近地面折射率结构常数的长期测量和统计分析
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。
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
风廓线雷达对折射率结构常数的实测分析
１ ０ 。 ， 春秋 １ ０ Ｉ １ ０ 到 １ ０ － ２ 。 ， 冬天 １ ０ Ｉ １ 到１ ０ － ２ ， 此外 ， 根据降水量大小不 同 ，
的范 围 ， 为相关风廓线雷达产 品识别提供 了方法 和依据 。
关 键 词： 气象雷达； 边界层风廓线 雷达 ； 折射 率结构常数 ；归纳对 比；实测分析
摘要 ： 大气折射率结构 常数 （ ） 是 大气 中折射 率大 小 的体 现 ， 为 了改善风 廓线 雷达 （ ＷＰ Ｒ） 数 据质 量 ， 提高 ＷＰ Ｒ数据业务应用 的可靠 性 ， 对边界层风廓线雷达 近 １ 年 的实测数据采用 归纳对 比的方法 ， 分 析得到 Ｃ ＂ 与温度 湿度变化 的关 系 ， 并 总结 出成 都 地 区 晴 朗天 气下 ， 四季 量 级 的变 化 范 围， 与理 论推 导 一 致。夏 天 １ ０ 到 提升 ３到 ６个量 级 ， 获得 这些定量
文 章编 号 ：１ ６ ７ １ ． １ ７ ４ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ ． ０ ６ １ １ － ０ ６
风 廓 线 雷达 对 折 射 率 结构 常数 的实 测分 析
范 潇 ， 张福 贵 一 ， 张 利 华３
（ １ ． 成都信 息工程 学 院 电子 工程 学 院 ， 四川 成都 ６ １ ０ ２ ２ ５ ； ２ ． 中国气 象局 大气探 测重 点开放 实验 室 ， 四川 成 都 ６ １ ０ ２ ２ ５ ； ３ ． 广州 军 区空军 气 象中心 工程师 ，广 东 广 州 ５ １ ０ ０ ７ １ ）
６ １ ２
成
都
信
息 工
程
学 院 学
报
第２ ８卷
上 划线表 示平 均 ， 下标 １ 表 示脉 动量 。将折 射率 的脉动 表达式 代入结 构 函数方 程 ， 得 到折射率 结构 函数 为
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
大气吸收与湍流基础的总结
一、激光大气衰减基础：激光大气衰减包括大气气体分子对激光的吸收和散射、气溶胶粒子的吸收和散射，激光信号通过均匀大大气介质之后，其电磁辐射强度满足:比尔-郎伯-布格定律：;:为波数，I()为信号传输l距离之后的电磁辐射强度，代表消光系数，为进入介质前的光辐射能量。
透过率函数：;其中，也被称作光学厚度，是一种无量纲的物理量；其中，既包括了大气分子的吸收（）和散射()系数，也包括了气溶胶的吸收和散射()系数：在实际的大气信道中，随着高度(z)的变化（假设大气具有分层均匀特性），即可以表示为，,当信号光以天顶角入射到大气介质中时，光学厚度可以表示为：（，）其中，其他的消光系数表如附图所示：大气分子吸收效应的从测量：二、大气光学湍流：1、大气湍流模型的描述：均匀各向同性湍流、非均匀各向同性湍流均匀各向同性湍流(是一种理想化的大气湍流模型，在复杂地形区和高空，对流层以上的区域，满足该理论条件的大气湍流区域有限，特别是近年来对大气湍流间歇性现象的发现，更证明了Kolmogorov模型应用的局限性。
目前工程中常需要借助大量的实验观测数据对该模型进行修正。
)查理森级串模型：湍流可以视作由气体流动形成的差别较大的涡旋，大涡旋不稳定，其从外界获取能量后，通过分裂等一系列复杂的运动将能量传递给次级涡旋，最后再最小的涡旋中通过气体黏性损耗。
在一定的区域内，涡旋级串达到某种平衡状态，形成局部均匀各向同性湍流，具有普适性的统计规律。
为了确定气体湍流的统计规律，基于不同的假设条件，提出了许多统计模型，其中使用最广泛的为柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型： 柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型：模型假设：（1） 当雷诺数足够大时，存在具有各向同性结构的高波数区，在该区里，气体运动的统计特征只决定于流体的黏性系数 和能量耗散率 。
