大气光学湍流强度估算和预报方法研究吴晓庆【摘要】本文简述利用常规气象参数,基于Monin-Obukhov相似理论估算近地面Cn2和基于Tatarski公式估算高空Cn2的方法和估算结果,并给出了利用中尺度气象模式WRF开展的预报Cn2的研究成果.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.【期刊名称】《安徽师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(039)006【总页数】5页(P511-515)【关键词】大气光学湍流;估算;预报【作者】吴晓庆【作者单位】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【正文语种】中文【中图分类】TN24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.湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播产生重要的影响，原因是大气中存在小尺度折射率起伏，我们称为大气光学湍流.大气折射率结构常数是描述大气光学湍流的重要参数，从某种意义上说，知道了时空分布，就可以计算出大气光学湍流对光电系统的影响.仪器测量和模式估算是获取时空分布最常用的两种方法.因受人力、物力所限难以在全国大范围内进行大气光学湍流较长时间的现场测量，若实现用常规气象参数的方法估算高空光学湍流，则可利用地域广数据量多的常规气象资料，再结合光学湍流现场观测数据的检验，就可获得在地域、气候等方面具有代表性地区可靠的高空光学湍流数据.如何用常规气象参数估算光学湍流，反映的是平均气象场与随机湍流场的内在联系，开展这方面工作可以加深大气湍流自身规律如湍流产生机制等物理问题的研究.光学湍流预报涉及多学科如大气科学(包括气象学、大气物理)、计算数学和计算机计术、光学工程(包括天文选址、光传输和光通讯)、湍流测量技术等其它学科和领域的交叉和融合.这种多学科的交叉和融合，既是挑战也是机遇.近几年我们开展了用常规气象参数进行大气光学湍流强度估算和预报方法研究.本文简述基于Monin-Obukhov相似理论开展的近地面的估算结果；基于Tatarski公式和气象探空数据，开展的高空的初步研究；以及利用中尺度气象模式WRF开展的预报的研究.相似理论是研究边界层湍流模式的基石.我们运用Monin-Obukhov相似理论[14]，用Bulk方法，通过测量两高度层上的风速、温度、绝对湿度差值，估算出湍流通量，得到折射率结构常数.式中L是Monin-Obukhov长度，△T为两层的温差，△q是两层湿度差，rTq是温湿相关项系数.系数A、B分别为分别是温度结构常数、风速、温度的无量纲普适函数.茂名博贺海洋气象科学试验基地位于广东省西南部(21°27′N，111°18′E)，南濒南中国海.我们研制的移动式大气参数测量系统安装在岸基观测站.图1是模式估算的与温度脉动仪测量的的比对.模式输入的常规气象参数是两层气温、相对湿度、风速.z1=0.50m，z2=2.15m.测量时间2012年9月26日至10月19日共24天.模式估算和温度脉动仪测量在量级和变化趋势基本一致.但夜晚稳定的大气条件下，模式估算精度有待深入研究.国内外有许多学者提出了廓线模式.这类模式是在大量观测数据基础上总结出的经验公式，基本上代表的是一个统计平均的结果.模式中的参数仅含有高度或少量的气象参数.如SLC模式、AFGL AMOS 夜晚模式、CLEAR Ⅰ夜晚模式、Hufnagel-Valley(5/7)模式、冬季兴隆廓线模式等，限于篇幅，其表达式这里不再赘述，参见参考文献[15].图2是建立高空大气光学湍流模式方框图.Tatarski公式形式为：这里,T是绝对气温(K)，P是气压(hPa)，γa是干空气绝热递减率(9.8×10-3-1),h是高度(m)，L0是湍流外尺度.Dewan在实验数据基础上将看作是风切变的函数：对流层平流层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.对流层平流层外尺度经验公式还有Coulman公式.我们通过测量30km以下的温度、湿度、气压、风速风向和，对常规气象参数估算的与实测的进行比对.图3是在合肥进行的温度、风速、风向廓线的一次探空实例，测量时间为2014年5月7日21:48:58-23:46:34.图4是四种外尺度模式(Dewan、HMNSP99、Sterengorg、Coulman)估算的结果与测量值的比较[16].从变化趋势和量级看，HMNSP99的外尺度模式估算的与测量值接近.文献16对现有的典型模式进行比对.给出了四种廓线模式(SLC模式、AFGL AMOS 夜晚模式、C LEARⅠ夜晚模式、Hufnagel模式)估算的，和四种外尺度模式(Dewan、HMNSP99、Sterengorg、Coulman)估算的，并与温度脉动探空仪测量的进行了比较，归纳出的实测值和模式值的一些共同特点和差异，指出选择合适的外尺度模式是用Tatarski公式估算的关键.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.从数学角度，气象模式就是一组数学物理方程，在给定初始条件和边界条件下，就可以得到这组数学物理方程的解.湍流能量从大尺度涡旋向小尺度级串，为人们定性和定量地认识湍流的多尺度现象,从中尺度天气预报模式估算小尺度湍流成为可能.中尺度气象模式最具代表性的是MM5(The Fifth-Generation Mesoscale Model)和WRF(Weather Research and Forecast).两种模式源代码开放，从相关网站可获取全球气象观测基础数据库、全球高程数据库、全球土壤和植被系数数据库等模式运行所需的基础数据.Coulman(1986)[17]最早提出有可能从气象参数预报大气光学湍流.Bougeault(1995)[18]则采用流体静力假设的中尺度模式PERIDOT，法国探空网提供初值条件，首次实现了使用中尺度气象模式估算和预报法国境内Lachens山附近视宁度.2007年我们[19]国内率先开展了利用MM5预报高空的初步研究，在此基础上进行了WRF模式预报光学湍流的进一步研究[20-22].图5是我们运用WRF估算云南天文台高美古站光学湍流强度的一次实例[22].丽江高美古观测站(100.03°E,26.69°N)海拔高度约3227m.模拟平台采用Lenovo Product系列台式计算机，4核CPU，4G内存和1T容量硬盘.操作系统采用Linux架构下的Ubuntu(10.04 LTS)系统.采用3层网格嵌套，东西方向格点数从外到内分别为65，91，124；南北方向格点数从外到内分别为49，61，97；网格分辨率从外到内分别为36，12，4 km；静态地形数据的分辨率为10＇，5＇，2＇；投影方式采用lambert正型投影；输入的初始场资料为再分析场数据(FNL)，分辨率为1°×1°.顶层气压设置为10 hPa.基本模拟参数设置见表1.WRF模拟的气温、风速廓线与我们自行研制的湍流气象探空仪测量的结果基本一致.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.【相关文献】[1] TYLOR G I. 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