基于NOAA模式的典型地区大气湍流高度分布

研究大气传输问题中的大气湍流主要是研究湍流所造成的折射率随机变化规律。大气折射率结构常数Cn2是表示大气光学湍流强度的一个重要参数。主要利用温度脉动探空仪对大气折射率结构常数Cn2在合肥和北京两个典型地区进行了实地探测及计算分析,同时根据两个典型地区相应气象站点常规气象探空资料统计分析数据,通过NOAA模式得到大气湍流高度分布廓线,并与HV模式廓线和实际测量数据进行对比验证分析,为其他不同典型地区大气湍流模式分布特性的研究提供方法验证和参考依据。     

利用Tatarski方案估算不同环境下的光学湍流廓线

大气光学湍流的存在会严重制约光学系统的性能。为了能够降低大气湍流的影响,满足光电工程的应用,准确地估算出不同场景下的大气光学湍流廓线具有十分重要的指导意义。基于Tatarski光学湍流参数化方案和广泛应用的外尺度模式,利用探空仪测量的气象探空数据,对内陆（合肥）、海陆交界处（茂名）和远海海洋这三个不同环境下的大气光学湍流廓线进行估算。将合肥和茂名两地的估算值与实际观测的廓线进行对比验证,发现在变化趋势和量级上相近,为该模式估算远海海洋的大气光学湍流廓线提供了依据。结果表明模式能够较好地估算出不同环境下的光学湍流廓线。此外,还发现高空光学湍流的发生与风切变和温度梯度有重要关系。     

典型地区大气光学湍流测量与模式研究

在东南沿海地区、合肥地区和西北干旱地区进行了常规气象参数和光学湍流的测量.从地域气候上分析三个实验点所具有的典型特征.分析了不同下垫面对近地面光学湍流强度的影响,提出了近地面和高空光学湍流估算方法,并探讨了光学湍流的预报模式.Bulk方法可用于估算陆地和海面上的Cn2.通过对输入参数进行适当调整,近地面湍流预报模式估算结果和实际测量结果在量级和变化趋势上较为一致.可以用常规气象参数估算光学湍流廓线,合肥上空的光学湍流可以用Hufnagel模式进行拟合.     

差分像移大气湍流廓线激光雷达的研制

大气折射率结构常数在自适应光学系统、天文观测以及大气湍流模型等研究领域都有着重要的意义。基于差分像移的大气湍流廓线的测量原理,研制了一套距离分辨的大气湍流廓线激光雷达。差分像移湍流廓线激光雷达相比传统湍流测量技术对仪器误差,比如震动和离焦不敏感,可以对目标进行实时的主动探测,并能够得到测路径上随距离分布的大气湍流廓线。介绍了差分像移湍流廓线激光雷达的基本原理与系统结构,利用该湍流廓线激光雷达进行了外场探测实验,探测距离信号发射点200~8 000 m的目标大气,距离分辨率为200~1 000 m,共13个采样点。采用50 Hz帧率的ICCD相机获取信号,每个采样点测量20 s,获得1 000张图像,计算出对应的差分像移,并进一步反演出对应的折射率结构常数,得到了大气湍流的距离分布廓线,最后对实验的结果与过程进行分析,验证了该激光雷达系统的功能性。     

基于反向传播神经网络估算大气光学湍流廓线

大气光学湍流是与光电工程系统设计、应用密切相关的基本参数.通过仪器实地测量大气光学湍流廓线时会受到人力、物力、财力等多种条件的限制,因此依据常规气象参数估算大气光学湍流强度具有十分重要的意义.提出一种结合遗传算法的反向传播(GA-BP)神经网络.首先,基于Tatarski大气光学湍流参数化方案,利用HMNSP99外尺度模式估算了大气光学湍流廓线;其次,尝试基于实测数据训练BP神经网络,并结合遗传算法估算大气光学湍流廓线.将两种方法估算的大气光学湍流廓线与实测的廓线进行对比,结果表明:GA-BP神经网络模式估算值与实测值的均方根误差(RMSE)比HMNSP99模式的RMSE小,表明利用GA-BP人工神经网络模式估算大气光学湍流廓线是一种可行的方法.     

典型地区大气湍流高度分布特性与模式研究

研究大气传输问题中的大气湍流就是研究湍流所造成的折射率随机变化规律。大气折射率结构常数$C_n^2$是表示大气光学湍流强度的一个重要参数。利用新型温度脉动探空仪对大气温度、气压和$C_n^2$在合肥、北京和库尔勒等典型地区进行实地探测, 结合全国不同地区气象站点的常规气象探空资料进行统计分析,得到不同典型地区常规气象参数随高度分布特性,为大气湍流预报模式的建立提供数据资料。选取广泛应用的大气湍流参数模式Hufnagel-Valley模式和NOAA模式,根据实际测量数据拟合得到不同典型地区大气湍流高度分布初步模式,将两种模式和实际测量数据进行对比验证分析,为不同典型地区大气湍流模式分布特性的研究提供方法验证和参考依据。     