（雷诺数：雷诺数的定义为：L 为气体运动的尺度，v 为流体速度， 为分子）基于上述假设，建立起了湍流长度( 、 )、速度、时间的尺度，其中， 、 分别为湍流的内尺度和外尺度；;（2） 当雷诺数足够大时，扰动统计特征只依赖于扰动能量的耗散率 ，此惯性区域的尺度 满足:柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型的特征参数：随机场的空间统计特性通常用结构函数等相关函数关系描述，包括风速结构率函数、折射率结构函数等，由于在湍流效应的研究中，主要考虑大气折射率起伏对光传输的影响，故又称为大气光湍流。
折射率的测定
用标准玻璃进行校正的操作:
(1)打开下棱镜，把上方棱镜表面调整到水平位置，然后在标准玻璃块的抛光 面上加上1滴α-溴萘液体湿润，将其贴在上棱镜的抛光面上 (2)由目镜观察，调节补偿旋钮和棱镜旋钮使目镜视野内明暗分界线 在十字交 叉点上. (3)在读数镜刻度尺上读数,数值应为标准玻璃的折光率值. 同上方法进行校正。
折射率测试
时,介质的 折射率nD＝ sini / sinr 入射角i增大，折射角也相应增大，当入射角i达到极 大值90º 时,所对应的折射角称为临界折射角rc。显然， 从图中法线左边入射的光线折射入介质时，折射线都应 落在临界折射角之内。这时在目镜中观察，只有临界角 以内才有折射光，形成亮区，临界角以外没有折射光， 自然是暗区。目镜内视野呈现半明半暗,明暗交界线即为 临界折射角。临界折射角的大小和介质折射率有简单的 函数关系: nD＝1/sinrc
折射率测试步骤
1．试样制备 塑料片至少与棱镜接触的一面必须平整经抛光。 2. 恒温
开启仪器光源,调整入射光反光镜使目镜和读数镜的视场明亮 将恒温水浴与棱镜组相连，调节水浴温度，使棱镜温度保持在 (20.0±0.1)℃或规定温度.
3．折光仪的校准
通常用蒸馏水来进行校正,当测量折射率读数较高的物质时， 通常用具有精确折光率的标准玻璃来校正。
折光仪的校准
用蒸馏水进行校正的操作:
(1)清洗棱镜镜面,滴1滴纯水在下棱镜上，将上、下棱镜合上,由目镜观察，转 动棱镜旋钮，使视野分为明暗两部分 (2)旋动补偿旋钮，使视野中除黑白两色外，无其他颜色 (3)转动棱镜旋钮，使明暗分界线在十字交叉点。 (4)在读数镜刻度尺上进行读数.20℃纯水的折射率1.3330，读数若不符合,调节 校正螺旋,将读数指示调整到正确值.即为校准.
近地面光学湍流估算与测量
Ｅｓｉ ａ ｉ ｎ ａ ｄ Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｆ ｈ ｔｃ ｌ ｒ ｕ ｅ ｃ ｖ ｒＬａ ｄ ｔｍ ｔｏ ｎ ａ ｕ ｅ ｎ ｅＯｐ ｉ ａ ｏ ｔ Ｔｕ ｂ ｌ ｎ ｅｏ ｅ ｎ
ＨＥ ｕｇ ａ ｇ Ｗ Ｕ ｉｎ ＹＡＮＧ ｕ －ｉｇ Ｈ Ｎ ｎ ， ｎ Ｗ —ｕｎ ， Ｊａ ， Ｃｈ ｎ ｐｎ ， Ａ Ｙｏ ｇ ａ ｄＸＵ ａ ｇ ｙ ｎ Ｇｕ ｎ －ｏ ｇ
ｕ ｂ ｌｎ ｅｏ ｏ ａ ｅ ｉ ｐ ｅ ｉｔｄｗｉ ｔ ｉｒ ｎ － ｈ ｌ ｄ ｌ ｓ ｅ ｇ ａ ｈ ｃｉ ｏｍ ｔ ｔｒ ｕｅ ｃ ｆｓ ｍｅｄ ｙ ａ ｄ ｙ ａ ｒｄｃｅ ｔ ｅＴｈｅｍａ ｎ Ｋｏ ｎ ｅｍ ｏ ｅ ｙ ｕ ｉｇ ｇ ｏ ｒｐ ｉ ｆ ｒ ａｉｎ ｎ ｒ ｓ ｈｈ ｂ ｎ ｎ ｏ
（ｃｏｌ ｆ ｔ ｌ ｔ ｎｃ ｎｏ ｔ ｎ Ｕ ｉｅ ｉ Ｅｅｔ ｎｃ ｃ ｎｅａｄ ｅｈ ｏ ｇ ｆ ｈｎ Ｃ ｅｇ ｕ ６ ０５ ） Ｓｈ ｏｏ Ｏｐｏ ｅ ｒ ｉＩｆｒ ｉ ， ｎｖｒ ｔｏ ｌ ｒ ｉｙ ｆ ｃｏ ｅ ｎＴ ｏ ｏ
ｎ ｏａ ｉ ａ ｉ ｅｒ ｇ ｌ ｔ Ｆｉａｌ ｔ ｅｒ ｔ － ｅ ｔ ｃ ｅｃ ｎ ｔ ｔａ ｅ ｃ ｌ ｒ ｓｉ ｅ ｓｎ ａ ｄ ｓ ｌ ｒｄａ ｃ ｅ ｕａｉ ． ｎ ｌ ， ｅｒ ｆ ｃｉｅｉｄ ｘ ｓ ｕ ｔｒ ｏ ｓ ｎ ｄ ｉｎ ｒｓａｅａｅｅｔ ｔｄ ｕ ｉｇ ｒ ｒ ｎ ｒｙ ｙｈ ａ ｖ ｎ ｒ ｕ ａ ｎ ｎ ｍａ
Ｖ １ ７ Ｎｏ６ ｏ３ ＿． ． ＮＯ ． ０ ８ Ｖ２ ０
近地面 光学湍流估算与测 量
何 武光 ，吴 健 ，杨 春平 ，韩 勇，徐 光勇
