戈壁地区近地面大气折射率结构常数的统计分析

利用温度脉动仪对2010年412月库尔勒戈壁地区近地面大气折射率结构常数进行了测量,按月对测量数据进行了对数平均。根据对数平均值对日变化特征进行了分析,并对大气湍流强弱时段进行了统计。研究结果显示:戈壁地区大气湍流在日落时段较日出时段弱;日出转换时刻,均值湍流强度在10-15 m-2/3以下,日落转换时刻,均值湍流强度在10-16 m-2/3左右; 4,6,8,9月份的近地面大气湍流强度较强,5,7,10月份居中,11,12月份较弱。     

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。     

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.     

两种估算近海面大气光学湍流强度方法的比较

选取随船观测的三亚地区2016-01-06至2016-01-09连续4天的折射率结构常数C_n~2及温度、风速、相对湿度三种常规气象参数,基于后向传播神经网络和逐步回归理论,分别建立两种模型并对C_n~2进行了连续3天的估算。结果显示,两种模型估算的结果在变化趋势及量级上均符合近海面光学湍流的一般特征和变化规律,并且可以表现出C_n~2的基本日变化特征,整体相关系数分别为0.8661和0.8496。选取了平均绝对误差、平均相对误差、均方根方差以及相关系数等统计量来衡量估算结果。分析表明,两种模型均能准确地估算出近海面的C_n~2,但在夜间弱湍流发生时估算值略高于测量值。为进一步提高估算的准确度,需要改进模式在夜间的估算效果。     

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。     

拉萨光学湍流探空测量与模式分析

利用自行研制的湍流气象探空仪,对西藏拉萨的温度、风速、风向等常规气象参数廓线和C_n~2廓线进行探测。分析了湍流强度和常规气象参数随高度的变化趋势。比较了夜晚和早晨的湍流特征,发现8～15km处两者均出现强湍流层,且8km以上早晨的湍流强度大于夜晚的湍流强度。同时基于Hufnagel-Vally 5/7模式,利用探空数据拟合得到符合拉萨湍流特征的拉萨C_n~2经验模式。对此经验模式进行统计分析,结果进一步证明拉萨C_n~2经验模式能有效估算拉萨的湍流强度。最后,将拉萨与高美谷的探空数据进行对比分析,发现拉萨的风速较小对天文观测有利,但湍流强度较强对天文观测有一定影响。该研究为后续拉萨湍流廓线和天文台选址的研究提供了参考,并为光电工程的应用提供了技术支持。     

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。     

远海海面大气光学湍流实验测量

将光纤湍流测量系统搭载于我国的“远望号”航天测量船, 首次实现了远海海面大气光学湍流的空间多点同步测量, 初步获得了远海海面大气光学湍流的基本特征和定量数据. 测量共进行了37天, 测量数据处理包括大气光学湍流强度的统计分析、采用Greenwood湍流空间相关函数模型对实测的光学湍流空间相关函数进行非线性拟合从而获得湍流的空间外尺度, 以及采用分段拟合算法获取光学湍流的功率谱标度指数. 结果表明: 海面大气光学湍流强度中等偏弱, 且无明显规律性的日变化趋势; 空间外尺度较小, 约为0.2-0.3 m; 湍流谱标度指数符合-5/3次方的概率均为25%左右, 低于相应的近地面概率.     

基于Monin-Obukhov相似理论估算近地面光学湍流强度

基于Monin-Obukhov相似理论实现了用常规气象参数估算近地面光学湍流强度Cn2的两种方法。主要输入的参数是两个高度上的气温、相对湿度和风速参量,并将结果与实际测量的Cn2值进行了比较。两高度温差ΔT是模式中最敏感的参数,避免使用难以准确测量的下垫面粗糙度、地表面/海表面层上温湿度等参量作为输入参数,使将来采用各气象台站测量的常规气象参数历史数据估算湍流强度成为可能。     

大气相干长度的昼夜观测

 介绍了利用差分像运动测量法测量光波到达角起伏方差来确定大气相干长度的方法，阐述了一种能对大气相干长度进行昼夜测量的日夜两用型大气相干长度仪的测量原理与结构,经过长期昼夜观测分析得知: 整层大气湍流强度有随时间变化的趋势，这种趋势与近地面层的湍流强度的时间变化特征基本吻合，即在日出后和日没前两段时间内的相干长度值远大于其它时间段内的值。     

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。     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获概率研究（英文）

单光子源通常采用基于高斯光束的高度衰减激光脉冲,假设激光束具有初始高斯时域脉冲波形和TEM_(01)模拉盖尔-高斯空域分布.基于折射率起伏的Rytov近似和修正von Karman谱模型,研究了大气湍流对星地量子通信单光子捕获概率的影响;建立了上行信道和下行信道的单光子捕获概率理论模型;针对低轨卫星-地面站间激光链路,对单光子捕获概率进行了分析.结果表明:上行信道的单光子捕获概率强烈依赖于地面折射率结构常数C_n~2(0),且随着C_n~2(0)的增加而减小;然而,下行信道的单光子捕获概率并不依赖于C_n~2(0),即大气湍流对其没有影响.     

近地面湍流对整层湍流的贡献及相关研究

用由HTP-2型温度脉动仪和WXT520气象传感器组成的近地面参数测量系统以及大气相干长度仪的两年观测数据分析了西北高原地区近地面湍流。近地面参数测量系统分两层分别搭建在6 m和2 m高度上。温度脉动仪测量折射率结构常数,气象传感器测量常规气象参数,大气相干长度仪测量大气相干长度。分析结果表明:不同高度的折射率结构常数随高度按幂指数规律变化,白天幂指数平均值为-0.8,夜间为-0.3。用相干长度比评估近地面湍流层对整层湍流的贡献,结果表明:相干长度比有明显的日变化特征,白天小而夜间大;不同月份相干长度比日变化趋势和大小均不同。讨论了近地面局地视宁度与局地温差的关系,结果表明:局地视宁度和局地温差白天正相关,夜间负相关。     

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。     

双孔差分闪烁法测量大气湍流的理论与实验研究

根据cross-path理论, 推导出弱起伏条件下差分孔径光强起伏结构函数的精确表达式, 以此为依据, 从理论上提出测量大气湍流强度的双孔差分闪烁法. 在Kolmogorov湍流谱条件下, 分析了信标光直径和信标光高度对该方法中路径权重函数的影响. 在近地面开展了2 km路径的水平光单程传输实验, 将双孔差分闪烁法和单孔闪烁法的测量结果进行了对比. 实验结果表明: 在不同的天气条件和大气湍流状况下, 两种方法测量的折射率结构常数具有高度的一致性; 通过对折射率结构常数积分得到的球面波大气相干长度进行相关性分析, 发现两者的线性相关系数达0.96; 由此验证了双孔差分闪烁法的可行性和有效性. 该方法能够分离出主动信标双程传输的后向闪烁信息, 为主动信标准确探测大气湍流提供了一种新方法.     

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。     

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。     

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...     

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。