【摘要】：湍流是自然界中最為普遍、應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)象之一,大氣湍流會(huì)對(duì)在大氣中傳輸?shù)墓獠óa(chǎn)生各種湍流效應(yīng),而度量大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度的量為大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2。目前已經(jīng)有很多直接測(cè)量Cn2的技術(shù),但這些測(cè)量方法難免需要付出較大的代價(jià),因此建立Cn2與常規(guī)氣象參數(shù)之間的關(guān)系,利用容易測(cè)量的常規(guī)氣象參數(shù)來(lái)估算Cn2廓線,這已經(jīng)成為大氣光學(xué)湍流的重要研究?jī)?nèi)容。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)大氣光學(xué)湍流廓線模式研究做了大量的工作,除了在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)Cn2廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合得到的C2廓線經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?還有基于湍流基本理論,通過(guò)外尺度建立的常規(guī)氣象參數(shù)廓線與Cn2廓線間關(guān)系的Tatarski公式,由此派生出多種外尺度模式。其中Thorpe外尺度模式中的Thorpe尺度由Thorpe提出,為了量化水體翻轉(zhuǎn)的尺度規(guī)模。該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋學(xué)中,主要研究分析水體的湍流混合情況,并對(duì)湍混合參數(shù)(能量耗散率、擴(kuò)散系數(shù))進(jìn)行估計(jì)。在大氣科學(xué)以及流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域,主要應(yīng)用于辨別流體中湍流混合區(qū)及估算不同的湍流參數(shù),但利用Thorpe尺度進(jìn)行大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度Cn2的估算并不多見。本文對(duì)新疆庫(kù)爾勒、西藏拉薩以及廣東茂名海邊探空測(cè)量的Cn2數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用Thorpe尺度利用Tatarski公式估算了上述三個(gè)地區(qū)的Cn2廓線,并與實(shí)測(cè)Cn2進(jìn)行比較,以判斷Thorpe尺度估算Cn2的有效性。并據(jù)此將該方法首次運(yùn)用到尚未進(jìn)行Cn2廓線探空測(cè)量的南極點(diǎn)South Pole的Cn2估算,用于南極天文選址。本文的主要工作以及得到的結(jié)論如下:(1)統(tǒng)計(jì)分析了新疆庫(kù)爾勒、西藏拉薩以及廣東茂名海邊探空實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),得到了三地Cn2廓線,結(jié)果表明,三地的白天Cn2廓線相對(duì)于夜間的Cn2廓線,在量級(jí)上要大1～2個(gè)量級(jí);在所考慮的高度范圍內(nèi)(0～25 km)Cn2平均廓線都會(huì)有不同程度的起伏波動(dòng),但一般夜間湍流變化波動(dòng)幅度較大,以上這些現(xiàn)象均明顯地展現(xiàn)出三個(gè)地區(qū)的Cn2平均廓線的晝夜差異。在近地面層,拉薩地區(qū)的Cn2平均廓線遞減速度快于其它兩個(gè)地區(qū),最小值出現(xiàn)的相對(duì)高度也低于其它兩個(gè)地區(qū);拉薩和茂名的Cn2平均廓線均在15 km附近出現(xiàn)了明顯的鼓包,而庫(kù)爾勒地區(qū)沒(méi)有明顯的鼓包,以上這些現(xiàn)象均明顯地展現(xiàn)出三個(gè)地區(qū)的Cn2平均廓線的地域差異。(2)基于Tatarski參數(shù)化方案,結(jié)合Thorpe尺度方法估算了新疆庫(kù)爾勒、西藏拉薩以及廣東茂名海邊這三個(gè)地區(qū)的C2廓線,無(wú)論是量級(jí)還是廓線的整體趨勢(shì)上都展現(xiàn)出了較好的一致性,尤其是在5～20km的高度范圍內(nèi),湍流測(cè)量值的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)都能在估算值中反映出來(lái),總體而言估算值與實(shí)測(cè)值較為吻合。而且定量的統(tǒng)計(jì)分析表明,庫(kù)爾勒、拉薩以及茂名海邊的Thorpe尺度估算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相關(guān)度分別為69%、68%、60%,平均相對(duì)誤差均在5.0%以下,上述這些都能夠表明Thorpe尺度方法估算光學(xué)湍流廓線是可行的。(3)通過(guò)下載的南極點(diǎn)常規(guī)氣象參數(shù)數(shù)據(jù)資料,結(jié)合Tatarski參數(shù)化方案與Thorpe尺度方法估算出南極點(diǎn)夏、冬兩季的Cn2廓線,計(jì)算了大氣相干長(zhǎng)度、視寧度、等暈角等參數(shù)和邊界層高度以上及邊界層內(nèi)的視寧度及其對(duì)整層(0～25 km)視寧度的貢獻(xiàn),將之與文獻(xiàn)結(jié)果比對(duì)。結(jié)果表明:估算的Cn2在近地面隨高度迅速遞減,300 m后隨高度緩慢減小,5 km以后出現(xiàn)一個(gè)鼓包,10 km后隨高度穩(wěn)定遞減,呈現(xiàn)出湍流主要集中于300 m以下這一特點(diǎn)。Thorpe尺度估算的南極點(diǎn)冬季整層視寧度為1.87",270 m以上高度視寧度為0.39",與文獻(xiàn)報(bào)道較為吻合�；谝罁�(jù)Tatarski參數(shù)化方案,結(jié)合Thorpe尺度方法可以較好地估算出上述幾個(gè)地區(qū)的Cn2廓線,但是在表示某些高度大氣光學(xué)湍流廓線細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的變化上,還不能充分吻合,這還需要大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)Thorpe尺度方法進(jìn)行進(jìn)一步的改善,如能提高探空數(shù)據(jù)的分辨率,對(duì)提高Thorpe尺度方法的估算效果也有一定幫助。此外本文結(jié)果主要是根據(jù)以上幾個(gè)地區(qū)有限的探空資料提出來(lái)的,對(duì)于其它地區(qū)Thorpe尺度是否可行,這還需要長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累,有待進(jìn)一步探討驗(yàn)證。
【圖文】：

