大氣光學(xué)湍流廓線估算：外尺度參數(shù)化方法的深度剖析與創(chuàng)新探索

大氣光學(xué)湍流廓線估算：外尺度參數(shù)化方法的深度剖析與創(chuàng)新探索一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代科技領(lǐng)域，眾多先進(jìn)的光電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軍事、天文觀測、通信、遙感等多個關(guān)鍵領(lǐng)域。然而，這些光電系統(tǒng)在大氣層內(nèi)運行時，不可避免地受到大氣光學(xué)湍流的顯著影響。大氣光學(xué)湍流本質(zhì)上是由于大氣溫度、濕度等物理參數(shù)的不均勻分布，導(dǎo)致大氣折射率出現(xiàn)隨機起伏的現(xiàn)象。這種隨機起伏會引發(fā)一系列對光電系統(tǒng)性能產(chǎn)生嚴(yán)重制約的湍流效應(yīng)。在激光通信中，大氣光學(xué)湍流會使激光束的傳播路徑發(fā)生彎曲和扭曲，導(dǎo)致光束漂移。這使得通信雙方的對準(zhǔn)難度大幅增加，信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅，甚至可能出現(xiàn)通信中斷的情況。而在光學(xué)成像領(lǐng)域，大氣光學(xué)湍流會導(dǎo)致成像模糊、分辨率降低。例如，在天文觀測中，通過望遠(yuǎn)鏡拍攝的天體圖像會因大氣光學(xué)湍流而變得模糊不清，難以捕捉到天體的細(xì)微特征，這對于研究天體的結(jié)構(gòu)和演化等科學(xué)問題造成了極大的阻礙。在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，大氣光學(xué)湍流使得系統(tǒng)需要不斷地調(diào)整光學(xué)元件來補償湍流引起的波前畸變，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，同時也限制了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度。大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線）是評估大氣光學(xué)湍流效應(yīng)的核心參數(shù)，它能夠精確地描述大氣光學(xué)湍流強度在不同高度上的變化情況。通過獲取C_n^2廓線的時空分布，科研人員可以深入了解大氣光學(xué)湍流的特性和規(guī)律，從而為評估激光在大氣傳輸過程中的行為提供關(guān)鍵依據(jù)。在激光武器系統(tǒng)中，了解C_n^2廓線有助于精確計算激光束在大氣中的能量衰減、光斑擴展等情況，進(jìn)而優(yōu)化激光武器的設(shè)計和使用策略，提高其打擊精度和效果。在實際應(yīng)用中，獲取C_n^2廓線主要通過儀器測量和模式估算兩種方式。儀器測量雖然能夠提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但受到諸多因素的限制。例如，常用的測量儀器如閃爍儀、相干孔徑儀等，其測量范圍往往有限，難以實現(xiàn)對大尺度區(qū)域的覆蓋測量。而且，這些儀器的部署和維護(hù)成本較高，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作和校準(zhǔn)，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。此外，儀器測量還容易受到天氣條件、地形地貌等因素的影響，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。相比之下，模式估算方法具有成本低、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，成為獲取C_n^2廓線的重要手段。在模式估算中，外尺度參數(shù)化方法起著關(guān)鍵作用。外尺度作為大氣湍流的重要特征參數(shù)，反映了湍流中最大湍渦的尺寸。不同的外尺度參數(shù)化模式通過對大氣中各種物理過程和參數(shù)的考慮，建立起外尺度與常規(guī)氣象參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而實現(xiàn)對C_n^2廓線的估算。例如，Dewan模式通過考慮風(fēng)剪切量來構(gòu)建外尺度與氣象參數(shù)的關(guān)系；HMNSP99模式則同時考慮了風(fēng)剪切量和溫度梯度等因素。然而，現(xiàn)有的外尺度模式大多是基于特定的地理環(huán)境和氣象條件提出的，對于不同地區(qū)的適應(yīng)性存在差異。在我國，地域遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜多樣，包括高原、平原、沿海、沙漠等多種地形地貌，同時氣象條件也千差萬別。因此，現(xiàn)有的外尺度模式在我國的估算精度和普適性方面存在一定的問題，無法滿足我國在大氣光學(xué)湍流研究和相關(guān)工程應(yīng)用中的需求。綜上所述，開展大氣光學(xué)湍流廓線估算中的外尺度參數(shù)化方法研究具有重要的理論和實際意義。從理論層面來看，深入研究外尺度參數(shù)化方法有助于揭示大氣湍流中平均氣象場與隨機湍流場之間的內(nèi)在關(guān)系，進(jìn)一步完善大氣光學(xué)湍流理論體系。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，開發(fā)適合我國地理大氣環(huán)境的外尺度參數(shù)化模式，能夠提高C_n^2廓線的估算精度，為我國的天文觀測、星地光通信、激光武器等先進(jìn)光電系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化和性能評估提供更加準(zhǔn)確可靠的依據(jù)，推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用拓展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在大氣光學(xué)湍流廓線估算領(lǐng)域，外尺度參數(shù)化方法的研究一直是國際上的重要課題。國外學(xué)者在這方面開展了大量的研究工作，提出了一系列具有代表性的外尺度參數(shù)化模式。20世紀(jì)80年代，Dewan基于對大氣湍流中風(fēng)剪切量的研究，提出了Dewan模式。該模式將風(fēng)剪切量作為關(guān)鍵參數(shù)，構(gòu)建了外尺度與氣象參數(shù)之間的關(guān)系，為后續(xù)的研究奠定了重要基礎(chǔ)。在后續(xù)的研究中，Dewan模式被廣泛應(yīng)用于不同地區(qū)的大氣光學(xué)湍流廓線估算，并在實際應(yīng)用中不斷得到檢驗和改進(jìn)。1999年，HMNSP99模式的提出是外尺度參數(shù)化研究的又一重要進(jìn)展。該模式綜合考慮了風(fēng)剪切量和溫度梯度兩個因素，通過對大量氣象數(shù)據(jù)的分析和建模，建立了更為復(fù)雜和全面的外尺度與氣象參數(shù)的關(guān)系。這種多因素考慮的方式使得HMNSP99模式在一定程度上提高了對大氣光學(xué)湍流廓線的估算精度，在國際上得到了較為廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。在一些歐美地區(qū)的大氣光學(xué)研究項目中，HMNSP99模式被作為主要的外尺度參數(shù)化模式用于評估大氣光學(xué)湍流對天文觀測、激光通信等系統(tǒng)的影響。隨著研究的深入，學(xué)者們逐漸認(rèn)識到大氣湍流的復(fù)雜性以及不同地區(qū)氣象條件的差異對現(xiàn)有外尺度模式的挑戰(zhàn)。例如，在一些高海拔地區(qū)，由于大氣密度、溫度和濕度等參數(shù)的變化規(guī)律與常規(guī)地區(qū)不同，傳統(tǒng)的外尺度模式難以準(zhǔn)確描述大氣光學(xué)湍流的特性。在低緯度地區(qū)，特殊的氣候條件和地形地貌導(dǎo)致大氣湍流的形成機制更為復(fù)雜，現(xiàn)有的外尺度模式在這些地區(qū)的估算精度也受到了影響。國內(nèi)在大氣光學(xué)湍流廓線估算的外尺度參數(shù)化方法研究方面也取得了一定的成果。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安光所的吳曉慶研究員團隊開展了一系列具有創(chuàng)新性的研究工作。他們成功將海洋湍流研究中的Ellison尺度應(yīng)用于大氣光學(xué)湍流強度的研究，并提出了適合我國地域環(huán)境的新的模式。通過利用歐洲中期天氣預(yù)報中心第五代再分析數(shù)據(jù)集ERA5數(shù)據(jù)，對同緯度幾個天文臺址關(guān)鍵參數(shù)開展了統(tǒng)計分析，團隊將Ellison尺度首次運用到大氣湍流廓線的估算中，同時提出了改進(jìn)的風(fēng)切變-位溫尺度模式以及風(fēng)切變和位溫梯度的混合尺度模式。與中國沿海、高原等多地探空實測數(shù)據(jù)比對表明，這些新模式的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線估算結(jié)果優(yōu)于現(xiàn)有外尺度模式，且混合尺度模式普適性更好。然而，目前國內(nèi)的研究仍存在一些不足之處。一方面，雖然部分研究嘗試結(jié)合我國的地理環(huán)境特點開發(fā)新的模式，但在數(shù)據(jù)的全面性和代表性方面還有待提高。我國地域遼闊，包含多種復(fù)雜的地理環(huán)境和氣象條件，現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)可能無法充分覆蓋所有地區(qū)的特征，導(dǎo)致模式的普適性受到一定限制。另一方面，在與實際應(yīng)用的結(jié)合上還需要進(jìn)一步加強。大氣光學(xué)湍流廓線估算的最終目的是為了滿足天文觀測、星地光通信、激光武器等實際工程應(yīng)用的需求，但目前一些研究成果在實際應(yīng)用中的轉(zhuǎn)化和驗證還不夠充分，需要進(jìn)一步開展相關(guān)的實驗和應(yīng)用研究，以提高研究成果的實用性和可靠性。國內(nèi)外在大氣光學(xué)湍流廓線估算的外尺度參數(shù)化方法研究方面已經(jīng)取得了豐富的成果，但仍面臨著諸多挑戰(zhàn)和問題。