成 都 ６ ０ ５） １０４
不同地区大气折射率结构常数分布特性及分析
不同地区大气折射率结构常数分布特性及分析近年来，由于全球变暖的影响，大气污染、天气变化都发生了变化，许多地区的大气质量都发生了变化。
大气折射率的变化也是天气变化的重要标志之一，它是反应大气大气结构及光学特性的重要参数。
本文将介绍不同地区大气折射率结构常数分布特性及分析过程，为环境空气质量变化分析和监测提供参考。
1、折射率结构常数概述折射率结构常数是指大气中折射率在不同波段的分布情况，它取决于大气组分及环境因子，因此折射率结构常数不仅可以反映大气结构，还能反映大气参数及大气微物质的变化。
在大气环境中，折射率结构常数的变化可能会影响天文监测，在很大程度上会影响观测设备的正确性和准确性。
2、不同地区大气折射率结构常数分布特性折射率结构常数的变化也受地区因素影响，不同的地区大气折射率结构常数分布会有所差异。
比如，南京市的大气折射率结构常数在400nm-800nm波段分布峰值为0.00122，在800nm-1000nm波段分布峰值为0.00098，在1000nm-1400nm波段分布峰值为0.00080；而安徽省滁州市的大气折射率结构常数在400nm-800nm波段分布峰值为0.00125，在800nm-1000nm波段分布峰值为0.00099，在1000nm-1400nm波段分布峰值为0.00082。
可见，不同地区的大气折射率结构常数分布特性是不完全一致的。
3、大气折射率结构常数分析为了提高大气折射率结构常数的准确性，必须对不同地区的大气折射率结构常数分布特性进行有效分析。
通常，需要从大气参数、环境温度和湿度等大气结构参数入手，通过实验法测量不同频率及形式的折射率，根据大气主要构成的气体的折射系数计算大气折射率结构常数。
4、结论大气折射率结构常数是反应大气结构及光学特性的重要参数，受地区因素影响，不同地区大气折射率结构常数分布特性有所差异。
为了精确计算大气折射率结构常数，必须对不同地区的大气折射率结构常数分布特性进行有效分析，以此为基础，可以为环境空气质量变化分析和监测提供参考。
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第14卷 第4期强激光与粒子束V o l.14,N o.4 2002年7月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Ju l.,2002 文章编号:100124322(2002)0420551206近地面折射率结构常数的长期测量和统计分析①吴晓庆, 马成胜, 王英俭, 曾宗泳, 龚知本(中国科学院安徽光学精密机械研究所,国家863计划大气光学重点实验室,安徽合肥230031) 摘 要: 统计分析了1997～2000年合肥地区一复杂地形处近地面折射率结构常数C2n的测量数据。
给出了不同下垫面、不同季节、不同高度上C2n的统计结果。
白天C2n强弱依次为6月、5月、4月、9月、1月。
白天水面上C2n比草地上小,夜间比草地上大。
不论白天还是夜晚,近地面C2n都随高度递减,且3～10m高的C2n递减较慢,10～15m高的C2n递减较快。
C2n随月份的日变化与模式计算结果基本一致。
关键词: 折射率结构常数;统计分析;模式比较 中图分类号:TN247 文献标识码:A 折射率结构常数C2n是研究光波在大气中传播的一个重要物理量。
当激光束在湍流大气中传播时,光强在空间和时间上都产生不均匀的分布,它使激光雷达与光通讯接收机上收到的信号功率具有随机性,增加了雷达接收机检测信号的难度。
激光雷达的漏报概率与光通讯中误码率随值增大和传输距离增大而增大。
从某种意义上说,C2n的大小决定了光电系统在多大范围内可有效使用。
C2n还与系统的其它参数如所选光波波长、发射和接收口径等因素有关。
因此,光电系统设计之前,尽可能弄清系统使用地区的情况十分必要。
在均匀各向同性湍流假定下,C2n定义为[n(x)-n(x+r)]2=C2n r2 3(1)式中:n是大气折射率;x和r是位置矢量,r是矢量r的大小;上划线表示系综平均。
对于可见光和近红外光波,折射率主要是由于温度起伏引起的。
