近地面层大气折射率结构常数的模式研究
大气波导环境中折射率指数模式的统计特征
大气波导环境中折射率指数模式的统计特征刘成国1)王元1)吴迅英2)1) 武汉理工大学理学院，湖北武汉，4300702) 中国气象局国家气象信息中心，北京，100081摘要：本文详细说明了大气波导环境下空气折射率指数剖面的建模方法，并用地面上一公里大气折射率的值、折射率平均梯度两个特征参数和它们与地面空气折射率的相关性分析了大气波导环境的折射率剖面的统计特征。
得到了具有实用的统计信息。
对70年代5年波导出现的数据和90年12月份的全部数据的研究表明：根据70年代5年的数据，贴地波导出现时，它们的值及其和N s指数关系的都常数分别是110.6 、0.0029和-8.6、0.0047，地面上一公里处的折射率N1k及地面上第一公里内的平均折射率梯度dN1和地面折射率N s的相关性比没有波导出现的情况好；而这两者相比，前者的结果又比后者好。
关键词：无线电气象，空气折射率，大气波导，电波传播Statistical Characteristics of the Exponential Refractivity Profiles under Atmospheric DuctEnvironmentLiu Chengguo1 Wang Yuan1 Wu Xunying21 Science School, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei, 4300702 National Meteorological Information Center, CMA, Beijing, 100081Abstract: The characteristics of exponential atmospheric refractivity profile under atmospheric duct are investigated with air refractivity at height of 1km and the average gradient of refractivity 1km above ground as the characteristic parameters, their correlation with surface refractivity included also. The methods of modeling and statistic are elaborated; the results depicted in detail are applicable. Based on the data of 5 years in 1970s with duct present and those of December 1990, refractivity at height of 1km, the average gradient of refractivity and surface refractivity are obtained by regression of the refractivity profiles to exponential models. And it is found that the constants in the exponential relation of refractivity of 1km above ground and the mean vertical refractivity gradient in the first kilometer height with the surface value of refractivity are 110.6, 0.0029 and -8.6, 0.0047 respectively according the data of the 1970s’ surface ducts, and the correlations under duct environment are better than under other environment.Key words: radio meteorology, atmospheric refractivity, atmospheric duct, radio wave propagation1.引言大气波导会使电波偏离原来的传播方向传播，使通信、导航、探测等应用系统出现一些特殊的传播特性，如某些方向上的传输距离延伸、而在另外方向的传播盲区等。
陆地和近海面大气光学湍流估算与测量
021003-1第30卷第2期强激光与粒子束V o l .30,N o .22018年2月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM SF e b .,2018陆地和近海面大气光学湍流估算与测量*徐春燕1,2, 詹国伟3, 青 春1,2, 蔡 俊1,2, 吴晓庆1(1.中国科学院安徽光学精密机械研究所,大气成分与光学重点实验室,合肥230031;2.中国科学技术大学研究生院科学岛分院,合肥230026;3.