声波扰动近地面边界层湍流脉动特性

声波是具有能量的机械波,在大气湍流传输时会改变其物理特征参数,从而影响湍流的时空结构演化。该文基于声波特性和大气湍流理论,结合湍流脉动流速与大气物理特征参数之间的关系式,通过理论建模和数值模拟,分析了声波扰动下近地面边界层湍流脉动特性及流速变化,进一步探索声压级的空间分布与大气湍流基本特征参数之间的关系,并对近地面区域内的声压级分布及流速变化进行了实验验证。结果表明:在边界层距离声源较近的区域,声场强度越大,对湍流的扰动作用越强,湍流脉动流速变化越快,表明声源会破坏边界层内大气湍流的初始流动状态,影响湍流的时空结构演化,然而改变声源频率,对湍流脉动速度的影响并不是特别的明显。该文主要研究地空链路声波特性与大气湍流结构时空演化物理特性之间的变化规律,数值计算结果可为地空链路光电对抗中大气湍流环境光传输信道特性的改善和干扰提供理论依据。

近地面大气污染模拟模型的建立与应用研究

针对以往把整个混合层作为大气扩散研究对象的问题,研究了近地面大气污染带概念,建立了大气污染模拟模型。又考虑到目前大气污染模型仅注重研究铅直面上的二维扩散变化,而较少研究平面二维扩散问题,运用有限差分方法建立了近地面大气污染带的平面二维数值模型。通过应用证实,该大气污染模拟模型能够真实反映近地面大气中污染物的扩散趋势及空间分布特征,对城市大气环境污染预测和防治具有实际意义。

沿海市区近地面大气层风、温、湿湍流特征的观测和分析

用三向风速仪和高灵敏温湿度脉动观测装置,测量沿海城市上空大气表面层风速、温度和湿度脉动。并用涡动相关法计算了大气表面层动量、热量和水汽湍流通量,给出了复杂地形上各物理量的谱特征,讨论了各湍流通量的特性。结果指出,风速、温度和湿度谱密度分布基本上都服从—5/3律。由于建筑物的影响,在f≥0.2Hz频段内拢动能量明显偏大。动量和热量输送主要由f<0.2Hz的扰动完成的,高频扰动的贡献可以忽略不计。

湿度对近地面大气湍流测量不确定性影响研究

采用多项式法模拟近地面大气湍流,并与实验现场基于温度脉动原理的双点法实测近地面大气湍流进行比对,一方面可以充分利用实验现场的实测温湿压等气象参数进行模拟实验,为研究工作的开展提供便利条件;另一方面可以使研究工作达到科学实际的效果。文中着重研究了在相对湿度较高的环境里实测湍流与多项式法模拟湍流之间的相关性、以及在重新拟合多项式系数后两者之间的相关性变化,从中研究了双点法测量近地面大气湍流的不确定性。分析结果表明:多项式法模拟近地面大气湍流与双点法实测湍流之间在湿度相对较高的环境里相关性较强,且能够维持较高的稳定性,但在相对湿度达到80%以上的环境里两者之间的相关性则明显降低,甚至于出现负值,由此证明双点法测量近地面大气湍流在相对湿度大(80%以上)的环境里存在较大的不确定性。

不稳定近地面层湍流的大涡模拟

采用加密网格的大涡模式获取边界层风、温场的高分辨率模拟结果 ,并据以分析近地面层大气的湍流特性。结果表明 ,较小的网格尺度使次网格湍流贡献率大为降低 ,模式计算结果对次网格参数的依赖性减小 ,边界层整体特征得到更好的反映。同时 ,模拟出的近地面层通量 廓线关系及湍流速度特征与实际观测结果吻合甚好 ,表明模式具有反映近地面层平均运动和湍流特性的能力。

近地面大气湍流布点遥测系统

由２１个高灵敏度温度脉动传感器和单片机数据采集、微机控制组成的系统用于水平５００ｍ范围内湍流强度分布以及湍流谱的测量。它具有自动采集、处理、储存、实时显示等功能和结构紧凑、使用可靠等优点，可得到复杂地形的大气湍流强度分布，这样大范围的大气湍流实时测量在我国是少有的。

