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.     

模拟的对流边界层光学湍流的特征尺度分析

边界层作为地面与自由大气的过渡带对人类活动影响很大。边界层湍流结构尤其是夹卷层的湍流特征,是边界层研究的一个重要方面,这对于加深对边界层的认识以及研究边界层参数化具有十分重要的意义。由于边界层上部位置较高,难以进行精细结构观测。在室内对流水槽(150cm×150cm×60cm)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。利用改进协方差法对光斑图像进行功率谱分析,找出功率谱密度最大值所对应的频率即峰值频率,峰值频率对应的波长为涡的特征尺度。研究结果表明,在混合层,峰值波长较小,说明此处混合比较均匀,小尺度结构占主导地位。而夹卷层的峰值波长较大。夹卷层的平均峰值波长与对流Richardson数存在一定的关系,这种关系受下垫面类型以及对流状况的双重影响。     

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。     

沙尘大气物理约束方程研究

基于风沙两相流的相互作用和气块质量变化的观点,推导出了闭合的沙尘大气物理约束方程组.理想状况下对之分析发现:沙尘大气密度比同体积洁净大气大,一定程度上会减缓气块的运动速度;沙尘与空气间的速度差异会使得细粒子处于高流速区,而粗粒子位于低流速区;温度差异会使得沙尘在上升运动中充当热源,下沉运动中充当冷源,从而加强对流;沙尘大气质量定容热容会在等压面上诱发新的温度梯度,促进沙尘云边界处的夹卷;沙尘大气气体常数会在等温面上诱发新的气压梯度,促进沙尘云边界处的夹卷;质量变化会对气块密度、速度和温度造成较大影响.总之,沙尘云要比基于被动标量的方程组模拟结果更高大、内部对流更强、边界处夹卷更活跃、水平运动更迟缓.     

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。     

非均匀湍流路径光传播数值模拟中相位屏间C2n的选取

针对非均匀湍流路径光传播的数值模拟,为减小相位屏间湍流强度均匀的假设所引起的模拟误差,数值分析了在种选择相位屏间折射率结构常数C2n的可能方案.通过计算平面波和球面波的Rytov指数和Fried参数,对比五种方案得到的Rytov指数和Fried参数与理论结果的相对误差.结果表明,当相位屏间C2n选择为相位屏间湍流大气实际的折射率结构常数的路径平均值时,模拟误差最小,该选择方案为相位屏间C2n选取的最伟方案;当根据相位屏间湍流大气的Rytov指数相等的原则来设置相位屏分布时,选择相位屏间C2n为两相邻相位屏处折射率结构常数的儿何平均值时,在一定的误差允许范围内,该选择方案具有可取性.     

非均匀湍流路径光传播数值模拟中相位屏间C_n~2的选取

针对非均匀湍流路径光传播的数值模拟,为减小相位屏间湍流强度均匀的假设所引起的模拟误差,数值分析了五种选择相位屏间折射率结构常数Cn2的可能方案。通过计算平面波和球面波的Rytov指数和Fried参数,对比五种方案得到的Rytov指数和Fried参数与理论结果的相对误差。结果表明,当相位屏间C2n选择为相位屏间湍流大气实际的折射率结构常数的路径平均值时,模拟误差最小,该选择方案为相位屏间C2n选取的最佳方案;当根据相位屏间湍流大气的Rytov指数相等的原则来设置相位屏分布时,选择相位屏间C2n为两相邻相位屏处折射率结构常数的几何平均值时,在一定的误差允许范围内,该选择方案具有可取性。     

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。     

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。     

A new parameterization of temperature structure parameter in entraining convective boundary layer

Temperature structure parameter () controls the propagation of electromagnetic and acoustic waves in the atmospheric boundary layer (ABL), but it is difficult to be measured, especially in the upper part of the ABL. In this paper, optical turbulence is simulated in a laboratory convective tank, and profiles in the tank are measured by using laser beam patterns. Simulation results show that the Wyngaard’s scaling relationship for in the entrainment layer is only valid for large convective Richardson number (Ri > 40) cases. When Ri < 40, a new scaling relationship is proposed based on the laboratory and field measurements. The application of these relationships in estimating optical turbulence in the entrainment layer is discussed.     

Mie散射激光雷达研究大气边界层特性

基于Mie散射大气激光雷达,应用Klett算法对回波信号进行了反演,得到大气消光系数和后向散射系数。然后,通过对大气后向散射系数曲线进行拟合得到大气边界层混合层高度以及卷夹层厚度等特征参数。对比雷达实测数据与探空气球所测数据,证明二者存在较好相关性。基于实测数据讨论了四川盆地大气边界层特性对气候的影响。     

竖直恒温面自然对流边界层不稳定性研究

在无扰动、随机式扰动以及正弦式扰动下,通过对竖直恒温面处状态Ra为1.328×10^9、Pr为6.24的自然对流进行模拟,探索了热边界层的不稳定性和共振强化自然对流换热。结果表明:(1)竖直自然对流边界层上游位置的随机式扰动对热边界层的影响主要体现在稳定阶段;(2)该状态下的竖直自然对流边界层的特征频率为15 067,且相比于无扰动状态,频率为15 067的正弦式扰动能在竖直恒温面处提高5.15%的换热量;(3)在竖直自然对流边界层上游位置加入特征频率的正弦式扰动,竖直恒温面处的局部努塞尔数Nu均出现明显波动,且波动随着边界层高度的增加而增大。     