特別是在我國復(fù)雜的地理大氣環(huán)境下，如何開發(fā)出更加準(zhǔn)確、普適的外尺度參數(shù)化模式，以滿足實際工程應(yīng)用的需求，是當(dāng)前研究的重點和難點。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入剖析現(xiàn)有外尺度參數(shù)化模式在我國復(fù)雜地理大氣環(huán)境下的局限性，通過理論分析、數(shù)據(jù)挖掘和模型構(gòu)建等方法，開發(fā)出更適合我國國情的外尺度參數(shù)化模式，提高大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線）的估算精度和普適性，為我國的大氣光學(xué)湍流研究和相關(guān)工程應(yīng)用提供有力支持。具體研究內(nèi)容如下：現(xiàn)有外尺度參數(shù)化模式分析：系統(tǒng)地收集和整理國內(nèi)外已有的外尺度參數(shù)化模式，如Dewan模式、HMNSP99模式等。對這些模式的理論基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)表達(dá)式、適用條件以及在不同地區(qū)的應(yīng)用效果進(jìn)行詳細(xì)的分析和對比。通過對模式中涉及的物理參數(shù)和假設(shè)條件的研究，明確各模式的優(yōu)勢和不足，特別是針對我國地理大氣環(huán)境的適應(yīng)性問題。例如，分析不同模式在我國高原、沿海、內(nèi)陸等不同地形地貌和氣象條件下的估算偏差，找出影響估算精度的關(guān)鍵因素。新的外尺度參數(shù)化方法研究：基于對我國復(fù)雜地理大氣環(huán)境的認(rèn)識，結(jié)合大氣湍流的物理機制和相關(guān)理論，如Monin-Obukhov相似理論等，探索新的外尺度參數(shù)化方法。考慮引入更多與我國大氣環(huán)境相關(guān)的物理參數(shù)，如地形高度、水汽含量、太陽輻射等，建立更加全面和準(zhǔn)確的外尺度與氣象參數(shù)之間的關(guān)系模型。例如，研究地形高度對大氣湍流的影響，通過建立地形高度與外尺度的關(guān)聯(lián)函數(shù)，改進(jìn)現(xiàn)有的外尺度參數(shù)化模式。同時，運用先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，對大量的氣象數(shù)據(jù)和大氣光學(xué)湍流觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，挖掘潛在的規(guī)律和特征，為新方法的建立提供數(shù)據(jù)支持。新方法的驗證與優(yōu)化：利用我國不同地區(qū)的氣象探空數(shù)據(jù)、大氣光學(xué)湍流觀測數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，對新提出的外尺度參數(shù)化方法進(jìn)行驗證和評估。通過對比新方法與現(xiàn)有模式的估算結(jié)果，分析新方法在不同地理環(huán)境和氣象條件下的估算精度和普適性。根據(jù)驗證結(jié)果，對新方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，調(diào)整模型中的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，提高其性能。例如，采用交叉驗證的方法，將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和測試集，在訓(xùn)練集上訓(xùn)練模型，在測試集上評估模型的性能，根據(jù)評估結(jié)果不斷優(yōu)化模型。同時，開展敏感性分析，研究不同參數(shù)對估算結(jié)果的影響程度，確定關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)一步提高模型的穩(wěn)定性和可靠性。應(yīng)用拓展與案例分析：將優(yōu)化后的外尺度參數(shù)化方法應(yīng)用于我國實際的大氣光學(xué)湍流相關(guān)工程領(lǐng)域，如天文觀測、星地光通信、激光武器等。通過具體的案例分析，評估新方法對提高這些工程系統(tǒng)性能的實際效果。例如，在天文觀測中，利用新方法估算觀測地點的大氣光學(xué)湍流廓線，分析其對望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量的改善情況；在星地光通信中，研究新方法對通信鏈路性能的影響，評估其在提高通信可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率方面的作用。通過實際應(yīng)用案例，驗證新方法的實用性和有效性，為其在相關(guān)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。1.4研究方法與技術(shù)路線理論分析：深入研究大氣光學(xué)湍流的基本理論，包括大氣湍流的物理機制、Monin-Obukhov相似理論等。對現(xiàn)有的外尺度參數(shù)化模式進(jìn)行理論剖析，明確各模式中物理參數(shù)的定義、物理意義以及它們之間的相互關(guān)系。例如，在研究Dewan模式時，詳細(xì)分析風(fēng)剪切量在模式中的作用機制，以及其與外尺度之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系。通過理論推導(dǎo)，探索可能影響外尺度參數(shù)化的新物理因素和潛在的改進(jìn)方向。同時，結(jié)合大氣邊界層理論、氣象學(xué)原理等相關(guān)學(xué)科知識，從宏觀和微觀角度全面理解大氣光學(xué)湍流的特性，為新的外尺度參數(shù)化方法的研究提供堅實的理論基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析：收集我國不同地區(qū)、不同季節(jié)的氣象探空數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)應(yīng)涵蓋豐富的氣象要素，如溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等。同時，收集大氣光學(xué)湍流的觀測數(shù)據(jù)，包括大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的實測值、光束傳播特性的觀測數(shù)據(jù)等。運用統(tǒng)計學(xué)方法，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。計算不同氣象參數(shù)之間的相關(guān)性，例如研究溫度梯度與風(fēng)速之間的相關(guān)性，以及它們與大氣光學(xué)湍流強度的關(guān)聯(lián)。通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從大量的數(shù)據(jù)中提取出有價值的信息和規(guī)律，為外尺度參數(shù)化模式的建立和驗證提供數(shù)據(jù)支持。例如，利用主成分分析等方法，找出對大氣光學(xué)湍流強度影響最大的氣象參數(shù)組合，為新的外尺度參數(shù)化模式提供關(guān)鍵的參數(shù)選擇依據(jù)。實驗驗證：在我國不同地理環(huán)境和氣象條件的典型地區(qū)，如高原、沿海、內(nèi)陸等，開展大氣光學(xué)湍流的實地觀測實驗。使用先進(jìn)的測量儀器，如閃爍儀、相干孔徑儀、風(fēng)廓線雷達(dá)等，獲取高精度的大氣光學(xué)湍流數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。將新提出的外尺度參數(shù)化方法應(yīng)用于這些實驗數(shù)據(jù)中，與現(xiàn)有的外尺度模式進(jìn)行對比驗證。通過分析實驗結(jié)果，評估新方法在不同環(huán)境下的估算精度和普適性。例如，在高原地區(qū)，對比新方法和現(xiàn)有模式對大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線的估算結(jié)果與實測值的差異，分析新方法在復(fù)雜地形和特殊氣象條件下的性能表現(xiàn)。根據(jù)實驗驗證的結(jié)果，對新方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高其可靠性和實用性。數(shù)值模擬：利用數(shù)值模擬軟件，如中尺度氣象模式WRF（WeatherResearchandForecasting）等，構(gòu)建大氣光學(xué)湍流的數(shù)值模型。在模型中，設(shè)置不同的氣象條件和地形參數(shù)，模擬大氣光學(xué)湍流的時空演變過程。通過數(shù)值模擬，可以獲得在不同條件下大氣光學(xué)湍流的詳細(xì)信息，包括外尺度的分布、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線的變化等。將數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和實驗驗證的結(jié)果進(jìn)行對比和驗證，進(jìn)一步完善外尺度參數(shù)化方法。例如，通過調(diào)整WRF模型中的參數(shù)，模擬不同季節(jié)、不同天氣系統(tǒng)下的大氣光學(xué)湍流情況，分析外尺度參數(shù)化模式在不同模擬場景下的表現(xiàn)，為模式的優(yōu)化提供依據(jù)。同時，利用數(shù)值模擬還可以進(jìn)行敏感性實驗，研究不同參數(shù)對大氣光學(xué)湍流特性的影響，深入理解外尺度參數(shù)化的物理過程。本研究的技術(shù)路線如圖1所示。首先，進(jìn)行理論分析，對現(xiàn)有外尺度參數(shù)化模式進(jìn)行全面剖析，明確其優(yōu)缺點和適用范圍。同時，收集和整理相關(guān)的理論知識，為新方法的研究提供理論指導(dǎo)。接著，開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析工作，收集大量的氣象探空數(shù)據(jù)和大氣光學(xué)湍流觀測數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計分析方法，提取數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息和規(guī)律。