广东省茂名市气象局,广东茂名525000) 摘 要: 基于M o n i n -O b u k h o v 相似性理论,采用MA R I A H 算法,利用成都和茂名两个地区㊁两个高度层上的温度㊁湿度㊁风速等常规气象参数估算折射率结构常数,并对估算值与温度脉动仪测量值进行比较分析㊂结果显示:利用常规气象参数估算得到的成都与茂名的折射率结构常数在变化趋势及量级上基本符合温度脉动仪测量值㊂成都和茂名的折射率结构常数估算值与测量值的相关系数分别为0.86与0.92,平均绝对值偏差分别为0.410与0.414㊂因此,采用MA R I A H 算法估算陆地和近海面大气光学折射率结构常数是可行的;茂名中午时刻的折射率结构常数峰值比成都大一个量级㊂关键词: 大气光学; 折射率结构常数; 近地层; 模式估算中图分类号: P 183.4 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201830.170296大气湍流是大气中普遍存在的一种随机运动现象,它会使空气的折射率发生随机变化㊂大气湍流强度一般用折射率结构常数C 2n 表征[1]㊂当激光在大气湍流中传播时,由大气湍流引起的空气折射率随机起伏会导致激光波阵面产生畸变,破坏激光的相干性,导致激光传输质量受到严重影响[2]㊂自20世纪70年代以来,国内外对大气折射率结构常数的估算模式已经进行了大量的研究工作㊂已有的大气湍流估算模式主要有以下四种:第一是根据表面能量平衡方程得到表面湍流通量,进而估算出湍流强度[3];第二是利用统计回归的方法,建立折射率结构常数与辐射通量㊁气温㊁湿度㊁风速的回归方程,估算出折射率结构常数[4];第三是利用数值预报的方法,预报出折射率结构常数[5];第四是依据M o n i n -O b u k h o v 相似理论,输入一个高度层上的温度㊁湿度㊁风速和地表面(或海表面)湿度㊁温度,并计算得到表面粗糙度,然后通过迭代方法估算出大气湍流强度[6]㊂例如H u t t [7]利用相似理论估算得到了陆地的折射率结构常数;戴福山等[8]通过对普适函数的修正,利用我国海面气象水文观测数据估算了海面光学湍流㊂本文在M o n i n -O b u k h o v 相似理论的基础上,采用MA R I A H 算法,可直接估算得到近地面折射率结构常数,并对两地的折射率结构常数估算值和实测值进行了对比与分析㊂与传统计算方法相比,该算法利用成都和茂名两个地区㊁两个高度层上的温度㊁湿度和风速等气象参数,无需计算表面粗糙度也不需通过迭代方法求解㊂1 大气折射率结构常数估算1.1 大气湍流理论已知在可见光和近红外波段,大气折射率结构常数C 2n 与温度结构常数(C 2T )㊁湿度结构常数(C 2q )㊁温湿相关项结构常数(C T q )的关系为C 2n =A 2C 2T +2A B C T q +B 2C 2q(1)式中:A 与B 是与温度㊁压强㊁波长有关的系数,当波长为0.55μm 时,A =79ˑ10-6p /T 2,B =-56.4ˑ10-6㊂p 为空气压强(h P a ),T 为温度(K )㊂ 结构函数C 2T ,C 2q ,C T q 的定义为C 2T =T 2*z -2/3f T (z /L )C 2q =q 2*z -2/3f q (z /L )C T q =r T q T *q *z -2/3f T q (z /L ìîíïïïï)(2)式中:r T q 是温湿度相关系数,当ΔT /Δq <0时,r T q ʈ0.5,当ΔT /Δq >0,r T q ʈ0.8;T *是特征温度;q *是特征*收稿日期:2017-07-17; 修订日期:2017-09-11基金项目:国家自然科学基金项目(41576185)作者简介:徐春燕(1993 ),女,硕士研究生,从事大气光学湍流估算和测量的研究;x u c h u n y a @m a i l .u s t c .e d u .c n ㊂通信作者:吴晓庆(1963 ),男,研究员,博士生导师,主要从事大气边界层㊁大气湍流测量与模式㊁天文选址等研究;x qw u @a i o f m.a c .c n ㊂021003-2湿度;相似性函数f T ,f q ,f T q 选取W y n g a a r d 公式㊂1.2 湍流特征尺度根据相似理论,在满足水平均匀㊁平稳㊁常通量等条件下的近地面层,风速㊁温度㊁湿度无量纲化的普适廓线方程表达式为∂u ∂z =u *k z ϕm (z /L )∂T ∂z =T *k z ϕH (z /L )∂q ∂z =q *k zϕq (z /L ìîíïïïïïïï)(3)式中:u *为摩擦速度;u 是风速(m /s );q 是比湿(g /g );k 是V o n -K a r m a n 常量,其值通常取0.4;ϕm (z /L ),ϕH(z /L ),ϕq (z /L )分别是风速㊁温度㊁湿度的无量纲稳定度参数z /L 的普适函数㊂ 本文采用MA R I A H 算法[9],将式(3)的偏微分方程用两个不同高度层的差值代替,用离散值代替连续值,而不是像文献[7]一样,对式(3)进行积分运算㊂MA R I A H 算法的参数计算表达式为u *=k Δu ϕm (z /L )Δln z T *=k ΔT ϕH (z /L )Δl n z q *=k Δq ϕq (z /L )Δln ìîíïïïïïïïz (4)式中:Δu =u (z 1)-u (z 2);ΔT =T (z 1)-T (z 2);Δq =q (z 1)-q (z 2),Δl n z =l n z 1-l n z 2,z 1和z 2分别表示低层与高层的高度,依据D ye r 和H i c k s 的公式,有ϕm =[1-15(z /L )]-1/4, z /L <0ϕH =ϕq =[1-15(z /L )]-1/2, z /L <0ϕm =ϕH =ϕq =1+5(z /L ), z /L >ìîíïïïï0(5)式中:L 是M o n i n -O b u k h o v 长度,表达式为L =T (1+0.61q )(Δu )2ϕH g Δl n z ΔT +0.61T Δ()q ϕ2m(6)式中:g 表示重力加速度㊂再将式(6)代入式(7)中,可以得到L 用两个高度层的常规气象参数表示的关系式L =T (1+0.61q )(Δu )2g Δl n z ΔT +0.61T Δ()q , z /L <0L =T (1+0.61q )(Δu )2g Δl n z ΔT +0.61T Δ()q -5z , z /L >ìîíïïïï0(7) 因此,输入两个高度层的风速㊁温度㊁湿度,由公式(7)可计算得到M o n i n -O b u k h o v 长度L 的值,然后带入F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a mo f s u r f a c e l a y e rm e a s u r e m e n t s ys t e m 图1 近地面测量系统式(5)和式(4)中,可求得特征尺度u *,T *,q *的值,再代入W y n g a a r d 公式和公式(2)中,求得结构常数C 2T ,C 2q ,C T q 的值,最后代入式(1),可计算得到大气折射率结构常数C 2n 的值㊂1.3 实验设备利用如图1所示的仪器设备分别在成都与茂名开展实验测量㊂实验设备主要安装在具有两个高度层的三脚架上㊂分别在0.5m 和2m 高度处安装了Y o u n g 风速风向传感器(05106)和温湿度传感器(HM P155),测量数据用于光学湍流的模式估算㊂在2m 高度还安装了温度脉动仪,进行光学湍流的实时测量,测量的数据用于与光学湍流估算值进行比对㊂实验观测期间,天气状况强激光与粒子束021003-3良好㊂表1给出了近地面大气参数测量系统传感器技术参数㊂表1 近地面大气参数测量系统传感器技术参数T a b l e 1 T e c h n i c a l p a r a m e t e r s o f s e n s o r s f o r n e a r -s u r f a c e a t m o s ph e r i c p a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t n a m em o d e la c c u r a c yt e m p e r a t u r e /R H p r o b e HM P 155t e m pe r a t u r e :<0.1ħ;R H :ʃ1%R H (0~90%R H ),ʃ1.7%R H (90%~100%R H )w i n dm o n i t o r05106w i n d s p e e d :ʃ0.3m /s ,w i n dd i r e c t i o n :ʃ3ʎm i c r o -t h e r m o m e t e r M T 1s y s t e mn o i s e l e v e l c o r r e s p o n d i n g to D T o f 2ˑ10-3ħ2 估算结果与实测结果对比2.1 估算结果成都和茂名所处的地理位置和环境有很大差异㊂成都实验地点在成都的双流县(31ʎ39ᶄN ,103ʎ50ᶄE ),它位于成都平原腹地中心,海拔高度约为490m ,属亚热带湿润季风气候,且受大陆性气候的影响㊂茂名博贺海洋科学实验基地位于南海的海岸线上(21ʎ27ᶄN ,111ʎ19ᶄE ),海岸线呈东北-西南走向,南面为广阔的南海水域,北部为植被稀疏的丘陵,受到大陆性和海洋性气候的影响㊂图2(a )和图3(a )分别为成都2014年5月16日至18日和茂名2012年10月20日至22日三天的C 2n 模式估算结果与温度脉动仪测量结果的日变化比较,图2(b )和图3(b)分别为成都和茂名的温差值变化趋势㊂F i g .2 T i m e s e r i e s c o m p a r i s o no f C 2n es t i m a t e d b y m o d e l a n dm e a s u r e db y m i c r o -t h e r m o m e t e r i n C h e n g d u f r o m M a y 16t oM a y 18,2014图2 成都C 2n的温度脉动仪测量值与模式估算值的比较F i g .3 T i m e s e r i e s c o m p a r i s o no f C 2n es t i m a t e d b y m o d e l a n dm e a s u r e db y m i c r o -t h e r m o m e t e r i n M a o m i n g fr o m O c t o b e r 20t oO c t o b e r 22,2012图3 茂名C 2n 的温度脉动仪测量值与模式估算值的比较从图2(a )与图3(a )可以看出:茂名与成都的C 2n 模式估算值与测量值在变化趋势上基本一致,均呈现出白天湍流强夜晚湍流弱的特征,表现出明显的日变化趋势㊂白天由于太阳辐射,地表温度高,大气层结不稳定,利于湍流的发展,中午一点左右达到最大值;早上8点至9点和下午18点至19点,地气能量达到平衡,湍流最弱;下午18点左右到凌晨24点这段时间,成都与茂名两地的估算值与温度脉动仪测量值吻合得相对较好,但是24点以后到早晨8点左右,模式估算值明显小于温度脉动仪测量值㊂此外,成都与茂名C 2n 测量值在白天的最大值不同,茂名最大值能达到10-12m -2/3,而成都只有10-13m -2/3㊂吴晓庆等[1]认为,两个高度层的温差值对该模式的估算准确性最敏感㊂从图2和图3可以看出,茂名与成都两地测量的C 2n 值的趋势走向和两个高度层的温差值趋势走向一致(中午都有最大值,夜晚变化比较平缓);在夜晚的时候,成都与茂名都存在C 2n 估算值低于测量值的情况,根据图2(b )和3(b ),此时ΔT 趋近于0,符合文献[1]中的结论;如图2和图3所示,茂名的C 2n 峰值比成都的大一个量级,茂名的温差值峰值在中午达到了2.5ħ,成都的只有0.7ħ㊂这可能是因为茂名测量点处于海陆交界处,陆面和海面大气交汇容易使得测量点处温度梯度较大,湍流发展更充分㊂ 