大气光学湍流强度估算和预报方法研究

吴晓庆

(中国科学院 安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽 合肥 230031)

大气光学湍流强度估算和预报方法研究

吴晓庆

(中国科学院 安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽 合肥 230031)

大气光学湍流；估算；预报

引 言

湍流是近百年来物理学中尚未解决好的一个极为艰难的重大课题.从1883年Reynolds开始现代湍流研究以来，对湍流的认识在不断深化，一些杰出科学家留下了他们的足迹.如Taylor(1921)的涡模型[1]、Prandtl(1925年)的混合长模型[2]、Von Karman(1930年)相似模型[3]、Richardson(1922年)多尺度级串模型[4]、Kolmogorov(1941年)局地各向同性模型[5]、周培源(1945年)湍流动力学方程[6]、Lorentz(1963年)发现奇异吸引子[7]以及混沌现象等是这一期间研究湍流的最主要成果.目前大多数人的观点是：湍流是多尺度有结构的不规则的流体运动，其基本物理特性可由Navier-Stokes方程来描述.随着计算机的迅速发展，湍流的数值模拟逐渐兴起.能分辨所有尺度湍涡的数值模拟称为直接数值模拟(Direct Numerical Simulation, DNS).DNS方法，由于不需作简化和假设，直接求解已知初始条件和边界条件的Navier-Stokes方程组，成为研究低雷诺数、简单几何边界湍流的主要工具之一.Coleman(1990)等使用DNS揭示了Ekman层的湍流特征[8].受限于目前计算机的容量和速度，我们还不能对104量级以上的高Reynolds数湍流进行直接数值模拟.作为DNS方法的一种折中，大涡数值模拟(large eddy simulation, LES)方法，采用合适滤波器，将大尺度湍涡和小尺度湍涡分开，对Navier-Stokes方程做过滤运算，通过建立亚格子应力模型(过滤掉的小尺度湍涡对大尺度湍涡的作用称为亚格子应力)，来模拟包含大于过滤尺度的所有含能大尺度运动.尽管LES方法比DNS方法节省很大的计算量，而且在大气边界层等领域展现不俗的研究潜力[9-13]，但仍受到计算机容量和速度的限制，LES模拟Reynolds数较高的对流边界层以及复杂边界条件下的湍流，减少数值模拟湍流与实际湍流之间的误差仍需要相当长的时间.

1 近地面大气光学湍流强度估算

(1)

(2)

图1 模式估算的与温度脉动仪测量的的比对Fig.1 Comparison of estimated by model and measured by micro-thermometer

2 高空大气光学湍流强度估算

图2 建立高空大气光学湍流模式方框图Fig.2 Schematic of atmospheric optical turbulence model

Tatarski公式形式为：

(3)

(4)

(5)

(6)

S是风剪切量.

与Dewan类似的HMNSP99外尺度参数化公式增加了温度梯度.

(7)

(8)

外尺度经验公式还有Coulman公式.

(9)

图3 温度、风速、风向廓线的探空测量结果 图廓线模式与实测值的比较Fig.3 Measure results of temperature,wind speed,wind direction and Fig.4 Comparison of four models and observed data

图5 高美古模拟与实测的廓线比对. (a)温度廓线；(b)风速廓线；廓线Fig.5 Comparison of model and observed data in Gaomeigu, (a) temperature,(b)wind

3 中尺度气象模式预报高空大气光学湍流强度

大气中包含有大、中、小尺度的大气运动系统.其中“中尺度系统”的概念是在50年代初随着气象雷达和加密观测网的发展而形成的.它一般是指时间和水平空间尺度比常规探空网的时空密度小，但比积云单体的生命期及空间尺度大得多的一种系统.中尺度天气预报模式是通过一系列方程模拟反映大气参数如温度、气压、水汽、风速等随时间的演变.模式内的大气三维空间被分割成一系列网格点阵，每个格点上的气象参数值代表了当时大气的状况.网格点数量愈多，模式分辨率愈高，空间分辨率提高一倍，所需计算量将提高16倍.

表1 基本模拟参数设置

4 结论

近地面模式估算和温度脉动仪测量在量级和变化趋势基本一致.对于复杂的下垫面，夜晚稳定的大气条件，选择合适的相似性函数，提高模式估算精度有待深入研究.

采用Dewan、HMNSP99、Coulman和Sterenborg四种外尺度模式对值进行估算，并与探空测量的值进行了比较.HMNSP99模式估算的值和测量值在量级和变化趋势上相接近.

WRF模式模拟光学湍流强度与实测结果基本一致.

构建合适的光学湍流外尺度参数化公式，进行中尺度模式与微尺度模式嵌套，开展光学湍流参数化新方法的研究，是今后提高光学湍流估算和预报精度努力的方向.

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Research of Atmospheric Optical Turbulence for Estimating and Forecasting

WU Xiao-qing

(Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031,China)

atmospheric optical turbulence; estimating; forecasting

10.14182/J.cnki.1001-2443.2016.06.001

2016-10-08

国家自然基金面上项目(41275020,41576185).

吴晓庆(1963-),男,博士,研究员,博士生导师，主要从事大气湍流测量与模式研究.

吴晓庆.大气光学湍流强度估算和预报方法研究[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2016，39(6)：511-515.

TN24

A

1001-2443(2016)06-0511-05