风廓线雷达的谱宽分析及湍流耗散率的变化特征初步研究

湍流动能耗散率(简称湍流耗散率)是表征湍流强弱的重要参数.利用风廓线雷达的谱宽估算湍流耗散率是研究湍流强度的一种新方法.分析了airdar16000风廓线雷达的回波功率谱谱宽的影响因素,提取出湍流贡献的谱宽加宽,并由此计算湍流耗散率.得出结论:湍流谱宽值在0.5 m2s-2以内;在风廓线雷达的波束中,倾斜波束的谱宽值比垂直波束的谱宽值更可靠;利用倾斜波束提取的谱宽计算得到的湍流耗散率的量级在10-7m2s-3到10-2m-2s-3之间;湍流耗散率的大小随着高度的增加而减小.结果同理论符合,证明该方法可行.     

湍流强度廓线激光雷达测量的反演算法研究

湍流强度廓线激光雷达通过测量各层的大气相干长度来获得湍流强度廓线。从测量的大气相干长度直接反演湍流强度廓线会出现很大的噪声增益,因此本文介绍了一种通过求导并结合理查森迭代方法来反演湍流强度廓线,并对这种方法进行了数值模拟实验。文章通过反演两种典型系数下的Hufnagel-Valley(H-V)Cn2模式廓线,两参数下反演廓线和原始廓线的平均相对误差分别为7.8％和10.6％,结果表明该算法具有较高的精度。     

基于气象探空数据计算的大气折射率误差分析

大气折射率测量,对无线电测控系统的电波折射误差修正是至关重要的.大气折射率剖面可根据气象探空仪测量得到的大气温度、气压和湿度剖面数据计算,由于探空仪测量结果包含有系统误差和随机误差,导致计算出的折射率总误差不仅与离地面的高度有关,还与施放探空仪的地点和测量时段有关.仿真结果得出,采用GZZ-59型和GZZ2-1型气象探空仪测量数据计算大气折射率剖面的总误差有时可达5N.     

合肥地区大气湍流随高度分布日变化特性分析

大气折射率结构常数C2n是表示大气光学湍流强度的重要参数.利用QHTP-2型温度脉动探空仪对C2n进行了实地探测,通过对大量探空实验数据的统计分析得出了合肥地区0～35 km高度C2n分布廓线和日变化特性,对合肥地区的大气湍流结构特性有了比较清晰的认识,研究结果为进一步进行湍流特征和大气性质的遥感探测及实际激光工程应用提供了有意义的参考.     

折射率结构常数廓线模式讨论

大气折射率结构常数随高度和时间变化较大,在研究光学湍流统计模式时,不同的统计方法对应统计模式的结果有一定的差别,这个差别会对模式的实际应用产生影响.从大气光学湍流的时空变化特征出发,得出大气光学湍流基本满足对数正态分布的结论,讨论了算术平均和对数平均在平均结果上的不同,研究了二者平均结果的关系,进一步研究了不同的平均方法对计算大气相干长度带来的影响.     

Cloud Liquid Water Content and Cloud Attenuation Studies with Radiosonde Data at a Tropical Location

The profile of cloud liquid water density and the total liquid water content (LWC) are obtained from the radiosonde data using the Salonen model at Kolkata, India, a tropical location. The cumulative distribution LWC shows a departure from the ITU-R model at this location, exhibiting a significantly enhanced occurrence during the monsoon months. The cloud attenuation, derived by integrating the profile of specific attenuation obtained from the radiosonde data, is related to LWC at different frequencies in the range 10-100 GHz. A comparison indicates that the cloud attenuation at frequencies below 50 GHz is somewhat overestimated by the ITU-R model generated values and significantly underestimated by the ITU-R model at frequencies above 70 GHz at the present location.     

Statistical temperature profile retrievals in clear-air usingpassive 118-GHz O2 observations

Linear statistical temperature profile retrievals from nadiral passive 118-GHz O₂ spectra are demonstrated using time- and space-coincident microwave observations and radiosonde profiles. Separate retrievals are demonstrated for winter and summer midlatitude conditions in clear air over land; observations during both day and night are included. The retrieval operator is a linear-statistical minimum mean-squared-error estimator. A purely statistical retrieval operator circumvents the effects of radiative transfer model uncertainties and biases in either the radiosonde or Millimeter-wave Temperature Sounder data. The retrieved profile rms errors are ~0.7-1.2 K for either the winter or summer tropospheres     

Prediction of tropospheric scintillation on satellite links fromradiosonde data

On the basis of radiosonde data, a new method is proposed for predicting tropospheric scintillation effects on slant paths. It stems from a rigorous statistical development and consists of two steps. First, statistical features of tropospheric turbulence responsible for scintillation are extracted from the analysis of a large amount of radiosonde ascents. Second, long-term scintillation statistics are inferred from these turbulence characteristics, using the theory of propagation through a turbulent medium. The method is applied to a complete year of radiosonde data measured in Belgium and the predicted scintillation results are compared with measurements carried out on the same year near to the meteorological station. An agreement better than with any other usual prediction method is found. The method yields very accurate predictions of scintillation annual statistics and also adequately represents the seasonal and monthly variability of scintillation. Unlike the current prediction models, the proposed radiosonde-based method does not rest on empirical relationships derived from particular propagation experiments and could, therefore, be applied more widely     