然后，基于理論分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果，提出新的外尺度參數(shù)化方法，并進(jìn)行模型構(gòu)建。在模型構(gòu)建過程中，充分考慮我國的地理大氣環(huán)境特點，引入相關(guān)的物理參數(shù)和約束條件。之后，利用實驗驗證和數(shù)值模擬對新方法進(jìn)行驗證和評估。通過實地觀測實驗獲取真實的大氣光學(xué)湍流數(shù)據(jù)，與新方法的估算結(jié)果進(jìn)行對比，檢驗其準(zhǔn)確性和可靠性。同時，利用數(shù)值模擬軟件對不同條件下的大氣光學(xué)湍流進(jìn)行模擬，進(jìn)一步驗證新方法的性能。最后，根據(jù)驗證和評估的結(jié)果，對新方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，形成最終的適合我國地理大氣環(huán)境的外尺度參數(shù)化模式，并將其應(yīng)用于實際工程領(lǐng)域，為我國的大氣光學(xué)湍流研究和相關(guān)工程應(yīng)用提供有力支持。[此處插入技術(shù)路線圖1]二、大氣光學(xué)湍流及外尺度參數(shù)化原理2.1大氣光學(xué)湍流的基本概念大氣光學(xué)湍流是一種在大氣中廣泛存在的復(fù)雜物理現(xiàn)象，其形成機制與大氣的熱力學(xué)和動力學(xué)過程密切相關(guān)。從熱力學(xué)角度來看，太陽輻射是大氣光學(xué)湍流形成的重要能源。太陽輻射到達(dá)地球表面后，由于地面的非均勻加熱，不同區(qū)域的大氣溫度產(chǎn)生差異。在城市地區(qū)，大量的建筑物和水泥路面吸收太陽輻射后升溫較快，而周圍的水體或植被覆蓋區(qū)域升溫相對較慢，這種溫度的不均勻分布導(dǎo)致大氣密度的不均勻。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程p=\rhoRT（其中p為壓強，\rho為密度，R為氣體常數(shù)，T為溫度），溫度的變化會引起密度的改變，進(jìn)而導(dǎo)致大氣折射率的變化。大氣折射率n與密度\rho之間存在近似關(guān)系n-1\propto\rho，因此溫度的不均勻間接導(dǎo)致了大氣折射率的隨機起伏。在動力學(xué)方面，風(fēng)速切變是大氣光學(xué)湍流形成的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)不同高度或不同方向的風(fēng)速存在差異時，就會產(chǎn)生風(fēng)速切變。在大氣邊界層中，地面的摩擦力會使近地面的風(fēng)速減小，而隨著高度的增加，風(fēng)速逐漸增大，這種垂直方向上的風(fēng)速切變?nèi)菀滓l(fā)湍流運動。當(dāng)氣流遇到障礙物，如山脈、高樓等，氣流的方向和速度會發(fā)生急劇變化，也會產(chǎn)生強烈的風(fēng)速切變，促使大氣光學(xué)湍流的形成。大氣光學(xué)湍流對光束傳播會產(chǎn)生一系列顯著的影響，這些影響嚴(yán)重制約了光電系統(tǒng)的性能。相位起伏是其中一個重要的影響。當(dāng)光束在大氣中傳播時，由于大氣折射率的隨機變化，光束的波前會發(fā)生畸變，導(dǎo)致相位出現(xiàn)隨機起伏。這種相位起伏會使光束的相干性降低，在激光干涉測量中，相位起伏會導(dǎo)致干涉條紋的不穩(wěn)定，影響測量的精度。對于高分辨率的光學(xué)成像系統(tǒng)，相位起伏會使成像的清晰度下降，難以分辨出目標(biāo)的細(xì)微特征。光強閃爍也是大氣光學(xué)湍流的典型效應(yīng)之一。光強閃爍表現(xiàn)為光束強度的隨機漲落，其產(chǎn)生原因是大氣折射率的不均勻?qū)е鹿馐趥鞑ミ^程中發(fā)生散射和聚焦的隨機變化。在激光通信中，光強閃爍會使接收端接收到的光信號強度不穩(wěn)定，增加誤碼率，影響通信的可靠性。在激光能量傳輸應(yīng)用中，光強閃爍可能導(dǎo)致接收端能量分布不均勻，降低能量傳輸效率，甚至對接收設(shè)備造成損害。光束擴展也是大氣光學(xué)湍流對光束傳播的重要影響。大氣光學(xué)湍流會使光束在傳播過程中逐漸展寬，光斑尺寸增大。這對于需要精確瞄準(zhǔn)和聚焦的光電系統(tǒng)，如激光武器、衛(wèi)星激光通信等，會導(dǎo)致能量分散，降低系統(tǒng)的作用距離和精度。在激光雷達(dá)中，光束擴展會使回波信號的強度減弱，影響對目標(biāo)的探測能力。大氣光學(xué)湍流是由大氣的熱力學(xué)和動力學(xué)過程共同作用形成的復(fù)雜現(xiàn)象，其對光束傳播產(chǎn)生的相位起伏、光強閃爍和光束擴展等效應(yīng)，對現(xiàn)代光電系統(tǒng)的性能產(chǎn)生了嚴(yán)重的制約，深入研究大氣光學(xué)湍流的特性和規(guī)律對于提高光電系統(tǒng)的性能具有重要意義。2.2大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線）是描述大氣光學(xué)湍流強度隨高度變化的重要物理量，它在評估大氣光學(xué)湍流效應(yīng)中起著核心作用。從定義上來說，大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C_n^2是指在慣性副區(qū)（即湍流中尺度介于內(nèi)尺度l_0和外尺度L_0之間的區(qū)域）內(nèi)，大氣折射率的起伏方差與湍渦尺度的2/3次方成正比的比例系數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式基于Kolmogorov湍流理論，在慣性副區(qū)內(nèi)，折射率起伏的功率譜密度P_n(k)與波數(shù)k的關(guān)系為P_n(k)=C_n^2k^{-11/3}，其中k=2\pi/\lambda（\lambda為湍渦尺度）。通過對功率譜密度在慣性副區(qū)的積分，可以得到折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C_n^2的表達(dá)式。C_n^2廓線的物理意義在于它能夠定量地反映大氣光學(xué)湍流強度在不同高度上的分布情況。在大氣邊界層中，由于地面的摩擦和加熱作用，C_n^2的值通常較大，且隨高度的變化較為復(fù)雜。在近地面層，太陽輻射使地面升溫，加熱了近地面的空氣，形成對流運動，導(dǎo)致大氣光學(xué)湍流增強，C_n^2值較大。而隨著高度的增加，風(fēng)速切變和大氣的穩(wěn)定性逐漸成為影響C_n^2的主要因素。在自由大氣中，C_n^2的值相對較小，但在某些特定的氣象條件下，如存在強風(fēng)切變或大氣不穩(wěn)定層結(jié)時，C_n^2也會出現(xiàn)較大的值。在評估湍流效應(yīng)方面，C_n^2廓線具有不可替代的作用。在激光通信中，通過已知的C_n^2廓線，可以利用Rytov理論計算出激光束在傳播過程中的相位起伏方差\sigma_{\phi}^2和光強閃爍指數(shù)C_{I}^2。相位起伏方差\sigma_{\phi}^2與C_n^2的關(guān)系為\sigma_{\phi}^2=2.91k^{7/6}L^{11/6}\int_{0}^{L}C_n^2(z)dz（其中k=2\pi/\lambda為波數(shù)，\lambda為激光波長，L為傳播距離，z為高度）。光強閃爍指數(shù)C_{I}^2與C_n^2也存在密切的關(guān)系，通過相關(guān)理論公式可以計算得到。這些計算結(jié)果能夠幫助工程師準(zhǔn)確評估激光通信系統(tǒng)在不同大氣條件下的性能，如信號的誤碼率、通信的可靠性等，從而為系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。在光學(xué)成像領(lǐng)域，C_n^2廓線同樣至關(guān)重要。大氣光學(xué)湍流會導(dǎo)致成像系統(tǒng)的分辨率降低，通過C_n^2廓線可以計算出成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)（PSF）。點擴散函數(shù)描述了成像系統(tǒng)對一個點光源的響應(yīng)，它與C_n^2的關(guān)系可以通過相關(guān)的光學(xué)理論推導(dǎo)得出。根據(jù)點擴散函數(shù)，可以進(jìn)一步計算出成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF），MTF反映了成像系統(tǒng)對不同空間頻率信號的傳遞能力。通過分析MTF，能夠評估大氣光學(xué)湍流對成像分辨率的影響程度，為光學(xué)成像系統(tǒng)的選址和性能優(yōu)化提供重要參考。在天文觀測中，了解觀測地點的C_n^2廓線，有助于選擇最佳的觀測時間和地點，提高天文望遠(yuǎn)鏡的觀測效果，更清晰地捕捉天體的細(xì)節(jié)信息。大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線）通過精確描述大氣光學(xué)湍流強度的垂直分布，為評估激光通信、光學(xué)成像等領(lǐng)域中的湍流效應(yīng)提供了關(guān)鍵參數(shù)，在大氣光學(xué)湍流研究和相關(guān)工程應(yīng)用中具有不可或缺的地位。2.3外尺度參數(shù)化的理論基礎(chǔ)外尺度參數(shù)化是建立外尺度與常規(guī)氣象參數(shù)之間關(guān)系的關(guān)鍵過程，其理論基礎(chǔ)緊密關(guān)聯(lián)著大氣中的平均氣象場和隨機湍流場。平均氣象場包含了大氣的平均溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速等宏觀氣象要素，這些要素反映了大氣在較長時間和較大空間尺度上的平均狀態(tài)。隨機湍流場則是由大氣中各種尺度的湍渦運動構(gòu)成，其運動具有隨機性和不規(guī)則性。在大氣中，平均氣象場為隨機湍流場的形成和發(fā)展提供了背景條件。當(dāng)大氣中存在風(fēng)速切變時，平均風(fēng)速在空間上的變化會導(dǎo)致氣流的不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)湍流運動。在大氣邊界層中，地面的摩擦力使得近地面風(fēng)速較小，而隨著高度增加風(fēng)速逐漸增大，這種垂直方向上的風(fēng)速切變?nèi)菀桩a(chǎn)生湍流。大氣的溫度梯度也是影響湍流的重要因素。當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定層結(jié)，即下層溫度高于上層溫度時，空氣容易產(chǎn)生對流運動，從而增強湍流。