大气折射率湍流结构系数C_n~2的观测试验

以美国ＮＯＡＡ波传播实验室估算大气折射率湍流结构系数的模式为基础，经过数值试验和观测对比调试，给出了一个得到我国雷达测值验证的实用的估算模式．     

风廓线雷达对大气折射率结构常数的探测研究

基于湍流散射理论,构建了风廓线雷达（WPR）强度信息对大气折射率结构常数的估算方法。经过对WPR多种探测模式探测数据的估算分析,发现雷达参数的确切选用、信噪比(SNR)测量方法的合理性以及信号累积得益的认定对大气折射率结构常数的准确估算有较大的影响,为此提出适合WPR多种探测模式对该估算值规范化处理方法。利用北京两部对流层风廓线雷达五种探测模式于2005年获取的部分观测数据,进行了规范化计算及对比分析。结果表明,邻近时刻的不同风廓线雷达探测估算结果有较好的一致性,其垂直分布结构合理,呈指数形式, 统计结果与国内外的分析研究结果较为吻合。     

热带沿海近地层大气的湍流结构和谱特征

利用１９９０年在海南省海口市天尾村的一次观测的资料，分析了速度分量谱、湍流强度等湍流特征量。这批资料多是有云影响情况下，稳定度参数（Ｌ）与热通量（ｗｔ）没有日变化规律，但湍能、平均温度仍具有日变化规律；湍谱的基本特征与晴天天气的谱基本相似，在惯性副区接近局地各向同性，速度谱符合相似理论的“－２／３”次方规律；根据Ｍ－Ｏ相似理论，探讨了各分量湍强δｉ／Ｕ＊（ｉ＝ｕ，ｖ，ｗ）与稳定度Ｚ／Ｌ的关系，表明各分量湍强与稳定度Ｚ／Ｌ仍具有“１／３”次方规律，但湍强和湍流能量比一般平坦地形下垫面的大     

大气边界层湍流相干结构的识别

首先利用数字滤波方法对淮河流域试验的大气边界层湍流观测资料进行三项分解，将大气边界层湍流的风速信号分解为近似各项同性的小尺度涡和各向异性的大尺度涡。然后再将大尺度涡信号进行离散正交小波分解，寻求相干结构的主要特征尺度。对于大气边界层湍流垂直脉动风速来说，其相干结构的主要特征尺度为16s；对径向与纬向脉动来说，其相干结构的主要特征尺度为32－64s。在此基础上，利用小波的反变换提取出相干结构的信号与非相干结构的信号，并计算两间的相关系数，最大仅有0．02。此外，对原始大气湍流观测信号不进行数字滤波，直接利用本中子波分析法提取湍流相干结构所得结果作比较研究；并探讨了采用对称或似对称离散正交小波对此研究的影响。     

微波波段大气折射率结构常数的仿真研究

大气折射率结构常数描述了大气湍流起伏的强弱,它表征了大气折射率随机不均匀性的剧烈程度。光波和无线电波在大气中传播时会受到大气湍流的影响而产生各种不良效应,如:光斑漂移、闪烁、相位起伏等。因此,对大气折射率结构常数的研究具有重要的意义。本文利用常规探空资料对微波波段大气折射率结构常数进行了仿真研究,结果表明:在低空,特别是大气边界层之内,大气折射率结构常数主要为湿度所贡献;在高空,大气折射率结构常数主要为温度所贡献。在微波波段,影响大气折射率结构常数最大的气象因子并不是温湿压的大小,而是它们梯度的大小,其中湿度梯度的大小对其影响最大,在实际的低空测量大气折射率结构常数时,主要考虑湿度梯度与温度梯度的影响。     

华东沿海高标准农田大气湍流特征的观测分析

为评估Monin-Obukhov相似理论和涡度相关系统在高标准农田的适用性,利用南通高标准农田水稻下垫面涡度相关观测数据,分析了大气稳定度、湍流方差相似性、湍流谱特征、湍流强度和湍流动能等。结果表明：该高标准稻田上方大气呈现白天不稳定、夜晚稳定的昼夜变化特征;Monin-Obukhov相似理论在该高标准农田适用,三维风速归一化标准差随大气稳定度的变化符合“1/3”次方规律,温度、比湿、CO₂密度归一化标准差随大气稳定度的变化在大气不稳定时符合“1/3”次方规律;在惯性子区,三维风速的湍流能谱符合“-2/3”次方斜率,垂直风速与温度、湿度和CO₂密度的协谱符合“-4/3”次方斜率,可见涡度相关系统能够观测该高标准农田的水热和CO₂通量;三个方向上的湍流强度均随风速增大而减小,且水平方向湍流强度大于垂直方向;湍流动能随风速呈二次函数增大,呈现昼高夜低的日变化特征,大气中性时达到最大,且以动力湍流贡献为主。研究结果可为揭示华东地区高标准农田生态系统与大气之间的物质和能量交换特征以及机制提供参考。     

