1、第 18 卷 第 2 期2023 年 3 月大 气 与 环 境 光 学 学 报JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND ENVIRONMENTAL OPTICSVol.18 No.2Mar.2023利用气象火箭探测资料估算戈壁地区利用气象火箭探测资料估算戈壁地区高空折射率结构常数廓线高空折射率结构常数廓线耿 丹 1*,赵增亮 2,范志强 2,吴作伟 1,李东阳 1,张向星 1(1 63611部队,新疆 库尔勒 841000;2 北京应用气象研究所,北京 100029)摘要:大气光学湍流严重影响光学系统的正常工作，大气折射率结构常数C2n廓线的获取是计算大气湍流影响效应的基础，而目前
2、C2n廓线的实测与估算通常限于平流层底部以下，对于平流层中部以上的C2n廓线则研究较少。为了研究更高高度的C2n分布特征，利用戈壁地区气象火箭探测获取的常规气象参数，以30 km为界分两层估算了C2n廓线，在30 km以上，探索性地尝试了基于Tatarskii公式的参数化方案。研究结果表明：在30 km以下，估算的C2n数量级和变化趋势与历史数据较一致；在30 km以上，在假定满足均匀各向同性理论情况下，估算的C2n随着高度增加整体呈减小趋势且变化平稳，平均数量级从10-20减小到10-23。由于目前关于湍流的理论基础还不够完善，因此本文对30 km以上C2n的估算还仅仅是探索性的尝试，但为认
3、识平流层以上C2n特性提供另一种思路与参考。关 键 词:大气光学;折射率结构常数;湍流参数化;气象火箭;常规气象参数中 图 分 类 号:P427.1 文 献 标 识 码:A 文章编号:1673-6141(2023)02-099-009Estimation of refractive index structure constant profile at high altitude in Gobi area based on meteorological rocket sounding dataGENG Dan 1*,ZHAO Zengliang 2,FAN Zhiqiang 2,WU Zuow
4、ei 1,LI Dongyang 1,ZHANG Xiangxing 1(1 Unit 63611 of PLA,Korla 841000,China;2 Beijing Institute of Applied Meteorology,Beijing 100029,China)AbstracAbstract t:Atmospheric optical turbulence seriously affects the normol operation of optical systems.The acquisition of the profile of atmospheric refract
5、ive index structure constant C2n is the basis for calculating the effect of atmospheric turbulence,however,the research of the refractive index structure constant C2n profile is usually under 30 km presently.In order to study the C2n profile on higher altitude,the C2n profile in Gobi area is estimat
6、ed in two parts taking 30 km as the boundary based on the conventional meteorology DOI:10.3969/j.issn.1673-6141.2023.02.002基金项目:国家自然科学基金项目(41575031)作者简介:耿 丹(1989-),湖北十堰人,工程师,主要从事大气环境、大气光学探测与研究。E-mail:收稿日期:2021-10-22;修改日期:2021-11-29*通信作者。大 气 与 环 境 光 学 学 报18 卷parameters obtained from meteorological ro
7、cket sounding,and regarding to the the C2n profile above 30 km,Tatarskii optical turbulence parameterization scheme and outer scale model HMNSP99 are used tentatively.The results show that under 30 km,the magnitude order and changing trend of estimated C2n are consistent with those of historical dat
8、a,and at the altitude above 30 km,assuming that the homogenous and isotropic turbulence is satisfied,the estimated C2n decreases steadliy with the increase of altitude,with the average magnitude order decreasing from 10-20 to 10-23.Because of the lack of basic theory about turbulence,the estimation
