草原下垫面湍流动量和感热相似性函数及总体输送系数的特征

地表动量和热量输送对全球气候和大气环流变化具有重要影响,Monin-ObukhoV（M-O）相似性函数是计算近地层动量和热量通量的重要手段,获得准确的总体输送系数是提高大气模式模拟能力的关键环节.本文利用锡林郭勒草原2008年春季近地层湍流通量观测资料,对M-O相似性函数进行了修订,拟合出了经验公式,并建立了10 m高度水平风速与动量总体输送系数和感热总体输送系数的关系.研究发现,修订的M-O相似性函数计算的湍流通量与涡旋相关法测量值相比,动量通量低估了10.8%,感热通量高估了6.5%Businger-Dyer通量廓线关系计算的湍流通量与涡旋相关法测量值相比,动量通量低估了37.0%,感热通量高估了16.1%.近地层大气层结不稳定时,动量总体输送系数与10 m高度水平风速满足关系C_D=0.009u^-0.322,感热总体输送系数与10 m高度水平风速满足C_H=0.184U^-1.978;近地层大气层结稳定时,总体输送系数与10 m高度水平风速符合对数规律,并随风速增大趋于中性或近中性.修订的M-O相似性函数可显著提高平均梯度观测资料计算草原下垫面湍流通量的准确性;总体输送系数与10 m高度水平风关系的建立.为描述草原下垫面湍流输送特征提供了可靠的参数化方案.     

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。     

利用气象要素估算海洋大气近地层光学湍流

基于近地层相似理论以及极端层结下对该理论的修正,建立了海洋大气近地层光学湍流估算模型,并进行了数值分析。结果表明:当气温与海温相差较大时,温度起伏对光学湍流贡献最大;当气温与海温相差较小时,海面湿度越小,光学湍流越强;在较低湿度条件下,尤其在红外窗区,湿度扰动对光学湍流贡献起支配作用。当气温小于海温时,光学湍流先随海面风速增大而增强,后随风速增大而减弱;当气温大于海温时,光学湍流总体上是伴随海面风速增大而减弱。当气温小于海温或与海温接近时,与可见光和近红外波段相比,红外窗区光学湍流显著偏强;当气温远大于海温时,两波段光学湍流接近。在中性和近中性层结下,大气折射率结构参量C2n依赖于垂直高度的负幂指数接近-2/3,伴随海面大气层结稳定度或不稳定度增强,C2n依赖于垂直高度的负幂指数的绝对值分别逐渐减小或增大,并分别趋近于稳定极限下的0或不稳定极限下的-4/3。     

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。     

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。     

近地面大气光学湍流空间相关特性的实验研究

本文提出了基于光纤湍流传感器阵列的大气光学湍流空间相关函数测量原理, 并确定了具体的测量方案和数据统计方法. 利用光纤湍流传感器阵列在近地面开展了大气光学湍流空间相关特性的实验测量研究, 尽可能全面地展示光学湍流空间相关函数的各种形式. 结果表明, 大气光学湍流的一维空间相关函数主要表现为两种结构形态, 其一, 58.7%基本符合各向同性湍流空间相关函数模型, 其相关函数在一定尺度范围内呈现随尺度的增大而减小的趋势, 当超过该尺度时, 相关系数接近于0; 其二, 另有37.9%表现为与尺度无关, 相关系数维持在0附近小幅度随机振荡. 不难发现:光学湍流的空间相关特性主要取决于湍流的强弱和湍流是否得以充分发展, 同时, 湍流的相干结构将引起空间相关函数的小幅度振荡. 以空间布点探测直接获取光学湍流空间相关函数的方法, 不仅为分析湍流空间结构奠定了实验基础, 同时, 也为进一步建立非K湍流模型提供了理论开端.     

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.     