在成都与茂名下午18点左右到凌晨24点这段时间,成都的两个高度层的温差值在0.17ħ左右,茂名的徐春燕等:陆地和近海面大气光学湍流估算与测量021003-4温差值都在-0.25ħ左右,但是在这段时间,模式估算的C 2n 值与测量的C 2n 值吻合得相对较好㊂只有当两个高度层的温差值ΔT ʈ0ħ的时候,该模式的估算值相对于实测值明显偏小㊂因此,该估算模式的适用性受到当地不同高度层温差的限制,只有在较大温差的环境中,该模式才具有很高的可行度㊂2.2 估算结果统计分析为了评估估算结果的可靠性,本文选取了平均绝对值偏差(E MA )㊁均方根方差(E R M S )㊁相关系数(R x y )三个统计量来分析估算结果[10],相应计算表达式为E MA =ðNi =0ΔiN(8)E R M S =ðNi =0(Δi )2N(9)R x y =ðNi =0X i -X ()i (Y i -Y i )ðNi =0(X i -X i )2ðNi =0(Y i -Y i )2(10)式中:Δi =Y i -X i ,N 表示样本的总个数,X i 与Y i 表示第i 时刻C 2n 的实际观测值与模式估算值㊂ 图4为成都与茂名地区模式估算值与测量值的l g (C 2n )统计分析,结果显示,成都与茂名模式估算值与测量值的相关度分别为0.867和0.922,平均绝对值偏差分别为0.410和0.414,所以从相关性上分析,茂名估算结果与实测结果的整体趋势要好于成都;而从平均值偏差上分析,成都的估算结果与实测结果之间的量级差值要小于茂名㊂成都的l g (C 2n )在-12.75与-16.25之间,茂名的l g (C 2n )在-11.5与-16之间,可以看出茂名的C 2n 范围大于成都的C 2n 范围㊂且从图中可以看出,l g (C 2n )>-15时,C 2n>10-15m -2/3,比例系数接近1,成都和茂名的估算值与实际测量值符合较好;当l g (C 2n )<-15时,C 2n <10-15m -2/3,成都与茂名的模式估算值普遍小于实际测量值㊂F i g .4 S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o fm o d e l a n dm e a s u r e m e n t o f C 2n inC h e n g d ua n d M a o m i n g 图4 成都与茂名C 2n 的温度脉动仪测量值与估算值的统计分析3 结 论在成都与茂名的实验中,利用MA R I A H 算法估算得到的折射率结构常数与用温度脉动仪测得的结果吻合得较好㊂说明该算法在成都与茂名的估算结果是准确的㊁可行的㊂与传统的大气折射率结构常数的估算方法相比,MA R I AH 算法在保证估算值准确性的前提下,优化了估算过程㊂ 成都与茂名的C 2n 模式估算值与测量值具有明显的日变化趋势;成都与茂名因地理位置的不同,茂名C 2n 的最大值要比成都的C 2n 最大值大一个量级;两个高度层的温度差对C 2n 的估算有很大影响,当温差趋于0的时候,大气处于稳定条件下,估算结果小于测量结果;在相关性上分析,茂名的估算结果好于成都,在偏差上分析,成都的估算结果好于茂名㊂成都与茂名夜晚估算的折射率结构常数与温度脉动仪实测值存在着一定的偏差,多数情况是估算值低于测量值,原因可能有:(1)温度脉动仪受到空气中灰尘等杂物地影响,导致仪器的灵敏度下降;(2)M o n i n -O b u k -h o v 相似理论应用的条件是大气水平均匀㊁湍流充分发展㊁存在常通量层,但是通常在夜晚的时候,尤其是温差值ΔT ʈ0ħ的时候,湍流得不到充分发展,相似理论的应用受到限制㊂强激光与粒子束徐春燕等:陆地和近海面大气光学湍流估算与测量参考文献:[1]吴晓庆,朱行听,黄宏华,等.基于M o n i n-O b u k h o v相似理论估算近地面光学湍流强度[J].光学学报,2012,32(7):22-28.(W uX i a o q i n g,Z h uX i n g t i n g,H u a n g H o n g h u a,e t a l.O p t i c a l t u r b u l e n c eo f a t m o s p h e r i cs u r f a c e l a y e re s t i m a t e db a s e do nt h e M o n i n-O b u k h o vs i m i l a r i t y t h e o r y.A c t aO p t i c aS i n i c a,2012,32(7):22-28)[2]李杨,相里斌,张文喜.湍流大气中激光传输对傅里叶望远镜成像质量的影响[J].强激光与粒子束,2013,25(2):292-296.(L iY a n g,X i a n gL i b i n,Z h a n g W e n x i.E f f e c t s o f l a s e r p r o p a g a t i o n t h r o u g h a t m o s p h e r i c t u r b u l e n c e o n i m a g i n g q u a l i t y i nF o u r i e r t e l e s c o p y.H i g hP o w e rL a-s e r a n dP a r t i c l eB e a m s,2013,25(2):292-296)[3] K u n k e lKE,W a l t e r sDL.M o d e l i n g t h e d i u r n a l d e p e n d e n c e o f t h e o p t i c a l r e f r a c t i v 