一种大气相干长度的计算和预报方法

1.本发明涉及大气光学领域，更具体地说，涉及一种大气相干长度的计算和预报方法。


背景技术：

2.大气相干长度又称为弗里德常数，最初是在天文观测中得到应用的。其物理意义是光学系统对经过大气湍流扰动的光波成像时，其分辨率不会超过口径为的光学系统的衍射极限分辨率，即光波经大气湍流传播后，其相位扰动的空间相干尺度最大为。因此，它可以表征大气条件对光束质量的影响程度，成为激光大气传输以及自适应光学研究领域中的重要参量。因此对大气相干长度进行测量是研究湍流大气对激光传输影响和自适应光学校正的一个必不可少的环节。
3.目前大气相干长度的主要测量方法有三种。其一，沿光传播路径布点测量局域的折射率结构常数并积分得到的湍流路径积分法。这种方法在进行长距离路径上大气相干长度的测量时湍流积分法需要大量布置单点测量设备，不仅使用效率低下且在某些特殊场合难以开展工作。其二，通过测量大气中光束波前的到达角起伏获得的差分像运动法。其三利用光闪烁效应测量光传播路径中等效平均的再积分得到的光强闪烁法。差分像和光闪烁虽然能够有效实现长距离的相干长度的探测，但是首先于其测量原理和仪器性能的性能，其测量结果存在许多影响其测量精度的误差因素。包括子瞳大小和间距、曝光时间和采样时间、星像范围的判据等。并且目前方法都难以实现大气相干长度的高时空分辨率的探测和预报。


技术实现要素：

4.1．要解决的技术问题针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种大气相干长度的计算和预报方法，它可以利用数值模式或实际探测获得的风场、温度廓线、压强廓线获得大气相干长度，其基本原理为首先根据风场、湍流动能耗散率、温压廓线计算得到大气折射率结构常数，然后，进而可通过大气折射率结构常数的路径积分项快速、准确计算和预报高分辨率的相干长度。
5.2．技术方案为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
6.一种大气相干长度的计算和预报方法，包括以下步骤：s1、通过仪器探测或数值预报模式获取风场、温度廓线、压强廓线数据；s2、计算湍流耗散率、水平风切变、位温脉动项的方差梯度、梯度理查森数、保守量位折射率的梯度中间变量；
s3、识别对流边界层（cbl）高度，夜间稳定边界层（sbl）高度；s4、根据大气边界层状态，分别计算大气折射率常数；s5、根据大气相干长度和大气折射率常数的关系，通过路径积分可以反演得到大气相干长度的。
7.3．有益效果相比于现有技术，本发明的优点在于：（1）本方案根据风场、湍流动能耗散率、温压廓线计算得到大气折射率结构常数，进而可通过的路径积分项快速、准确计算和预报高分辨率的相干长度；（2）本方案根据原始场数据来源实现高时空分辨率大气相干长度的计算和预报，该原始场数据为风场、温度、压强等数据，这些数据来源广泛简单，可很容易从成熟的探测设备测量得到，也可以直接从大气数值模式获得，具有成本低、适用范围广、容易获取等优点。
附图说明
8.图1为本发明实施例提供的一种大气相干长度的计算和预报方法的流程图；图2为本发明实施例提供的一种大气相干长度的计算和预报方法大气折射率常数和相干长度计算结果显示图。
具体实施方式
9.下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
10.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
11.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
12.一种大气相干长度的计算和预报方法，如图1所示，包括以下步骤：s1、通过仪器探测或数值预报模式获取风场、温度廓线、压强廓线数据；所述风场为分别为东西风、南北风、垂直风温度廓线为,压强廓线为，其中为高度。
13.这些参数获取方法包括大气数值预报模式(wrf等)获得，也可以通过激光雷达、探空仪、微波辐射计等大气探测设备实时探测获得。
14.s2、计算湍流耗散率、水平风切变、位温脉动项的方差梯度、梯度理查森数、保守量位折射率的梯度等中间变量。
15.本发明实施例中，以激光雷达探测数据为例，计算湍流耗散率。具体的，利用径向风速脉动量计算实测方位角速度结构函数，并结合kolmogorov模型中的理论横向速度结构函数，来计算耗散率：假设风在一小时内稳定的，在统计上的是均匀，计算径向速度的脉动分量：其中第个距离门对应距离。为第个扫描周期, 第个方位角，第个距离门对应的径向速度。为第个距离门对应高度。方向矢量，激光雷达仰角为。为风廓线。
16.进一步计算空间结构函数得：其中为方位步进角，为选取扫描的周期数目，为单个周期的径向数目，采用kolmogorov模型中的理论横向速度结构函数为：式中，，，是低频滤波器的纵向传输函数，，是光速，是发射脉冲脉宽，,是瞬时窗长，；是低频滤波器的横向传输函数。
17.进一步得湍流耗散率的表达公式为：进一步地，计算水平风矢量在垂直方向上的切变：
进一步地，计算梯度理查森数，其中为brunt-v
ä
is
ä
l
ä
频率：其中为平均位温，，位温有：进一步地，计算保守量位折射率的梯度：s3、识别对流边界层（cbl）高度，夜间稳定边界层（sbl）高度。
18.本实施例中由耗散率测量大气边界层高度，选取合适的阈值，对应的高度即为大气边界层高度。示例的，。进一步地中cbl和sbl的转换可根据日出、日落时刻决定。
19.s4、根据大气边界层状态，分别计算大气折射率常数。
20.由于对流边界层（cbl）不同高度以及夜间稳定边界层（sbl）大气运动状差异，需要根据不同时段和高度选择对应方法。
21.对流边界层:在光学波段，折射率结构常数与温度结构常数有如下关系：近地面层(),为高度，为cbl高度(由取阈值10-4
得到),有：其中，充分混合层()：其中和分别为垂直风和位温脉动项的方差。
22.cbl上部()和稳定边界层：
其中：取2，8，，是普朗特常数，有：因此，可汇总为：s5、根据大气相干长度和大气折射率常数的关系，通过路径积分可以反演得到大气相干长度的：其中：，为激光波长，为天顶角，为高度为h处的大气折射率常数。为权重函数，为目标位置高度。
23.图2为本实施例提供的和计算结果，其中风场数据由相干多普勒测风激光雷达获得和温度数据微波辐射计获得，压强数据由数值模式获得。图2中的(a)为大气折射率常数计算结果，图2中的(b)中结果为地对空垂直探测时的单程结果。可以发现白天湍流活动较强时，可降至10cm以下，因此对于10cm以上口径的望远镜已经可以产生一定影响。而日落后(18:00)至夜间，逐渐上升至大于30cm，表明了晴朗无云的天气下，这种较高海拔(1160m)的草原地形夜间具有很好的天文观测条件。
24.以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。