基于气象参数戈壁沙漠地区近地面大气湍流建模

提出一种适合戈壁沙漠地区的近地面大气湍流模型。通过测量近地面层不同高度处温度、湿度、压强和风速等常规气象参数,结合模型可给出近地面层大气湍流强度。模型计算的近地面层大气湍流强度通常白天值最大,中午前后出现较宽的最大值区间,在日出时段和日落时段出现较明显的最小值,夜间呈不规则变化,该结果能够很好地反映近地面层大气湍流强度的变化特性。在影响大气湍流强度变化的参数中,大气温度的变化趋势直接影响着大气湍流强度的变化:通常白天大气温差较高时,大气湍流强度较强;大气温差较低时,大气湍流强度较弱;大气温差起伏较大的时刻,大气湍流强度的变化也会较大,大气温差起伏趋势与大气湍流强度变化趋势有相似之处。

近地面层湍流大气中光传输到达角起伏实验研究

为研究不同气象条件下近地面层湍流大气对光传输到达角起伏的影响,在校园内一块较平坦草地上开展了光传输实验。采用半导体激光器作为光源,传输60 m至接收端,使用焦距为1.300 mm的望远镜接收后由CCD相机采集光点灰度图片。根据灰度图片上光点位置计算传输路径上的大气湍流折射结构常数C_n^2以及垂直、水平两个方向到达角(Angle of arrival,AoA)起伏方差的比值。同时测量了传输路径附近的温度、风速等气象数据,计算稳定度参数Richardson数。结果表明,Richardson数大于临界值0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值均大于1.0;Richardson数小于0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值在1.0左右起伏。由此可以看到,稳定层结条件下,湍流表现为各向异性特征;不稳定层结条件下,湍流表现为各向同性特征。

快速确定K-L展开的泽尼克多项式系数的协方差矩阵对经过大气湍流的波前进行模拟

使用基于zernike多项式的K-L展开法对经过大气湍流的波前进行模拟时,需要根据泽尼克多项式的协方差矩阵对泽尼克多项式的系数进行求解,从而实现对大气湍流的模拟。本文使用一种快速确定协方差矩阵的方法求得泽尼克多项式系数,进而实现对波前的模拟,并以前15阶泽尼克多项式为例,模拟出经过大气湍流的波前。

液晶大气湍流模拟器

提出平行取向液晶器件作为大气湍流模拟器（ATS）的应用，研制出平行排列TFT型二维阵列液晶湍流模拟器（LC ATS）．基于Zernike多项式模拟大气湍流的理论，在Zygo干涉仪上，利用此湍流模拟器产生Zernike模式面形，能够很好的产生Zernike多项式的前2～8项模式面形．并且选取前231项Zernike模式，进行湍流的计算模拟与液晶湍流模拟器的实验模拟，计算模拟与实验模拟的湍流结果比较接近，说明此类型液晶湍流模拟器可以模拟大气湍流．

大气湍流畸变相位屏的数值模拟方法研究

利用功率谱反演法和Zernike多项式展开法对符合Kolmogonov统计规律的大气湍流畸变波前相位屏进行了数值模拟研究。通过对比模拟相位屏的相位结构函数与理论结果的差异分析模拟相位屏的准确性。结果表明,功率谱反演法产生的相位屏在高空间频率部分与理论相符,在低空间频率部分明显偏离理论值,通过次谐波补偿有效改善低频不足,次谐波级数达到4级足够;Zernike多项式展开法产生的相位屏的低空间频率成分与理论相符,而高空间频率成分不足随着所用Zernike阶数的增加而有所改善,但同时也带来计算量增大的问题。

绿洲和戈壁近地层大气湍流结构

本文分析了临泽防护林网内４０ｍ铁塔顶端以及化音戈壁滩上７８ｍ高处的大气湍流观测资料，得到了一些有意义的结果：（１）对稳定度比较接近的谱曲线进行对比，绿洲上空谱曲线的低频段较之戈壁上的衰减更快些。（２）假设湍流能量方程中的压力项和扩散项忽略不计，归一化后的湍能方程符合φｍ－ＺＬ＝φε戈壁滩上的结果较好地符合上述关系，但林网地区的φε值在中性情况下仅等于０５。通过上式计算证实其φｍ低于通常较光滑均一下垫面上的数值。