9、of C2n above 30 km in this work is tentative,however,it provides another idea and reference for further understanding the characteristics of the C2n profile above the stratosphere.K Keyey wordswords:atmospheric optics;refractive index structure constant;turbulence profile;meteorological rocket;conve
10、ntional meteorology parameters0 引 言大气光学湍流会对光波的传输产生光束漂移、闪烁、抖动等湍流效应,严重影响着光学系统的正常工作。大气折射率结构常数C2n是描述大气光学湍流强度的重要参数,因此获取大气折射率结构常数廓线是计算大气湍流影响效应的基础。然而,由于大气湍流测量方法和成本的限制,难以像常规探空业务一样进行长期多点测量,因此国内外学者也采用模式估算的方法估算C2n廓线。目前常用的C2n估算模式分为经验模式和参数化模式两种,经验模式是基于大量实测数据建模得到的,例如CLEAR1模式、SLC模式、AFGL模式、兴隆C2n廓线模式等1;参数化模式主要是基于Tat
11、arskii公式2,利用高空风速、位温、气压等常规气象要素对C2n进行估算。许利明等3,4将多种C2n估算方法进行了比较,证明了利用包含风场参数的外尺度公式估算C2n的相对合理性;青春等5,6利用中尺度数值天气预报模式(WRF)模式和Tatarskii公式进行了典型地区的高空大气光学湍流预报,结果表明预报的C2n廓线基本符合C2n随高度变化的特征。目前C2n廓线的估算通常局限于平流层底部以下,对于平流层中部以上的C2n研究则少见报道。虽然大气75%的质量主要集中在对流层,平流层以上大气密度低,但研究表明高空风切变和温度梯度可能是引起大气光学湍流的重要原因7,而在平流层可能存在较强的风切变,此外
12、,在中间层也存在强烈的大气对流,温度垂直递减率很大,因此平流层以上的C2n的估算也具有重要意义。然而C2n廓线的模式估算通常是基于Kolmogorov局地均匀各向同性假定8,目前的研究表明局地均匀各向同性假设在低空适用性较好,而在平流层以上的高空,真实湍流特征比较复杂,局地均匀各向同性理论基础不足,湍流外尺度模式在更高高度的适用性也缺乏验证。要估算更高高度的C2n廓线,则须获取更高高度的常规气象参数,目前常规气球探空数据在平流层以上的探测准确性存疑,而气象火箭能够获取2060 km的常规气象参数,是十分重要的临近空间大气参数原位测量手段,很好地弥补了气球探空的不足。为了研究更高高度的C2n分布
13、特征,本文利用戈壁地区气象火箭探测获取的常规气象参数,基于前人的经验,以30 km为界分两层对C2n廓线进行估算。在30 km以上,探索性、尝试性地将基于Tatarskii公式的C2n参数化方案扩展应用,估算假定满足均匀各向同性理论情况下,C2n的数量级和变化趋势,为平流层以上C2n的研究提供一种思路和参考。100第 2 期耿 丹,等:利用气象火箭探测资料估算戈壁地区高空折射率结构常数廓线1 气象火箭探测资料某型气象火箭的工作原理为:利用火箭将探空仪和降落伞送至70 km以上高度,在探空仪和降落伞的下落过程中,原位探测下落区域2060 km临近空间的大气温度、气压、密度、风场数据;20 km以
14、下则采用探空气球数据拼接,得到完整的地面至60 km的气象参数。其中,大气温度数据是利用热敏电阻直接测量后经过误差修正获得,气压数据是利用压高公式通过基点气压求解得出,密度数据是利用温度、气压通过理想气体状态方程求解得出,风速风向数据是利用探空仪导航定位信息计算得出。气象火箭部分参数如表1所示。范志强等9已经对该型气象火箭的探测精度进行了综合评估,证明了探测数据是可信的。相对于气球探空,气象火箭探测高度更高,能够获取全部平流层及部分中间层的气象参数;相对于参考大气或通用大气模式、风场模式,其时空分辨率更高,可反应更多的细节;相对于卫星遥感探测,其测量要素更全,能够同时测量温度和风场数据。在西北
15、戈壁地区利用气象火箭进行了数次大气探测,以冬季一次探测为例(实际探测高度58 km),获取的大气参数廓线和计算的风切变、温度梯度如图1所示。由图可知,当地冬季对流层顶约12 km,平流层顶约45 km 图1(a),在平流层中部观测到剧烈的风切变 图1(e)和较强的温度梯度波动 图1(f),且二者往往同时出现。平流层中部观测到的剧烈风切变,可能与西风急流有关。2 C2n参数化基础理论根据Tatarskii提出的基本理论,折射率结构常数C2n表示为10,11C2n=L4/30M2,(1)式中a为常数,通常取2.8;L0为湍流外尺度(m),M为位势折射率梯度,表示为M=7910-6PT2(dTdh+
16、a),(2)式中P为压强(hPa),T为温度(K),h为海拔高度(m),a为干空气绝热递减率(9.8 10-3 km-1)。由式(1)、式(2)可看出,C2n可表示为常规气象参数T、P和外尺度L0的函数。对于外尺度L0,目前常用的经验模式有Sterenborg模式12、Coulman模式13、Dewan模式14、HMNSP996模式等。其中Sterenborg模式直接将外尺度L0选取为1 m;Coulman模式是利用实测的C2n和大量常规气象数据分段拟合得到的,L0是高度的函数;Dewan 模式是在大量实验基础上获得的,将L0与风切变联系起来;HMNSP99模式与Dewan模式类似,加入了温度梯度项。吴晓庆15的研究表明,这几种常用的外尺度模式中,表1 气象火箭部分参数Table1 Partial parameters of meteorological rocket soundingParametersTemperature measuring range/Temperature measuring accuracy/Location accuracy/mVertical resol