用非线性重整化方法反演大气折射率廓线的数值试验

本文研究采用非线性重整化方法反演大气折射率廓线，以代替传统的探测方法，结果表明表明非线性重整化方法能够反演出人们所关心的局部大气折射率廓线的改变。     

用小波系数谱方法分析湍流湿度脉动的相干结构

小波系数谱分析方法是结合小波分析和高分辨率谱分析的一种统计方法,可以用来同时识别时间序列中相干结构的生命尺度和出现周期,可以很好地描述相干结构的演变过程。基于此方法,作者分析了2004年11月在河北省白洋淀地区的陆地和岛上两个观测点（分别代表陆地和水面两种不同下垫面）湍流湿度脉动的相干结构特征,结果表明陆地和水上湿度序列的相干结构尺度分布相似,并且尺度与周期之间的关系一致:小于5 s的相干结构不连续出现,而且通常伴有更大尺度的相干结构,而5~30s的相干结构有与其尺度差不多的周期。在寻找更大尺度的相干结构时发现存在一个尺度,当大于某个周期时,在各个周期上这个尺度的相干结构都显著;与正交小波变换识别相干结构主尺度的方法识别的相干结构主尺度一致。另外,小尺度结构不连续出现也可以解释小尺度湍流能量变化比较大。     

基于北京325米气象塔观测的正,负湍流热扩散系数

本文基于K理论和北京325m铁塔湍流观测资料直接计算了城市污染条件下的湍流热扩散系数H.KH具有明显的日变化特征,其垂直分布随个例和时间而变化.负KH较高发生频率对应高度在日出后逐渐升高,在中午达到峰值,在日落附近下降,而在夜间大部分时间集中在140 m左右.和传输和清除阶段相比,污染物累积阶段的KH大小和波动程度均较...     

用连续子波变换提取城市冠层大气湍流的相干结构

切变湍流的相干结构是湍流研究中的重大发现,它表明湍流在表面上看来不规则运动中具有可检测的有序运动,这种相干结构在切变湍流的脉动生成和发展中起着主宰作用.因此识别和提取相干结构对于认识和研究湍流是非常重要的.用数字滤波法将包含相干结构的大尺度信号提取出来以后,再用子波分析,根据子波能量极大值的判别方法,分别确定出大气湍流三个方向上的速度脉动信号相干结构的频率或时间尺度,然后由确定尺度上的连续子波反演公式,提取出大气湍流三个方向上的速度脉动信号相干结构所对应的波形.     

Profile and Character of Atmospheric Structure Constant of Refractive Index Cn2

Random fluctuations of turbulence bring random fluctuations of the refractive index, making the atmosphere a random fluctuation medium that destroys the coherence of light-waves. Research in atmospheric turbulence is actually the investigation of the atmospheric refractive index. The atmospheric structure constant of refractive index, Cn2, is an important parameter denoting atmospheric turbulence. In this paper, Cn2 is measured during the day and at night and in all four seasons using a high sensitivity micro-thermal meter QHTP-2. The vertical profile of Cn2 in Hefei (0–30 km) is investigated by the analysis of experimental data. The average profile of Cn2 in Hefei exhibits conspicuous day and night differences with increased altitude. The distribution of log(Cn2) is nearly normal and has conspicuous seasonal differences.     

HUBEX试验区近地面层的湍流输送

1998年淮河流域能量和水循环试验(HUBEX)期间曾进行了1个月的近地面层湍流观测.分析不稳定条件下湍流的统计特性和谱特征,并与Monin-Obukhov相似理论进行了比较.结果表明,不稳定的时候各湍流量的统计特征与相似理论的预期相符.虽然不稳定条件下温度和湿度涨落的相关系数很高,谱的式样也相近,但湿度谱的峰值频率高于温度谱.协谱曲线的形状显示感热通量的谱峰较宽,表现出w和T在较宽范围的强相关性,而水汽通量谱在高频段下降很快,说明水汽的输送更多地出现在低频部分.从谱相关系数可见,在近中性的时候,各尺度湍流涡的热量输送效率普遍较低,随着不稳定性增强而显著提高.分析还发现,不论不稳定性的程度如何,小尺度湍流的水汽输送效率都较低.水汽通量谱的相关系数随稳定度的变化不如热通量的谱相关系数大,表明近中性时除小尺度湍流外其他湍流涡的水汽输送效率高于热量输送.     

Using a Large-Aperture Scintillometer to Measure Absorption and Refractive Index Fluctuations

The contributions of refraction and absorption fluctuations to the measured scintillations are observed for a near-infrared absorption region using a NOAA designed large-aperture scintillometer. The logarithmic amplitude spectra are shown to decay with frequency as f^-8/3 for both the absorption and scattering mechanisms. For the absorption mechanism this is in line with similar observations made at microwave and infrared frequencies. However, for finite transmitting and receiving apertures, theory predicts a stronger decay of the scattering mechanism due to aperture averaging. The spectral shape is characterised by a region of low frequency absorption, higher frequency refraction and separated by a flattish transition zone. The upper observed corner frequency (f_C2) compares well with values calculated using the measured transverse windspeed (v) for a known aperture radius. The lower corner frequency (f_C1) position is shown to be sensitive to the ratio of the real and imaginary part of the refractive index structure parameter, (C _nR ² /C _nI ² )^3/8, and v. The part of the spectrum associated with the absorption scintillations is observed to be much less than that due to refraction through the day until evening, when decreasing C _nR ² causes C _nR ² /C _nI ² to decrease and absorption to become significant. If absorption is ignored, this may have consequences for calculating nocturnal surface fluxes. During unstable, daytime conditions the large aperture scintillometer is most sensitive to refractive scintillations despite having an infrared source transmitting in a lossy atmosphere. But also under these conditions, the low frequency absorption part of the spectrum is observable.     