常规气象参数估算南极泰山站近地面大气光学湍流强度

选择最好的天文台址放置大口径望远镜一直是天文学家追求的目标.天文台址的选择与近地面层湍流强度大小以及随高度递减的快慢密切相关.与中纬度最好的天文台站相比,南极大陆具有极低的红外天空背景辐射、极低的可降水含量、极低的气溶胶和尘埃颗粒物含量、非常小的光污染、晴天日数多,无疑成为下一代大型光学/红外天文望远镜在地球上寻找地基站址的理想场所.本文建立了光学湍流强度估算方法,第一次对南极泰山站近地面大气光学湍流强度进行估算.模式输入的气象参数是2013年12月30日至2014年2月10日移动式大气参数测量系统在南极泰山站测量的数据,折射率结构常数C_n~2的估算结果与温度脉动仪实测的C_n~2进行了比较,并对估算方法进行了敏感性分析.测量结果和分析表明:南极内陆近地面C_n~2具有明显的日变化特征,夜晚C_n~2达2×10~(-14)m~(-2/3),比白天强,日出和日落时刻附近出现最小值.C_n~2的模式估算和实验测量的比对表明了模式用来估算南极近地面C_n~2的可行性.C_n~2的模式估算和测量差异最大值往往出现在日出和日落时刻附近.由于南极内陆大气大部分时间处于稳定状态,选用不同的结构常数函数估算的C_n~2值差别不大,0.5 m,2.0 m两高度温差测量精度是影响C_n~2估算值的主要因素.     

湍流大气成像系统分辨率的研究

采用基于Kolmogorov 1941串级湍流模型建立的调制湍流折射率谱模型、简单透镜成像系统传递函数的高斯函数近似和平方近似,从理论上分析了大气成像系统的光学传递函数,研究了有限湍流尺度(湍流内、外尺度)对湍流大气中成像系统光学分辨率的影响。给出了成像系统长曝光光学传递函数和积分分辨率的近似解析关系。结果表明在采用大孔径成像系统成像时,应该考虑湍流尺度对大气系统成像的作用。     

基于拉曼激光雷达的大气温度和水汽反演分析

为了同时测量大气温度,水汽和大气气溶胶,中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学中心研制了一台多功能拉曼激光雷达。该激光雷达采用多腔干涉滤光片的高性能光谱盒,同时按小角度入射顺序安装,分离不同波长的激光雷达回波信号,并能高效率地提取信号。利用该台拉曼激光雷达进行连续观测,分析了大气温度、水汽混合比的垂直分布。研究结果表明:探测时间为5分钟,激光能量为200 mJ时,激光雷达和无线电探空仪测得的平均偏差很小, 10 km以下的总体趋势相似,同时观测到逆温层位于对流层低层。在干净天的条件下, 6.2 km高度下的夜间统计温度误差在1K以下;在轻微雾霾天的条件下, 2.5 km高度下的夜间统计温度误差在1 K以下。水汽探测过程中,激光雷达在4 km以内的相对误差不超过5%, 7.5 km以内的相对误差不超过20%。连续观测结果验证了拉曼激光雷达的可靠性,实现了对流层大气参数的实时测量。     

一维大气边界层光学折射率结构常数的数值模式

 提出了一种大气光学折射率结构常数的数值模式。通过解大气边界层风速、位温度、绝对湿度预报方程,表面热平衡方程和土壤热传导方程，得到地表温度、表面层的动量通量、显热通量和潜热通量。再由Monin Obukhov相似理论，从湍流通量和温度结构常数的经验关系计算出折射率结构常数。     

浸没在多孔介质中的竖直管沸腾换热实验研究

本文对竖直管外填充固体颗粒情况下，蒸馏水和无水乙醇两种工质的池沸腾换热现象进行了实验研究，分析了颗粒直径以及工质热物性对竖直管液池沸腾换热特性，包括沸腾滞后的影响规律，证明了在填充固体颗粒条件下，竖直管的池沸腾换热可以得到一定程度的强化，在低热负荷区，强化效果尤为明显。大颗粒对沸腾滞后现象有较好的缓解作用。在高热负荷区，由于气膜的出现，沸腾机理将有所改变。     

Millimetric flux densities as a test of atmospheric turbulence

In this paper it is shown how submillimetre and millimetre flux density measurements of sky fluctuations can be used to infer the characteristics of atmospheric turbulence.Two different approaches have been followed: first, by considering the observed process as due to the atmospheric turbulence, we used the r.m.s. sky fluctuations to derive some physical parametres characterizing the phenomenon; second, by investigating the power spectrum and the autocorrelation function, we derive an empirical model (the AR model) to try to deduce the physical process. In this case, the fitted power spectrum agrees strikingly with that predicted by the theory of a stationary turbulent flow for the atmosphere in the sampled frequency range. This kind of modeling can help to disentangle the atmospheric fluctuations from the extraterrestrial signal in ground-based astrophysical measurements.Measurements of the water vapour content and atmospheric transmission at the Italian Base in Antarctica, where the data have been taken, at the wavelengths of 350 μm, 1 and 2mm are also reported.     