一种基于超短基线干涉仪的大气湍流参数测量算法

目前，对流层大气湍流造成的随机变化的相位误差已严重影响了高频段深空测控通信系统的工作性能.为了量化湍流强度，基于超短基线干涉仪系统接收的地球同步卫星信号，统计信号干涉相位的标准偏差，结合经典的Kolmogorov-Obukhov"2/3"扰动理论和随机场理论建立了大气湍流参数计算模型，实时获取表征湍流强度的物理量:大气折射率结构常数C_n2.分别在郑州、杭州进行了连续多天的晴天、雨天相位观测试验，利用试验数据计算C_n2，并利用气象探空数据经验模型进行了验证.试验数据计算结果显示:C_n2在郑州晴天的正午前后要明显高于早晨和傍晚，而在杭州雨天则没有明显的规律性.C_n2在10-15~10-13的数量级范围变化，与经验模型计算的结果相吻合，验证了算法的合理性和准确性.     

低仰角下对流层散射斜延迟估计方法

对流层斜延迟是对流层散射双向时间比对系统的主要误差来源,目前尚未有对系统中对流层斜延迟进行精确估计的模型。为精确估计斜延迟,引入电磁波射线描迹法,并利用Hopfield天顶延迟模型中折射率计算方案改进描迹法,以克服该方法对探空数据的依赖。首先,根据北纬35 ~37范围内的3个测站2010~2012年的实测气象数据和天顶延迟数据,验证 模型精度范围小于35 mm;然后,将3个测站按相互基线距离的不同分为3组比对站,利用改进后的模型结合2012年的气象数据,计算了在0~5入射角下,一年的斜延迟,并得出最大斜延迟对应的年积日和入射角。计算结果表明,3组比对站的最大单向斜延迟为24.94~45.37 m。在双向比对抵消90%的情况下,时间延迟为3.1~5.7 ns;相互抵消95%时,时间延迟为1.5~2.9 ns。     

车载测风激光雷达风廓线同步观测实验

多普勒测风激光雷达能够实现高时空分辨率的大气风场测量,中国海洋大学成功研制了可以测量风廓线和三维大气风场的车载多普勒测风激光雷达,并已交付中国气象局使用。为了检验该激光雷达的测量性能,2011年春季开展了车载激光雷达与探空气球风廓线同步观测实验,获取了55组比对数据。本文介绍了此次同步观测实验,给出了激光雷达和探空气球风廓线数据的比对个例,并对所有比对数据进行了统计分析。同步比对结果显示,激光雷达与探空气球风廓线数据的风速均方根偏差为2.76 m/s。通过分析比对偏差,证明了激光雷达风廓线测量结果的准确性。     

Millimeter-wave radiometric observations of the troposphere: acomparison of measurements and calculations based on radiosonde andRaman lidar

A comparison of clear-air brightness temperatures is performed between radiometric measurements and atmospheric radiative transfer calculations. The measurements were made using the NASA Goddard Space Flight Center's Millimeter-wave Imaging Radiometer (MIR) in a series of airborne and ground-based atmospheric experiments at six millimeter-wave frequencies: 89; 150; 183.3±1, ±3, ±7; and 220 GHz. With the inclusion of the 220 GHz channel, these measurements are the first passive observations of the atmosphere made simultaneously at the six frequencies. The MIR was operated concurrently with supporting meteorological instruments (radiosonde and Raman lidar) to construct a paired set of both spatially and temporally coincident calibrated brightness temperatures and atmospheric profile parameters. Calculated brightness temperatures based on the measured atmospheric profile parameters were obtained using a numerical radiative transfer model. Incremental water-vapor weighting functions were used to study the impact of radiosonde hygrometer errors on the radiative transfer calculations. The aircraft-based brightness temperature comparisons are generally within 3 K for the channels sensitive to the lower atmospheric levels (89, 150, 183.3±7, and 220 GHz), but show discrepancies of up to 11 K for the opaque channels (183.3±1 and ±3 GHz) caused primarily by radiosonde bias. The ground-based calculations are similarly found to be sensitive to hygrometer errors in the lower atmosphere. Ground-based comparisons between MIR observations and lidar-based calculations are typically within ±6 K     

利用光束抖动反演横向风速垂直分布的研究

湍流冻结条件下,利用两个位置探测抖动信号的时空交叉相关函数,提出了反演横向风速垂直分布的理论模型.该模型的两个参数分别为湍流廓线和相关函数在延迟时间为0处的导数.假定横向风速满足高斯模型,采用遗传算法进行数值仿真.通过对两种典型湍流模型进行反演计算,发现反演的风廓线和理论风廓线一致性好,相对误差不超过3.3％和1.6％.改变湍流廓线的特征高度并进行反演计算,结果表明湍流强度存在较大误差时,该模型仍可用于低层横向风速垂直分布的反演.