大气边界层白天温度测量用转动拉曼激光雷达

设计了一个转动拉曼激光雷达系统,对大气边界层温度进行全天候高精度测量。系统选用波长355 nm的紫外激光作光源,采用高光谱分辨力光栅,将雷达接收到的散射信号以及太阳背景光从空间上分离,配合边缘反射镜,反射转动拉曼信号,去除大部分米氏-瑞利散射和太阳背景光噪声信号,并用两个窄带干涉滤光片,分离中心波长为353.9 nm和353.1 nm转动拉曼散射信号,同时对噪声信号进行2次高精度剔除,以保证白天测量的需要。对系统进行了分析及数值计算,结果表明在激光脉冲能量300 mJ,望远镜有效口径25 cm,测量时间10 min的条件下,可以在白天太阳背景光辐射度为3×108W/(m2.sr.nm)的边界层内测量高度2.5 km以下的大气温度分布,并在大气散射比低于2.5的条件下,温度测量精度可达到1 K。     

Interaction between coherent structures and surface temperature and its effect on ground heat flux in an unstably stratified boundary layer

Surface layer plumes, thermals, downdrafts and roll vortices are the most prominent coherent structures in an unstably stratified boundary layer. They contribute most of the temperature and vertical velocity variance, and their time scales increase with height. The effects of these multi-scale structures (surface layer plumes scale with surface layer depth, thermals scale with boundary layer height and the resulting roll vortices scale with convective time scale) on the surface temperature and ground heat flux were studied using turbulence measurements throughout the atmospheric boundary layer and the surface temperature measurements from an infrared camera. Plumes and thermals imprint on the surface temperature as warm structures and downdrafts imprint as cold structures. The air temperature trace shows a ramp-like pattern, with small ramps overlaid on a large ramp very close to the surface; on the other hand, surface temperature gradually increases and decreases. Turbulent heat flux and ground heat flux show similar patterns, with the former lagging the latter. The maximum values of turbulent heat flux and ground heat flux are 4 and 1.2 times the respective mean values during the ejection event. Surface temperature fluctuations follow a similar power-law exponent relationship with stability as suggested by surface layer similarity theory.     

确定大气边界层顶高度的新方法及数值实验

提出了一种确定大气边界层顶高度的数值微分新方法,该方法使用了正则化技术,把对弯角廓线求导数的数值微分问题转化为求目标泛函极小值的问题,采用双参数模型函数方法来选择正则化参数,最后利用最大梯度法确定边界层顶高度.首先通过两个数值实验验证了新方法的有效性,实验结果显示,随着掩星资料噪音的增多,由差分法和结合L曲线方案的数值微分方法得到的边界层顶高度波动增大,而通过双参数模型函数方法得到的高度很稳定,这说明新方法能够很好地过滤噪音,从而保留廓线的主要信息.随后基于2007-2011年1,4,7,10月的COSMIC弯角数据,利用新方法分析了全球海洋大气边界层顶高度的季节特征,并与用掩星资料自带的大气边界层顶高度数据zbalmax得到的季节分布进行对比.结果表明,两者的季节分布特征十分一致:海温相对周围海域高的区域,边界层顶高度较高,反之,边界层顶高度较低;在暖流经过的海域,边界层顶高度较高,在寒流经过的海域,边界层顶的高度相对较低.     

利用闪烁和漂移效应测量大气折射率结构常数的对比分析

 在近海面大气边界层中进行了1 km路径的水平光传输实验,结果表明：利用闪烁和漂移效应推导的大气折射率结构常数之间存在着较大的差异。定量的理论分析揭示了两者不一致的原因在于：闪烁效应主要对路径中部的小尺度湍涡敏感,漂移效应则对发射端附近的大尺度湍涡敏感;随着内尺度变大,漂移效应测量的折射率结构常数将大于闪烁效应测量的折射率结构常数,当内尺度达到20 mm时,前者的测量结果是后者的3倍;当外尺度变小时,漂移效应的测量结果小于闪烁效应的测量结果,当外尺度仅为1 m时,前者的测量结果为后者的1/2;大气折射率3维功率谱的幂律的变化对测量结果的影响非常大,当幂律大于-11/3时,闪烁效应测量的折射率结构常数大于漂移效应测量的折射率结构常数, 最大差异接近于25倍, 当幂律小于-11/3时,漂移效应的测量结果大于闪烁效应的测量结果,两者的差异甚至可达两个量级。     

大气风速对大气传输光束相位特性的影响

采用功率谱反演法构建湍流相位屏,通过横向平移相位屏的方法模拟大气风速引起的湍流时间变化,进而模拟分析了包括时间进程的激光大气传输特性,从波前相位功率谱密度的角度,定量分析了大气风速引起的激光束在大气湍流中传输时的相位特性变化。在此基础上,采用影响函数模拟变形镜对畸变波前的校正作用,对激光束经大气湍流传输后的自适应校正效果进行了预估,分析了大气风速对校正效果的影响。结果表明,大气风速对边界层湍流中光束相位特性的影响很小,然而,对于自由大气湍流中的传输光束,大气风速越大,波前相位畸变程度越大,畸变波前中高频相位比例也越大;环状光束的校正效果受大气风速的影响比平顶光束更小,并且,随着环状光束阶数的增大,校正效果所受影响逐渐减小;在一定相位畸变范围内,畸变程度越大的环状光束的相位校正效果受大气风速的影响越小。     

大气边界层各向异性的室内模拟研究

 边界层的各向异性研究对于了解实际大气的湍流特性和经典理论的适用范围均具有较大的意义。利用室内水槽实验模拟了实际大气边界层,使用小波变换方法分析了对数光强起伏谱的特征,将获得的标度指数与理论值进行比较,结果表明混合层在水平方向较为接近各向同性,而垂直方向则呈现一定的各向异性。