气溶胶浓度起伏对光传输湍流效应影响的实验研究

When a light wave propagates in the atmosphere, the influence of atmospheric turbulence on the light wave will produces some turbulence effects such as scintillation, arrival-angle fluctuation, beam wandering, beam spreading. Atmospheric turbulence effects can lead to lidar erroneous judgement for an object, increasing error rate in free-space optical communication systems, loss of spatial coherence of the optical wave, degrading the resolution of an imaging system. The theories of turbulence effects are applied to observations of wind fields and turbulent fluxes in the surface layer. The experiments and applications are often conducted in the surface layer, especially in an urban boundary layer. An urban boundary layer is always full of atmospheric aerosol particles. But the theory of atmospheric turbulence effects ignores the contributions of the aerosol particles. In fact, the influences of aerosol contribution fluctuation on the turbulence effect do exist. This project will do some research on the contribution of aerosol concentration fluctuation to the turbulence effect by theoretical analysis, field experiments, numerical simulation and water-tank modeling. This project will help to make comprehension of the characteristics of turbulence effects, give some help in atmospheric detecting and optical communication, and understanding the properties of atmospheric aerosol distribution, and presenting new theory and technology for measuring urban haze.

光波在湍流大气中传播时会受到大气湍流的影响而产生闪烁、到达角起伏、光束抖动和光束扩展等大气湍流效应。大气湍流效应会造成激光雷达对目标判断的错误、增加激光通讯的误码率、使光传输中空间相干性退化、影响大气中传送的光学图像的分辨率。人们利用大气湍流效应开展大气中风场及近地面层湍流输送通量等方面的测量。大气中的光传输研究和应用大部分是在大气边界层尤其是在城市边界层中完成的。城市边界层几乎总是有气溶胶存在，但是目前大气湍流效应理论没有考虑气溶胶的影响。其实气溶胶浓度起伏通过吸收和散射对光传输中的大气湍流效应产生影响。本项目拟通过理论分析、实验室模拟、数值模拟和野外观测等手段研究气溶胶浓度起伏对光传输湍流效应影响的规律。通过本项目的研究，可以更准确地理解湍流效应特征，同时能够更好地理解气溶胶浓度分布的特征，为城市气溶胶的监测提供新的思路和方法。

光波在湍流大气中传播时会受到大气湍流的影响而产生闪烁、到达角起伏、光束抖动和光束扩展等大气湍流效应。大气湍流效应会造成激光雷达对目标判断的错误、增加激光通讯的误码率、使光传输中空间相干性退化、影响大气中传送的光学图像的分辨率。人们利用大气湍流效应开展大气中风场及近地面层湍流输送通量等方面的测量。大气中的光传输研究和应用大部分是在大气边界层尤其是在城市边界层中完成的。城市边界层几乎总是有气溶胶存在，因此大气湍流效应理论必须考虑气溶胶浓度起伏造成的影响。.本项目从理论分析、外场观测和数值模拟等方面研究了气溶胶浓度起伏对大气中光传输闪烁效应的影响，并将该理论应用于近地面层气溶胶质量垂直输送通量的测量。主要成果包括，（1）气溶胶浓度起伏对大气中光传输闪烁效应表现为光强闪烁起伏谱低频能量的增加。通过理论分析和数值计算得到气溶胶浓度起伏的闪烁效应的定量表达式，从而建立了大气等效折射率虚部结构常数的反演方法。（2）通过实验研究得到气溶胶质量浓度-大气等效折射率虚部比值随气溶胶粒子属性和大气相对湿度的变化趋势。根据此趋势实现全国多个城市气溶胶粒子尺度的比较。（3）在前述研究基础上，再基于近地面层相似理论，得到近地面层气溶胶质量浓度垂直输送通量的理论表达式。利用自主研发的大孔径闪烁仪在北京保定等地开展观测，获得一次污染天气过程中不同阶段近地面层气溶胶垂直输送通量的特征。（4）通过观测获得实验场地局地粗糙子层的湍流特征以及区域尺度近地层气溶胶水平输送气象条件。本项目的完成有助于我们更好地理解实际大气中光传输的闪烁效应和气溶胶浓度分布的特征，为城市气溶胶的监测提供新的思路和方法。