合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式

度的起伏波动 ， 夜间的波动幅度较大 。 从廓线的整体来看 ， 白天的湍流比夜间的湍流要高 １～２ 个量级 ， 这些现
２ 象都说明合肥地区 犆 狀 随高度变化的昼夜差别 。
Ｆ ｉ ． １ Ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｌ ｅｏ ｆ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔｏ ｆ ｒ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｉ ｎ ｄ ｅ ｘｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ｎＨ ｅ ｆ ｅ ｉ ｇ ｇ 图 １ 合肥地区昼夜大气湍流强度平均廓线
（ ）
２
（ ） ３
［］ ２ 它安装在气象用 Ｐ ２型温度脉动探空仪 ７ ， 大气温度结构常数 犆犜 的测量采用了安徽光 机 所 研 制 的 ＱＨＴ 的１ 气球的上升速度为 ３ ／ 。 探测器使用两个相距 １ｍ、 长度 ２． 直径 １ ２ ０ 号气球上 ， ０ ０ｍ ｍ ｉ ｎ ４ｃ ｍ、 ０μ ｍ 的铂 丝 电阻 ， 测量两点的温度差 犜１ －犜２ ， 频 率 响 应 范 围 是 ０． ， 系 统 噪 声 ０． ０ ５～３ ０Ｈ ｚ ０ ０ ２ Ｋ。 信 号 用 调 频 方 式 调 制
２ ２ 因此对 犆 由于大气折射率结构常数 犆 狀 在不同时间和不同季节随高度的变化都不相同 ， 狀 不同季节随高度 ２ 夏、 秋、 冬 变化规律的研究也非常必要 。 图 ２ 是在合肥地区不同季节的 犆 狀 随高度分布的平均廓线 。 数据按春 、 ２ 不同季节进行分类 ， 在高度上同样分别用 ５ 不同季节 犆 ０ｍ 和 ２ ０ ０ ｍ 为 一 层 作 平 均。 从 图 中 可 以 看 出， 狀 随高
［ ］ ９ 季风气候明显 ， 常年湿润多雨 、 气候温和 ， 温度梯度 和 合肥地处由亚热带向暖温带过渡的湿润气候地区 ， ２ 风速梯度变化不大 。 通过对上述大量探空实验数据的统 计分 析 得出了 合肥 地区 犆 狀 随 高度变 化的 垂 直 分 布 特 ２ 性， 并以此为基础对合肥地区 犆 狀 的垂直分布模式进行了研究 。
会受到大气湍流的影响而产生各种效应 ， 如闪烁 、 相位起伏等 ， 大气湍流影响光波主 光波在大气中传播时 ， 随机起伏的湍流会引起折射率的随机起伏 ， 使大气变成一 要是由于大气湍流所引起的大气折射率起伏造成的 ， 种随机起伏的介质 ， 破坏光波的相干性 。 尤其是随着现代非线性动力学的进展 ， 大气湍流在各种时空尺度大气 过程的突变及其可预报性中可能扮演着重要的角色 。 因 此 ， 大气湍 流 研究在 大气科 学 中 的 地 位 与 意 义 日 益 突 出 。 由于大气湍流对光波的传播起着破坏性作用 ， 若能充分掌握湍流效应的规律 ， 就可为正确和妥善使用激光 工程提供依据 ， 同时也可为利用湍流效应提供的信息进行湍流特征和大气性质的遥感探测提供理论基础 。 大气湍流强度随高度分布廓 ０～２ ５ｋ ｍ） 本文主要利用大量实地探空测量数据统 计 分 析 得 出 了 合 肥 地 区 （ 线， 研究了大气湍流随高度分布结构的昼夜变化和季 节变 化特征 ， 并以 Ｈ ｕ ｆ ｎ ａ ｅ ｌ Ｖ ａ ｌ ｌ ｅ ｇ ｙ 模式为 基 础 拟 合 得 出 合肥地区高空湍流统计模式廓线 。
２ 实验结果和分析讨论
２． １ 合肥地区大气折射率结构常数分布廓线 在受到地球复杂表面和各种天气条件影响的大气边界层 （ 白天一般 大气湍流强度随高度的分布非常复杂 ，