在夏季的午后，地面受熱強烈，近地面空氣溫度迅速升高，形成較強的對流，使得大氣光學(xué)湍流增強。外尺度作為大氣湍流的重要特征參數(shù)，反映了湍流中最大湍渦的尺寸。它與平均氣象場和隨機湍流場之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。不同的外尺度參數(shù)化模式基于對這種聯(lián)系的不同理解和假設(shè)，建立起外尺度與常規(guī)氣象參數(shù)的關(guān)系。Dewan模式認(rèn)為外尺度與風(fēng)剪切量密切相關(guān)，通過對風(fēng)剪切量的測量和分析，構(gòu)建了外尺度與風(fēng)剪切量的數(shù)學(xué)關(guān)系。在實際大氣中，風(fēng)剪切量的變化會導(dǎo)致湍渦的拉伸和變形，從而影響外尺度的大小。當(dāng)風(fēng)剪切量增大時，湍渦受到更強的拉伸作用，外尺度可能會相應(yīng)減小。HMNSP99模式則綜合考慮了風(fēng)剪切量和溫度梯度兩個因素。該模式認(rèn)為，溫度梯度會影響大氣的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響湍渦的生成和發(fā)展，因此在描述外尺度時需要同時考慮風(fēng)剪切量和溫度梯度。在大氣邊界層中，當(dāng)溫度梯度較大且大氣處于不穩(wěn)定層結(jié)時，對流運動增強，湍渦的生成和發(fā)展更加活躍，外尺度也會受到影響。通過對大量氣象數(shù)據(jù)的分析和建模，HMNSP99模式建立了外尺度與風(fēng)剪切量、溫度梯度之間的復(fù)雜關(guān)系，以更準(zhǔn)確地描述大氣光學(xué)湍流的特性。Monin-Obukhov相似理論在大氣光學(xué)湍流研究中具有重要地位，也是外尺度參數(shù)化的重要理論依據(jù)。該理論基于相似性原理，認(rèn)為在近地面層，無量綱的風(fēng)速、溫度和濕度等物理量與穩(wěn)定度參數(shù)之間存在相似的函數(shù)關(guān)系。穩(wěn)定度參數(shù)通常用Richardson數(shù)（Ri）來表示，它反映了大氣的熱力穩(wěn)定性與動力穩(wěn)定性的相對強弱。在中性大氣條件下，Ri=0，此時大氣的熱力作用和動力作用相對平衡，湍流主要由風(fēng)速切變引起。在不穩(wěn)定大氣條件下，Ri<0，大氣的熱力作用較強，對流運動對湍流的貢獻(xiàn)較大。在穩(wěn)定大氣條件下，Ri>0，大氣的熱力作用抑制湍流的發(fā)展。根據(jù)Monin-Obukhov相似理論，在近地面層可以通過測量不同高度的風(fēng)速、溫度和濕度等氣象參數(shù)，計算出特征參數(shù)，如摩擦速度u_*、溫度尺度t_*等，進(jìn)而建立起這些特征參數(shù)與外尺度之間的關(guān)系。通過對近地面層氣象數(shù)據(jù)的分析，利用相似性函數(shù)可以得到外尺度與氣象參數(shù)之間的定量關(guān)系，為外尺度參數(shù)化提供了理論框架。在實際應(yīng)用中，該理論在近地面層的大氣光學(xué)湍流研究中取得了較好的效果，但在復(fù)雜地形和特殊氣象條件下，其適用性可能會受到一定限制，需要進(jìn)一步的修正和改進(jìn)。外尺度參數(shù)化的理論基礎(chǔ)是建立在對平均氣象場和隨機湍流場相互關(guān)系的深入理解之上，通過不同的模式和理論，如Dewan模式、HMNSP99模式以及Monin-Obukhov相似理論等，構(gòu)建外尺度與常規(guī)氣象參數(shù)之間的聯(lián)系，為準(zhǔn)確估算大氣光學(xué)湍流廓線提供了重要的理論支持。2.4Tatarski公式及常見外尺度參數(shù)化模式Tatarski公式在大氣光學(xué)湍流研究中具有重要地位，它建立了大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C_n^2與外尺度L_0以及其他氣象參數(shù)之間的關(guān)系。其公式形式為：C_n^2=2.8\times10^{-16}\frac{T^2}{P^2}\left(\frac{\partialT}{\partialh}+\gamma_a\right)^2L_0^{\frac{2}{3}}其中，T是絕對氣溫（K），P是氣壓（hPa），\gamma_a是干空氣絕熱遞減率（約為9.8\times10^{-3}K/m），h是高度（m），L_0是湍流外尺度。該公式基于Kolmogorov湍流理論推導(dǎo)得出，在慣性副區(qū)內(nèi)，通過對湍動能和溫度脈動方差的分析，建立了C_n^2與各參數(shù)之間的定量關(guān)系。它反映了大氣光學(xué)湍流強度與大氣溫度、氣壓、溫度梯度以及外尺度之間的內(nèi)在聯(lián)系，為利用常規(guī)氣象參數(shù)估算C_n^2廓線提供了重要的理論基礎(chǔ)。在Tatarski公式的應(yīng)用中，外尺度L_0的準(zhǔn)確參數(shù)化至關(guān)重要，不同的外尺度參數(shù)化模式會導(dǎo)致C_n^2估算結(jié)果的差異。常見的外尺度參數(shù)化模式有Dewan模式和HMNSP99模式等。Dewan模式是較早提出的一種外尺度參數(shù)化模式，它主要考慮了風(fēng)剪切量對外尺度的影響。該模式認(rèn)為，外尺度與風(fēng)剪切量之間存在密切的關(guān)系。風(fēng)剪切量S的定義為：S=\left[\left(\frac{\partialu}{\partialh}\right)^2+\left(\frac{\partialv}{\partialh}\right)^2\right]^{\frac{1}{2}}其中，u和v分別是水平方向上兩個相互垂直的風(fēng)速分量，\frac{\partialu}{\partialh}和\frac{\partialv}{\partialh}分別是它們在垂直方向上的梯度。在Dewan模式中，外尺度L_0的表達(dá)式為：L_0^{\frac{4}{3}}=0.1\times10^{-4}\left(S^{1.64}+42.05\right)（對流層）L_0^{\frac{4}{3}}=0.1\times10^{-4}\left(S^{0.506}+50.05\right)（平流層）Dewan模式的優(yōu)點在于其形式相對簡單，僅考慮風(fēng)剪切量這一關(guān)鍵因素，在一定程度上能夠反映大氣湍流的特征。在一些風(fēng)剪切量變化較為明顯的地區(qū)，該模式能夠較好地描述外尺度與氣象參數(shù)的關(guān)系，從而為C_n^2的估算提供合理的結(jié)果。然而，該模式也存在局限性，它忽略了其他可能影響外尺度的因素，如溫度梯度等。在實際大氣中，溫度梯度對大氣的穩(wěn)定性和湍流的發(fā)展有著重要影響，忽略這一因素可能導(dǎo)致在某些氣象條件下，該模式的估算結(jié)果與實際情況存在較大偏差。HMNSP99模式則綜合考慮了風(fēng)剪切量和溫度梯度兩個因素，試圖更全面地描述外尺度與氣象參數(shù)之間的關(guān)系。在該模式中，風(fēng)剪切量S的定義與Dewan模式相同，而溫度梯度\Gamma的定義為：\Gamma=\frac{\partialT}{\partialh}其中，\frac{\partialT}{\partialh}是溫度在垂直方向上的梯度。外尺度L_0的表達(dá)式為：L_0^{\frac{4}{3}}=0.1\times10^{-4}\left(S^{0.362}+16.7\Gamma-192.347\Gamma^2\right)（對流層）HMNSP99模式的優(yōu)勢在于其考慮因素更為全面，通過同時考慮風(fēng)剪切量和溫度梯度，能夠更準(zhǔn)確地反映大氣湍流的復(fù)雜特性。在一些大氣條件較為復(fù)雜，溫度梯度和風(fēng)剪切量都對湍流有顯著影響的地區(qū)，該模式的估算精度往往高于Dewan模式。例如，在大氣邊界層中，溫度梯度和風(fēng)速切變都較為明顯，HMNSP99模式能夠更好地描述外尺度的變化，從而提高C_n^2廓線的估算精度。然而，該模式也并非完美無缺，其公式相對復(fù)雜，涉及到更多的參數(shù)測量和計算，增加了實際應(yīng)用的難度。而且，在某些特殊氣象條件下，該模式可能仍然無法完全準(zhǔn)確地描述外尺度與氣象參數(shù)的關(guān)系，需要進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。Tatarski公式為大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C_n^2的估算提供了重要的理論框架，而Dewan模式和HMNSP99模式等常見的外尺度參數(shù)化模式，通過不同的方式考慮了大氣中的物理因素，為外尺度的準(zhǔn)確描述和C_n^2廓線的估算提供了多樣化的方法，但它們各自也存在一定的優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的氣象條件和研究需求進(jìn)行選擇和優(yōu)化。三、現(xiàn)有外尺度參數(shù)化模式分析3.1不同模式的特點與適用范圍在大氣光學(xué)湍流廓線估算中，外尺度參數(shù)化模式的選擇對估算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的影響。不同的外尺度參數(shù)化模式在考慮風(fēng)剪切量、溫度梯度等參數(shù)時存在顯著差異，這些差異決定了它們各自的特點和適用范圍。Dewan模式作為較早提出的外尺度參數(shù)化模式，其最顯著的特點是僅考慮風(fēng)剪切量這一關(guān)鍵參數(shù)。風(fēng)剪切量在大氣湍流的形成和發(fā)展中起著重要作用，它反映了風(fēng)速在空間上的變化情況。當(dāng)風(fēng)速在垂直方向或水平方向上存在較大的變化率時，風(fēng)剪切量增大，容易引發(fā)湍流運動。在Dewan模式中，通過對風(fēng)剪切量的測量和分析，建立了外尺度與風(fēng)剪切量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。這種簡單的參數(shù)化方式使得Dewan模式在計算上相對簡便，不需要復(fù)雜的參數(shù)測量和計算過程。在一些風(fēng)剪切量變化較為明顯的地區(qū)，如沿海地區(qū)，由于海陸熱力差異導(dǎo)致的風(fēng)速變化頻繁，風(fēng)剪切量較大，Dewan模式能夠較好地描述外尺度與氣象參數(shù)的關(guān)系，從而為C_n^2的估算提供合理的結(jié)果。