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t a n t o v e r s n o wa n ds e a i c eu s i n g M o n i n-O b u k h o v s i m i l a r i t y t h e o r y w i t ham e s o s c a l e a t m o s p h e r i cm o d e l[J].O p t i c s E x p r e s s,2016,24(18):20424.E s t i m a t i o na n dm e a s u r e m e n t o f o p t i c a l t u r b u l e n c e o v e r l a n da n do f f s h o r eX uC h u n y a n1,2, Z h a nG u o w e i3, Q i n g C h u n1,2, C a i J u n1,2, W uX i a o q i n g1(1.K e y L a b o r a t o r y o f A t m o s p h e r i cO p t i c s,A n h u i I n s t i t u t e o f O p t i c s a n dF i n eM e c h a n i c s,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,H e f e i230031,C h i n a;2.S c i e n c e I s l a n dB r a n c ho f G r a d u a t eS c h o o l,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o f C h i n a,H e f e i230026,C h i n a;3.M a o m i n g M e t e o r o l o g i c a lB u r e a uo f G u a n g d o n g P r o v i n c e,M a o m i n g525000,C h i n a)A b s t r a c t: T h e r e f r a c t i v e i n d e x s t r u c t u r e c o n s t a n t i s e s t i m a t e d a n d c o m p a r e dw i t hm e a s u r e d v a l u e s f r o m m i c r o-t h e r m o m e t e r b y u s i n g t h em e t e o r o l o g i c a l p a r a m e t e r so fC h e n g d ua n d M a o m i n g,s u c ha s t e m p e r a t u r e,h u m i d i t y a n dw i n ds p e e do nt w oa l t i-t u d e s.T h e e s t i m a t e d m o d e l a d o p t s MA R I A H a l g o r i t h m,w h i c hi sb a s e do nt h e M o n i n-O b u k h o vs i m i l a r i t y t h e o r y.T h er e s u l t s h o w s t h a t i t i s f e a s i b l e t o c a l c u l a t e t h e s t r u c t u r e p a r a m e t e r b y MA R I A Ha l g o r i t h m.T h e t r e n d a n d o r d e r o fm a g n i t u d e o f t h e e s-t i m a t e d s t r u c t u r e c o n s t a n t f i tw e l l t o t h a t o f t h em e a s u r e dd a t a.T h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s b e t w e e n e s t i m a t e d a n dm e a s u r e dv a l-u e s o f t w o p l a c e s a r e0.86a n d0.92w h i l e t h em e a n a b s o l u t e e r r o r v a l u e s a r e0.410a n d0.414r e s p e c t i v e l y.B e s i d e s,t h e e s t i m a t e d s t r u c t u r e c o n s t a n t o fM a o m i n g i s o n e o r d e r o fm a g n i t u d e l a r g e r t h a n t h a t o fC h e n g d u.K e y w o r d s:a t m o s p h e r i c o p t i c s;r e f r a c t i v e i n d e x s t r u c t u r e c o n s t a n t;s u r f a c e l a y e r;e s t i m a t i n g m o d e lP A C S:42.68.-w;47.27.E-;47.27.n b021003-5。
