一种边界层大气湍流强度高度分布的检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于大气湍流检测技术领域，涉及一种边界层大气湍流强度高度分布的检 测方法。
【背景技术】
[0002] 离地面l_2km左右的大气边界层是人类生活和生产活动的主要空间，地气之间的 相互作用以及大气污染主要发生在这里。由于大气边界层中的流体运动几乎总是处于湍流 状态，所以湍流自然成为大气边界层物理研究的基础问题。
[0003] 近年来，由于光传输工作的开展和深入，基于Monin-Obukhov相似理论，国内外已 有许多人在一些特定地区建立了大气湍流模式，有的已应用于光传输工程。边界层大气湍 流的产生主要是由于地气能量交换形成的，受下垫面影响很大，而有些湍流模型过于依赖 相关参数的测量。但是针对有些测量设施不很齐全，又非常需要掌握边界层大气湍流变化 特性的地区，依赖相关参数的测量方法则行不通了。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的问题在于提供一种边界层大气湍流强度高度分布的检测方法，将边 界层大气分稳定状态和非稳定状态，只需输入温度、湿度、压强和风速等易测量的常规气象 参数，即可给出边界层大气湍流强度高度变化特性。
[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0006] -种边界层大气湍流强度高度分布的检测方法，将边界层大气分为稳定状态和非 稳定状态，当Z/L大于1时为稳定状态，当Z/L小于1时为非稳定状态，其中Z为距地面高 度，L为大气湍流外尺度；
[0007] 按照以下操作分别给出其边界层Cn2变化：
[0008] 1)对于非稳定状态的边界层大气，首先获取参考高度z Jm]处大气湍流强度高度 分布Cn2(z。）的值，利用（1)式给出距地面z[m]高度处的边界层大气折射率结构常数的高 度分布Cn2 (z):
[0010] 其中，z。为距离地面IOOm内，z Jm]为逆温层高度；
[0011] 2)对于稳定状态的边界层大气，获取湍流外尺度值、温度和压强，利用⑵式给出 距地面z [m]高度处的边界层大气湍流强度高度分布Cn2 (z):
[0013] 其中P为距地面z [m]高度处的压强[PJ，T为距地面z [m]高度处的温度[K]，γ =9. 8 X 10 3K/m为干空气绝热递减率，L。为湍流外尺度[cm]。
[0014] 所述的检测方法时对戈壁沙漠地区的边界层大气的特性的检测。
[0015] 所述参考高度zJm]处大气湍流强度高度分布Cn2 (z。）的值通过仪器测量得出。
[0016] 所述的湍流外尺度L。的获取为：
[0017] 首先将边界层风速代入（4)式，得出风剪切S :
[0019] 其中
为X方向风速的垂直梯度，
为y方向风速的垂直梯度；
[0020] 然后将风剪切S代入（3)式得出湍流外尺度L。：
[0022] 所述的温度、风速和压强的获取是通过探空气球携带的电子探空仪对高空气象探 测而得到。
[0023] 所述将获取的大气湍流强度值按月进行几何平均，绘制边界层大气湍流强度高度 分布图。
[0024] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0025] 本发明提供的边界层大气湍流强度高度分布的检测方法，根据戈壁沙漠地区边界 层大气的特性，将边界层大气分稳定状态和非稳定状态，然后分别对两种状态的边界层大 气湍流强度进行检测。而分别检测之后，只需要结合参考高度处大气湍流强度值和常规气 象参数温度、压强和风速等，就可以给出边界层大气湍流强度高度分布特性。本发明的检测 方法所依赖的参数相对简单，获取容易，而且计算方便，克服了过于依赖相关参数的测量的 缺陷。
[0026] 本发明提供的边界层大气湍流强度高度分布的检测方法，将所得计算数据与H-V 模型计算结果进行图形比对和相关性分析，得到很好的一致性；验证了所建边界层大气湍 流高度分布模型的合理性、可靠性和适用性。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明提出的模型得到的边界层大气湍流强度高度分布计算结果；
[0028] 图2为本发明的计算结果与H-V模型计算结果比对图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0030] 大气边界层是大气的低层部分，依赖于日变化和气象条件，其热力学特性直接受 地气间相互作用的影响，每天天气条件的变化也支配着边界层特性，边界层大气湍流对整 层大气湍流有很大的贡献。
[0031] 本发明根据戈壁沙漠地区边界层大气的特性，将边界层大气分为稳定状态和非稳 定状态（划分规则参见许利明，吴晓庆，王英俭.利用中尺度天气预报模式预报大气光学 湍流[J].大气与环境光学学报，2008, 3 (4) : 270-275,当Z/L大于零时为稳定状态，当Z/L 小于零时为非稳定状态），进而提出一种戈壁沙漠地区边界层大气湍流的高度分布的参数 化模型。
[0032] 对于非稳定状态的边界层大气，基于Kaimal模式（Edmand A. Daytime comparisons of Cn2 models to measurements in a desert location. Adaptive Optics，1985,551:861-3091)，结合在参考高度zQ[m]处大气湍流强度Cn 2(z。）的值， 此值取在离地面100m内，即在近地面层，利用仪器测量或者公式计算（胡月宏，强希 文，冯建伟，等.基于气象参数戈壁沙漠地区近地面大气湍流建模[J].强激光与离子 束.2010, 22(12) :2799-2802.)得到的近地面大气湍流强度值。给出距地面z [m]高度处的 边界层大气湍流强度的高度分布
[0034] 其中Z1Dn]为逆温层高度。
[0035] 对于稳定状态的边界层大气，可利用Dewan模式如下：出.]\1〇6?^11，1?』.6〇〇(1，1?· Beland, J. Brown. A MODEL FOR Cn2(OPTICAL TURBULENCE)PROFILES USING RADIOSONDE DATA[c], AD-A279 399.1994.)
[0037] 其中P为距地面z [m]高度处的压强[PJ，T为距地面z [m]高度处的温度[K]，γ =9. 8X 10 3K/m为干空气绝热递减率，L。为湍流外尺度[cm]，有：
[0041] 其中#^为X方向风速的垂直梯度，?^为y方向风速的垂直梯度。 Oz ?ζ
[0042] 对非稳定状态下边界层大气湍流，可利用（1)式结合参考高度ζ Jm]和逆温层高 度Z1 [m]以及在参考高度zjm]处大气折射率