【摘要】：海洋環(huán)境下的大氣光學(xué)湍流效應(yīng)嚴(yán)重制約著海洋場(chǎng)景下光學(xué)遙感成像、自由空間光通信以及激光大氣傳輸?shù)裙怆姽こ绦阅艿陌l(fā)揮。精準(zhǔn)地評(píng)估光學(xué)湍流效應(yīng)的影響程度依賴于湍流信息的獲取,而大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C2是定量描述大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度的重要參量,精確地獲得海洋環(huán)境下的Cn2能夠?yàn)樯婕按髿鈧鬏數(shù)募す夤こ滔到y(tǒng)在海洋場(chǎng)景下應(yīng)用時(shí)的最佳工作時(shí)間窗口以及為光電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的設(shè)置提供參考和指導(dǎo)。盡管當(dāng)前存在眾多Cn2測(cè)量技術(shù),但是受復(fù)雜的海洋下墊面的影響,通常需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力,且難以進(jìn)行長時(shí)間、大范圍內(nèi)的連續(xù)觀測(cè),不能滿足海洋場(chǎng)景下光電工程應(yīng)用的實(shí)際需要。因此,有必要建立相應(yīng)的Cn2模式,通過相對(duì)容易測(cè)量的常規(guī)氣象參數(shù)估算C2n。本文分別利用在南海海上綜合觀測(cè)平臺(tái)上測(cè)得的近海面數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)海海洋施放探空氣球獲得的探空數(shù)據(jù),選取適當(dāng)?shù)腃n2模式估算了海洋環(huán)境下的Cn2,并與模式在其他環(huán)境下的估算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,以及通過定量的統(tǒng)計(jì)分析來評(píng)估不同模式的估算效果,驗(yàn)證模式的可行性和合理性。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:1.歸納總結(jié)了基于相似理論建立的如Bulk、Tatarski、Wynggard等多種邊界層湍流模式,和基于Tatarski模式的Dewan、HMNSP99、Jackson等多種外尺度廓線模式。在此基礎(chǔ)上增加了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式和Thorpe外尺度模式。2.利用位于國家氣象局茂名博賀海洋觀測(cè)站海上綜合觀測(cè)平臺(tái)、茂名博賀海洋觀測(cè)站岸基觀測(cè)平臺(tái)、合肥35米鐵塔等測(cè)量的常規(guī)氣象數(shù)據(jù),對(duì)海洋大氣邊界層的Cn2、海陸交界處大氣邊界層的Cn2以及內(nèi)陸地區(qū)大氣邊界層的Cn2進(jìn)行估算和比對(duì),并分析了模式估算的結(jié)果和可能引起估算誤差的因素。對(duì)海洋大氣邊界層的Cn2估算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)同時(shí)考慮了溫度、濕度、和溫濕相干項(xiàng)對(duì)湍流貢獻(xiàn)的Bulk法的相對(duì)誤差為3.97%,略高于只考慮了溫度對(duì)湍流貢獻(xiàn)的Wynggard模式的3.82%,但是它與實(shí)測(cè)值的相關(guān)度為0.65,要明顯高于Wynggard模式的0.56。由此可見,濕度和溫濕度相關(guān)項(xiàng)對(duì)海洋環(huán)境下湍流的貢獻(xiàn)不可忽視。大氣光學(xué)湍流模式通常具有相應(yīng)的地域特性,于是利用合肥35m氣象鐵塔上測(cè)得的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合得到了符合合肥地區(qū)湍流變化特征的相似性函數(shù),并且結(jié)合Bulk法估算了合肥的Cn2,得到了較理想的結(jié)果。3.在博賀海洋觀測(cè)站施放30個(gè)探空氣球得到的湍流資料基礎(chǔ)上,基于Hufnagel模式,擬合出了符合海邊湍流特征的Cn2廓線經(jīng)驗(yàn)公式。基于HMNSP99外尺度模式擬合出新的海邊外尺度廓線模式,并利用它估算得到了海邊Cn2廓線,與Dewan、HMNSP99、Coulman外尺度模式以及實(shí)測(cè)的Cn2廓線進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)新的茂名海邊外尺度模式估算結(jié)果最好,與實(shí)測(cè)值相關(guān)度高達(dá)0.92,且平均相對(duì)誤差最低,僅有2.96%。此外,根據(jù)庫爾勒10m空間分辨率的探空數(shù)據(jù),將Thorpe外尺度模式從對(duì)流層擴(kuò)展到平流層,利用其估算的該地區(qū)的Cn2廓線與實(shí)測(cè)Cn2廓線的相關(guān)度達(dá)到0.73,且平均相對(duì)誤差僅為2.44%。4.分別利用Dewan、HMNSP99和Coulman外尺度模式結(jié)合Tatarski高空光學(xué)湍流參數(shù)化方案,對(duì)內(nèi)陸(合肥)、海陸交界處(茂名)和遠(yuǎn)海海洋這三個(gè)不同環(huán)境下的大氣光學(xué)湍流廓線進(jìn)行估算。合肥和茂名兩地的估算值與實(shí)際觀測(cè)的Cn2廓線進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,在變化趨勢(shì)和量級(jí)上基本一致。為該模式估算遠(yuǎn)海海洋環(huán)境下的大氣光學(xué)湍流廓線提供了依據(jù)。同時(shí)比較了 Dewan、HMNSP99和Coulman外尺度模式在遠(yuǎn)海海洋環(huán)境下估算結(jié)果的一致性。得到了遠(yuǎn)海海洋的外尺度基本上小于10m,隨高度抖動(dòng)比較劇烈,在20km以上,小于lm,Cn2的變化范圍大約在10-14～10-19m-2/3之間,隨高度遞減等有用的結(jié)論。5.對(duì)比分析了合肥、茂名和遠(yuǎn)海海洋Cn2廓線與風(fēng)切變、溫度梯度和Richardson數(shù)的倒數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)切變、溫度梯度和Richardson數(shù)的倒數(shù)起伏較大時(shí),常出現(xiàn)強(qiáng)湍流薄層,得出同時(shí)包含了風(fēng)切變和溫度梯度的HMNSP99外尺度模式估算高空Cn2廓線更符合實(shí)際湍流變化特征的結(jié)論。本文開展的工作表明,湍流模式能較好地完成海洋環(huán)境下的Cn2估算工作。為海洋環(huán)境下的Cn2模式發(fā)展和湍流特性研究,積累了數(shù)據(jù),提供了好的手段。但是,湍流模式仍然需要不斷的修正和改進(jìn),以滿足更高精度的需求。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O357.5
【圖文】：

