基于Thorpe尺度估算大气光学湍流廓线研究

发布时间：2020-06-03 06:24

【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。
【图文】：

达芬奇,图画,学派

图２．１达芬奇图画［４２］逡逑现代科学对湍流的研宄可以追溯到１９世纪后期Ｒｅｙｎｏｌｄｓ的工作。从那时起逡逑到现在湍流的研宄主要可以分为三种学派，如图２．２所示。尽管它们之间会有重逡逑叠部分，但都有明确的开端以及特征。第一个称之为统计学派，第二个称之为结逡逑构学派，最后一个称之为数值模拟学派，下面我们将逐一介绍在这三个学派湍流逡逑研宄的主要发展历程。逡逑１９世纪后期，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ进行了著名的雷诺实验，首次在圆管水流实验中系逡逑统地观测到湍流现象，他的观测不仅标志着湍流科学研宄的开始，也标志着湍流逡逑研宄中统计学派的开端。Ｒｅｙｎｏｌｄｓ的观测结果使他将流动变量分解为平均部分和逡逑扰动部分，确定了湍流形成的判据即运动由层流转换为湍流的判据——雷诺数，逡逑他的主流观点认为湍流是一种随机现象。随后Ｐｒａｎｄｔｌ邋［４３］在１９２５年提出的“混合逡逑长度理论”，增加了统计方法的可信度，尽管这一方法在湍流流动的预测上从未逡逑真正成功过，但它在对某些简单流动所做出的假设方面做得相当好。接下来，重逡逑要的一环就是Ｔａｙｌ0ｒ［４４］对湍流的研究

原理图,原理图,脉冲光源,粒子

用ＰＩＶ系统对湍流平面进行了速度测量，对湍流的多尺度相干结构间歇性进行逡逑了实验探究。逡逑标准的基本ＰＩＶ系统如图２．５所示［８２］，粒子布撒器、脉冲光源、同步器、图逡逑像采集部分以及后处理共同构成了邋ＰＩＶ系统。整个系统的运作流程可描述为首逡逑先将示踪粒子均匀地布撒在流场中，然后脉冲激光片光源照亮气体中直径为几微逡逑米的粒子或者是液体中直径为几十微米的粒子，这些粒子经过光源的照射在流场逡逑中发生散射，于是这些粒子的位置就会多次被图像采集部分（如ＣＣＤ）所采集逡逑到，一般脉冲光源的发生器会每隔一段时间就会发射激光，在这段时间间隔内，逡逑通过同步器的工作，图像采集部分能够采集到两张粒子的分布图，最后经过一系逡逑列的后处理过程（得到位移以及曝光时间）就可以得到粒子的速度，而ＰＩＶ技逡逑术的主要原理就是利用在流场中的示踪粒子的速度来代替其所在流场中位置点逡逑的速度。获得速度的具体原理如图２．６所示［８３］，，当上述脉冲光源发生器发射激光逡逑的间隔时间足够短
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P425.2

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