利用中尺度数值气象模式预报大气光学湍流

摘要

光学湍流效应是制约光电工程应用的重要影响因素，定量描述湍流效应与折射率结构常数（C2n）有关。对于具体的光电工程应用，一般可以用多种测量仪器进行C2n的实时实地测量，以定量分析湍流效应。然而，在许多光电工程的设计及可能的应用场景中，需要对应用场景的C2n进行大范围、长期系统地测量，这是测量仪器难以胜任的。近十多年来，利用中尺度数值气象模式获取大气光学湍流参数逐渐成为国际上较为关注的研究热点，为此我们尝试开展了利用数值气象模式(WRF)预报C2n廓线及其随时间变化特征的研究。本文总结了国内外C2n建模以及预报模型研究的基础上，开展了利用WRF模式预报丽江高美古天文观测站、茂名博贺海洋观测站、新疆库尔勒地区的C2n廓线以及不同下垫面（南海近海面、南极泰山站冰雪面、成都内陆等）C2n时间演变特征的研究。本文主要围绕WRF模式预报C2n的技术特点和难点以及可行性，开展了以下几方面的研究工作:
　　1.详细介绍了WRF模式基本情况包括模式框架、坐标方程、物理参数过程等，同时介绍了WRF模式在PC机上的安装流程、初始场数据的使用以及调试运行等。
　　2.用常规气象参数估算C2n廓线的方法主要是依据Tatarskii模式，而Tatarskii模式中外尺度是关键参数，但难以直接测量。研究对比了四种外尺度参数化模式（Dewan模式、Coulman模式、Sterenborg模式和HMNSP99模式）。用探空气球实测的常规气象参数估算的C2n廓线与湍流气象探空仪实测的C2n廓线进行对比。发现采用四种外尺度模式估算的C2n廓线无论在变化趋势上还是量级上，四种模式之间的差异都很大。发现在与外尺度有关的如温度梯度、风速梯度、Richardson数等几个参数中，加入了温度梯度和风速梯度的HMNSP99外尺度模式估算的C2n与测量的C2n在变化趋势和量级上最为接近。
　　3.基于WRF模式，结合Tatarskii模式和HMNSP99模式分别预报了高美古、茂名以及库尔勒等三个典型地区的温度、风速和C2n廓线，并用湍流气象探空仪实测的相应廓线作为对比。结果表明:WRF预报的温度和风速廓线与三个地区的探空实测结果非常接近，相关性可分别达到90％、80％以上。预报的C2n廓线基本满足C2n随高度变化的特征，相关性在75％左右，但C2n廓线的变化细节与实测值差异稍大。三个典型地区气候类型各异，表现出的C2n廓线分布特征也具有明显的气候类型差异。总体来说WRF预报的高美古地区的C2n廓线要好于在茂名和库尔勒地区的预报值。
　　4.以Monin-Obukhov相似理论为依据并结合Bulk空气动力学方法，利用WRF模式预报了中国南海近海面上、中国南极泰山站冰雪面上以及中国内陆成都地区近地面层常规气象参数（如温度、湿度、风速、风向，等）和C2n。用自动气象站和温度脉动仪实测的近地面层常规气象参数以及C2n作为对比验证，结果显示WRF预报的近地面层常规气象参数以及C2n与实测值吻合的较好，而且预报值能够准确地反映出近海面上，冰雪面上的常规气象参数以及C2n的日变化特征。使用了如平均偏差(Bias)、均方根误差（RMSE）、纠正偏差（σ）、相关系数(Rxy)、列联表等统计工具分析了预报值的稳定性和可靠性，其相关统计结果是令人满意的。成都、南海以及南极泰山站在一定程度上代表了陆地、海面以及冰雪面等典型的下垫面类型，从对比结果可以看出C2n的日变化特征具有显著的地域性差异。总体来看，WRF模拟冰雪面上的C2n与实测结果吻合的最好，海面上次之，陆地上最差。陆地上的环境更加复杂多变，测量点受周围影响较大，并且模式的水平分辨率有限，这些因素可能是陆地上预报值与测量值差异较大的原因。
　　通过在高美古、茂名、库尔勒三个典型地区以及陆地、海面、冰雪面等不同下垫面的C2n的估算预报和测量对比表明，利用WRF模式预报的C2n廓线和近地面层C2n在变化趋势和量级上与实测数据基本相符合，但在WRF模式预报的常规气象参数的空间分辨率和精度、不同下垫面的光学湍流参数化方法等方面还需要进一步的改进和完善。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究进展

1．3 本文的结构安排

第2章 大气光学湍流的基本理论

2．1 大气湍流的概述

2．2 Kolmogorov湍流模型

2．3 Kolmogorov湍流面临的挑战

2．4 大气光学湍流强度的描述方法

第3章 大气光学湍流的测量

3．1 温度脉动仪测量Cn2

3．2 超声风速计测量Cn2

3．3 湍流气象探空仪测量Cn2廓线

3．4 湍流气象探空仪技术特点

3．5 本章小结

第4章 大气光学湍流廓线的模式研究

4．1．1 SLC模式

4．1．2 AFGL AMOS夜间模式

4．1．3 CLEARI夏季模式

4．1．4 兴隆、台肥和昆明模式

4．2 Cn2廓线参数化模式

4．2．1 Hufnagel模式

4．2．2 NOAA模式

4．2．3 Tatarskii模式

4．3 Cn2廓线预报模式

4．4 本章小结

第5章 大气光学湍流的预报方法研究

5．1．1 基本框架

5．1．2 坐标系统

5．1．3 基本方程

5．1．4 前处理系统

5．1．5 嵌套方法

5．1．6 物理参数化方案

5．1．7 WRF的安装

5．1．8 WRF的运行

5．2 利用WRF模式预报Cn2

5．2．1 基于Tatarskii模式预报Cn2廓线

5．2．2 基于相似理论预报近地面层Cn2

5．3 本章小结

第6章 典型地区大气光学湍急的预报结果

6．2 茂名Cn2廓线

6．3 库尔勒Cn2廓线

6．4 高美古、茂名祀库尔勒地区Cn2廓线的预报结果对比分析

6．5 中国南海近海面Cn2

6．5．1 模式设置与原位测量

6．5．2 Cn2预报结果

6．5．3 统计分析

6．6 中国南极泰山站冰雪面Cn2

6．6．1 模式设置与原位测量

6．6．2 Cn2模拟结果

6．6．3 统计分析

6．7 成都地区近地面Cn2

6．7．2 Cn2模以结果

6．7．3 统计分析

6．8 近地面层(海面、雪面、陆面)Cn2的预报结果对比分析

6．9 本章小结

第7章 总结与展望

7．2 后续研究展望

7．2．2 改进优化

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果