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。     

近地面大气光学湍流外尺度的实验研究

分析了含有外尺度的Von-Karman湍流空间相关函数模型, 并利用光纤湍流空间传感阵列的实测数据, 根据拟合算法获得了大气光学湍流空间外尺度的值及日变化, 对模型的适用性进行了实验验证. 将空间相关函数理论与空间多点同步测量的数据相结合, 尽可能清晰地展现了几种适合用相关函数描述的湍涡尺度. 结果表明, 在1.8 m的草地上, 大气光学湍流的外尺度呈现出白天较大、夜间较小的日变化趋势, 正午前后均值约为0.44 m, 夜间约为0.3 m. 有三点需要说明: 其一, 当两点间距恰好等于外尺度时, 其空间相关系数为0.26, 当两点间距超过外尺度之后, 仍具有一定的相关性; 其二, 积分尺度代表了湍涡尺度的平均值, 该值略小于外尺度; 其三, 湍涡的最大尺度所对应的湍流空间相关性为0, 其值略大于外尺度. 不难发现: 湍涡三种尺度的日变化与湍流强度的日变化趋势非常相似. 以空间布点探测的方法获取湍流特征尺度, 结果直观, 而且能够直接验证湍流空间相关函数模型, 所以可在一定程度上促进湍流空间结构特性的研究.     

大气湍流对航空光电侦察图像质量影响因素分析北大核心CSCD

大气湍流效应是严重影响航空光电侦察系统图像质量的重要因素之一。从大气湍流参数描述出发,研究了大气湍流对光学系统成像质量的影响机理,分析了大气湍流影响光学系统调制传递函数(modulation transfer function,MTF)的影响因素,建立了大气湍流影响光学系统成像MTF的理论模型。仿真结果表明,在大气湍流影响下,光学系统光瞳口径与大气相干直径的比值对光学系统成像MTF影响较大。通过光学系统地面外场实验图像测试对比,验证了实际光学系统受到大气湍流影响后的成像MTF理论模型。研究结果可为大气湍流影响下的航空光电侦察系统设计及提升其成像质量提供理论支持。     

半干旱草原下垫面动量和感热总体输送系数参数化关系研究

本文利用锡林郭勒草原2008年春季近地层涡旋相关系统和铁塔的风、 温平均梯度观测资料, 分析了总体输送系数随梯度Richardson数的变化特征, 建立了动量总体输送系数随大气稳定度、近地层风速以及感热总体输送系数随大气稳定度和近地层气温的关系. 中性条件下, 半干旱草原植被下垫面动量总体输送系数与近地层大气动力状态之间存在明显的相互作用, 总体输送系数与近地面层风速之间满足二次曲线拟合关系; 风速较小时, 大气动力特征对地表粗糙度长度的改变不是很明显, 动量总体输送系数随气流增强而增大; 而当风速较大时, 强风速会使植被高度发生改变, 动量总体输送系数随气流增强而减小. 另外, 感热总体输送系数与近地层气温之间也存在二次曲线关系. 动量总体输送系数与近地层风速之间的关系、感热总体输送系数与近地层气温之间关系的建立为总体输送系数参数化提供了重要途径, 同时该方案避免了对动力学粗糙度长度和热力学粗糙度长度的求解. 关键词： 总体输送系数 参数化 湍流通量 相似性函数     

大气激光通信非对称限幅光正交频分复用技术

将一种新的正交频分复用调制技术运用到大气激光通信系统中,分析了采用这种非对称限幅光正交频分复用调制技术的大气激光通信系统在大气湍流信道下的性能.在此基础上,把非对称限幅光正交频分复用调制方案与传统的开关键控及直流偏置光正交频分复用调制方案进行了比较,并在大气湍流信道中进行了仿真.仿真结果表明:非对称限幅光正交频分复用调...     

Regular network model for the sea ice-albedo feedback in the Arctic

The Arctic Ocean and sea ice form a feedback system that plays an important role in the global climate. The complexity of highly parameterized global circulation (climate) models makes it very difficult to assess feedback processes in climate without the concurrent use of simple models where the physics is understood. We introduce a two-dimensional energy-based regular network model to investigate feedback processes in an Arctic ice-ocean layer. The model includes the nonlinear aspect of the ice-water phase transition, a nonlinear diffusive energy transport within a heterogeneous ice-ocean lattice, and spatiotemporal atmospheric and oceanic forcing at the surfaces. First results for a horizontally homogeneous ice-ocean layer show bistability and related hysteresis between perennial ice and perennial open water for varying atmospheric heat influx. Seasonal ice cover exists as a transient phenomenon. We also find that ocean heat fluxes are more efficient than atmospheric heat fluxes to melt Arctic sea ice.