【摘要】：現(xiàn)有的湍流理論以及湍流對光傳輸影響的理論都是基于各向同性湍流假定,然而實(shí)際湍流大氣經(jīng)常表現(xiàn)出各向異性特征。本文首先建立湍流各向異性模型,利用光傳輸數(shù)值模擬分析各向異性湍流對光傳輸中的光強(qiáng)和到達(dá)角起伏的影響,然后在近地面開展光傳輸?shù)耐鈭鰧?shí)驗(yàn),得到如下成果:根據(jù)實(shí)際近地面層大氣湍流的特征,建立一種水平面內(nèi)延展而在垂直方向壓縮的三維譜密度橢球模型描述各向異性湍流,將表征各向異性特征的系數(shù)引入Von Karman三維譜。多相屏光傳輸數(shù)值模擬表明,較大尺度上各向異性湍流對光強(qiáng)起伏的影響與各向同性條件下的結(jié)果相同。較大尺度上各向異性湍流對到達(dá)角起伏的影響與各向同性條件下結(jié)果的差別明顯,并且在改變各向異性系數(shù)時(shí),垂直和水平方向上到達(dá)角起伏方差的比值與各向異性系數(shù)之間存在清晰的函數(shù)關(guān)系,文中給出了這種定量關(guān)系。通過較長時(shí)間連續(xù)測量風(fēng)速、溫度等氣象要素,得到了測量點(diǎn)處的大氣溫度層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù)的日變化特征。同時(shí)測量得到了垂直和水平方向到達(dá)角起伏方差的比值,發(fā)現(xiàn)這一比值和Richardson數(shù)之間存在有規(guī)律的對應(yīng)關(guān)系:Richardson數(shù)為正時(shí),該比值總是大于1,而Richardson數(shù)為負(fù)時(shí),這一比值在1附近起伏。綜合數(shù)值模擬和外場實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果,認(rèn)為大氣湍流的各向異性特征與大氣溫度層結(jié)穩(wěn)定度之間存在對應(yīng)關(guān)系。溫度層結(jié)穩(wěn)定時(shí),湍流大氣表現(xiàn)出各向異性特征,而在溫度層結(jié)不穩(wěn)定時(shí),湍流大氣則表現(xiàn)各向同性。這一結(jié)論可以用來指導(dǎo)現(xiàn)有各向同性理論基礎(chǔ)上的大氣湍流測量和湍流參數(shù)反演,并可以通過光學(xué)測量判斷近地面湍流大氣是否表現(xiàn)出明顯的各向異性。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.1;P421.1
【圖文】：

邐＾！逡逑圖２．１波前相位的一個(gè)示例圖像逡逑圖２．邋１中點(diǎn)灰度表示該處相位數(shù)值的相對大小。逡逑由于經(jīng)典的湍流理論大多建立在各向同性假定的基礎(chǔ)上，因此在引入了各向異逡逑性系數(shù)后，首先對Ｖｏｎ邋Ｋａｒｍａｎ三維譜進(jìn)行改寫，這里使用牛頓迭代的方法得到各逡逑向異性譜中的波數(shù)，代入各向異性譜中，分別由式（１．１８）和式（２．邋１３）得到光強(qiáng)逡逑起伏方差和相位起伏二維譜，進(jìn)一步得到相屏調(diào)制后的二維相位和振幅結(jié)果。逡逑得到二維相位后，利用相位數(shù)據(jù)計(jì)算得到到達(dá)角，同二維光強(qiáng)數(shù)據(jù)一起作為程逡逑序輸出。逡逑得到輸出到達(dá)角和光強(qiáng)數(shù)據(jù)后，分別計(jì)算沿水平和垂直兩個(gè)方向上的到達(dá)角起逡逑伏譜和光強(qiáng)起伏譜，分別積分得到方差，作為一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。逡逑對每組參數(shù)設(shè)置重復(fù)以上步驟１０次

逡逑氣象資料的獲取由氣象站（見圖２．２）完成，主要包括：氣象站所在位置的氣逡逑壓、濕度，距離地面ｌｍ和３ｍ高度的溫度、風(fēng)速數(shù)據(jù)，渦動(dòng)相關(guān)得到的二氧化碳等逡逑的通量數(shù)據(jù)等。逡逑分別使用風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)和放置在百葉箱內(nèi)的溫度計(jì)連續(xù)測量得到距離地面ｌｍ和逡逑３ｍ高度的風(fēng)速和溫度數(shù)據(jù)，測量頻率為１０Ｈｚ，主要用來計(jì)算大氣溫度層結(jié)穩(wěn)定度。逡逑其中，溫度和風(fēng)速數(shù)據(jù)的采樣頻率均為ｌ0Ｈｚ。逡逑圖２．邋２氣象站實(shí)物圖片逡逑２）光學(xué)測量逡逑光學(xué)實(shí)驗(yàn)主要測量到達(dá)角起伏的結(jié)果，主要分為發(fā)射端和接收端兩大部分，示逡逑意圖見圖２．邋３。逡逑發(fā)射端為Ｈｅ－Ｎｅ激光器，接收端為拍照裝置，由口徑ｌ0ｃｍ的鏡頭、分辨率可逡逑調(diào)節(jié)的ＣＣＤ相機(jī)和接收計(jì)算機(jī)組成。發(fā)射端與接收端距離為６0ｍ。逡逑激光束從發(fā)射端發(fā)出后，經(jīng)過接收端的鏡頭聚焦成一點(diǎn)由ＣＣＤ相機(jī)記錄下來。逡逑拍攝頻率為每秒３０幀，每次記錄的結(jié)果均為灰度圖像。逡逑通過長時(shí)間的拍照測量

逡逑氣象資料的獲取由氣象站（見圖２．２）完成，主要包括：氣象站所在位置的氣逡逑壓、濕度，距離地面ｌｍ和３ｍ高度的溫度、風(fēng)速數(shù)據(jù)，渦動(dòng)相關(guān)得到的二氧化碳等逡逑的通量數(shù)據(jù)等。逡逑分別使用風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)和放置在百葉箱內(nèi)的溫度計(jì)連續(xù)測量得到距離地面ｌｍ和逡逑３ｍ高度的風(fēng)速和溫度數(shù)據(jù)，測量頻率為１０Ｈｚ，主要用來計(jì)算大氣溫度層結(jié)穩(wěn)定度。逡逑其中，溫度和風(fēng)速數(shù)據(jù)的采樣頻率均為ｌ0Ｈｚ。逡逑圖２．邋２氣象站實(shí)物圖片逡逑２）光學(xué)測量逡逑光學(xué)實(shí)驗(yàn)主要測量到達(dá)角起伏的結(jié)果，主要分為發(fā)射端和接收端兩大部分，示逡逑意圖見圖２．邋３。逡逑發(fā)射端為Ｈｅ－Ｎｅ激光器，接收端為拍照裝置，由口徑ｌ0ｃｍ的鏡頭、分辨率可逡逑調(diào)節(jié)的ＣＣＤ相機(jī)和接收計(jì)算機(jī)組成。發(fā)射端與接收端距離為６0ｍ。逡逑激光束從發(fā)射端發(fā)出后，經(jīng)過接收端的鏡頭聚焦成一點(diǎn)由ＣＣＤ相機(jī)記錄下來。逡逑拍攝頻率為每秒３０幀，每次記錄的結(jié)果均為灰度圖像。逡逑通過長時(shí)間的拍照測量

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2801596