從而形成了所謂的“局地均勻各向同性湍流”（劉式達(dá)等．，２００８）。這就表明，逡逑雖然大尺度的湍流是非均勻各向同性的，但是小尺度的湍流卻依然可看作均勻各逡逑向同性揣流，也稱之為Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ揣流。如圖２．２所示為Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ揣流理論逡逑示意圖。逡逑Ｏｕｔｅｒ邋ｓｃａｌｅ邋Ｌ０１邐邐逡逑４邐？二Ｉｎｎｅｒ邋ｓｃａｌｅ邋ｉ？逡逑Ｗｉｎｄ邋ｓｈｅａｒ邐ｊ邋／＾＼逡逑°0°逡逑￣＇ｋ邐ｔ邐邐邐逡逑邐邐ｇｒｏｕｎｄ逡逑圖２．２邋Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ揣流理論示意圖逡逑１９４１年，Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ提出了兩條相似性假設(shè)來確定這些規(guī)律：逡逑第一假設(shè)：當(dāng)Ｒｅｙｎｏｌｄｓ數(shù)足夠大時(shí)，如果揣流內(nèi)尺度／0和揣流外尺度滿逡逑足＆邋＜＜々，則在內(nèi)尺度與外尺度之間，湍流具有局地均勻各向同性結(jié)構(gòu)，其運(yùn)逡逑動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征只由流體粘性系數(shù)ｕ和單位質(zhì)量單位時(shí)間內(nèi)擾動(dòng)的能量耗散率ｆ決逡逑定，將滿足這個(gè)假設(shè)的擾動(dòng)的尺度范圍稱為“準(zhǔn)平衡區(qū)”。擾動(dòng)能量耗散率ｓ表逡逑示擾動(dòng)能量由大尺度向“準(zhǔn)平衡區(qū)”小尺度傳輸?shù)乃俾�，定義為逡逑１邋Ｘ—｜邋Ｓｕ＇邋Ｓｔｉ＇ｉ邋，逡逑＋邋（２．２）逡逑２邋ｔｊ邋８ｘ（邐ｄＸｊ逡逑單位為ｍ２／ｓ＿３，式中為速度起伏量，在此基礎(chǔ)上可以定義“準(zhǔn)平衡區(qū)”擾動(dòng)逡逑的特征長度；；、特征速度％和特征時(shí)間Ｉ邐．逡逑ｆ邋３邋Ｎ＇／４邐／邋＼１／２逡逑＂＝丨一

