海洋环境下的大气光学湍流测量与模式研究

发布时间：2020-08-17 15:10

【摘要】：海洋环境下的大气光学湍流效应严重制约着海洋场景下光学遥感成像、自由空间光通信以及激光大气传输等光电工程性能的发挥。精准地评估光学湍流效应的影响程度依赖于湍流信息的获取,而大气折射率结构常数C2是定量描述大气光学湍流强度的重要参量,精确地获得海洋环境下的Cn2能够为涉及大气传输的激光工程系统在海洋场景下应用时的最佳工作时间窗口以及为光电系统关键技术参数的设置提供参考和指导。尽管当前存在众多Cn2测量技术,但是受复杂的海洋下垫面的影响,通常需要耗费大量的人力、财力和物力,且难以进行长时间、大范围内的连续观测,不能满足海洋场景下光电工程应用的实际需要。因此,有必要建立相应的Cn2模式,通过相对容易测量的常规气象参数估算C2n。本文分别利用在南海海上综合观测平台上测得的近海面数据和远海海洋施放探空气球获得的探空数据,选取适当的Cn2模式估算了海洋环境下的Cn2,并与模式在其他环境下的估算结果进行了对比分析,以及通过定量的统计分析来评估不同模式的估算效果,验证模式的可行性和合理性。本文的主要研究内容和结论如下:1.归纳总结了基于相似理论建立的如Bulk、Tatarski、Wynggard等多种边界层湍流模式,和基于Tatarski模式的Dewan、HMNSP99、Jackson等多种外尺度廓线模式。在此基础上增加了人工神经网络模式和Thorpe外尺度模式。2.利用位于国家气象局茂名博贺海洋观测站海上综合观测平台、茂名博贺海洋观测站岸基观测平台、合肥35米铁塔等测量的常规气象数据,对海洋大气边界层的Cn2、海陆交界处大气边界层的Cn2以及内陆地区大气边界层的Cn2进行估算和比对,并分析了模式估算的结果和可能引起估算误差的因素。对海洋大气边界层的Cn2估算结果进行统计分析,发现同时考虑了温度、湿度、和温湿相干项对湍流贡献的Bulk法的相对误差为3.97%,略高于只考虑了温度对湍流贡献的Wynggard模式的3.82%,但是它与实测值的相关度为0.65,要明显高于Wynggard模式的0.56。由此可见,湿度和温湿度相关项对海洋环境下湍流的贡献不可忽视。大气光学湍流模式通常具有相应的地域特性,于是利用合肥35m气象铁塔上测得的大量实验数据,拟合得到了符合合肥地区湍流变化特征的相似性函数,并且结合Bulk法估算了合肥的Cn2,得到了较理想的结果。3.在博贺海洋观测站施放30个探空气球得到的湍流资料基础上,基于Hufnagel模式,拟合出了符合海边湍流特征的Cn2廓线经验公式。基于HMNSP99外尺度模式拟合出新的海边外尺度廓线模式,并利用它估算得到了海边Cn2廓线,与Dewan、HMNSP99、Coulman外尺度模式以及实测的Cn2廓线进行了比较,发现新的茂名海边外尺度模式估算结果最好,与实测值相关度高达0.92,且平均相对误差最低,仅有2.96%。此外,根据库尔勒10m空间分辨率的探空数据,将Thorpe外尺度模式从对流层扩展到平流层,利用其估算的该地区的Cn2廓线与实测Cn2廓线的相关度达到0.73,且平均相对误差仅为2.44%。4.分别利用Dewan、HMNSP99和Coulman外尺度模式结合Tatarski高空光学湍流参数化方案,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。合肥和茂名两地的估算值与实际观测的Cn2廓线进行对比验证,在变化趋势和量级上基本一致。为该模式估算远海海洋环境下的大气光学湍流廓线提供了依据。同时比较了 Dewan、HMNSP99和Coulman外尺度模式在远海海洋环境下估算结果的一致性。得到了远海海洋的外尺度基本上小于10m,随高度抖动比较剧烈,在20km以上,小于lm,Cn2的变化范围大约在10-14～10-19m-2/3之间,随高度递减等有用的结论。5.对比分析了合肥、茂名和远海海洋Cn2廓线与风切变、温度梯度和Richardson数的倒数之间的对应关系。发现当风切变、温度梯度和Richardson数的倒数起伏较大时,常出现强湍流薄层,得出同时包含了风切变和温度梯度的HMNSP99外尺度模式估算高空Cn2廓线更符合实际湍流变化特征的结论。本文开展的工作表明,湍流模式能较好地完成海洋环境下的Cn2估算工作。为海洋环境下的Cn2模式发展和湍流特性研究,积累了数据,提供了好的手段。但是,湍流模式仍然需要不断的修正和改进,以满足更高精度的需求。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O357.5
【图文】：