近地层湍流特征及其在扩散模拟中的应用

利用１９９４年９月北京市郊３２５ｍ气象观测塔在４７ｍ和１２０ｍ两层高度上的湍流观测资料，计算分析了城郊粗糙下垫面上近地层湍流特征量、湍流尺度和不同层结下的湍谱，得出了近地层的一些湍流特性。根据观测事实，并结合现有大气扩散模式，对模拟应用过程中的三个假设，用观测资料进行了分析，即：（１）水平方向上的湍流脉动标准差相等，σｕ＝σｖ；（２）σｕ，σｖ，σｗ定常；（３）水平两方向上湍涡的欧氏时间尺度近似相等，即：ＴＥＵ≈ＴＥＶ。结果表明，假定（１）、（２）在中性和稳定层结下比较合理，而在不稳定层结下与观测事实有一些差别，假定（３）在三种层结条件下与观测事实基本一致。

两种正交多项式模拟湍流波前的比较

针对Zernike多项式仅在连续单位圆上正交,用于在离散点上构造光学波前必然会引起误差的问题,本文提出用能够在离散点上正交的多项式来模拟经过大气湍流的光学波前。该方法根据湍流的统计理论,采用Gram-Schmidt正交化方法,构造了Malacara多项式表示的湍流波前,并进行了数值模拟。将模拟结果与直接用Zernike多项式模拟的结果进行了比较分析,结果表明:在相同的条件下,该方法的模拟结果更接近统计理论值。

受大气湍流影响的光学波前模拟方法研究

介绍了模拟自适应光学系统中受大气湍流影响的光学波前的四种方法,即基于Zernike多项式的K-L函数展开法、小波法、Fourier法以及ARMA法。分析比较了四种方法模拟精度和速度。结果表明,前两种方法不论是精度还是速度上都比较好,更适合湍流波前的模拟。

重庆地区近地面层湍流谱特征分析

利用１９８９年１２月～１９９０年１月重庆地区的观测资料，计算了一般天气条件下和雾中的湍流谱。结果表明，重庆地区在中性和不稳定的条件下，湍谱的峰值频率比平坦地形大，峰值区较窄。在夜间静力稳定条件下，湍谱的低频部分能量突然增大。

基于能量平衡估算陆地近地层光学湍流

估算陆地近地层光学湍流通常需要利用两层不同高度的气象观测,而常规气象观测通常只有一层.为了利用单层常规气象观测估算陆地近地层光学湍流,通过采用Shapiro给出的利用常规气象要素估算地面太阳辐射的经验模型,以及美国陆军统一土壤分类方案,基于地面能量平衡,建立一个陆地近地层光学湍流估算模型.首先通过数值求解土壤热传导方程估算土壤温度,再基于地面能量平衡估算地面温度、基于强迫恢复方法估算地面湿度;最后,将估算的地面温度和湿度看作是粗糙度高度的温度与湿度,结合常规单层气象观测数据,估算光学湍流强度。实例计算表明:该方法估算的光学湍流强度整体上与利用两层气象观测估算的光学湍流强度基本一致.

大涡模拟模式研究对流层湍流

利用三维大涡模拟模式研究不同地面热力状况和风切变对湍流产生的影响,在对流层湍流发展过程中,这两种作用是同时存在的、同时起作用,水平风速的瞬时垂直切变可以在自由大气中激发湍流,但它不能维持很长时间,对流热泡也可以在自由大气中激发湍流,其湍流强度与地面的热通量强度有关。

扩展目标高分辨力斑点成象的模拟

介绍了扩展目标高分辨力斑点成象过程的计算机模拟 ,内容包括大气湍流的模拟、目标短曝光象的形成、目标功率谱的估计、目标傅里叶相位的恢复以及克服大气湍流影响后目标高分辨力图象的重建。模拟结果显示 ,斑点成象技术可以克服大气湍流的影响 ,获得望远镜口径决定的衍射极限的成象分辨力。模拟所建立的系统 ,也为进一步深入研究扩展目标的高分辨力斑点成象技术打下了基础。

丽江高美古的二期选址——望远镜地面高度的确定

在丽江高美古前期选址工作的基础上[1～2],二期选址的望远镜地面高度的确定工作于2000年11月3日至2000年12月16日进行,采用30m铁塔的温度脉动测量装置,对6#选址观测点的近地面大气湍流进行反复多次测量,得到近地面不同高度(4～30m和8～22m)上每夜温度结构系数C2T的平均值,对观测取得的资料作进一步处理和分析,得到高美古6#观测点的望远镜地面高度为13～15m。