雪面上光学湍流的测量与估算

　　光波在大气中传输时会受到小尺度折射率起伏的影响,小尺度折射率的起伏将引起光束扩展、光斑抖动和相干性退化等。光波段主要由温度起伏引起的空气折射率的随机变化称为光学湍流。20世纪60年代以来,已有很多学者开展了海洋、沙漠、农田、城市等不同下垫面上的光学湍流强度折射率结构常数C2n的模式研究[1]。然而雪面上C2n的测量或模式研究很少,已有的研究也多是集中在海冰面上或者极区环境。E.L.An-dreas[2-3]依据相似理论,提出了两种由常规气象参数估算雪面上C2n的方法,理论分析了两种估算方法的不确定性,并给出了海冰面上C2n估算值的季节变化情况,但由于缺乏实测C2n数据,无法对这些估算结果进行检验,也没有给出海冰面上C2n日变化情况。本文测量了雪面上的C2n,并与bulk法和涡旋相关法估算结果进行了对比,提出了稳定条件下的相似函数。

　　1　光学湍流C2n的估算方法

　　1.1　涡旋相关法

高度,其大小与下垫面粗糙单元有关,又称为地面粗糙长度[6];温度粗糙度zT和湿度粗糙度zq合称为标量粗糙度,分别是对数温度、湿度扩线外推至雪表面温湿值时的离雪面高度[2]。本文采用E.L.Andreas提出的雪面上的粗糙度参数化方案[2,7],以迭代法求解式(5)和(6)中的特征尺度。

　　2　实验概况和数据处理

　　实验地点位于合肥董铺水库的北岸,实验数据来源于35 m铁塔,塔附近地形较为平坦。在实验地点东南面100 m之外有两个小池塘和一片树林,北面150 m左右有几处15 m高的小楼房。2008年1月28到2月1日期间为大雪后的晴朗天气,平均雪厚达30 cm。

　　塔上仪器布置如图1所示。第二层(10 m)为美国Compbell公司生产的CAST3超声风速仪及Li-7500 CO2/H2O分析仪,用来测量3维风速、超声虚温和水汽含量。在塔的南侧1.5 m高度上安装了CNR1辐射仪测量长短波辐射。塔上安装了温度、湿度、风速风向传感器。其中温度、湿度、风速、风向和辐射测量20 s记录一次,3维风速脉动、超声虚温脉动和湿度脉动信号采样频率为50Hz。气象数据每5 min平均一次输入到bulk模式中。

　　在泰勒湍流冻结假设下,结合平均风速,从超声虚温脉动的时间序列信号,计算出空间两点温差的平方平均,可得到光学湍流C2n的测量值。

　　将原始数据以8 192个点为长度(约3 min),剔除野点,去除线性趋势,经过坐标旋转后,3个方向的风速脉动u′,v′,w′和温度脉动t′即可得到,计算出湍流通量,进而求出特征参数u*,T*,q*和L。最后由涡旋相关法估算出C2n。

　　bulk模式中,雪表面的温湿值非常重要,本文用CNR1辐射仪测量的长波辐射强度来反算雪表面温度[5]