示意图,示意图,准平衡,外尺度

从而形成了所谓的“局地均匀各向同性湍流”（刘式达等．，２００８）。这就表明，逡逑虽然大尺度的湍流是非均匀各向同性的，但是小尺度的湍流却依然可看作均匀各逡逑向同性揣流，也称之为Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ揣流。如图２．２所示为Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ揣流理论逡逑示意图。逡逑Ｏｕｔｅｒ邋ｓｃａｌｅ邋Ｌ０１逦逦逡逑４逦？二Ｉｎｎｅｒ邋ｓｃａｌｅ邋ｉ？逡逑Ｗｉｎｄ邋ｓｈｅａｒ逦ｊ邋／＾＼逡逑°0°逡逑￣＇ｋ逦ｔ逦逦逦逡逑逦逦ｇｒｏｕｎｄ逡逑图２．２邋Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ揣流理论示意图逡逑１９４１年，Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ提出了两条相似性假设来确定这些规律：逡逑第一假设：当Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数足够大时，如果揣流内尺度／0和揣流外尺度满逡逑足＆邋＜＜々，则在内尺度与外尺度之间，湍流具有局地均匀各向同性结构，其运逡逑动的统计特征只由流体粘性系数ｕ和单位质量单位时间内扰动的能量耗散率ｆ决逡逑定，将满足这个假设的扰动的尺度范围称为“准平衡区”。扰动能量耗散率ｓ表逡逑示扰动能量由大尺度向“准平衡区”小尺度传输的速率，定义为逡逑１邋Ｘ—｜邋Ｓｕ＇邋Ｓｔｉ＇ｉ邋，逡逑＋邋（２．２）逡逑２邋ｔｊ邋８ｘ（逦ｄＸｊ逡逑单位为ｍ２／ｓ＿３，式中为速度起伏量，在此基础上可以定义“准平衡区”扰动逡逑的特征长度；；、特征速度％和特征时间Ｉ逦．逡逑ｆ邋３邋Ｎ＇／４逦／邋＼１／２逡逑＂＝丨一

结构图,风速计,三维超声,结构示意图

计平均时间使得大气湍流条件满足局地均匀各向同性假设也是一个技术难题。逡逑３．２．２超声风速计测量Ｃ？２日变化逡逑超声风速计的结构图如图３．１所示，它有三个非正交轴，每个轴上的两个传逡逑感器，可同时发射和接受相反两个方向上的超声波脉冲信号，利用多普勒效应并逡逑通过坐标变换可以得到风速的三个分量（ｕ、ｖ和ｖｖ）。如果两收发传感器间的声逡逑程为ｃ／，测得顺风和逆风向声传播的时间分别为和，则可由下面两式分别计逡逑算得到沿声程方向的风速分量匕和声速ｃ：逡逑＾＝７（７＿７｝逦（３．２６）逡逑ｃ邋＝邋N邋＋邋N）逦（３－２７）逡逑２邋’丨邋’２逡逑黑邋Ｉ逦，Ｔ逦、逡逑Ｊ逦逦逦．邋．—ｉ邋—逦美邋／／邋＾邋Ｗｉｎｄ邋Ｖ邋Ｖ逡逑“切NBＶ逡逑图３．１三维超声风速计结构示意图逡逑温度的测量值可由声速Ｃ换算得到：逦．逡逑ｃ２＝ｒｄＲＪｓ＝ｒｊＲＡ］＋０－５］（ｉ）逦（３．２８）逡逑式中匕＝Ｃ；／Ｃ；．为干空气比定压热容与干空气比定容热容之比，取值１．４，邋＆为逡逑干空气比气体常数，取为２８７．０５Ｊ／（ｋｇ．Ｋ），邋ｇ为比湿，７；为超声风速计输出的超逡逑声虚温，则逡逑ｌ＝ｃ２／ｒｄＲｊ逦（３．２９）逡逑超声虚温中含有湿度信息，因此还需要对超声虚温进行湿度订正，从而获得真实逡逑的气温。逡逑超声风速计是一种单点温度测量方法

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（Ｇｉｍｍｅｓｔａｄｅｔａｌ．，２０１２）。本节主要介绍利用我们自行研制的湍流气象探空仪测逡逑量高空Ｃｊ廓线。逡逑自行研制的湍流气象探空仪的电路框图如图３．２所示，整个探空仪由ＧＰＳ逡逑定位模块、温湿压测量模块、微温传感器、数据测量与转换板、发射板、电池组逡逑等部分组成（蔡俊等２０１８）。其中，数据测量与转换板有两个模拟输入端口、逡逑两个数字输入端口和一个数字输出端口。其中的两个模拟输入端口接入两路微温逡逑脉动信号，经两路ＡＤＳ１１１０Ａ／Ｄ变换器，转换为数字信号，可得到Ｃ＃；两路数逡逑字输入端口接入ＧＰＳ模块和测量温湿压模块的数字信号，获取探空位置信息以逡逑及风速、风向、气温和气压的廓线数据。各输入端口的数字信号经数据测量与转逡逑换板进行数据格式和波特率的统一编码后发送给与其上一个数字输出端口相连逡逑接的发射板。发射板将数字输出端统一编码后的探空数据进行ＦＳＫ调制，从而逡逑获得我们所需要的全部气象探空资料。逡逑２３逡逑

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