計(jì)平均時(shí)間使得大氣湍流條件滿足局地均勻各向同性假設(shè)也是一個(gè)技術(shù)難題。逡逑３．２．２超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量Ｃ？２日變化逡逑超聲風(fēng)速計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖３．１所示，它有三個(gè)非正交軸，每個(gè)軸上的兩個(gè)傳逡逑感器，可同時(shí)發(fā)射和接受相反兩個(gè)方向上的超聲波脈沖信號(hào)，利用多普勒效應(yīng)并逡逑通過坐標(biāo)變換可以得到風(fēng)速的三個(gè)分量（ｕ、ｖ和ｖｖ）。如果兩收發(fā)傳感器間的聲逡逑程為ｃ／，測(cè)得順風(fēng)和逆風(fēng)向聲傳播的時(shí)間分別為和，則可由下面兩式分別計(jì)逡逑算得到沿聲程方向的風(fēng)速分量匕和聲速ｃ：逡逑＾＝７（７＿７｝邐（３．２６）逡逑ｃ邋＝邋N邋＋邋N）邐（３－２７）逡逑２邋’丨邋’２逡逑黑邋Ｉ邐，Ｔ邐、逡逑Ｊ邐邐邐．邋．—ｉ邋—邐美邋／／邋＾邋Ｗｉｎｄ邋Ｖ邋Ｖ逡逑“切NBＶ逡逑圖３．１三維超聲風(fēng)速計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖逡逑溫度的測(cè)量值可由聲速Ｃ換算得到：邐．逡逑ｃ２＝ｒｄＲＪｓ＝ｒｊＲＡ］＋０－５］（ｉ）邐（３．２８）逡逑式中匕＝Ｃ；／Ｃ；．為干空氣比定壓熱容與干空氣比定容熱容之比，取值１．４，邋＆為逡逑干空氣比氣體常數(shù)，取為２８７．０５Ｊ／（ｋｇ．Ｋ），邋ｇ為比濕，７；為超聲風(fēng)速計(jì)輸出的超逡逑聲虛溫，則逡逑ｌ＝ｃ２／ｒｄＲｊ邐（３．２９）逡逑超聲虛溫中含有濕度信息，因此還需要對(duì)超聲虛溫進(jìn)行濕度訂正，從而獲得真實(shí)逡逑的氣溫。逡逑超聲風(fēng)速計(jì)是一種單點(diǎn)溫度測(cè)量方法

（Ｇｉｍｍｅｓｔａｄｅｔａｌ．，２０１２）。本節(jié)主要介紹利用我們自行研制的湍流氣象探空儀測(cè)逡逑量高空Ｃｊ廓線。逡逑自行研制的湍流氣象探空儀的電路框圖如圖３．２所示，整個(gè)探空儀由ＧＰＳ逡逑定位模塊、溫濕壓測(cè)量模塊、微溫傳感器、數(shù)據(jù)測(cè)量與轉(zhuǎn)換板、發(fā)射板、電池組逡逑等部分組成（蔡俊等２０１８）。其中，數(shù)據(jù)測(cè)量與轉(zhuǎn)換板有兩個(gè)模擬輸入端口、逡逑兩個(gè)數(shù)字輸入端口和一個(gè)數(shù)字輸出端口。其中的兩個(gè)模擬輸入端口接入兩路微溫逡逑脈動(dòng)信號(hào)，經(jīng)兩路ＡＤＳ１１１０Ａ／Ｄ變換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，可得到Ｃ＃；兩路數(shù)逡逑字輸入端口接入ＧＰＳ模塊和測(cè)量溫濕壓模塊的數(shù)字信號(hào)，獲取探空位置信息以逡逑及風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫和氣壓的廓線數(shù)據(jù)。各輸入端口的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)測(cè)量與轉(zhuǎn)逡逑換板進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和波特率的統(tǒng)一編碼后發(fā)送給與其上一個(gè)數(shù)字輸出端口相連逡逑接的發(fā)射板。發(fā)射板將數(shù)字輸出端統(tǒng)一編碼后的探空數(shù)據(jù)進(jìn)行ＦＳＫ調(diào)制，從而逡逑獲得我們所需要的全部氣象探空資料。逡逑２３逡逑

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 吳曉慶;;大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度估算和預(yù)報(bào)方法研究[J];安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2016年06期

2 ;大氣光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2008年03期

3 林海;評(píng)《應(yīng)用大氣光學(xué)基礎(chǔ)》[J];應(yīng)用氣象學(xué)報(bào);1991年02期

4 ;大氣光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2008年04期

5 ;發(fā)刊辭[J];大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào);2006年04期

6 ;光學(xué)相關(guān)論題 大氣光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2006年06期

7 沈文富;;大氣光學(xué)面傾斜和反常折射及其對(duì)時(shí)緯觀測(cè)的影響[J];中國科學(xué)院上海天文臺(tái)年刊;1986年00期

8 ;大氣光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2007年01期

9 ;大氣光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2002年01期

10 ;大氣光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;1999年04期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 蔡俊;吳曉慶;;近海邊與近海面大氣光學(xué)湍流對(duì)比分析[A];第二屆全國大氣光學(xué)及自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)發(fā)展研討會(huì)論文集[C];2015年

