一种大气能见度和湍流强度同步测量光学系统

作者:高鹏;韩永; 刊名:舰船电子对抗 上传者:张晓涛

【摘要】大气透明度和大气湍流是大气科学中两个基本研究对象,是空气质量预报、气候环境模式和边界层研究中重要的气象因子。大气透明度的直观反映是大气能见度,它既是交通运输领域中关系到安全保障的气象要素,也是环境监测领域里体现大气污染程度的重要特征量。同样地,大气湍流引起的折射率起伏会破坏光的相干性,造成光学图像模糊,是天文观测中的难题。然而现有仪器通常单独测量这两个气象参数,忽略了其内在联系,容易导致测量误差。研究了一种大气能见度和湍流强度同步测量光学系统(AVTOM),通过透射法实现大气能见度和湍流强度联合测量,目的是为后续降低由于两者相互作用造成的误差提供数据支撑。对比现有仪器的测量结果:大气能见度和湍流强度测量的相对偏差分别为4.7%和3.5%。

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0 引 言在气象学中,大气能见度和湍流强度是2个重要的研究对象,它们对空气质量预报、边界层过程、气候环境模式的研究有一定的影响[1]。大气能见度是反映大气光学特性的基本因子,其大小主要由消光系数σ决定[2]。一方面,大气能见度可以反映大气污染情况,它是环境污染检测中的重要参数;另一方面,大气能见度还是航空航海等交通领域的安全保障。大气湍流是一种重要的大气运动形式,大气折射率结构常数Cn2通常被用来定量描述其强度大小[3]。由于光束湍流效应的存在,大气湍流会影响传统光传输方法的测量,并且给天文观测带来不便。下面分别简要介绍大气能见度和湍流强度传统的测量方法和研究进展。大气能见度测量技术的研究始于1957年,Ko-shmieder定律的建立为研究大气能见度测量技术奠定了基础[4]。大气能见度的测量方式主要有2种,分别是前向散射式和透射式。前向散射式能见度仪具有体积小、重量轻、成本低等优点,但是测量误差比较大[5]。透射式能见度仪通过测量大气透过率来得到能见度的值,测量精度比较高,但是现有透射式能见度仪并未考虑大气流场对能见度测量的影响,可能存在测量偏差。目前国产前向散射式能见度仪已在我国一些气象部门使用;我国最早研制出的透射式能见度仪是长春气象仪器研究所研制的TS型投透射仪。尽管如此,我国大部分气象部门、机场以及交通道路上所使用的仍然是国外研制的能见度探测仪器。芬兰VAISALA公司研制的LT31透射仪是国际上最具代表性的、普遍应用于我国的机场和气象站[6-7]。对于大气湍流的研究,已有近半个世纪的历史。1977年,Wang等人利用较大非相干光学发射和接收系统测量出大气折射率结构常数Cn2[8]。1999年,Muschinski等人通过分析风廓线雷达垂直方向上的返回信号的功率谱,得到了当地大气折射率结构常数的垂直结构[9]。2001年,Mitev等人研究了接收端激光光束截面图像的饱和度,测得了大气湍流强度[10]。2005年,周孟莲等人使用AMK-02型超声波大气参数综合测量仪也测量得到了大气折射率结构常数Cn2[11]。2007年,Sun等人基于薄光束在大气中传播的理论研究出了测量大气湍流外尺度参数信息的新方法[12]。2015年,袁仁民等人利用大孔径闪烁仪研究出了测量城市表层大气折射率结构参数虚部的新方法[3]。然而,现有的常规仪器忽略了湍流气团和气溶胶粒子之间的相互影响,其测量结果可能存在偏差[13]。一方面大气湍流带动气溶胶粒子运动,另一方面气溶胶粒子也拖曳湍流气团的运动,它们之间的伴随与跟随、迟滞与阻碍、拖曳与被拖曳之间的关系使得我们在探测大气能见度(消光系数)和大气湍流特征时,应该同时考虑它们之间的相互作用,这也是研究、监测和预报污染物扩散分布中的重要环节。为了克服这一不足,准确测量大气能见度和湍流强度,本文研究了一种大气能见度和湍流强度同步测量光学系统(AVTOM),同步获取大气能见度和大气湍流强度。1 测量原理1.1 大气能见度测量原理大气能见度由大气消光系数决定,通常通过测量消光系数来求得大气能见度[14]。气象光学距离(MOR)是指由白炽灯发出的色温为2 700K的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度,世界气象组织(WMO)建议采用这个物理参量来阐述能见度的观测[15]。按照布格-朗伯定律,平行光在大气中的衰减可以表示为:F=F0e-σLF=F0e-σL(1)式中:F为接收光通量;F0为初始光通量;σ为消光系数;L为基线长度。如果用RMO表示气象光学距离,即光通量衰减至5%所经过的距离:RMO=-RMO=-l

参考文献

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