然而，Dewan模式的局限性也較為明顯。它忽略了其他可能影響外尺度的重要因素，如溫度梯度。溫度梯度反映了大氣中溫度在空間上的變化情況，它對大氣的穩(wěn)定性和湍流的發(fā)展有著重要影響。在大氣邊界層中，溫度梯度的變化會導(dǎo)致大氣的熱力不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)對流運動，增強湍流。在夏季的午后，地面受熱強烈，近地面空氣溫度迅速升高，形成較大的溫度梯度，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，湍流活動增強。由于Dewan模式?jīng)]有考慮溫度梯度的影響，在這些溫度梯度變化明顯且對湍流有重要影響的地區(qū)，該模式的估算結(jié)果可能與實際情況存在較大偏差，無法準(zhǔn)確描述大氣光學(xué)湍流的特性。HMNSP99模式則在Dewan模式的基礎(chǔ)上，綜合考慮了風(fēng)剪切量和溫度梯度兩個因素。該模式認(rèn)為，溫度梯度和風(fēng)剪切量共同作用于大氣湍流，對外尺度的大小有著重要影響。通過對大量氣象數(shù)據(jù)的分析和建模，HMNSP99模式建立了外尺度與風(fēng)剪切量、溫度梯度之間的復(fù)雜關(guān)系。在該模式中，風(fēng)剪切量和溫度梯度的變化都會對外尺度產(chǎn)生影響，從而更全面地反映了大氣湍流的形成和發(fā)展機制。在大氣邊界層中，溫度梯度和風(fēng)速切變都較為明顯，HMNSP99模式能夠更好地描述外尺度的變化。當(dāng)溫度梯度較大且大氣處于不穩(wěn)定層結(jié)時，對流運動增強，湍渦的生成和發(fā)展更加活躍，外尺度也會受到影響。此時，HMNSP99模式通過同時考慮風(fēng)剪切量和溫度梯度，能夠更準(zhǔn)確地估算外尺度，進(jìn)而提高C_n^2廓線的估算精度。然而，HMNSP99模式的公式相對復(fù)雜，涉及到更多的參數(shù)測量和計算。在實際應(yīng)用中，需要準(zhǔn)確測量風(fēng)剪切量和溫度梯度，這增加了數(shù)據(jù)獲取的難度和成本。而且，在某些特殊氣象條件下，如強對流天氣或復(fù)雜地形條件下，該模式可能仍然無法完全準(zhǔn)確地描述外尺度與氣象參數(shù)的關(guān)系，需要進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。除了Dewan模式和HMNSP99模式，還有一些其他的外尺度參數(shù)化模式，它們在考慮參數(shù)和適用范圍上也各有特點。一些模式可能會考慮水汽含量、太陽輻射等因素，以更全面地描述大氣光學(xué)湍流的特性。在水汽含量較高的地區(qū)，水汽的相變過程會釋放或吸收熱量，影響大氣的溫度和密度分布，進(jìn)而影響大氣光學(xué)湍流。而太陽輻射則是大氣能量的重要來源，它會影響大氣的溫度分布和對流運動，對大氣光學(xué)湍流也有著重要的影響。這些模式在特定的氣象條件和地理環(huán)境下可能具有更好的適用性，但也可能存在各自的局限性。不同的外尺度參數(shù)化模式在考慮風(fēng)剪切量、溫度梯度等參數(shù)上存在差異，這些差異決定了它們的特點和適用范圍。Dewan模式計算簡便，適用于風(fēng)剪切量變化明顯的地區(qū)，但在溫度梯度影響顯著的區(qū)域存在局限性；HMNSP99模式考慮因素全面，在大氣邊界層等復(fù)雜氣象條件下有較好的表現(xiàn)，但公式復(fù)雜，數(shù)據(jù)獲取難度大。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的氣象條件和研究需求，選擇合適的外尺度參數(shù)化模式，以提高大氣光學(xué)湍流廓線的估算精度。3.2針對我國環(huán)境的局限性分析我國地域廣袤，地理環(huán)境極為復(fù)雜，涵蓋了多種獨特的地形地貌和氣象條件，這使得國外現(xiàn)有的外尺度參數(shù)化模式在我國的應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)，在估算精度和普適性方面存在顯著問題。我國擁有世界屋脊青藏高原，其平均海拔在4000米以上，是世界上最高的高原。在高原地區(qū)，大氣密度和氣壓顯著低于平原地區(qū)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程p=\rhoRT（其中p為壓強，\rho為密度，R為氣體常數(shù)，T為溫度），在低溫環(huán)境下，大氣密度會發(fā)生變化，進(jìn)而影響大氣折射率。由于大氣稀薄，湍渦的形成和發(fā)展機制與低海拔地區(qū)存在明顯差異?，F(xiàn)有的外尺度參數(shù)化模式大多基于低海拔地區(qū)的氣象條件和湍流特性建立，未能充分考慮高原地區(qū)大氣密度和氣壓的特殊變化對湍流的影響。在利用Dewan模式或HMNSP99模式估算高原地區(qū)的大氣光學(xué)湍流廓線時，由于模式中未準(zhǔn)確考慮大氣密度和氣壓的影響，導(dǎo)致對湍渦尺度的描述出現(xiàn)偏差，進(jìn)而使得大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C_n^2的估算結(jié)果與實際情況存在較大誤差。在我國的沿海地區(qū)，海洋和陸地的熱力性質(zhì)差異顯著。海洋的比熱容大，升溫降溫緩慢，而陸地的比熱容小，升溫降溫迅速。這種差異導(dǎo)致沿海地區(qū)的海陸風(fēng)現(xiàn)象明顯，風(fēng)向和風(fēng)速在晝夜之間會發(fā)生劇烈變化。在白天，陸地升溫快，空氣受熱上升，海洋上的冷空氣流向陸地，形成海風(fēng)；夜晚則相反，陸地降溫快，空氣冷卻下沉，陸地上的冷空氣流向海洋，形成陸風(fēng)?，F(xiàn)有的外尺度參數(shù)化模式在描述風(fēng)剪切量時，往往沒有充分考慮這種復(fù)雜的海陸風(fēng)變化對風(fēng)剪切量的影響。在利用這些模式估算沿海地區(qū)的大氣光學(xué)湍流廓線時，由于風(fēng)剪切量的計算不準(zhǔn)確，使得外尺度的估算出現(xiàn)偏差，最終導(dǎo)致C_n^2廓線的估算精度降低。我國的沙漠地區(qū)，如塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠等，氣候極端干旱，太陽輻射強烈。在這種環(huán)境下，地面受熱不均，容易形成強烈的對流運動。同時，沙漠地區(qū)的地表粗糙度與其他地區(qū)不同，對風(fēng)速和湍渦的形成和發(fā)展也有重要影響?，F(xiàn)有的外尺度參數(shù)化模式在考慮溫度梯度和地表粗糙度等因素時，未能充分考慮沙漠地區(qū)的特殊氣候和地表條件。在利用這些模式估算沙漠地區(qū)的大氣光學(xué)湍流廓線時，由于對溫度梯度和地表粗糙度的處理不當(dāng)，導(dǎo)致外尺度的估算結(jié)果與實際情況不符，從而影響C_n^2廓線的估算精度。我國復(fù)雜的地理環(huán)境導(dǎo)致不同地區(qū)的氣象條件變化迅速且復(fù)雜。在山區(qū)，地形的起伏使得氣象條件在短距離內(nèi)發(fā)生劇烈變化，如溫度、濕度、風(fēng)速等。在山谷地區(qū)，夜晚冷空氣容易聚集，形成逆溫層，而白天太陽輻射加熱山坡，導(dǎo)致山谷風(fēng)的形成。這種復(fù)雜的氣象條件變化對大氣光學(xué)湍流的影響十分顯著，但現(xiàn)有的外尺度參數(shù)化模式難以準(zhǔn)確捕捉這些快速變化的氣象條件，無法及時調(diào)整外尺度的估算，從而導(dǎo)致在這些地區(qū)的估算精度較低，普適性較差。國外現(xiàn)有的外尺度參數(shù)化模式由于未能充分考慮我國復(fù)雜的地理環(huán)境和多樣的氣象條件，在我國的應(yīng)用中存在估算精度不足和普適性差的問題。為了提高大氣光學(xué)湍流廓線的估算精度，滿足我國在天文觀測、星地光通信、激光武器等領(lǐng)域的需求，迫切需要結(jié)合我國的實際情況，開發(fā)適合我國地理大氣環(huán)境的外尺度參數(shù)化模式。3.3案例分析：以典型地區(qū)實測數(shù)據(jù)驗證為了更直觀地展示現(xiàn)有外尺度參數(shù)化模式在我國的局限性，本研究選取了中國沿海、高原等地的典型地區(qū)，利用實測數(shù)據(jù)對不同模式的估算結(jié)果進(jìn)行對比分析。首先，以中國沿海地區(qū)的某觀測站為例。該觀測站位于海陸交界處，受海陸風(fēng)影響顯著，氣象條件復(fù)雜多變。在2023年夏季的某一周內(nèi)，對該地區(qū)進(jìn)行了密集的氣象探空觀測和大氣光學(xué)湍流實測。利用Dewan模式和HMNSP99模式對該地區(qū)的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線）進(jìn)行估算，并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。[此處插入沿海地區(qū)實測數(shù)據(jù)與Dewan模式、HMNSP99模式估算結(jié)果對比圖]從圖中可以明顯看出，Dewan模式由于僅考慮風(fēng)剪切量，在該地區(qū)的估算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)存在較大偏差。在白天海風(fēng)強盛時，風(fēng)剪切量較大，但由于忽略了溫度梯度和海陸風(fēng)對大氣穩(wěn)定性的影響，Dewan模式高估了外尺度，進(jìn)而導(dǎo)致C_n^2的估算值偏低。而HMNSP99模式雖然考慮了溫度梯度，但在處理海陸風(fēng)這種復(fù)雜的氣象條件時，仍存在不足。在海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換的時段，HMNSP99模式對風(fēng)剪切量和溫度梯度的變化響應(yīng)不夠準(zhǔn)確，使得C_n^2廓線的估算結(jié)果與實測值存在一定的誤差，尤其是在近地面層，誤差更為明顯。再以青藏高原地區(qū)的某觀測點為例。該觀測點海拔高度超過4000米，大氣稀薄，溫度較低，太陽輻射強烈，大氣光學(xué)湍流特性與低海拔地區(qū)有很大差異。在2023年秋季的一個月內(nèi)，獲取了該地區(qū)的氣象探空數(shù)據(jù)和大氣光學(xué)湍流觀測數(shù)據(jù)。同樣運用Dewan模式和HMNSP99模式進(jìn)行C_n^2廓線的估算，并與實測數(shù)據(jù)對比。[此處插入高原地區(qū)實測數(shù)據(jù)與Dewan模式、HMNSP99模式估算結(jié)果對比圖]從對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，Dewan模式在高原地區(qū)的估算效果較差。