近地面层大气折射率结构常数的模式研究
通 量 ， 由相 似理论 ， 湍 流通量 和温 度结 构常 数 的经验 关 系计 算 出折 射 率 结构 常数 ［ ， 对 近 海 面气 层 温 度 再 从 ５并 ］
结 构常数 的模 式 和 测 量 进 行 了研 究［ 。在 热 带 海 洋 与 全 球 大 气 研 究 计 划 “ 合 海 气 响 应 试 验 ” Ｔ ＧＡ— ６ ］ 耦 （Ｏ Ｃ ＯＡＲ ） 发展起 来 的 Ｃ Ｅ下 ＯＡＲ Ｅ算法 中， 主要 使用 Ｂ ｌ 法 ， ｕｋ方 即用 地表 面 或海 表 面 气 象参 数 与某 高度 上 的气
近数 据进行 了 的估算 ， 两处估 算值 分别 与超 声 风速 仪 的温度 脉动 直接计 算 的 Ｃ 值 进行 比较 ， 时 比较 了 将 ： 同
在模 式 中采用不 同相 似性 函数 的计 算结 果 。
１
与Ｃ ｝的关 系
对 于局 地 均匀各 向同性湍 流 ， 温度 结构 常数 Ｃ ｝定 义为
摘
要 ： 运 用 Ｂ ｌ 法对 东 南 沿 海 和合 肥 一 水 库 附 近 的 折 射 率 结 构 常 数 进 行 了 估 算 ， 避 免 海 边 海 盐 ｕ ｋ方 为
对 金 属 丝 的 污 染 ， 高精 度超 声 风 速 仪 替 代 温 度 脉 动 仪 测 量 折 射 率 结 构 常 数 。模 式 主 要 输 入 的参 数 有 气 温 、 用 地 表 面 温 度 、 度 、 速 及 测 量 点 高 度 。结 果 表 明 ： 湿 风 运用 Ｂ ｌ 法 估 算 折 射 率 结 构 常 数 是 可 行 的 ， 似 性 函 数 分 ｕｋ方 相 别 采 用 Ｆ ｅｅｉ ｓｎ公 式 与 Ｔ ｉ ｍａｎ公 式 ， 别 不 大 ； 接 测 量 海 面 上 折 射 率 结 构 常 数 比 较 困难 ， 过 输 入 ｒｄｒ ｋｏ ｃ ｈｅ ｎ ｒ 差 直 通 海 表 面 温 度 、 面 上 的粗 糙 度 长度 以 及 适 合 的 相 似 性 函 数 ， 海 可用 于估 算 海 面上 的折 射 率 结 构 常 数 。 关 键 词 ： 大 气 湍 流 ； 折 射 率 结 构 常 数 ； Ｂ ｌ 法 ； 近 地 层 ； Ｍｏ ｉ－ ｕ ｈ ｖ相 似 ｕｋ方 ｎｎＯｂ ｋ ｏ
空气折射率的测定
空气折射率的测定空气折射率的测定〖摘要〗本实验利用分立光学原件在光学平台上搭制迈克尔孙干涉仪和夫琅禾费双缝干涉装置来测定空气的折射率。
〖关键词〗空气折射率；迈克尔孙干涉；夫琅禾费双缝干涉1引言介质的折射率是表征介质光学特性的物理量之一，气体折射率与温度和压强有关，。
气折射率对各种波长的光都非常接近于1，然而在很多科学研究领域中，仅把空气折射率近似为1远远满足不了科研的要求，所以研究空气折射率的精确测量方法是很必要的。
本实验将用迈克耳孙干涉仪（分振幅法）和夫琅禾费双缝干涉（分波前法）2种方法对空气折射率进行测量（参考值为1.000296）。
【1】2 实验原理⑴迈克尔逊干涉仪的原理见图1。
其中G 为平板玻璃，称为分束镜。
它的一个表面镀有半反射金属膜，使光在金属膜处的反射光束与透射光束的光强基本相等。
M1、M2为互相垂直的平面反射镜M1、M2镜面与分束镜G 均成45°角，M1可以移动，M2固定。
'2M 表示M2对G 金属膜的虚像。
从光源S 发出的一束光,在分束镜G 的半反射面上被分成反射光束1和透射光束2。
光束1从G 反射出后投向M1镜,反射回来再穿过G 。
光束2投向M2镜，经M2镜反射回来再通过G 膜面上反射。
于是，反射光束1与透射光束2在空间相遇发生干涉。
理论证明在温度和湿度一定的条件下当气压不太大时气体折射率的变化量n 与气压的变化量p∆成正比：1n np p-∆==∆常数所以：1n n pp∆=+∆又可得：12N Pn L pλ=+∆上式给出了气压为p 时的空气折射率n 。
可见只要测出气室内压强由1p 变化到2p 时的条纹变化数n 即可计算压强为p 的空气折射率n 气室内压强不必从0开始。
(2) 用夫琅和费双缝干涉装置测定空气折射率激光经扩束后照亮平行光管狭缝由平行光管出射的平行光经双缝分割成两束相干光并分别通过两气室A 、B 经成像透镜L2、L3后在屏上形成干涉条纹。
当B 室相对于A 室气压变化ΔP 时引起干涉条纹移动ΔN 条则空气折射率n 可由下式计算001p T n n p T lλ∆=+∆式中△N/ΔP 是每变化10mmHg 的气压时干涉系统的移动数目。
戈壁地区近地面大气折射率结构常数的统计分析
由式 （ ） （ ） 到［ １ ，５得 ８ Ｃ ：： （ ９ ／ ｚ。 ｝× １ 。 ７ ｐ Ｔ ）Ｃ ０ （） ６
＊
收 稿 日期 ：０ １０ —１ ２ １－ ９０ ；
修 订 日期 ：０ 卜１— １ ２ １ ０３
基金项 目： 国防 科 技 基 础 研 究 基 金 项 目 作 者 简 介 ： 双 连 （ ９ ２ ） 男 ， 程 师 ， 要从 事 大气 光 学技 术 研究 ； ｎ ｓ ｕｎ ｌ ｎ ｈ ｔ ｉ ＣＩ。 封 １ ８一 ， 工 主 ｆ ｇｈ ａｇｉ ＠ ｏｍａ ．Ｏ Ｉ ｅ ａ ｌ Ｔ
戈 壁 地 区近 地 面 大气 折 射 率结 构 常数 的统 计 分 析
封双连 ， 张志刚， 强希文， 胡月宏 ， 赵军卫， 宗 飞
（ 国人 民 解 放 军 ６ ６ ５部 队 ， 鲁 木 齐 ８ １ ０ ） 中 ３５ 乌 ４ ７ ０
摘
要 ： 利用温度 脉动仪对 ２１ ０ ０年 ４ １ — ２月库 尔 勒 戈 壁 地 区 近 地 面 大 气 折 射 率 结 构 常 数 进 行 了测 量 ，
＝ ７ （ 一 Ｔ ／ （ 『） １ ９户／ ／ × ０ （） ４
在 实 际大气 中一般 有 ／ 《 Ｔ ／ ， ｆ 因此研 究折 射率 起伏 时 主要 考虑 温度起 伏 的影 响 ， （ ） 式 ４ 可表 示为
