光学学报, 2013, 33 (3): 0301004, 网络出版: 2013-01-14   

基于风廓线雷达的光波段折射率结构常数方法研究与理论仿真

Research and Theoretical Simulation on the Optical-Wave Refractive-Index Structure Constant Using Wind Profile Radar
作者单位
1 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
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
摘要
湍流对光在大气中的传播有重要影响。光波段折射率结构常数是描述湍流强度的物理量。通过风廓线雷达回波分析是研究湍流强度的新方法。利用风廓线雷达计算出湍流耗散率和平均风的垂直梯度,结合温度、气压等常规气象参数,可估算光波段折射率结构常数,计算的量级在10-18~10-13 m-2/3之间,符合实际情况,证明了方法的可行性。同时对不同等压面上压强梯度、温度梯度及湿度对折射率结构常数的影响进行了数值计算。结果表明,同一等压面上压强梯度改变对C2n影响很小,可忽略不计;而温度梯度改变对结果有较大影响,故对温度廓线的测量有较高的精度要求;相对湿度10%~90%的变化对光波段折射率结构常数的影响低于一个量级,因此在晴空大气条件下,湿度项可以忽略。
Abstract
Turbulence gives effect on the light propagating in the atmosphere. There is an important parameter describing the turbulent strength which is the optical-wave refractive-index structure constant. Analyzing the echo of wind profile radar provides a new method to study turbulent strength. Calculating the turbulent dissipation rate and vertical gradient of mean velocity using wind profile radar, and combining the data of meteorological parameters, the optical-wave refractive-index structure constant C2n can be estimated. The order of magnitude of C2n is 10-18~10-13 m-2/3. The results are coincident to the actual condition, which proves that the new method is feasible. The effect of pressure gradient, temperature gradient and humidity on the refractive-index structure constant on different isobaric surfaces is simulated simultaneously. The results show that: pressure gradient can be ignored because of its small effect on C2n, while temperature gradient may have large effect on C2n, so there should be higher precision in actual measurement. The variation between 10% and 90% of relative humidity causes less than one order of magnitude of C2n, which demonstrates humidity can be ignored in clear air.

张彩云, 翁宁泉, 高慧, 姚远成, 孙刚, 刘庆, 肖黎明. 基于风廓线雷达的光波段折射率结构常数方法研究与理论仿真[J]. 光学学报, 2013, 33(3): 0301004. Zhang Caiyun, Weng Ningquan, Gao Hui, Yao Yuancheng, Sun Gang, Liu Qing, Xiao Liming. Research and Theoretical Simulation on the Optical-Wave Refractive-Index Structure Constant Using Wind Profile Radar[J]. Acta Optica Sinica, 2013, 33(3): 0301004.

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