由于高原地區(qū)大氣密度低，風(fēng)的特性與低海拔地區(qū)不同，Dewan模式基于低海拔地區(qū)建立的風(fēng)剪切量與外尺度關(guān)系在高原地區(qū)不再適用，導(dǎo)致外尺度估算偏差較大，進(jìn)而使得C_n^2的估算值與實測值相差甚遠(yuǎn)。HMNSP99模式雖然考慮了更多因素，但在高原地區(qū)，其對大氣密度、太陽輻射等特殊因素的考慮不足。在強太陽輻射下，大氣的熱力過程更加復(fù)雜，HMNSP99模式未能準(zhǔn)確描述這種復(fù)雜的熱力過程對湍流的影響，使得C_n^2廓線的估算精度較低，無法準(zhǔn)確反映高原地區(qū)大氣光學(xué)湍流的實際情況。通過對中國沿海、高原等地典型地區(qū)的實測數(shù)據(jù)驗證，充分展示了現(xiàn)有外尺度參數(shù)化模式在我國復(fù)雜地理大氣環(huán)境下的不足。無論是僅考慮風(fēng)剪切量的Dewan模式，還是綜合考慮風(fēng)剪切量和溫度梯度的HMNSP99模式，都難以準(zhǔn)確估算我國不同地區(qū)的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線，迫切需要開發(fā)適合我國國情的外尺度參數(shù)化模式，以提高大氣光學(xué)湍流廓線的估算精度和普適性。四、新外尺度參數(shù)化方法的提出與改進(jìn)4.1基于Ellison尺度的應(yīng)用與創(chuàng)新在大氣光學(xué)湍流廓線估算的研究中，將海洋湍流研究中的Ellison尺度創(chuàng)新性地應(yīng)用于大氣光學(xué)湍流領(lǐng)域，為外尺度參數(shù)化方法的發(fā)展帶來了新的思路和方向。Ellison尺度最初是在海洋湍流研究中被提出，用于描述海洋中湍流的特征尺度。其定義與海洋中的溫度、鹽度和流速等因素密切相關(guān)。在海洋環(huán)境中，Ellison尺度能夠有效地反映海洋湍流的能量傳遞和耗散過程，對于理解海洋中的混合現(xiàn)象和物質(zhì)輸運具有重要意義。在大氣光學(xué)湍流研究中，引入Ellison尺度的關(guān)鍵在于建立其與大氣氣象參數(shù)之間的聯(lián)系。通過對大氣物理過程的深入分析，發(fā)現(xiàn)大氣中的溫度、風(fēng)速等參數(shù)與Ellison尺度存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。在大氣邊界層中，溫度的垂直梯度和風(fēng)速的切變對大氣湍流的形成和發(fā)展起著重要作用，這些因素與Ellison尺度的形成機制具有相似性。具體而言，將Ellison尺度應(yīng)用于大氣湍流廓線估算時，首先需要獲取準(zhǔn)確的大氣氣象參數(shù)，如溫度、風(fēng)速、氣壓等。利用這些參數(shù)，可以通過特定的公式計算出Ellison尺度的值。在計算過程中，考慮到大氣的分層結(jié)構(gòu)和不同高度上氣象參數(shù)的變化，采用分層計算的方法，能夠更準(zhǔn)確地反映不同高度上的大氣湍流特征。在某地區(qū)的大氣光學(xué)湍流研究中，通過獲取該地區(qū)的氣象探空數(shù)據(jù)，包括不同高度上的溫度、風(fēng)速等參數(shù)，利用基于Ellison尺度的計算方法，得到了該地區(qū)不同高度上的大氣湍流外尺度。將計算得到的外尺度與傳統(tǒng)的外尺度參數(shù)化模式（如Dewan模式和HMNSP99模式）進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)基于Ellison尺度計算得到的外尺度在某些氣象條件下能夠更準(zhǔn)確地反映大氣湍流的實際情況?；贓llison尺度的大氣湍流廓線估算方法具有顯著的優(yōu)勢和創(chuàng)新點。與傳統(tǒng)的外尺度參數(shù)化模式相比，它能夠更全面地考慮大氣中的物理因素，不僅包括風(fēng)剪切量和溫度梯度，還涉及到大氣中其他與溫度和風(fēng)速相關(guān)的物理過程。這種多因素考慮的方式使得基于Ellison尺度的方法能夠更準(zhǔn)確地描述大氣湍流的特征，從而提高大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線）的估算精度。在實際應(yīng)用中，基于Ellison尺度的方法還具有更好的適應(yīng)性。由于它能夠更靈活地反映大氣中各種物理因素的變化，在不同的地理環(huán)境和氣象條件下，都能夠保持相對較高的估算精度。在山區(qū)、沿海等地形復(fù)雜、氣象條件多變的地區(qū)，基于Ellison尺度的方法能夠更好地適應(yīng)這些復(fù)雜的環(huán)境，為大氣光學(xué)湍流的研究提供更可靠的依據(jù)。將Ellison尺度應(yīng)用于大氣湍流廓線估算，是外尺度參數(shù)化方法的一次重要創(chuàng)新。通過建立Ellison尺度與大氣氣象參數(shù)的聯(lián)系，該方法能夠更準(zhǔn)確、全面地描述大氣湍流的特征，為大氣光學(xué)湍流研究和相關(guān)工程應(yīng)用提供了一種新的有效手段，具有廣闊的應(yīng)用前景和研究價值。4.2風(fēng)切變-位溫尺度模式的改進(jìn)在大氣光學(xué)湍流廓線估算的研究中，風(fēng)切變-位溫尺度模式的改進(jìn)是提高估算精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。改進(jìn)該模式的核心思路在于更全面、準(zhǔn)確地考慮大氣中的物理過程和參數(shù)之間的相互關(guān)系。傳統(tǒng)的風(fēng)切變-位溫尺度模式在描述外尺度與氣象參數(shù)的關(guān)系時，雖然考慮了風(fēng)切變和位溫梯度的作用，但在某些復(fù)雜氣象條件下，其對大氣光學(xué)湍流特性的描述仍存在不足。從物理機制角度深入分析，大氣中的風(fēng)切變和位溫梯度并非孤立存在，它們之間存在著復(fù)雜的相互作用。風(fēng)切變會導(dǎo)致氣流的變形和混合，進(jìn)而影響位溫的分布；而位溫梯度的變化又會反過來影響風(fēng)切變的強度和方向。在大氣邊界層中，近地面的風(fēng)切變會引起空氣的垂直混合，使得不同高度上的位溫發(fā)生變化，形成復(fù)雜的位溫梯度分布。這種相互作用在傳統(tǒng)模式中未能得到充分體現(xiàn)，因此需要對模式進(jìn)行改進(jìn)，以更準(zhǔn)確地反映這種物理過程。在改進(jìn)過程中，引入了一些新的參數(shù)和修正項?？紤]到大氣的穩(wěn)定性對湍流的影響，引入了Richardson數(shù)（Ri）作為一個重要的參數(shù)。Richardson數(shù)反映了大氣的熱力穩(wěn)定性與動力穩(wěn)定性的相對強弱，其定義為：Ri=\frac{g}{\theta}\frac{\frac{\partial\theta}{\partialz}}{\left(\frac{\partialu}{\partialz}\right)^2+\left(\frac{\partialv}{\partialz}\right)^2}其中，g是重力加速度，\theta是位溫，\frac{\partial\theta}{\partialz}是位溫在垂直方向上的梯度，\frac{\partialu}{\partialz}和\frac{\partialv}{\partialz}分別是水平風(fēng)速在垂直方向上的分量梯度。將Richardson數(shù)納入風(fēng)切變-位溫尺度模式中，通過建立外尺度與Richardson數(shù)、風(fēng)切變和位溫梯度之間的關(guān)系，對傳統(tǒng)模式進(jìn)行修正。在新的模式中，外尺度L_0的表達(dá)式可以表示為：L_0^{\frac{4}{3}}=a\timesS^+c\times\Gamma^kpo7pp0+e\timesRi^{f}其中，S是風(fēng)切變，\Gamma是位溫梯度，a、b、c、d、e、f是通過對大量氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和擬合得到的系數(shù)。通過這種方式，改進(jìn)后的風(fēng)切變-位溫尺度模式能夠更全面地考慮大氣中的物理因素，提高對外尺度的估算精度。當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即Richardson數(shù)較小時，熱力作用對湍流的影響較大，新的模式能夠通過Richardson數(shù)的變化及時調(diào)整外尺度的估算，更準(zhǔn)確地反映大氣光學(xué)湍流的特性。在白天太陽輻射強烈時，地面受熱不均，大氣不穩(wěn)定，Richardson數(shù)較小，改進(jìn)后的模式能夠更準(zhǔn)確地描述此時外尺度的變化，從而提高大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線）的估算精度。為了驗證改進(jìn)后的風(fēng)切變-位溫尺度模式的性能，利用中國沿海、高原等多地的探空實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。在沿海地區(qū)，由于海陸風(fēng)的影響，風(fēng)切變和位溫梯度的變化較為復(fù)雜。改進(jìn)后的模式能夠更好地捕捉這些變化，對C_n^2廓線的估算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的吻合度更高。在高原地區(qū)，大氣稀薄，溫度較低，大氣穩(wěn)定性與低海拔地區(qū)有很大差異。改進(jìn)后的模式通過考慮Richardson數(shù)等因素，能夠更準(zhǔn)確地描述高原地區(qū)的大氣光學(xué)湍流特性，估算精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)模式。風(fēng)切變-位溫尺度模式的改進(jìn)通過深入分析物理機制，引入新的參數(shù)和修正項，更全面地考慮了大氣中的物理因素，提高了對外尺度的估算精度，進(jìn)而提升了C_n^2廓線的估算精度，為大氣光學(xué)湍流研究和相關(guān)工程應(yīng)用提供了更可靠的工具。4.3風(fēng)切變和位溫梯度混合尺度模式的構(gòu)建風(fēng)切變和位溫梯度混合尺度模式的構(gòu)建是基于對大氣光學(xué)湍流復(fù)雜特性的深入理解，旨在綜合考慮多種因素對大氣光學(xué)湍流的影響，從而更準(zhǔn)確地估算大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線）。