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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

湍流路径积分参量与湍流大气中光的传播效应

根据光波在湍流大气中传播的理论分析了弱起伏条件下决定光波传播效应的折射率结构常数Ｃ＾２ｎ的各种路径积分参量之间的关系，导出了由光波的强度起伏所确定的等效折射率结构常数对计算大气相干长度与光波的到达角起伏，光束的扩展及漂移的相对偏差的表达式。针对折射率结构常数Ｃ＾２ｎ具有周期性，递减，递增和随     

利用湍流廓线获得斜程大气相干长度的实验研究

 用两种方法获得有限高度斜程大气相干长度。一种方法用安置在测量铁塔上的温度脉动仪以及多普勒声雷达测量了大气边界层下部折射率结构常数廓线，用以计算有限高度球面波斜程大气相干长度；另一种方法用系留气球搭载一个点光源，在地面用差分光学系统接收球面波到达角起伏法测量了实时斜程大气相干长度。对实验结果进行了比较和分析，二者都反映了实际大气斜程相干长度的时间变化特点。两种方法结果的相关性比较好，因此两种方法都可以在大气光学传输研究中应用。最后在实验的基础上对湍流廓线计算球面波斜程大气相干长度作了讨论。     

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。     

激光雷达测量大气湍流廓线

 介绍了一种利用成像激光光斑测量大气湍流廓线的激光雷达原理。通过对分层大气湍流的光束波面变化的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用平面波近似算法反演湍流强度廓线。通过搭建的大气湍流廓线激光雷达实验系统获得了湍流廓线的实验数据,并且与系留飞艇搭载的温度脉动仪在同时段固定高度进行了对比实验,验证了近似递推算法的可行性。最后对实验中出现的误差进行了讨论。     

梯度倾斜相关测量水平C_n~2和横向风速廓线的理论与仿真研究

根据Rytov近似以及泰勒湍流冻结假设,推导出以不同距离的前向散射光为信标的水平路径上梯度倾斜角的相关表达式.基于该表达式,在理论上提出了计算湍流强度与横向风速的新方法,并通过数值仿真对该方法进行了初步验证.结果表明,在5%高斯误差情况下,大气折射结构常数和风速的计算结果与理论真值在整体变化上具有较好的一致性,线性相关系数分别能达到0.8与0.9.该方法能够得到不同湍流与风速条件下的湍流强度廓线以及风速廓线,为反演大气湍流强度以及风速提供了一种新思路.     

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。     

陆地和近海面大气光学湍流估算与测量

基于Monin-Obukhov相似性理论,采用MARIAH算法,利用成都和茂名两个地区、两个高度层上的温度、湿度、风速等常规气象参数估算折射率结构常数,并对估算值与温度脉动仪测量值进行比较分析。结果显示:利用常规气象参数估算得到的成都与茂名的折射率结构常数在变化趋势及量级上基本符合温度脉动仪测量值。成都和茂名的折射率结构常数估算值与测量值的相关系数分别为0.86与0.92,平均绝对值偏差分别为0.410与0.414。因此,采用MARIAH算法估算陆地和近海面大气光学折射率结构常数是可行的;茂名中午时刻的折射率结构常数峰值比成都大一个量级。     

雪面上光学湍流的测量与估算

 用合肥35 m铁塔测量系统,测量了2008年1月28 日至2月1日雪面上折射率结构常数,并用bulk方法和涡旋相关法估算了折射率结构常数,给出了大气层结稳定条件下的相似函数。结果表明：实验期间,大部分时间雪面上大气处于近中性和稳定状态;采用该相似函数,bulk方法和涡旋相关法估算的折射率结构常数与实测结果一致性很好;雪面上折射率结构常数也存在一定的日变化,但与草坪、海洋、沙漠等下垫面相比小1~2个量级,变化范围为1.9×10^-16~1×10^-14 m^-2/3。     

内尺度对光强闪烁激光雷达测量结果的影响

利用Kolmogorov谱、修正Hill谱和Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型,得到了光强闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数之间的关系。分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况,并与不考虑内尺度的情况进行了比较。结合实验数据对比分析了内尺度对光强闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度,结果表明在内尺度的取值变化范围内,采用修正Hill谱时,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达9,实验中传输距离为1020 m和2040 m的传输路径上两者最大偏差为0.4和0.1个量级;Rytov改进模型下,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达6,实验中同样传输路径上两者最大偏差为0.6和0.3个量级。理论和实验结果表明:有限内尺度的折射率结构常数测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度的折射率结构常数,且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关。因此,在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中,必须考虑内尺度效应。     

一维大气边界层光学折射率结构常数数值模式的实验检验

提出了一种大气光学折射率结构常数的数值模式。一次输入日期、时间、经纬度、温度、湿度、风速、粗糙度、土壤参数，云量等相关参数，可得到24h内的温度、湿度、风场、折射率结构常数等量。通过与实测对比表明，无论是月平均折射率结构常数还是某天的折射率结构常数，模式计算与实测数据都符合得很好。模式计算的向下总辐射量与实测数据基本一致。     

湍流折射率谱型对大气闪烁和相位起伏功率谱的影响

基于Taylor湍流冻结假设理论,在不同湍流折射率谱型条件下,推导得出了光波闪烁和相位起伏频谱的表达式;数值计算了湍流谱型中折射率标度指数、内尺度以及外尺度变化时对光波频谱的影响。结果表明:随着折射率起伏标度指数的增大,闪烁频谱的低频段不再仅为常数,高频段下降的幂率逐渐增大,同时相位频谱在整个起伏频率段下降的幂率越来越大;湍流内尺度的增加将引起光波频谱的高频段下降的幂率越来越大;而随外尺度的减小,闪烁频谱低频段的振幅减小,这种影响在大口径接收时较为明显,相位谱的低频段幂率减小。     

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。     

一维大气边界层光学折射率结构常数数值模式的实验检验

提出了一种大气光学折射率结构常数的数值模式。一次输入日期、时间、经纬度、温度、湿度、风速、粗糙度、土壤参数，云量等相关参数，可得到24h内的温度、湿度、风场、折射率结构常数等量。通过与实测对比表明，无论是月平均折射率结构常数还是某天的折射率结构常数，模式计算与实测数据都符合得很好。模式计算的向下总辐射通量与实测数据基本一致。