阻较高.