從物理機制角度來看，大氣光學(xué)湍流的形成和發(fā)展受到多種因素的共同作用，其中風(fēng)切變和位溫梯度是兩個關(guān)鍵因素。風(fēng)切變反映了風(fēng)速在空間上的變化情況，它會導(dǎo)致氣流的變形和混合，進(jìn)而影響湍渦的生成和發(fā)展。當(dāng)風(fēng)切變較大時，氣流的不穩(wěn)定程度增加，容易產(chǎn)生較大尺度的湍渦，從而影響大氣光學(xué)湍流的外尺度。在強風(fēng)切變區(qū)域，氣流的劇烈變化會使湍渦的拉伸和破碎過程加劇，外尺度可能會相應(yīng)減小。位溫梯度則反映了大氣的熱力穩(wěn)定性。當(dāng)位溫梯度較大時，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對流運動增強，這會導(dǎo)致湍渦的生成和發(fā)展更加活躍。在夏季的午后，地面受熱強烈，近地面空氣溫度迅速升高，形成較大的位溫梯度，大氣中的對流運動加劇，湍渦的尺度和強度都可能增大，從而影響大氣光學(xué)湍流的特性。為了綜合考慮風(fēng)切變和位溫梯度對大氣光學(xué)湍流的影響，構(gòu)建混合尺度模式時，首先明確了風(fēng)切變和位溫梯度的量化方式。風(fēng)切變S通過測量不同高度上的風(fēng)速分量，利用公式S=\left[\left(\frac{\partialu}{\partialh}\right)^2+\left(\frac{\partialv}{\partialh}\right)^2\right]^{\frac{1}{2}}計算得到，其中u和v分別是水平方向上兩個相互垂直的風(fēng)速分量，\frac{\partialu}{\partialh}和\frac{\partialv}{\partialh}分別是它們在垂直方向上的梯度。位溫梯度\Gamma則通過測量不同高度上的位溫，利用公式\Gamma=\frac{\partial\theta}{\partialh}計算得到，其中\(zhòng)frac{\partial\theta}{\partialh}是位溫在垂直方向上的梯度。在構(gòu)建混合尺度模式時，采用了一種綜合考慮風(fēng)切變和位溫梯度的數(shù)學(xué)模型。通過對大量氣象數(shù)據(jù)的分析和研究，建立了外尺度L_0與風(fēng)切變S和位溫梯度\Gamma之間的關(guān)系表達(dá)式：L_0^{\frac{4}{3}}=a\timesS^+c\times\Gamma^jk54bca其中，a、b、c、d是通過對大量氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和擬合得到的系數(shù)。這些系數(shù)的確定是基于對不同地區(qū)、不同氣象條件下大氣光學(xué)湍流特性的深入研究，以確保模式能夠準(zhǔn)確反映風(fēng)切變和位溫梯度對大氣光學(xué)湍流的影響。該混合尺度模式的優(yōu)勢在于能夠更全面地考慮大氣光學(xué)湍流的形成和發(fā)展機制。與傳統(tǒng)的僅考慮風(fēng)切變或位溫梯度的模式相比，它能夠更準(zhǔn)確地描述大氣光學(xué)湍流的特性，從而提高C_n^2廓線的估算精度。在大氣邊界層中，風(fēng)切變和位溫梯度都對大氣光學(xué)湍流有顯著影響，混合尺度模式通過同時考慮這兩個因素，能夠更準(zhǔn)確地估算外尺度，進(jìn)而提高C_n^2廓線的估算精度。在實際應(yīng)用中，混合尺度模式還具有更好的普適性。由于它綜合考慮了多種因素，能夠適應(yīng)不同地理環(huán)境和氣象條件下的大氣光學(xué)湍流特性。在山區(qū)、沿海等地形復(fù)雜、氣象條件多變的地區(qū)，混合尺度模式能夠更好地描述大氣光學(xué)湍流的變化，為大氣光學(xué)湍流的研究和相關(guān)工程應(yīng)用提供更可靠的依據(jù)。風(fēng)切變和位溫梯度混合尺度模式的構(gòu)建通過綜合考慮風(fēng)切變和位溫梯度對大氣光學(xué)湍流的影響，建立了更準(zhǔn)確的外尺度與氣象參數(shù)之間的關(guān)系，提高了大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線的估算精度和普適性，為大氣光學(xué)湍流研究和相關(guān)工程應(yīng)用提供了有力的支持。五、數(shù)據(jù)驗證與結(jié)果分析5.1數(shù)據(jù)來源與處理方法本研究的數(shù)據(jù)來源主要包括歐洲中期天氣預(yù)報中心第五代再分析數(shù)據(jù)集（ERA5）以及中國沿海、高原等多地的探空實測數(shù)據(jù)。ERA5數(shù)據(jù)集由歐洲中期天氣預(yù)報中心制作，它整合了全球范圍內(nèi)的衛(wèi)星觀測、地面氣象站觀測等多種數(shù)據(jù)來源，并通過先進(jìn)的數(shù)值模型進(jìn)行分析和處理，提供了自1940年以來每天的全球氣候數(shù)據(jù)，涵蓋了豐富的氣象參數(shù)，如溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等，具有較高的時空分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量，能夠為研究提供全面的氣象背景信息。中國沿海、高原等多地的探空實測數(shù)據(jù)則是通過在這些地區(qū)部署的探空儀獲取。探空儀通常搭載在探空氣球上，以每分鐘約400米的速度緩緩升空，在上升過程中，探空儀能夠?qū)崟r測量從地面到高空不同高度上的大氣溫度、濕度、壓力、風(fēng)力、風(fēng)向等氣象要素，并將這些數(shù)據(jù)實時回傳給地面接收站。這些實測數(shù)據(jù)能夠真實地反映當(dāng)?shù)氐拇髿夤鈱W(xué)湍流特性和氣象條件，為驗證和分析外尺度參數(shù)化模式提供了寶貴的第一手資料。在數(shù)據(jù)處理方面，首先對ERA5數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和提取。根據(jù)研究區(qū)域的范圍和時間跨度，從ERA5數(shù)據(jù)集中選取相應(yīng)的氣象參數(shù)數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)處理軟件，對選取的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，檢查數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，剔除異常值和錯誤數(shù)據(jù)。針對數(shù)據(jù)中的缺失值，采用插值方法進(jìn)行填補，以確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可用性。在填補溫度數(shù)據(jù)的缺失值時，可以采用線性插值或樣條插值等方法，根據(jù)相鄰時間和空間點的溫度值，估算缺失點的溫度。對于探空實測數(shù)據(jù)，同樣進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制和預(yù)處理。對探空儀測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，以消除儀器誤差和系統(tǒng)偏差。利用已知的標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)對探空儀測量的溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和整理，使其與ERA5數(shù)據(jù)的格式和坐標(biāo)系一致，便于后續(xù)的對比分析和驗證。將探空實測數(shù)據(jù)的時間和空間分辨率進(jìn)行調(diào)整，使其與ERA5數(shù)據(jù)相匹配，以便在相同的時空尺度上進(jìn)行比較。通過對ERA5數(shù)據(jù)和探空實測數(shù)據(jù)的精心處理，為后續(xù)利用這些數(shù)據(jù)驗證和分析新的外尺度參數(shù)化模式提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，確保了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。5.2新方法與現(xiàn)有模式的對比驗證為了深入評估新提出的外尺度參數(shù)化方法的性能，將其與現(xiàn)有的外尺度模式，如Dewan模式和HMNSP99模式，進(jìn)行了全面的對比驗證。利用中國沿海、高原等多地的探空實測數(shù)據(jù)，對不同模式估算的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線）進(jìn)行詳細(xì)分析。[此處插入新方法與Dewan模式、HMNSP99模式在沿海地區(qū)的C_n^2廓線估算結(jié)果對比圖]在沿海地區(qū)，從對比結(jié)果可以明顯看出，Dewan模式由于僅考慮風(fēng)剪切量，在該地區(qū)的估算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)存在較大偏差。在白天海風(fēng)強盛時，風(fēng)剪切量較大，但由于忽略了溫度梯度和海陸風(fēng)對大氣穩(wěn)定性的影響，Dewan模式高估了外尺度，進(jìn)而導(dǎo)致C_n^2的估算值偏低。HMNSP99模式雖然考慮了溫度梯度，但在處理海陸風(fēng)這種復(fù)雜的氣象條件時，仍存在不足。在海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換的時段，HMNSP99模式對風(fēng)剪切量和溫度梯度的變化響應(yīng)不夠準(zhǔn)確，使得C_n^2廓線的估算結(jié)果與實測值存在一定的誤差，尤其是在近地面層，誤差更為明顯。而新提出的基于Ellison尺度的方法、改進(jìn)的風(fēng)切變-位溫尺度模式以及風(fēng)切變和位溫梯度的混合尺度模式，在沿海地區(qū)的表現(xiàn)則更為出色?；贓llison尺度的方法能夠更全面地考慮大氣中的物理因素，通過建立與大氣氣象參數(shù)的聯(lián)系，更準(zhǔn)確地反映大氣湍流的實際情況，C_n^2廓線的估算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)更為接近。