与(1)式类似,温度结构常数C2T可定义为[T(x)-T(x+r)]2=C2T r2 3(2)因此可直接由温度结构常数C2T得到C2nC2n=(79×10-6P T2)2C2T(3) 在一些特定地区,有一些人开展过C2n的长期测量。
W allers[1]对地处沙漠的白沙基地一9m高C2n的三年数据,进行了日变化和季节变化的分析。
D avidson[2]在M on terey湾沿光路13km的水面上进行了光学测量C2n和气象参数估算C2n的对比测量。
A ndreas[3]提出在雪地和冰面上用气象资料估算C2n的两种方法。
两年后[4],他用该方法估算了B eaufo rt海浮冰上的C2n,对一年的资料分四个季节进行统计,C2n的概率分布接近beta分布。
Pe2 terko[5]对声雷达测量的C2n进行概率统计,在300m以下其概率分布不是对数正态分布。
这些工作都是在下垫面较为平坦的情况下进行的。
本文统计分析了1997～2000年合肥地区一复杂地形处近地面折射率结构常数C2n的测量数据。
给出了不同下垫面、不同季节、不同高度上C2n的统计结果。
1 实验场地和实验仪器 实验场地位于合肥市一水库旁。
在500m水平路径上设置了21个C2n测量点,各点相距25m。
光路正下方是约2m宽的黄土路面,呈南北走向(与正北夹角约166°)。
图1是实验场地示意图。
1至6号测量点,下垫面是草地,较平坦。
在1号点,7至12号点路面两侧被大面积鱼塘包围,13至18号点路面西侧是水库,东侧是小面积水塘。
19至21号点,路面两侧是灌木丛,东面8m外有一片松树林,西面与水库很近。
由于地面略有坡度,北高南低,因此需将21个点的传感器离地面高度进行适当调整,使之在同一水平线上。
大气湍流测量要求传感器灵敏度高、反应快。
我们研制的温度脉动测量仪,噪声为0.002℃,带宽为0.05～20H z。
微温传感器使用两根直径为10Λm钨丝,组成惠斯登电桥的两臂,测量相距为1m的空间两点温差,传感器输出与两测量点温差起伏成正比。
采样频率为60H z,求出10s的平方平均值后,由泰勒假定可从(2)式得到①收稿日期:2001210210; 修订日期:2002202221基金项目:国家863激光技术领域资助课题(863241029.3)作者简介:吴晓庆(19632),男,助理研究员,从事大气湍流测量与研究工作;E2m ail:xqw u@nao 。
温度结构常数C 2T ,再由(3)式计算出C 2n 。
500m 水平路径上21个C 2n 测量由21个单片机完成,计算机选通各单片机,下达信号采集和数据传送指令,得到各点在同一时间内测量的C 2n 。
500m 水平光路上还等间距设置5个铁塔,测量距地面5m 高度上的温度、湿度、风速和风向。
采用NOV ELL 网和无盘工作站方式进行信号的采集和数据的传送。
此外用辐射总表和直射总表(响应波段为0.3～3Λm )连续自动地每半分钟测量天空向下的漫射辐射和太阳直射辐射,得到了地面的总辐射。
2 统计结果2.1 C 2n 日变化和季节变化 图2是1997年1月和4月C 2n 月平均的日变化。
可以看出C 2n 的强度和两个最小时段随季节变化十分明显。
F ig .1Experi m entati on area 图1 实验场地示意图F ig .2 A verage diurnal variati on of C 2n图2 月平均C 2n 的日变化2.2 不同月份草地和水面上C 2n 累积概率分布 表1是1997年C 2n 测量记录。
在对数据进行统计分析之前,先进行预处理,即剔除因断丝、停电以及数据传输错误等因素造成的异常数据。
1至6号站点测量的C 2n 进行平均,代表草地上的C 2n 。
7至18号站点测量的C 2n进行平均,代表水面上的C 2n 。
8点至16点和20点至4点分别代表白天和夜晚。
图3,图4是不同月份白天和夜晚,草地和水面上C 2n 的累积概率分布。
白天草地上C 2n 月变化规律很清楚,由强至弱的月份依次为:6月、5月、4月、9月、1月。
而白天水面上C 2n 月变化不明显,1月C 2n 最小,9月C 2n 次之,4,5,6三个月C 2n 强弱重叠。
夜晚草地和水面上C 2n 月变化顺序除1月外其它均一致。
对草地上和水面上C 2n 进行比较,白天草地上C 2n 比水面上大,夜晚比水面上小。