２ 在 １～２ｋ ， 大气折射率结构常数 犆 ｍ 高度 ） 狀 主 要 受 到 地 面 热 辐 射 引 起 的 不 稳 定 对 流 的 影 响。 在 自 由 大 气 中， ［ ２ １ ０］ 大气折射率结构常数 犆 。 狀 主要受到温度梯度和风速梯度的综合作用 ２ Ｐ ２ 型高灵敏度温度脉动探空仪实测的大气折射率结构常数 犆 图 １ 是在合肥地区用 ＱＨＴ 狀 随高度 分布 的 平均廓线 。 测量时间从 ２ 测 量 高 度 为 ０～３ 数 据 按 白 天 和 夜 间 进 行 分 类， 为 ０ ０ ５ 年 １ 月到 ２ ０ ０ ５年１ ２月， ０ｋ ｍ， ２ 从０～２ｋ 了 更细致地了解 犆 ｍ 用５ ０ｍ 为一层作平均 ， ２ｋ ｍ 以上用２ ０ ０ｍ 为一层作平均 。 狀 随高度的变化规律 ， ２ ２ ２ －１ ５ 从图中可以看出 ， 一般低层的 犆 犆 ０ 狀 比高层的大 ， 狀 随着高度的增加有逐渐减小的趋势 。 地面的 犆 狀 一 般在 １ ／ －１ ４ ２ ２ 随着高度的上升 ， 在 １～１． 并 有 少 量 的 增 大 趋 势， 白天的 犆 ０ ｍ－２ ３ ， 犆 ５ｋ ｍ 减 小 趋 缓， ～１ 狀 迅速减小 ， 狀 大约 ２ １ １］ 在 ２ｋ 夜间的 犆 由 于在 此高度范 围内正 好存 在覆盖 逆温层 ［ ， 对 ｍ 处有所增大 ， ７ｋ ｍ 处有所增大 ， 狀 大约在 １． ２ ２ 伴 有 少 量 的 起 伏 波 动， 白天 犆 ｍ 开始 犆 狀 的变化趋势会有所影响 。 从 ３ｋ 狀 随着高度的增 加逐渐 递减趋于 稳定 ， ／ ／ －１ ７ －２ ３ －１ ８ －２ ３ ２ ２ 在１ 左右 ， 夜间在 １ 左右 。 白天 犆 夜间 犆 在２ ０ ｍ ０ ｍ ０ｋ ｍ处 狀 减小的趋势较缓和 ， 狀 减小幅度较大 ， ／ ／ －１ ９ ２ －１ ７ ２ 而白天的 犆 在此期间犆 已降至 １ ０ ｍ－２ ３ 左右 ； ０ｋ ｍ 之下一 直 维 持 在 １ ０ ｍ－２ ３ 左 右 ， 狀 在２ 狀 同样有不同程
在４ 的载波上 ， 由发射机发射到地面 ， 由Ｇ 再解 调后由 计算机串 行口直 接采 ０ ０ ＭＨ ｚ Ｔ Ｋ－４ ０ ０探空接收机接收 ，
２ ０ ０ ７ ０ ７ ２ ０； ２ ０ ０ ７ １ ２ ０ ６ 收稿日期 ： 修订日期 ： 基金项目 ： 国家高技术发展计划项目 作者简介 ： 孙 刚（ ， 男， 硕士 ， 主要从事光激光大气传输的研究 ； 。 １ ９ ７ ７—） ｓ ｕ ｎ＠ａ ｉ ｏ ｆ ｍ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ｇ
第２期
孙 刚等 ： 合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式
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２ ２ ２ 度的分布是有差别的 。４ 个季节 犆 即低层的犆 犆 狀 廓 线 从 整 体 来 看 变 化 趋 势 大 体 相 同， 狀 比 高 层 的 大， 狀 随高度 ／ ２ ５ －１ ４ 但各自的变化特点却不相同 。 地面的 犆 随着高 度的 上 的增加有逐渐减小的趋势 ， ０－１ ０ ｍ－２ ３ ， ～１ 狀 一般在 １ ２ ２ ２ 升， 其中春 、 秋两季 犆 在１ 犆 ４ 个季节的 犆 ５ｋ ｍ以 狀 迅速减小 ， 狀 随高度的变化各不相同 ， 狀 的变化 趋势大 体一致 ， ／ －１ ７ ２ 从１ 夏季 犆 在２ 下 基本维持在 １ ０ ｍ－２ ３ 左右 ， ５ｋ ｍ 以上开始减小趋势逐渐增大 ； ５ｋ ｍ 以下 狀 的变化略有不同 ， ／ ／ ７ ２ ９ 从２ 在３ 一直保持在 １ ０－１ ｍ－２ ３ 左右 ， ５ｋ ｍ 开 始迅速减 小 ； ０ｋ ｍ 以上 ， ３ 个季节 的 犆 ０－１ ｍ－２ ３ 左 狀 均 减小到 １ ２ 右 。 这表明在局部高度区间不同季节的大气湍流强度基本 一致 ， 四季的 犆 在此期间均有 狀 整体都 是缓 慢递减 ，
０卷 第２期 第２ ０ ０ ８年２月 ２
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激
光
与
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子
束
Ｈ Ｉ ＧＨ Ｐ ＯＷＥ ＲＬ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ ＡＮ ＤＰ Ａ Ｒ Ｔ Ｉ Ｃ Ｌ ＥＢ Ｅ ＡＭ Ｓ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ０， Ｎ ｏ ． ２ ， Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ ０ ８
