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。     

近地面层大气非Kolmogorov湍流特征参数测量

分析了2011年1月13日至17日超声气温时间序列数据,不仅采用结构函数和谱分析方法得到了Kolmogorov结构常数C2n,而且提出了非Kolmogorov湍流特征参数测量方法,获得了非Kolmogorov谱幂率α、广义折射率结构常数珟C2n以及等效折射率结构常数珚C2n等测量结果。结论如下:1)实验期间一维温度谱幂率在-1.9-α1-1.5范围内的频数为77.9%,弱湍流时谱幂率与Kolmogorov-5/3谱相比偏平;2)单点温度结构函数法和单点温度频谱法测量C2n差别不大;3)C2n和珟C2n量级和变化趋势基本一致,差别主要体现在弱湍流时C2n比珟C2n小,往往发生在谱幂率偏平的时段;4)珟C2n与珚C2n量级和变化趋势基本一致,差别主要体现在珚C2n有一些起伏,且与给定波长λ和传输路径长度L的选取有关。     

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。     

湍流气象探空仪的研制及其性能分析

 最新研制的湍流气象探空仪是将温度脉动仪附加在常规气象探空仪上,实现了两路折射率结构常数、温湿压常规气象参数、温度谱等测量。通过在合肥和长春的实验表明该系统具有较高的测量精度和稳定性,在高空低温动态条件下探空仪系统噪声与温度脉动仪地面常温静态条件下的噪声相当。探空系统噪声引起的等效折射率结构常数小于2×10^-18 m^-2/3。能服务于激光传输、大气质量评价及天文台选址等相关领域对大气光学湍流研究的需要。     

大气对流边界层光传输的实验室模似

利用湍流池模拟大气对流边界层的光传输 ,同时测量了到达角起伏和光路上的温度脉动。结果表明 ,在混合层的上部 ,对数温度谱偏陡 ,和大气中的观测结果一致 ,到达角起伏谱也偏陡 ,但到达角起伏谱曲线反映了湍流在小尺度范围内具有各向同性的特征 ,此时利用温度脉动方法得到的折射率结构常数小 ;当边界层顶部逆温层消失 ,发展为完全对流状态时 ,温度谱幂率等于“ - 5 3” ,到达角起伏谱幂率等于“ - 8 3” ,两种方法测量得到的折射率结构常数一致。     

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.     

基于风廓线雷达的光波段折射率结构常数方法研究与理论仿真EI北大核心CSCD

湍流对光在大气中的传播有重要影响。光波段折射率结构常数是描述湍流强度的物理量。通过风廓线雷达回波分析是研究湍流强度的新方法。利用风廓线雷达计算出湍流耗散率和平均风的垂直梯度,结合温度、气压等常规气象参数,可估算光波段折射率结构常数,计算的量级在10-18～10-13 m-2/3之间,符合实际情况,证明了方法的可行性。同时对不同等压面上压强梯度、温度梯度及湿度对折射率结构常数的影响进行了数值计算。结果表明,同一等压面上压强梯度改变对Cn2影响很小,可忽略不计;而温度梯度改变对结果有较大影响,故对温度廓线的测量有较高的精度要求;相对湿度10%～90%的变化对光波段折射率结构常数的影响低于一个量级,因此在晴空大气条件下,湿度项可以忽略。     

基于纯转动拉曼谱线激光雷达的大气温度反演分析

由于气溶胶的影响,传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限,为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测,由观测数据反演了温度廓线。在基于N₂和O₂的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中,分析了平滑窗口、定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。结果显示随着平滑窗口的增大,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加,为有效去除信号中随机误差的影响,同时保留温度廓线的垂直结构,平滑窗口应选择600~1 200 m比较好。定标范围不同,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同,相对变化约为0.07 K。当定标常数a,b都增大或都减小时,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大,当一个增大另一个减小时,平均偏差相互抵消;a,b的变化不是等几率的,在符号上总是相反的;平均偏差对a的变化不敏感,对b的变化也不敏感,对a与b的整体变化敏感,约91.7%平均偏差落入-3~3 K之间。该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、定标范围的选择提供了理论依据,对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。     

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。     

基于纯转动拉曼谱线激光雷达的大气温度反演分析（英文）

由于气溶胶的影响,传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限,为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测,由观测数据反演了温度廓线。在基于N_2和O_2的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中,分析了平滑窗口、定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。结果显示随着平滑窗口的增大,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加,为有效去除信号中随机误差的影响,同时保留温度廓线的垂直结构,平滑窗口应选择600~1 200m比较好。定标范围不同,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同,相对变化约为0.07K。当定标常数a,b都增大或都减小时,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大,当一个增大另一个减小时,平均偏差相互抵消;a,b的变化不是等几率的,在符号上总是相反的;平均偏差对a的变化不敏感,对b的变化也不敏感,对a与b的整体变化敏感,约91.7%平均偏差落入-3~3K之间。该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、定标范围的选择提供了理论依据,对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。     

大气对流边界层光传输的实验室模拟

利用湍流池模拟大气对流边界层的光传输,同时测量了到达角起伏和光路上的温度脉动。结果表明,在混合层的上部,对数温度谱偏陡,和大气中的观测结果一致,到达角起伏谱也偏陡,但到达角起伏谱曲线反映了湍流在小尺度范围内具有各向同性的特征,此时利用温度脉动方法得到的折射率结构常数小。当边界层顶部逆温层消失,发展为完全对流状态时,温度谱幂率等于“－5／3”,到达角起伏谱害虫率等于“－8／3”,两种方法测量得到的折射率结构常数一致。     

利用风廓线雷达谱宽反演晴空湍流耗散率

 从晴天风廓线雷达的回波信号机制出发,研究了利用风廓线雷达谱宽反演晴空湍流耗散率的方法,即从雷达测量的多普勒速度谱宽中提取出湍流因素引起的谱宽,进而由湍流谱宽和湍流动能耗散率的关系计算出湍流动能耗散率。通过对合肥地区风廓线雷达谱宽资料的分析,得到合肥上空300 m高度上湍流动能耗散率的大小分布在10-4~10^-1 m²/s³之间,与理论相符,说明利用雷达谱宽反演湍流耗散率的方法可行。     

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。     

基于宽频带温度脉动仪的大气温度起伏谱测量

常用温度脉动仪测量湍流的频谱, 频谱范围多在20Hz以下, 无法呈现大气温度起伏的高频特征。介绍一种宽频带低噪声温度脉动仪的设计方法, 研制出相应的仪器, 并进行了真实大气温度起伏测量实验。结果表明, 大气温度起伏具有丰富的高频信息, 温度起伏功率谱在更宽的频率范围内存在幂率不变性, 部分温度谱在高频部分出现拐点, 以更陡的幂率下降, 湍流谱的形状以及拐点出现的位置和湍流强度有一定的关系。拓宽了温度起伏功率谱的研究范围, 为光波传输的理论研究和技术应用提供了高频湍流谱信息, 为非Kolmogorov湍流研究提供了测量手段。     

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。     

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。     

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。     

圆屋附近大气折射率结构常数的空间分布

 通过两点温度脉动法,测量了孤立建筑物圆屋附近不同位置的折射率结构常数,对比分析了气象塔8.0,6.0 m高度处的折射率结构常数。结果表明：圆屋附近8.2,8.5,9.0 m高度处的折射率结构常数要比非圆屋附近同高度的结果大;距离圆屋等距离垂直方向的折射率结构常数大于水平方向的测量结果;因此将圆屋附近认为是近地面的假设不成立;圆屋附近温度谱幂率基本符合“－5/3”定律。     

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。     

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。