不同地区大气光学湍流内外尺度测量

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1、第18卷第3期强激光与粒子束Vol.18,No.32006年3月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMar.,2006文章编号:1001-4322(2006)03-0362-05不同地区大气光学湍流内外尺度测量*梅海平,吴晓庆,饶瑞中(中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心,合肥230031)摘要:用光学湍流参数自动测量系统对内陆地区和沿海地区光学湍流内外尺度进行了大量的实验观测。分析了湍流尺度的日变化规律,给出了其频数分布。结果表明:两地内尺度的均值为十几mm,外尺度的均值约为2m;内陆地区内尺度日变化趋势较为复杂,而外尺度的日变化趋势与湍

2、流强度十分相似;沿海地区内外尺度与湍流强度均无明显关系。大气湍流尺度的大小和分布状态是随时间和空间变化的,因此,在估算实际大气湍流对光学系统的影响时,需要实测湍流尺度以便得到准确的结果。关键词:大气光学湍流;温度脉动;内尺度;外尺度中图分类号:O433.1;TN24文献标识码:A随着激光雷达、激光大气传输、自适应光学和高分辨率大气成像系统研究的进展,大气湍流内外尺度对光[1-5]传播的影响已经日益受到重视。研究表明:内尺度越大,闪烁指数也越大,成像系统的分辨率越差,并且随[1]着内尺度的增加,会加速降低成像系统的分辨率;有限外尺度既会影响对大气成像系统积分分辨率的估算,[

3、6]也会严重影响对大气湍流统计特征的测量。[7-11]由于湍流尺度在光学湍流研究中的重要意义,各种测量方法应运而生。人们一直青睐于通过光学手[11]段来获取湍流尺度信息。另一种测量方法为温度脉动法,该方法通过测量湍流温度尺度以获取光学湍流尺[7]度,它的优点在于在复杂地形下可以得到具代表性的值。在没有对湍流尺度进行具体测量前,人们通常假定它为某一固定值,并在此基础上讨论其对大气光传输的影响。而实际上,大气时刻处于复杂的运动过程中,湍流尺度也是复杂多变的。人们对湍流尺度长时间的观测资料不多,因而至今尚未形成规律性认识,更未见有关于不同地域特征下湍流尺度有何异同的文献报道。本

4、文详细描述了用温度脉动法测量湍流尺度的一般原理,并采用该方法,在合肥内陆地区和福建沿海地区两个地域特征明显不同的典型地区对光学湍流尺度、湍流强度及相关气象参数进行了长时间、大量的实验观测。1湍流强度与湍流尺度根据Tatarskii的光学湍流统计理论,在惯性子区内,局地均匀各向同性的湍流大气中,空间距离为r的两2[12]点间的折射率结构常数C与r的关系为n222/3,l(1)00+r=Cnr0表示系宗平均;l为湍流内尺度;L为湍流外尺度;C2反映了光学湍流的强度。可见光波段大气折00n[13]射率n的近似表达式为-3-2)

5、(p/T)×10-6(2)n-1=77.6(1+7.52×10λ式中:p是大气压(hPa);T是大气温度(K);λ是波长();C2与温度结构常数C2有如下关系µmnT2(79p×10-6/T2)22(3)Cn=CT22/r2/3,l(4)CT=00+r0

6、·s-1);ε为扰动能量耗散率(m2·s-3),0=2.06×10*收稿日期:2005-09-12;修订日期:2006-01-12基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:梅海平(1980-),男,博士研究生,从事大气光学湍流测量方法研究;hpmei@aiofm.ac.cn。第3期梅海平等:不同地区大气光学湍流内外尺度测量363[13][14-15]即惯性子区内扰动能量由大尺度向小尺度传输的速率,对于局地均匀各向同性湍流,有2>,i=1,2,3(6)ε=15ν<(∂ui/∂xi)式中:ν为分子粘性系数,一般取海面标准大气值ν-5(m2·s-1);x为某一特定的方向的坐

7、标;u0=1.461×10ii[15]为该方向上的风速。令U为该方向上的平均风速,则根据“冻结湍流”假定i∂/∂t=-Ui∂/∂xi,i=1,2,3(7)(6)式可转化为-2<(∂u/∂t)2>,i=1,2,3(8)ε=15νUii取x为平均风速的方向,则可利用空间某点风速的时间序列计算湍流扰动能量耗散率。i[11]湍流外尺度是湍流惯性子区的上界和湍流非各向同性的边界,也可理解为能量注入的尺度2>/C2)3/2(9)L0≈(1.9<δnn式中:<δ2>为空间某一测量点的折射率起伏方差,结合(3)式,(9)式可转化为n2>/C2