光电粒子计数器测量气溶胶折射指数虚部

本文分析了光电粒子计数器测量结果对气溶胶折射指数的敏感度,讨论了它测量的粒子谱分布与折射指数虚部n_i的相关关系。根据光电粒子计数器测量的粒子谱分布对n_i敏感的特点,利用光电粒子计数器和太阳辐射计同时测量的结果,可以确定气溶胶的n_i。实际测量的n_i值与积分片方法测量结果对比表明,这个方法是令人满意的。     

Alignment Trends of Velocity Gradients and Subgrid-Scale Fluxes in the Turbulent Atmospheric Boundary Layer

Field experimental data in the atmospheric surface layer are analyzed using toolsfrom statistical geometry. The data consist of velocity measurements from sonicanemometer arrays. In the context of large eddy simulations (LES), these arrayspermit the spatial filtering needed to separate large from small scales. Time seriesof various quantities relevant to LES are evaluated from the data. Results show thatthe preferred filtered fluid deformation is axisymmetric extension and the preferredsubgrid stress state is axisymmetric contraction. The filtered fluctuating vorticityshows preferred alignments with the mean vorticity, with the streamwise direction,and with the intermediate strain-rate eigenvector. The alignment between eigenvectorsof the subgrid-scale stress and filtered strain rate is used to test eddy viscosity andmixed model formulations. In qualitative agreement with prior laboratory measurements at much lower Reynolds numbers, a bimodal distribution is observed, which can be reduced to good alignment with eddy viscosity closure using the mixed model.     

山谷城市的近地层大气湍流谱特征

山谷城市地区的大气湍流结构研究至今报道很少.本文根据兰州市一次观测实验,对各风速分量谱、温度谱以及动量和感热通量的协谱进行了分析.结果表明,尽管仪器的安装高度较低(6.45m),湍谱特征仍与平坦均匀下垫面得到的一些典型结果基本一致,从而认为,在类似地区进行湍流通量等的直接观测时,对观测高度和地点的选择,可以不必象一些文献要求的那样高.     

利用不同外尺度模型估算戈壁地区光学湍流廓线的对比研究

采用新疆戈壁地区3次对比试验数据,分析了Coulman、Dewan、Fried和Lukin 4种外尺度模型对Tatarskii公式估算折射率结构常数(Cn2)的影响。结果表明:温度脉动探空仪实测Cn2数据较Coulman和Dewan模型得到的结果大2个量级,比Fried模型得到的结果小1个量级,在10 km以上的范围,偏差尤为明显。只有Lukin模型得到的结果与实测值最为接近。利用实测Cn2值反算得到了外尺度廓线,整层平均值在38 m左右,比Dewan和Coulman模型得到的外尺度均值大1个量级。     

高原东南缘大气近地层湍能特征与边界层动力、热力结构相关特征

基于云南省大理2008年3、5、7月GPS加密探空试验时段(14和02时)资料,结合边界层铁塔综合观测资料,采用温度梯度法、逆温强度法和涡动相关法分别计算高原东南缘对流边界层(convective boundary layer,CBL)及稳定边界层(stable boundary layer,SBL)顶高度,通过计算获取感热通量、潜热通量、湍流动能、切变项以及浮力项与大气动力、热力过程垂直相关特征综合分析,可发现湍能方程中浮力项、感热、潜热通量与NCEP再分析资料计算获取的大气视热源相关特征显著,这某种程度反映了高原东南缘近地层大气湍流动量、热量输送对低层大气视热源Q_1的重要贡献。低层视热源Q_1亦表现出与湍能方程分量类似的日变化周期,此特征反映了高原东南缘大气热源变化与下垫面水热过程及其湍流输送日变化密切相关;浮力项与湍能等项对大气低层热源与涡动特征、热力混合结构的形成有重要作用;低层大气视热源、水汽汇均与边界层高度有显著相关,综合分析结果某种程度描述了青藏高原东南缘近地层湍流动量、热量输送状况与低层大气热源,热力混合边界层结构的综合相关物理图像,初步探索了高原东南缘对流活跃区大气湍流运动与大气动力、热力过程相互作用特征。研究表明近地层湍流通量变化某种程度可反映未来局地大气视热源垂直结构变化的"强信号"特征。本文上述研究结论也可启发我们进一步关注近地层湍流通量异常变化特征及其对局地降水过程大气热源结构演变的影响问题。