高空大气湍流相干结构探测与研究

The cluster structure is often observed in the atmospheric turbulence which is shown as the pattern of strong turbulence and weak turbulence. The characteristic of such kind of coherent structure is very important in the study of free atmosphere turbulence. It is also very important in the study of the theory of turbulence and the mechanism of upper atmosphere. Aiming the difficulty of the lack of complete data set of turbulence data and the meteorological data, a digital turbulence GPS radiosonde will be developed in this project. The radiosonde will be used to gain the data set of temperature, barometric pressure, the GPS data and structure constants of temperature synchronously. The radiosonde will be launched in different season and different time of day. And then the spectrum analysis and wavelet transform will be used to identify the vertical coherent structure of atmospheric turbulence. The status of atmospheric stratification and shear of wind can be described from the profile of synchronous meteorological data. At last the raw model of coherent structure can be gained.

大气湍流总是在时间存在强弱交替现象、空间上存在强弱湍流间隔的团块结构，高空大气湍流强度高度分布也总是表现出明显的分层结构。高空大气相干结构的探测与机理研究对于深入研究高空大气湍流特征有着重要意义，在湍流理论和高层大气物理过程研究中更是有重要科学意义。 本项目针对高空大气湍流完备数据集较为缺乏的难点，研制可用于同步测量高空大气湍流和常规气象参数的数字式湍流GPS探空仪，开展观测实验，以获取不同季节、不同时段的湍流和气象廓线。从实测数据出发，研究大气湍流相干结构分析方法，拟采用谱分析和小波分析的方法，提取高空大气湍流相干结构特征。最后，从同步测量的常规气象参数廓线出发，分析大气层结和风场剪切状态，以研究大气湍流相干结构的成因和机理，最终得到大气湍流相干结构的初步模式。

本项目研发了新型GPS湍流探空仪，能够获得气象参数和湍流参量同步观测的数据，形成较为完备的大气高空湍流研究数据集；本项目在多个城市、戈壁、沿海等多种地理和大气条件的典型地区，开展了高空大气湍流的探测试验研究，获得了较为丰富的高空大气湍流探测数据，采用小波分析等方法，对探空数据进行了深入分析，获得了高空大气湍流垂直结构特征。高空大气湍流层厚度典型尺度在400m-600m之间。一天中不同时刻会由于大气稳定度条件的变化湍流相干结构特征发生变化，下午时段会由于湍流增强而出现较厚的强湍流层；在不同地区也会由于地理、大气条件差别，形成不同特征的相干结构特征。本项目还利用微波风廓线雷达的数据，利用湍流运动形成的微波雷达回波谱展宽，得到了不同高度大气湍流参量，采用小波分析方法得到不同高度水平方向上湍流相干结构量化特征。本项目同时也对近地层大气湍流相干结构进行了分析，揭示了从近地面到自由大气湍流均存在着尺度不同的相干结构，这些相干结构的量化特征均睡着大气条件的变化而各具形态。.本项目利用自主研发的高空湍流探空设备，采用本项目组前期研究的微波风廓线雷达数据反演方法，得到了高空大气湍流的较为丰富关键探测数据，通过不同地区、不同高度、不同时间的大气湍流参量分析，尝试用小波系数对大气湍流相干结构进行定量描述。这些数据处理方法和描述方法对大气湍流研究有重要的科学意义，通过对大气湍流相干结构的定量描述，对大气动力学研究、污染输送分析和光波大气传输研究均有着重要的应用价值。