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。     

利用气象要素估算近地面光学湍流

本文根据近地面层湍流相似理论分析了我国东海海面和合肥市西郊一水库上方及水库附近地面上的气象参数与光学湍流参数-折射率结构常数C∧2n,结果分析表明,折射率结构常数C∧2n和大气稳定度很好地满足经验关系,由此可以得到：在陆地和海域上可以利用气象要素对折射率结构常数进行估算。     

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。     

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.     

利用超声风速仪估算近地层光学湍流强度

根据K41湍流理论和近地面层湍流相似理论,研究了利用超声风速仪探测的常规气象参数计算折射率结构常数C2n的方法,并与温度脉动仪实测的C2n结果进行了比较.分析了获得C2n的两种不同方法的优缺点,同时对通过超声风速仪虚温计算C2n的方法进行了误差分析.分析结果表明,计算得到的C2n在一定条件下较好地满足经验关系.由此可以得到,利用超声风速仪获得的气象要素可以对C2n进行估算.     

利用中尺度天气预报模式预报大气光学湍流

光学湍流的预报在光学工程应用中具有重要意义,而国内尚未开展这方面工作.简要介绍了中尺度天气预报模式MM5及其框架和坐标系统,并结合Dewan光学湍流参数化方法预报了合肥、库尔勒和东山48 h的折射率结构常数,给出了各个时刻的湍流廓线和折射率结构常数时间剖面图.预报结果符合折射率结构常数随高度变化的量级和趋势的一般特征,但各地的廓线形状存在差异,简要分析了差异产生的原因.由于未有实测对比,结果还需要进一步的实验进行检验以便日后实际应用.     

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。     

基于能量平衡估算陆地近地层光学湍流

估算陆地近地层光学湍流通常需要利用两层不同高度的气象观测,而常规气象观测通常只有一层。为了利用单层常规气象观测估算陆地近地层光学湍流,通过采用Shapiro给出的利用常规气象要素估算地面太阳辐射的经验模型,以及美国陆军统一土壤分类方案,基于地面能量平衡,建立一个陆地近地层光学湍流估算模型。首先通过数值求解土壤热传导方程估算土壤温度,再基于地面能量平衡估算地面温度、基于强迫恢复方法估算地面湿度;最后,将估算的地面温度和湿度看作是粗糙度高度的温度与湿度,结合常规单层气象观测数据,估算光学湍流强度。实例计算表明：该方法估算的光学湍流强度整体上与利用两层气象观测估算的光学湍流强度基本一致。     

长春地区夏季光学湍流及气象参数测量研究

通过湍流气象探空仪测量湍流廓线及常规气象参数并同时监测地面温湿变化,得到长春地区夏季湍流及温湿度的垂直分布状况.对测量结果分析发现,所测湍流廓线较好地符合适用于中纬度地区的Hufnagel-Valley湍流模式,由此计算出的大气相干长度γ0平均值为5.5 cm,与HV模式相适应.在湍流气象探空仪双通道工作情况下,采用不同的微温探头间距对折射率结构常数进行测量,发现两种距离下湍流强度随高度的变化趋势基本相同,在10 km下的较强湍流区0.5 m间距测量结果稍大于1 m的情况,由此计算的γo相差不大,1 m测量结果相对起伏较大,细节明显.     

斜程路径大气相干长度的测量

介绍了一种斜程有限距离上大气相干长度的测量系统和方法,用系留气球搭载一个点光源,在地面用差分像运动测量法测量光波到达角起伏方差来确定实时的斜程大气相干长度值,与湍流廓线测量实验进行了对比,实验结果分析光学湍流廓线积分与相干长度仪测量二者的相关性较好.     

利用数值天气预报产品预报海面光学湍流

利用数值天气预报模式预报产品开展了不同季节海面光学湍流数值预报研究,发现:南北纬30°之间海域海面光学湍流强度和大气相干长度季节变化较小,南北纬30°以外高纬度海域海面光学湍流强度和大气相干长度季节变化显著,夏半球光学湍流强度相对较弱、大气相干长度相对较大,冬半球光学湍流强度相对较强、大气相干长度相对较小.全球大部分海域,10.6 μm光波10m高度光学湍流强度大于10-15m-2/3,0.55μm光波10m高度光学湍流强度小于10-15m-2/3.若沿海面10m高度水平传播10km,全球大部分海域,10.6μm光波大气相干长度大于60cm,0.55μm光波大气相干长度小于6cm.利用两个不同数值天气预报模式同期产品制作的海面光学湍流强度预报全球海域分布特征相似,但模式水平分辨率越高,预报的海面光学湍流强度的水平分布特征越清晰.     

三维超声风速仪测量近地面湍流谱及C2n的初步研究

采用2011年1月在合肥地区复杂下垫面上使用超声风速计测得的风速三分量和温度分湍流实验观测数据,计算分析了合肥地区冬季的不同稳定度条件下的湍流谱特征.并和其他实验进行对比,得到了湍流特征量在不同稳定度下能量谱的曲线拟合公式以及谱峰的位置变化情况,温度谱尾部上翘的现象.另外,比对了超声风速计和温度脉动仪(即单点和双点温度测量法)测得的C2n,发现二者符合较好.     

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。     

基于深度卷积神经网络的大气湍流强度估算

提出了一种基于深度卷积神经网络估算大气湍流折射率结构常数C_n²的方法。将湍流影响下的高斯光束光斑图像作为神经网络的输入,利用深度卷积神经网络提取图像的特征信息,得到C_n²大小,并采用平均绝对误差、平均相对误差、均方根方差和相关系数四个统计量来衡量模型的估算效果。结果表明,该模型能够根据湍流影响下的高斯光束光斑图像对C_n²进行估算,当迭代500次时,相关系数为99.84%,各项误差均在2%左右。该模型在大气湍流特性分析及大气湍流强度估算等领域有一定应用价值。