文章编号 ： （ ） ０ ０ １ ４ ３ ２ ２ ２ ０ ０ ８ ０ ２ ０ １ ８ ３ ０ ６ １
１ ห้องสมุดไป่ตู้ ４
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第２ ０卷
８］ 集， 每秒钟采集 １ 采样 ２． 。 测量得到两点的温度脉动差值 ， 平均则得到大气温度结构常数 ［ ０ ０次， ５ｓ ２ （ 犜１ －犜２） （ ） ４ ／ ２ ３ 狉 可以 实时 得到仪 器所 在 高 度 的 温 度 值 和 Ｐ ２ 型温度脉动探空仪同时装有温度传感器和气压传感 器 ， ＱＨＴ 气压值 。 由压高公式就可以准确得到仪器实时的飞行高度 。 由式 （ ） 和 ） 就可以计算出不同高度的大气折射 ３ （ ４ ２ 犆 犜 ＝ ２ 率结构常数 犆 狀。
在合肥地区共施放了近２ 利用探空气球携带自行研制的 ０ ０ ５年１月到２ ０ ０ ５年１ ２ 月， ４ ０ 份 探 空， 从 ２ ２ 大 气 温 度 和 气 压， 探空气球施放地点位于 ＱＨＴ Ｐ ２ 型高灵敏度温度脉动探空仪测量大气折射 率 结 构 常 数 犆 狀、 其中很多接 近 ３ 合肥市西郊董铺水库中间的半岛上 。 气球的探测高度一般在 ２ ０ｋ ｍ 以上 ， ５ｋ ｍ 的高度 。 施 放 的天气条件一般选择在晴朗的天气 ， 从早晨 ８ 时至夜间 １ 有 ０ 时连 续施放 。 每天 的施 放 探 空 个 数 平 均 为 ５ 次 ， 时根据实际天气状况有所变化 。
１ 实验测量
主要是关心小尺度湍流运 动 ， 这通 常满 足 Ｋ ｏ ｌ ｍ ｏ ｏ ｒ ｏ ｖ 局地 均匀 各 在讨论光波传播中的大气湍流效应时 ， ｇ 向同性的假定 。Ｋ 但在小尺度的情况下温度起伏或折射率起 ｏ ｌ ｍ ｏ ｏ ｒ ｏ ｖ 的理论是在速度起伏的基础上推导的 ， ｇ
］ １ 伏同样可以认为满足局地均匀各向同性的假定和结构函数的 “ ／ ” 定律 ［ 。 具体情况表示为 ２ ３ ／ ２ ２ ２ ［ ］ 〉＝ 犆 （ ） 犇狀 （ 狉）＝ 〈 狀（ 狉 狉） 狉 狉３ １ －狀（ １＋ １） 狀 ／ ２ ２ ２ ３ ［ ］〉＝ 犆犜 （ ） 犇犜 （ 狉）＝ 〈 犜（ 狉 狉） 狉 狉 ２ －犜（ １＋ １） ２ ２ 式中 ： 〈 〉 表示系综平均 ； 和 犇犜 （ 分 别 是 折 射 率 和 温 度 的 结 构 函 数； 犇狀 （ 狉） 狉） 犆 狀 和 犆犜 分 别 是 折 射 率 和 温 度 的 结 构常数 ； 通常用 结构常数 可以表示湍 流的强 度 ， 大 狀 为折射率 ； 犜 为大气温度 。 对于局地均匀各向同性的湍流 ， ［ ］ ２ ２ ５ 气折射率结构常数 犆 。 狀 是表示大气光学湍流强度的一个重要参数 ２ ２ 犆 狀 和 犆犜 之间的关系为 ２ ２ １ ２ － ９狆 犆 犆 ０ 狀 ＝ ７ 犜 ×１ 犜２ ［ ］ ６ 式中 ： 狆 为大气压力 。 这就是折射率结构常数直接测量的依据和方法 。
合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式
孙 刚， 翁宁泉 ， 肖黎明
（ 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 大气光学中心 ， 合肥 ２ ） ３ ０ ０ ３ １

Ｐ ２ 型温度脉动探空仪对合肥地区大气折射率结构 常 数 进 行 了 长 期 连 续 的 实 地 探 空 摘 要 ： 利用 ＱＨＴ 对大量探空实验数据的统计分析得出合 肥 地 区 （ 折 射 率 结 构 常 数 随 高 度 分 布 廓 线， 并以国际 测量 ， ０～２ ５ｋ ｍ） 广泛应用的 Ｈ 合 ｕ ｆ ｎ ａ ｅ ｌ Ｖ ａ ｌ ｌ ｅ ｇ ｙ 模式为基础拟合得出合肥地区大气折射率结构常数统计模式 廓 线 。 研 究 发 现 ： 肥地区大气湍流随高度分布廓线存在明显的昼夜和季 节 变 化 ， 大气湍流在随高度增加而减小的趋势上叠加了 随机起伏 ， 并具有鲜明的跳跃式结构 ； 合肥地区的高空湍 流 模 式 廓 线 较 好 地 符 合 实 测 的 平 均 廓 线 ， 能反映自由 — — 指数递减和对流层增强 。 大气中湍流随高度分布的重要特征 — 关键词 ： 应用光学 ； 大气湍流 ； 大气折射率结构常数 ； 廓线 ； 模式 ４ ３ ７ 文献标识码 ： 中图分类号 ： Ｏ Ａ