【摘要】：湍流是自然界中最為普遍、應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)象之一,大氣湍流會對在大氣中傳輸?shù)墓獠óa(chǎn)生各種湍流效應(yīng),而度量大氣光學湍流強度的量為大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2。目前已經(jīng)有很多直接測量Cn2的技術(shù),但這些測量方法難免需要付出較大的代價,因此建立Cn2與常規(guī)氣象參數(shù)之間的關(guān)系,利用容易測量的常規(guī)氣象參數(shù)來估算Cn2廓線,這已經(jīng)成為大氣光學湍流的重要研究內(nèi)容。目前國內(nèi)外對大氣光學湍流廓線模式研究做了大量的工作,除了在實驗基礎(chǔ)上對Cn2廓線數(shù)據(jù)進行分段擬合得到的C2廓線經(jīng)驗?zāi)Ｊ?還有基于湍流基本理論,通過外尺度建立的常規(guī)氣象參數(shù)廓線與Cn2廓線間關(guān)系的Tatarski公式,由此派生出多種外尺度模式。其中Thorpe外尺度模式中的Thorpe尺度由Thorpe提出,為了量化水體翻轉(zhuǎn)的尺度規(guī)模。該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋學中,主要研究分析水體的湍流混合情況,并對湍混合參數(shù)(能量耗散率、擴散系數(shù))進行估計。在大氣科學以及流體動力學領(lǐng)域,主要應(yīng)用于辨別流體中湍流混合區(qū)及估算不同的湍流參數(shù),但利用Thorpe尺度進行大氣光學湍流強度Cn2的估算并不多見。本文對新疆庫爾勒、西藏拉薩以及廣東茂名海邊探空測量的Cn2數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,采用Thorpe尺度利用Tatarski公式估算了上述三個地區(qū)的Cn2廓線,并與實測Cn2進行比較,以判斷Thorpe尺度估算Cn2的有效性。并據(jù)此將該方法首次運用到尚未進行Cn2廓線探空測量的南極點South Pole的Cn2估算,用于南極天文選址。本文的主要工作以及得到的結(jié)論如下:(1)統(tǒng)計分析了新疆庫爾勒、西藏拉薩以及廣東茂名海邊探空實測數(shù)據(jù),得到了三地Cn2廓線,結(jié)果表明,三地的白天Cn2廓線相對于夜間的Cn2廓線,在量級上要大1～2個量級;在所考慮的高度范圍內(nèi)(0～25 km)Cn2平均廓線都會有不同程度的起伏波動,但一般夜間湍流變化波動幅度較大,以上這些現(xiàn)象均明顯地展現(xiàn)出三個地區(qū)的Cn2平均廓線的晝夜差異。在近地面層,拉薩地區(qū)的Cn2平均廓線遞減速度快于其它兩個地區(qū),最小值出現(xiàn)的相對高度也低于其它兩個地區(qū);拉薩和茂名的Cn2平均廓線均在15 km附近出現(xiàn)了明顯的鼓包,而庫爾勒地區(qū)沒有明顯的鼓包,以上這些現(xiàn)象均明顯地展現(xiàn)出三個地區(qū)的Cn2平均廓線的地域差異。(2)基于Tatarski參數(shù)化方案,結(jié)合Thorpe尺度方法估算了新疆庫爾勒、西藏拉薩以及廣東茂名海邊這三個地區(qū)的C2廓線,無論是量級還是廓線的整體趨勢上都展現(xiàn)出了較好的一致性,尤其是在5～20km的高度范圍內(nèi),湍流測量值的細節(jié)結(jié)構(gòu)都能在估算值中反映出來,總體而言估算值與實測值較為吻合。而且定量的統(tǒng)計分析表明,庫爾勒、拉薩以及茂名海邊的Thorpe尺度估算結(jié)果與實測結(jié)果相關(guān)度分別為69%、68%、60%,平均相對誤差均在5.0%以下,上述這些都能夠表明Thorpe尺度方法估算光學湍流廓線是可行的。(3)通過下載的南極點常規(guī)氣象參數(shù)數(shù)據(jù)資料,結(jié)合Tatarski參數(shù)化方案與Thorpe尺度方法估算出南極點夏、冬兩季的Cn2廓線,計算了大氣相干長度、視寧度、等暈角等參數(shù)和邊界層高度以上及邊界層內(nèi)的視寧度及其對整層(0～25 km)視寧度的貢獻,將之與文獻結(jié)果比對。結(jié)果表明:估算的Cn2在近地面隨高度迅速遞減,300 m后隨高度緩慢減小,5 km以后出現(xiàn)一個鼓包,10 km后隨高度穩(wěn)定遞減,呈現(xiàn)出湍流主要集中于300 m以下這一特點。Thorpe尺度估算的南極點冬季整層視寧度為1.87",270 m以上高度視寧度為0.39",與文獻報道較為吻合。基于依據(jù)Tatarski參數(shù)化方案,結(jié)合Thorpe尺度方法可以較好地估算出上述幾個地區(qū)的Cn2廓線,但是在表示某些高度大氣光學湍流廓線細節(jié)結(jié)構(gòu)的變化上,還不能充分吻合,這還需要大量的實測數(shù)據(jù)對Thorpe尺度方法進行進一步的改善,如能提高探空數(shù)據(jù)的分辨率,對提高Thorpe尺度方法的估算效果也有一定幫助。此外本文結(jié)果主要是根據(jù)以上幾個地區(qū)有限的探空資料提出來的,對于其它地區(qū)Thorpe尺度是否可行,這還需要長期的數(shù)據(jù)積累,有待進一步探討驗證。
【圖文】：

