基于Thorpe尺度估算大气光学湍流廓线研究

论文摘要

湍流是自然界中最为普遍、应用最为广泛的现象之一,大气湍流会对在大气中传输的光波产生各种湍流效应,而度量大气光学湍流强度的量为大气折射率结构常数Cn2。目前已经有很多直接测量Cn2的技术,但这些测量方法难免需要付出较大的代价,因此建立Cn2与常规气象参数之间的关系,利用容易测量的常规气象参数来估算Cn2廓线,这已经成为大气光学湍流的重要研究内容。目前国内外对大气光学湍流廓线模式研究做了大量的工作,除了在实验基础上对Cn2廓线数据进行分段拟合得到的C2廓线经验模式,还有基于湍流基本理论,通过外尺度建立的常规气象参数廓线与Cn2廓线间关系的Tatarski公式,由此派生出多种外尺度模式。其中Thorpe外尺度模式中的Thorpe尺度由Thorpe提出,为了量化水体翻转的尺度规模。该方法已经广泛应用于海洋学中,主要研究分析水体的湍流混合情况,并对湍混合参数(能量耗散率、扩散系数)进行估计。在大气科学以及流体动力学领域,主要应用于辨别流体中湍流混合区及估算不同的湍流参数,但利用Thorpe尺度进行大气光学湍流强度Cn2的估算并不多见。本文对新疆库尔勒、西藏拉萨以及广东茂名海边探空测量的Cn2数据进行统计分析,采用Thorpe尺度利用Tatarski公式估算了上述三个地区的Cn2廓线,并与实测Cn2进行比较,以判断Thorpe尺度估算Cn2的有效性。并据此将该方法首次运用到尚未进行Cn2廓线探空测量的南极点South Pole的Cn2估算,用于南极天文选址。本文的主要工作以及得到的结论如下:(1)统计分析了新疆库尔勒、西藏拉萨以及广东茂名海边探空实测数据,得到了三地Cn2廓线,结果表明,三地的白天Cn2廓线相对于夜间的Cn2廓线,在量级上要大1～2个量级;在所考虑的高度范围内(0～25 km)Cn2平均廓线都会有不同程度的起伏波动,但一般夜间湍流变化波动幅度较大,以上这些现象均明显地展现出三个地区的Cn2平均廓线的昼夜差异。在近地面层,拉萨地区的Cn2平均廓线递减速度快于其它两个地区,最小值出现的相对高度也低于其它两个地区;拉萨和茂名的Cn2平均廓线均在15 km附近出现了明显的鼓包,而库尔勒地区没有明显的鼓包,以上这些现象均明显地展现出三个地区的Cn2平均廓线的地域差异。(2)基于Tatarski参数化方案,结合Thorpe尺度方法估算了新疆库尔勒、西藏拉萨以及广东茂名海边这三个地区的C2廓线,无论是量级还是廓线的整体趋势上都展现出了较好的一致性,尤其是在5～20km的高度范围内,湍流测量值的细节结构都能在估算值中反映出来,总体而言估算值与实测值较为吻合。而且定量的统计分析表明,库尔勒、拉萨以及茂名海边的Thorpe尺度估算结果与实测结果相关度分别为69%、68%、60%,平均相对误差均在5.0%以下,上述这些都能够表明Thorpe尺度方法估算光学湍流廓线是可行的。(3)通过下载的南极点常规气象参数数据资料,结合Tatarski参数化方案与Thorpe尺度方法估算出南极点夏、冬两季的Cn2廓线,计算了大气相干长度、视宁度、等晕角等参数和边界层高度以上及边界层内的视宁度及其对整层(0～25 km)视宁度的贡献,将之与文献结果比对。结果表明:估算的Cn2在近地面随高度迅速递减,300 m后随高度缓慢减小,5 km以后出现一个鼓包,10 km后随高度稳定递减,呈现出湍流主要集中于300 m以下这一特点。Thorpe尺度估算的南极点冬季整层视宁度为1.87",270 m以上高度视宁度为0.39",与文献报道较为吻合。基于依据Tatarski参数化方案,结合Thorpe尺度方法可以较好地估算出上述几个地区的Cn2廓线,但是在表示某些高度大气光学湍流廓线细节结构的变化上,还不能充分吻合,这还需要大量的实测数据对Thorpe尺度方法进行进一步的改善,如能提高探空数据的分辨率,对提高Thorpe尺度方法的估算效果也有一定帮助。此外本文结果主要是根据以上几个地区有限的探空资料提出来的,对于其它地区Thorpe尺度是否可行,这还需要长期的数据积累,有待进一步探讨验证。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容及章节安排

第2章湍流基本理论

2.1 湍流概述

2.2 湍流研究历程

2.3 大气湍流的统计描述

2.3.1 大气湍流的平稳和均匀性

2.3.2 大气湍流的各态历经性和各向同性

2.3.3 泰勒“冻结”假设

2.3.4 Kolmogorov湍流理论

2.4 湍流的标度律

2.4.1 K41理论

2.4.2 K62理论

2.4.3 ESS（Extended Self-Similarity）理论

2.4.4 SL（She-Leveque）标度律

2.5 湍流测量技术

2.5.1 热线测速仪

2.5.2 PIV技术

2.6 本章小结

第3章大气光学湍流测量方法

n²'> 3.1 大气折射率结构常数 C_n²

3.2 大气光学湍流廓线测量方法

3.2.1 SCIDAR技术以及GS（Generalized SCIDAR）

3.2.2 SSS （Single Star SCIDAR）

3.2.3 MASS技术

3.2.4 DIM Lidar

3.2.5 Radar技术

3.2.6 Sodar

n²廓线测量原理（温度起伏法）'> 3.2.7 大气折射率结构常数C_n²廓线测量原理（温度起伏法）

n²廓线'> 3.2.8 湍流气象探空仪测量C_n²廓线

3.3 本章小结

第4章大气光学湍流廓线的模式研究

n²廓线模式'> 4.1 实测数据拟合的C_n²廓线模式

4.1.1 SLC模式

4.1.2 AFGLAMOS夜间模式

4.1.3 CLEARI夏季模式

4.1.4 香河、昆明、兴隆、合肥、茂名、西藏拉萨模式

n²廓线模式'> 4.2 参数化的C_n²廓线模式

4.2.1 Hufnagel模式

4.2.2 Tatarski模式

4.2.3 NOAA模式

n²廓线预报模式'> 4.3 C_n²廓线预报模式

4.3.1 基于MESO-NH模型的Masciadri模式

4.3.2 MM5模式

4.3.3 WRF模式

4.4 本章小结

第5章 Thorpe尺度及其估算结果

5.1 Thorpe尺度

5.1.1 Thorpe尺度概念及物理意义

5.1.2 Thorpe尺度的应用

5.1.3 利用Thorpe尺度估算大气光学湍流廓线

5.2 Thorpe尺度估算结果分析

5.2.1 库尔勒估算结果分析

5.2.2 拉萨估算结果分析

5.2.3 茂名估算结果分析

5.2.4 南极点估算结果分析

5.3 统计分析

5.4 讨论

5.5 本章小结

第6章总结与展望

6.1 主要工作及创新点

6.1.1 主要工作总结

6.1.2 创新点

6.2 存在的问题与展望

6.2.1 工作中存在的问题

6.2.2 下一步工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡晓丹

导师: 吴晓庆

关键词: 大气光学,湍流廓线,尺度,湍流参数化

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P425.2

总页数: 98

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