圖２．１達(dá)芬奇圖畫［４２］逡逑現(xiàn)代科學(xué)對(duì)湍流的研宄可以追溯到１９世紀(jì)后期Ｒｅｙｎｏｌｄｓ的工作。從那時(shí)起逡逑到現(xiàn)在湍流的研宄主要可以分為三種學(xué)派，如圖２．２所示。盡管它們之間會(huì)有重逡逑疊部分，但都有明確的開端以及特征。第一個(gè)稱之為統(tǒng)計(jì)學(xué)派，第二個(gè)稱之為結(jié)逡逑構(gòu)學(xué)派，最后一個(gè)稱之為數(shù)值模擬學(xué)派，下面我們將逐一介紹在這三個(gè)學(xué)派湍流逡逑研宄的主要發(fā)展歷程。逡逑１９世紀(jì)后期，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ進(jìn)行了著名的雷諾實(shí)驗(yàn)，首次在圓管水流實(shí)驗(yàn)中系逡逑統(tǒng)地觀測(cè)到湍流現(xiàn)象，他的觀測(cè)不僅標(biāo)志著湍流科學(xué)研宄的開始，也標(biāo)志著湍流逡逑研宄中統(tǒng)計(jì)學(xué)派的開端。Ｒｅｙｎｏｌｄｓ的觀測(cè)結(jié)果使他將流動(dòng)變量分解為平均部分和逡逑擾動(dòng)部分，確定了湍流形成的判據(jù)即運(yùn)動(dòng)由層流轉(zhuǎn)換為湍流的判據(jù)——雷諾數(shù)，逡逑他的主流觀點(diǎn)認(rèn)為湍流是一種隨機(jī)現(xiàn)象。隨后Ｐｒａｎｄｔｌ邋［４３］在１９２５年提出的“混合逡逑長(zhǎng)度理論”，增加了統(tǒng)計(jì)方法的可信度，盡管這一方法在湍流流動(dòng)的預(yù)測(cè)上從未逡逑真正成功過(guò)，但它在對(duì)某些簡(jiǎn)單流動(dòng)所做出的假設(shè)方面做得相當(dāng)好。接下來(lái)，重逡逑要的一環(huán)就是Ｔａｙｌ0ｒ［４４］對(duì)湍流的研究

用ＰＩＶ系統(tǒng)對(duì)湍流平面進(jìn)行了速度測(cè)量，對(duì)湍流的多尺度相干結(jié)構(gòu)間歇性進(jìn)行逡逑了實(shí)驗(yàn)探究。逡逑標(biāo)準(zhǔn)的基本ＰＩＶ系統(tǒng)如圖２．５所示［８２］，粒子布撒器、脈沖光源、同步器、圖逡逑像采集部分以及后處理共同構(gòu)成了邋ＰＩＶ系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作流程可描述為首逡逑先將示蹤粒子均勻地布撒在流場(chǎng)中，然后脈沖激光片光源照亮氣體中直徑為幾微逡逑米的粒子或者是液體中直徑為幾十微米的粒子，這些粒子經(jīng)過(guò)光源的照射在流場(chǎng)逡逑中發(fā)生散射，于是這些粒子的位置就會(huì)多次被圖像采集部分（如ＣＣＤ）所采集逡逑到，一般脈沖光源的發(fā)生器會(huì)每隔一段時(shí)間就會(huì)發(fā)射激光，在這段時(shí)間間隔內(nèi)，逡逑通過(guò)同步器的工作，圖像采集部分能夠采集到兩張粒子的分布圖，最后經(jīng)過(guò)一系逡逑列的后處理過(guò)程（得到位移以及曝光時(shí)間）就可以得到粒子的速度，而ＰＩＶ技逡逑術(shù)的主要原理就是利用在流場(chǎng)中的示蹤粒子的速度來(lái)代替其所在流場(chǎng)中位置點(diǎn)逡逑的速度。獲得速度的具體原理如圖２．６所示［８３］，，當(dāng)上述脈沖光源發(fā)生器發(fā)射激光逡逑的間隔時(shí)間足夠短
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P425.2

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本文編號(hào)：2694432