一～ ７ （ Ｔ ／ × １ ９ 声 Ｔ ） ０ （） ５
第 ２ ４卷第 １ 期
２１ ０ ２年 １月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ Ｇ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ ． １ ２４，Ｎ Ｏ １ ． Ｊｎ ａ ．，２ １ ０２
文章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ １ ） １０ ３ —４ ０ １４ ２ （ ０ ２ ０ — ０ ９ ０
近地层大气折光系数变化特征分析
近地层大气折光系数变化特征分析是一项重要的气象研究。
折光系数是指大气中的光线折射系数，它能够反映大气的湿度、温度和污染等信息。
本文将介绍近地层大气折光系数变化特征的分析方法。
首先，研究人员需要使用光学折射仪和近地层大气折光系数测量设备，对大气中的光线折射系数进行测量。
接下来，通过分析测量的数据，可以得出大气折光系数的变化情况。
其次，使用数理统计方法，可以得出大气折光系数的时间序列变化特征。
最后，研究人员可以根据大气折光系数的变化特征，对大气中湿度、温度和污染等因素进行分析，从而获得有价值的气象信息。
总之，近地层大气折光系数变化特征分析是一项有价值的气象研究。
研究人员可以通过对大气折光系数的测量和分析，从而获取有价值的气象信息。
这些信息可以为气象预报提供重要的参考依据，有助于改善气象预报的准确性。
大气折射率结构常数和湍流特征谱的计算
第15卷 第12期强激光与粒子束Vol.15,No.12 2003年12月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Dec.,2003 Article ID: 100124322(2003)1221155204Evaluating refractive index structure constant and characterizing spectrum of atmospheric turbulenceΞMEI Hai2ping, RAO Rui2zhong, WU Xiao2qing, ZHU Wen2yue(A nhui Instit ute of Optics and Fi ne Mechanics,the Chi nese Academy of Sciences,P.O.Box1125,Hef ei230031,Chi na) Abstract: Characteristics of temperature’s fluctuation measured at the maritime atmos pheric surface layer isanalyzed.The result is that the power spectrum of virtual temperature varies with time.Then refractive index struc2ture constant evaluated with different average times are compared.In the end,an algorithm according to the inherentstate’s changing of the atmosphere is built to estimate refrective index structure constant. K ey w ords: Probability distribution; Power spectrum; Refractive2index structure constant; Varying in2terval time average C LC number: TN247 Document code: A Stochastic fluctuations of the atmospheric refractive index degrade the propagation of electromagnetic wave through introducing several effects such as beam spread,beam wander and scintillation of the intensity[1].These effects can easily be seen over the ground in clear sunshine days.The measurement of the strength of the fluctua2 tion is the refractive index structure constant C n2[2].The convenient alternative is to measure the temperature structure constant C2t,for when ignoring wavelength and humidity there is a relationship between them[1,2].C2t can be measured with two special temperature sensors with a separationΔr of about1m[3]or with one sensor only with the hypothesis of“frozen turbulence”.Because theory of optical turbulence is constructed under the hypothe2 sis of local isotropic and