圖２．１達芬奇圖畫［４２］逡逑現(xiàn)代科學對湍流的研宄可以追溯到１９世紀后期Ｒｅｙｎｏｌｄｓ的工作。從那時起逡逑到現(xiàn)在湍流的研宄主要可以分為三種學派，如圖２．２所示。盡管它們之間會有重逡逑疊部分，但都有明確的開端以及特征。第一個稱之為統(tǒng)計學派，第二個稱之為結(jié)逡逑構(gòu)學派，最后一個稱之為數(shù)值模擬學派，下面我們將逐一介紹在這三個學派湍流逡逑研宄的主要發(fā)展歷程。逡逑１９世紀后期，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ進行了著名的雷諾實驗，首次在圓管水流實驗中系逡逑統(tǒng)地觀測到湍流現(xiàn)象，他的觀測不僅標志著湍流科學研宄的開始，也標志著湍流逡逑研宄中統(tǒng)計學派的開端。Ｒｅｙｎｏｌｄｓ的觀測結(jié)果使他將流動變量分解為平均部分和逡逑擾動部分，確定了湍流形成的判據(jù)即運動由層流轉(zhuǎn)換為湍流的判據(jù)——雷諾數(shù)，逡逑他的主流觀點認為湍流是一種隨機現(xiàn)象。隨后Ｐｒａｎｄｔｌ邋［４３］在１９２５年提出的“混合逡逑長度理論”，增加了統(tǒng)計方法的可信度，盡管這一方法在湍流流動的預(yù)測上從未逡逑真正成功過，但它在對某些簡單流動所做出的假設(shè)方面做得相當好。接下來，重逡逑要的一環(huán)就是Ｔａｙｌ0ｒ［４４］對湍流的研究

用ＰＩＶ系統(tǒng)對湍流平面進行了速度測量，對湍流的多尺度相干結(jié)構(gòu)間歇性進行逡逑了實驗探究。逡逑標準的基本ＰＩＶ系統(tǒng)如圖２．５所示［８２］，粒子布撒器、脈沖光源、同步器、圖逡逑像采集部分以及后處理共同構(gòu)成了邋ＰＩＶ系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的運作流程可描述為首逡逑先將示蹤粒子均勻地布撒在流場中，然后脈沖激光片光源照亮氣體中直徑為幾微逡逑米的粒子或者是液體中直徑為幾十微米的粒子，這些粒子經(jīng)過光源的照射在流場逡逑中發(fā)生散射，于是這些粒子的位置就會多次被圖像采集部分（如ＣＣＤ）所采集逡逑到，一般脈沖光源的發(fā)生器會每隔一段時間就會發(fā)射激光，在這段時間間隔內(nèi)，逡逑通過同步器的工作，圖像采集部分能夠采集到兩張粒子的分布圖，最后經(jīng)過一系逡逑列的后處理過程（得到位移以及曝光時間）就可以得到粒子的速度，而ＰＩＶ技逡逑術(shù)的主要原理就是利用在流場中的示蹤粒子的速度來代替其所在流場中位置點逡逑的速度。獲得速度的具體原理如圖２．６所示［８３］，，當上述脈沖光源發(fā)生器發(fā)射激光逡逑的間隔時間足夠短
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P425.2

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