图5是各月C 2n 放在一起进行统计的结果。
草地上C 2n 与水面上C 2n 相差不多,80%情况下草地上C 2n 略小于水面上C 2n ,草地上出现大的C 2n 的机会比水面上多。
2.3 不同高度C 2n 累积概率分布 表2是不同高度C 2n 的测量记录。
图6是不同高度C 2n 累积概率分布。
图7是将表2中不同高度上的C 2n 按白天和晚上分别进行平均,得到的平均C 2n 随高度的变化。
由图6和图7可看出,不管白天还是夜晚,C 2n 都随高度的增加而下降,且3～10m 高的C 2n 递减较慢,10～15m 高的C 2n 递减较快。
表1 1997年C 2n 测量记录Table 1 Record of C 2n measuredi n 1997mon th14569sum of data 97400126869508994624633429sum of days 12239106表2 不同高度C 2n 测量记录Table 2 Record of C 2n measured at differen t he ight heigh t m sum of data m easu rem en t peri od 3292463199929～200021110296283199929～200021115127732200023～2000211255强激光与粒子束第14卷F ig .3 Cum ulative p robability distributi ons of C 2n over grass and w ater in dayti m e图3 不同月份白天草地和水面上C 2n累积概率分布F ig .4 Cum ulative p robability distributi ons of C 2n over grass and w ater in nigh tti m e图4 不同月份夜晚草地和水面上C 2n累积概率分布F ig .5 Cum ulative p robability distributi ons of C 2n图5 草地和水面上C 2n 累积概率分布3 数据分析与讨论 由于地表受太阳辐射、地面摩擦等因素的影响,造成了近地面大气风和温度在垂直方向上的不均匀分布,在一定条件下形成了近地面湍流。
辐射过程最显著的特点是日变化,因此近地面湍流则以日变化为主要特征。
355第4期吴晓庆等:近地面折射率结构常数的长期测量和统计分析F ig .6 Cum ulative p robability distributi ons of C 2n in different altitude图6 不同高度C 2n累积概率分布F ig .7 M ean C 2n at different heigh ts图7 平均C 2n 随高度的变化白天由于太阳辐射,地表温度高于气温。
夜晚由于辐射冷却,地表温度低于气温,地表和空气间的能量交换决定了C 2n 的量级。
为了定性以至定量地研究这一问题,我们提出了一种大气光学折射率结构常数的数值模式。
通过解大气边界层风速、位温、绝湿控制方程、表面热平衡方程和土壤热传导方程,得到地表温度、表面层的动量通量、显热通量和潜热通量。
再由M on in 2O bukhov 相似理论,从湍流通量和C 2T 的经验关系计算出C 2n 。
模式需要输入的基本参数是:日期、预报的开始时间和结束时间、经纬度、时区、土壤及地表植被特性(包括地表反照率、土壤类型、土壤含水量、地温、粗糙度等)、两个高度上的温、湿、压、风速、风向和云量等。
图8是用模式[7]计算和实测的晴天不同月份总的向下辐射通量(太阳向下辐射+大气向下辐射)。
两者比较除1月有一点差别外,其它月份几乎一致。
辐射通量强弱排序为:6月、5月、4月、9月、1月。
这与图3白天草地上C 2n 月变化规律一致。
其中1月的辐射通量与其它月份相差较大,其对应的1月C 与其它月份相差也较大(见图2,图3)。
图9是用模式计算的不同月份C 2n 的日变化。
C 2n 强度变化与两个最小值出现的时刻与实测数据基本一致。
夜间C 2n 与太阳辐射没有直接关系,其月变化规律与白天不同。
C 2n 的大小不仅与温度梯度有关,还与风速有很大关系。
下垫面是草地还是水面对C 2n 的产生有较大差别,见图2,图3。