homogenous[4],when the energy spectrum E(k)follows k-5/3law[5],we should have an investigation of the power law to get some information of difference of theory and reality,especially at surface lay2 er. For both of the two methods,we can only get one2dimension time serials and we must invoke the assumption of ergodicity to obtain estimation of ensemble averages.We can’t average forever as required in ergodic hypothesis, such as D.L.Walters,who always performs fixed15min average,and Wu Xiao2qing10min,Zeng Zeng2yong 5min[6,7].But,none of them have given a satisfied explanation of his work.So,the problem of what’s the differ2 ence of different time interval average and how long is the reasonable average time should be researched. In this paper,we are trying to investigate the characteristics of temperature’s fluctuation and the spectrum exponent of temperature at maritime atmospheric surface layer,and then having a comparing of different time av2 erage in estimating C2n,intending to build a varying interval time average(V ITA)algorithm to estimate C2n with a satisfying explanation. The data we used is detected offshore between9Nov.and27Nov.2002,when we fitted series of tem pera2 ture sensors on a pole of15m at different altitudes about1.5,3.5,5.5,9and15m on the coast.In this paper, we only use the data of the first layer of about1～2m above the shore,where the turbulence is obviously inhomo2 geneous and influenced sharply by the ground,and,will expected to have special properties.1 Statistical theories of atmospheric surface turbulence In Tatarskii’s theory,analogy with the velocity field,the temperature field in a fluid with homogeneousΞR eceived d ate:2003209212; R evised d ate:2003210212Found ation item:Supported by National863Program itemBiography:Mei Hai2ping(19802),male,student for master’s degree,study atmospheric turbulence and optics;E2mail:hpmei@。
同步测量大气湍流折射率结构常数和内尺度的光学方法
-
0. 478 5 (L / k l20 ) 5 /6
+ 0. 4
1
0. +
075 9 L2
×k2
l40
11 /12
×
-
0.
518 sin (
5 4
a
rc
tan
(
3.
63L k l20
)
)
( 9 + 118. 592L2 / k2 l40 ) 7 /24
+
2.
61 sin ( 4 3
( 9 + 118.
折射率结构常数 。由于近地面湍流内尺度的值大都在
几 mm 至十几 mm 的范围内 ,据此我们确定 l0 的求解 范围定在 (0, 20 ]之间 。
图 1是反演 l0 和 C2n 的一个数值模拟示例 。由于
实际反演时很难找到 C2n ( k1 , L, l0 )与 C2n ( k2 , L, l0 )完全
σ2 I
(L )
= 3. 86σRytov
0. 4
1
+
9
Q
2 l
11 /12
sin 11a rc tan Q l
6
3
+
(9
2. 610 + Q2l )
1 /4
sin
4 a rc tan Q l
3
3
-
(9
0. 518
+
Q
2 l
)
7
/ 24
sin
5 a3.
50Q
l
5
/
6
(5)
(3)
该模型称之为修正的 H ill谱 ,在整个谱范围内与 H ill谱的最大差别不超过 6% ,一般在 1% ～2% [ 12 ] 。