吳曉慶

(中國科學院 安徽光學精密機械研究所中國科學院大氣成分與光學重點實驗室，安徽 合肥 230031)

大氣光學湍流強度估算和預報方法研究

吳曉慶

(中國科學院 安徽光學精密機械研究所中國科學院大氣成分與光學重點實驗室，安徽 合肥 230031)

大氣光學湍流；估算；預報

引 言

湍流是近百年來物理學中尚未解決好的一個極為艱難的重大課題.從1883年Reynolds開始現(xiàn)代湍流研究以來，對湍流的認識在不斷深化，一些杰出科學家留下了他們的足跡.如Taylor(1921)的渦模型[1]、Prandtl(1925年)的混合長模型[2]、Von Karman(1930年)相似模型[3]、Richardson(1922年)多尺度級串模型[4]、Kolmogorov(1941年)局地各向同性模型[5]、周培源(1945年)湍流動力學方程[6]、Lorentz(1963年)發(fā)現(xiàn)奇異吸引子[7]以及混沌現(xiàn)象等是這一期間研究湍流的最主要成果.目前大多數(shù)人的觀點是：湍流是多尺度有結構的不規(guī)則的流體運動，其基本物理特性可由Navier-Stokes方程來描述.隨著計算機的迅速發(fā)展，湍流的數(shù)值模擬逐漸興起.能分辨所有尺度湍渦的數(shù)值模擬稱為直接數(shù)值模擬(Direct Numerical Simulation, DNS).DNS方法，由于不需作簡化和假設，直接求解已知初始條件和邊界條件的Navier-Stokes方程組，成為研究低雷諾數(shù)、簡單幾何邊界湍流的主要工具之一.Coleman(1990)等使用DNS揭示了Ekman層的湍流特征[8].受限于目前計算機的容量和速度，我們還不能對104量級以上的高Reynolds數(shù)湍流進行直接數(shù)值模擬.作為DNS方法的一種折中，大渦數(shù)值模擬(large eddy simulation, LES)方法，采用合適濾波器，將大尺度湍渦和小尺度湍渦分開，對Navier-Stokes方程做過濾運算，通過建立亞格子應力模型(過濾掉的小尺度湍渦對大尺度湍渦的作用稱為亞格子應力)，來模擬包含大于過濾尺度的所有含能大尺度運動.盡管LES方法比DNS方法節(jié)省很大的計算量，而且在大氣邊界層等領域展現(xiàn)不俗的研究潛力[9-13]，但仍受到計算機容量和速度的限制，LES模擬Reynolds數(shù)較高的對流邊界層以及復雜邊界條件下的湍流，減少數(shù)值模擬湍流與實際湍流之間的誤差仍需要相當長的時間.

1 近地面大氣光學湍流強度估算

(1)

(2)

圖1 模式估算的與溫度脈動儀測量的的比對Fig.1 Comparison of estimated by model and measured by micro-thermometer

2 高空大氣光學湍流強度估算

圖2 建立高空大氣光學湍流模式方框圖Fig.2 Schematic of atmospheric optical turbulence model

Tatarski公式形式為：

(3)

(4)

(5)

(6)

S是風剪切量.

與Dewan類似的HMNSP99外尺度參數(shù)化公式增加了溫度梯度.

(7)

(8)

外尺度經(jīng)驗公式還有Coulman公式.

(9)

圖3 溫度、風速、風向廓線的探空測量結果 圖廓線模式與實測值的比較Fig.3 Measure results of temperature,wind speed,wind direction and Fig.4 Comparison of four models and observed data

圖5 高美古模擬與實測的廓線比對. (a)溫度廓線；(b)風速廓線；廓線Fig.5 Comparison of model and observed data in Gaomeigu, (a) temperature,(b)wind

3 中尺度氣象模式預報高空大氣光學湍流強度

大氣中包含有大、中、小尺度的大氣運動系統(tǒng).其中“中尺度系統(tǒng)”的概念是在50年代初隨著氣象雷達和加密觀測網(wǎng)的發(fā)展而形成的.它一般是指時間和水平空間尺度比常規(guī)探空網(wǎng)的時空密度小，但比積云單體的生命期及空間尺度大得多的一種系統(tǒng).中尺度天氣預報模式是通過一系列方程模擬反映大氣參數(shù)如溫度、氣壓、水汽、風速等隨時間的演變.模式內(nèi)的大氣三維空間被分割成一系列網(wǎng)格點陣，每個格點上的氣象參數(shù)值代表了當時大氣的狀況.網(wǎng)格點數(shù)量愈多，模式分辨率愈高，空間分辨率提高一倍，所需計算量將提高16倍.

表1 基本模擬參數(shù)設置

4 結論

近地面模式估算和溫度脈動儀測量在量級和變化趨勢基本一致.對于復雜的下墊面，夜晚穩(wěn)定的大氣條件，選擇合適的相似性函數(shù)，提高模式估算精度有待深入研究.

采用Dewan、HMNSP99、Coulman和Sterenborg四種外尺度模式對值進行估算，并與探空測量的值進行了比較.HMNSP99模式估算的值和測量值在量級和變化趨勢上相接近.

WRF模式模擬光學湍流強度與實測結果基本一致.

構建合適的光學湍流外尺度參數(shù)化公式，進行中尺度模式與微尺度模式嵌套，開展光學湍流參數(shù)化新方法的研究，是今后提高光學湍流估算和預報精度努力的方向.

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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

國家自然基金面上項目(41275020,41576185).

吳曉慶(1963-),男,博士,研究員,博士生導師，主要從事大氣湍流測量與模式研究.

吳曉慶.大氣光學湍流強度估算和預報方法研究[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2016，39(6)：511-515.

TN24

A

1001-2443(2016)06-0511-05