2 梅海平;饒瑞中;;基于光纖Mach-Zehnder干涉儀的大氣光學(xué)湍流測(cè)量系統(tǒng)研究[A];光子科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化——長三角光子科技創(chuàng)新論壇暨2006年安徽博士科技論壇論文集[C];2006年

3 李云波;黃小毛;張曉娟;焦林;;海面大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的模型比較與改進(jìn)[A];第十屆全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2012年

4 陳小威;李學(xué)彬;孫剛;劉慶;翁寧泉;;西北高原地區(qū)光學(xué)湍流的觀測(cè)與分析[A];第二屆全國大氣光學(xué)及自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)發(fā)展研討會(huì)論文集[C];2015年

5 徐青山;詹杰;李威;魏合理;饒瑞中;;整層大氣透過率恒星消光測(cè)量[A];中國氣象學(xué)會(huì)2007年年會(huì)氣象綜合探測(cè)技術(shù)分會(huì)場(chǎng)論文集[C];2007年

6 李學(xué)彬;徐青山;魏合理;胡歡陵;;相對(duì)濕度與能見度的相關(guān)性研究[A];中國氣象學(xué)會(huì)2007年年會(huì)氣象綜合探測(cè)技術(shù)分會(huì)場(chǎng)論文集[C];2007年

7 黃印博;黃宏華;朱文越;魏合理;饒瑞中;;合肥地區(qū)2008年罕見冰雪后大氣光學(xué)特性觀測(cè)與分析[A];第26屆中國氣象學(xué)會(huì)年會(huì)大氣成分與天氣氣候及環(huán)境變化分會(huì)場(chǎng)論文集[C];2009年

8 梅海平;肖樹妹;錢仙妹;姚永幫;邵士勇;黃宏華;詹杰;朱文越;黃印博;饒瑞中;;大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度的光纖測(cè)量新技術(shù)研究[A];中國光學(xué)學(xué)會(huì)2010年光學(xué)大會(huì)論文集[C];2010年

9 王珍珠;劉東;周軍;;偏振激光雷達(dá)探測(cè)合肥地區(qū)春季卷云[A];中國氣象學(xué)會(huì)2007年年會(huì)氣象綜合探測(cè)技術(shù)分會(huì)場(chǎng)論文集[C];2007年

10 宗飛;張志剛;王柯;霍文;胡月宏;常金勇;強(qiáng)希文;;新疆戈壁地區(qū)近湖面大氣湍流強(qiáng)度測(cè)量與分析[A];第二屆全國大氣光學(xué)及自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)發(fā)展研討會(huì)論文集[C];2015年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前3條

1 記者　 武力 通訊員　 李明;中俄大氣光學(xué)應(yīng)用研發(fā)中心在洛成立[N];洛陽日?qǐng)?bào);2006年

2 中國科學(xué)院院士 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究員 陳星旦;對(duì)大珩先生,我心懷感激[N];科技日?qǐng)?bào);2011年

3 董理;李正強(qiáng)：用“遙感”看清“霧霾”[N];光明日?qǐng)?bào);2014年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 蔡俊;海洋環(huán)境下的大氣光學(xué)湍流測(cè)量與模式研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

2 葛筱璐;激光大氣傳輸中的相位奇點(diǎn)和光學(xué)渦旋及其演化特性研究[D];山東師范大學(xué);2016年

3 孫運(yùn)強(qiáng);激光內(nèi)通道傳輸?shù)臍怏w熱效應(yīng)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 呂潔;大氣光學(xué)湍流預(yù)報(bào)模式研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

2 冒曉莉;霧對(duì)脈沖激光傳輸?shù)挠绊慬D];南京信息工程大學(xué);2007年

3 賈銳;斜程大氣湍流信道激光回波軸向閃爍指數(shù)的研究[D];太原理工大學(xué);2016年

4 陳莎莎;基于微脈沖激光雷達(dá)反演整層氣溶膠光學(xué)厚度[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

5 房劍;紫外大氣傳輸特性仿真研究[D];北京郵電大學(xué);2012年

6 倉吉;湍流像差對(duì)大氣通信會(huì)聚光束和光子軌道角動(dòng)量的影響[D];江南大學(xué);2009年

7 劉瑞芳;人工霧的激光輻射特性分析及霧參數(shù)反演研究[D];南京信息工程大學(xué);2005年

8 程玲;斜程大氣湍流中目標(biāo)回波軸向閃爍指數(shù)的研究[D];太原理工大學(xué);2014年

9 魏安海;光脈沖在大氣-海水混合信道中傳輸特性研究[D];中國科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機(jī)械研究所）;2014年

10 王偉偉;部分相干光束通過非Kolmogorov大氣湍流光束質(zhì)量的研究[D];太原科技大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2795485