低平流层下非Kolmogorov湍流统计特征与大气光学湍流参数化研究

The investigation of non-Kolmogorov atmospheric turbulent statistical characteristic, and to develop and improve capability of optical turbulence forecasting applications, has important scientific research value and significant national requirement. This research aims at investigating non-Kolmogorov turbulence statistical characteristic and atmospheric optical turbulent parametrization under lower stratosphere,based on analysis of the profile of temperature structure function, the power law for the spectrum of the temperature fluctuations,Cn2,and meteorological parameters measured by balloon- borne platform. Such information should be available to calculate effects of turbulence on wave propagation for the different scenarios. To convert standard radiosonde data into vertical profiles of Cn2,especially thin,elongated turbulent layers(pancakes)，parametrization of optical turbulence for the tropopause and the lower stratosphere regions should be developed. This parametrization scheme would be used to predict optical turbulence in the current forecast models to produce three-dimensional Cn2 maps in future. The research stated above have potential application in the areas of laser propagation ,optical imaging,Adaptive Optics,and in ground-based astronomy site testing.

研究实际大气中存在的非Kolmogorov湍流统计特征，提高和发展我国低平流层下大气光学湍流预测预报能力，具有重要的科学研究价值和重大的国家应用需求。本项目以探空作为实验平台，测量不同空间距离的结构函数、温度起伏谱幂率廓线、光学湍流强度Cn2 廓线和常规气象参数廓线。通过结构函数和谱分析方法，研究实际大气不同区域出现非Kolmogorov湍流的统计特征，得到反映非Kolmogorov湍流特征的湍流谱模式和湍流强度；通过光学湍流参数化新方法研究，实现用常规气象探空数据估算片状层光学湍流强度，并将湍流参数化方程耦合到中尺度天气预报模式中，使获得具有较高时空分辨率的、可视化的、模式预报的光学湍流时空分布图成为可能。为不同应用场景下的湍流效应数值计算提供更加完善的湍流模式，这不仅促进人们对湍流本身规律的进一步认识，而且对激光传输、激光通讯、光学成像、自适应光学等应用领域研究都具有十分重要的意义。

本项目通过改进现有探空仪,获取反映非Kolmogorov湍流特征的湍流谱模式；通过光学湍流参数化,实现用常规气象数据和中尺度天气预报模式估算和预报大气光学湍流。以满足提高和发展我国低平流层下大气光学湍流预测预报能力的国家应用需求。重要结果和关键数据如下：(1)首次获得多份高空温度谱幂率廓线数据。由49份谱幂率廓线数据拟合的谱幂率多项式为：k(h)=a+b1h+b2h^2+b3h^3+b4h^4+ b5h^5,其中a =-1.87259, b1= -1.8182 e-5, b2=4.17389e-9 ,b3=-3.5051e-13 , b4= 1.20896e-17 ,b5=-1.45259e-22 ,(在0<h<33000 m范围内)；(2)首次较全面地获得合肥近地面大气非Kolmogorov谱幂率、广义折射率结构常数以及等效折射率结构常数等描述非Kolmogorov湍流特征参数的测量结果。近地面符合Kolmogorov湍流的频数为77.9%。Cn2和广义Cn2、等效Cn2在量级和变化趋势基本一致，弱湍流时Cn2比广义Cn2小。等效Cn2有一些起伏,且与给定波长和传输路径长度的选取有关；(3)采用合肥、云南丽江高美古、西藏改则等地气象探空数据,通过四种外尺度模式(Dewan、HMNSP99、Sterengorg、Coulman)估算Cn2的结果与测量值的比较,HMNSP99的外尺度模式估算的Cn2与测量值接近；(4)采用中尺度气象模式WRF,模拟中心区域分别为中国高美古、茂名、三亚、库尔勒、南极泰山站等地,估算和预报的近地(海、雪)面和高空大气光学湍流强度与温度脉动探空仪实测结果基本一致。(5)首次将湍流参数化方法用来估算南极泰山站近地面大气光学湍流强度。南极泰山站近地面Cn2 具有明显日变化特征，夜晚Cn2达2e-14 比白天强。模式估算Cn2值平均相对误差在37%左右。泰山站温度谱幂率小于-1频数为36.2%，而大于-1的频数为63.8%。有近三分之二的谱幂率不在-3<k1<-1 范围,全都偏离Kolmogorov湍流。这些成果对构建真实的大气光学湍流谱模式,建立实用的准确估算和预报典型地区不同下垫面大气光学湍流方法,并将其应用到光传输、光通信、光学工程等领域具有十分重要的意义。