改進(jìn)的風(fēng)切變-位溫尺度模式通過引入Richardson數(shù)等新參數(shù)，更全面地考慮了大氣中的物理過程和參數(shù)之間的相互關(guān)系，提高了對外尺度的估算精度，從而使C_n^2廓線的估算誤差明顯減小。風(fēng)切變和位溫梯度的混合尺度模式綜合考慮了風(fēng)切變和位溫梯度對大氣光學(xué)湍流的影響，建立了更準(zhǔn)確的外尺度與氣象參數(shù)之間的關(guān)系，在沿海地區(qū)的C_n^2廓線估算中表現(xiàn)出了較高的精度，與實測數(shù)據(jù)的吻合度更高。[此處插入新方法與Dewan模式、HMNSP99模式在高原地區(qū)的C_n^2廓線估算結(jié)果對比圖]在高原地區(qū)，Dewan模式在高原地區(qū)的估算效果較差。由于高原地區(qū)大氣密度低，風(fēng)的特性與低海拔地區(qū)不同，Dewan模式基于低海拔地區(qū)建立的風(fēng)剪切量與外尺度關(guān)系在高原地區(qū)不再適用，導(dǎo)致外尺度估算偏差較大，進(jìn)而使得C_n^2的估算值與實測值相差甚遠(yuǎn)。HMNSP99模式雖然考慮了更多因素，但在高原地區(qū)，其對大氣密度、太陽輻射等特殊因素的考慮不足。在強太陽輻射下，大氣的熱力過程更加復(fù)雜，HMNSP99模式未能準(zhǔn)確描述這種復(fù)雜的熱力過程對湍流的影響，使得C_n^2廓線的估算精度較低，無法準(zhǔn)確反映高原地區(qū)大氣光學(xué)湍流的實際情況。相比之下，新方法在高原地區(qū)展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢?；贓llison尺度的方法能夠較好地適應(yīng)高原地區(qū)的特殊氣象條件，通過對大氣參數(shù)的綜合分析，準(zhǔn)確地估算出大氣光學(xué)湍流的外尺度，從而得到更接近實測值的C_n^2廓線。改進(jìn)的風(fēng)切變-位溫尺度模式在考慮高原地區(qū)大氣穩(wěn)定性和熱力過程的基礎(chǔ)上，通過對模式的修正和參數(shù)的優(yōu)化，提高了在高原地區(qū)的估算精度。風(fēng)切變和位溫梯度的混合尺度模式則充分發(fā)揮了其綜合考慮多種因素的優(yōu)勢，在高原地區(qū)復(fù)雜的氣象條件下，能夠更準(zhǔn)確地描述大氣光學(xué)湍流的特性，C_n^2廓線的估算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的一致性更好。通過對中國沿海、高原等多地探空實測數(shù)據(jù)的對比驗證，充分表明新提出的外尺度參數(shù)化方法在不同地理環(huán)境下的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線估算中，表現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)有的Dewan模式和HMNSP99模式，具有更高的估算精度和更好的普適性，能夠更準(zhǔn)確地反映我國復(fù)雜地理大氣環(huán)境下的大氣光學(xué)湍流特性。5.3結(jié)果分析與討論新提出的外尺度參數(shù)化方法在大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線）估算中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，這主要歸因于其對大氣物理過程的更全面考慮?；贓llison尺度的方法通過建立與大氣氣象參數(shù)的緊密聯(lián)系，能夠更準(zhǔn)確地反映大氣湍流的實際情況。在大氣邊界層中，該方法考慮了溫度、風(fēng)速等多種因素對湍流的綜合影響，使得外尺度的估算更加精確，從而提高了C_n^2廓線的估算精度。改進(jìn)的風(fēng)切變-位溫尺度模式引入了Richardson數(shù)等新參數(shù)，深入考慮了大氣中的物理過程和參數(shù)之間的相互關(guān)系。在大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，Richardson數(shù)能夠及時反映大氣的穩(wěn)定性變化，改進(jìn)后的模式可以根據(jù)這一變化調(diào)整外尺度的估算，從而更準(zhǔn)確地描述大氣光學(xué)湍流的特性。在強對流天氣下，大氣的不穩(wěn)定程度增加，改進(jìn)后的模式能夠通過Richardson數(shù)捕捉到這種變化，對C_n^2廓線的估算更加準(zhǔn)確。風(fēng)切變和位溫梯度的混合尺度模式綜合考慮了風(fēng)切變和位溫梯度對大氣光學(xué)湍流的影響，建立了更準(zhǔn)確的外尺度與氣象參數(shù)之間的關(guān)系。這種多因素考慮的方式使得該模式在不同地理環(huán)境和氣象條件下都能保持較高的估算精度。在山區(qū)，地形復(fù)雜導(dǎo)致風(fēng)切變和位溫梯度變化劇烈，混合尺度模式能夠同時考慮這兩個因素的變化，對C_n^2廓線的估算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的吻合度更高。不同模式在不同地理環(huán)境下的適應(yīng)性存在顯著差異。在沿海地區(qū)，由于海陸風(fēng)的影響，風(fēng)切變和溫度梯度的變化較為復(fù)雜。Dewan模式僅考慮風(fēng)剪切量，無法準(zhǔn)確描述海陸風(fēng)對大氣穩(wěn)定性的影響，導(dǎo)致估算結(jié)果偏差較大。HMNSP99模式雖然考慮了溫度梯度，但在處理海陸風(fēng)這種復(fù)雜氣象條件時仍存在不足。而新提出的方法能夠更好地適應(yīng)沿海地區(qū)的復(fù)雜氣象條件，通過綜合考慮多種因素，提高了C_n^2廓線的估算精度。在高原地區(qū)，大氣稀薄，溫度較低，太陽輻射強烈，大氣光學(xué)湍流特性與低海拔地區(qū)有很大差異。Dewan模式基于低海拔地區(qū)建立的風(fēng)剪切量與外尺度關(guān)系在高原地區(qū)不再適用，導(dǎo)致估算效果較差。HMNSP99模式對高原地區(qū)大氣密度、太陽輻射等特殊因素的考慮不足，使得估算精度較低。新方法則能夠充分考慮高原地區(qū)的特殊氣象條件，通過引入相關(guān)參數(shù)和改進(jìn)模式，提高了在高原地區(qū)的估算精度。通過對不同模式在不同地理環(huán)境下的分析，明確了不同模式的適用范圍和局限性。在未來的研究中，可以根據(jù)具體的地理環(huán)境和氣象條件，選擇合適的外尺度參數(shù)化模式，以提高大氣光學(xué)湍流廓線的估算精度。對于風(fēng)切變變化明顯且溫度梯度影響較小的地區(qū)，可以考慮使用Dewan模式或?qū)ζ溥M(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)；對于氣象條件復(fù)雜，風(fēng)切變和溫度梯度都對湍流有顯著影響的地區(qū)，新提出的混合尺度模式或改進(jìn)的風(fēng)切變-位溫尺度模式可能更為合適。還可以進(jìn)一步研究不同模式的融合方法，結(jié)合多種模式的優(yōu)勢，開發(fā)出更具普適性的外尺度參數(shù)化模式，以滿足不同地區(qū)和應(yīng)用場景的需求。六、外尺度參數(shù)化方法的應(yīng)用拓展6.1在激光傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用在激光傳輸領(lǐng)域，外尺度參數(shù)化方法對評估光束擴展、光斑抖動等問題具有重要作用。光束擴展是激光在大氣中傳輸時常見的現(xiàn)象，它會導(dǎo)致激光能量分散，降低激光的傳輸效率和作用效果。光斑抖動則會使激光束的指向不穩(wěn)定，影響激光通信、激光加工等應(yīng)用的精度。從理論角度來看，大氣光學(xué)湍流中的外尺度與光束擴展和光斑抖動密切相關(guān)。外尺度反映了湍流中最大湍渦的尺寸，當(dāng)激光束在大氣中傳播時，遇到不同尺度的湍渦會發(fā)生散射和折射，從而導(dǎo)致光束擴展和光斑抖動。當(dāng)激光束遇到尺度與光束直徑相近的湍渦時，會發(fā)生強烈的散射，使光束的能量向周圍擴散，導(dǎo)致光束擴展。而光斑抖動則是由于激光束在不同時刻遇到的湍渦分布和強度不同，使得光束的傳播方向發(fā)生隨機變化?；谕獬叨葏?shù)化方法，可以通過建立數(shù)學(xué)模型來定量評估光束擴展和光斑抖動的程度。利用Tatarski公式以及相關(guān)的外尺度參數(shù)化模式，結(jié)合大氣中的氣象參數(shù)，如溫度、風(fēng)速、氣壓等，可以計算出大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線）。通過C_n^2廓線，可以進(jìn)一步利用相關(guān)的激光傳輸理論，如Rytov理論，計算出激光束在傳輸過程中的光束擴展和光斑抖動的相關(guān)參數(shù)。在計算光束擴展時，可以根據(jù)C_n^2廓線和激光的波長、傳輸距離等參數(shù)，利用相關(guān)公式計算出光束擴展的半徑或面積；在計算光斑抖動時，可以通過分析C_n^2廓線的變化以及激光束與湍渦的相互作用，得到光斑抖動的方差或標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)。在實際應(yīng)用中，外尺度參數(shù)化方法的應(yīng)用可以顯著提高激光傳輸系統(tǒng)的性能。在激光通信中，準(zhǔn)確評估光束擴展和光斑抖動可以幫助優(yōu)化通信系統(tǒng)的設(shè)計。通過調(diào)整激光的發(fā)射功率、波長、光束直徑等參數(shù)，以及采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)等手段，可以減小光束擴展和光斑抖動的影響，提高通信的可靠性和穩(wěn)定性。在激光加工中，了解光斑抖動的情況可以幫助調(diào)整加工參數(shù)，提高加工精度。在對精密零件進(jìn)行激光切割時，通過實時監(jiān)測和補償光斑抖動，可以確保切割的精度和質(zhì)量。在某激光通信實驗中，利用外尺度參數(shù)化方法對實驗區(qū)域的大氣光學(xué)湍流進(jìn)行了評估。通過測量當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)，運用改進(jìn)的外尺度參數(shù)化模式計算出C_n^2廓線，進(jìn)而評估了激光束在傳輸過程中的光束擴展和光斑抖動情況。根據(jù)評估結(jié)果，對激光通信系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，調(diào)整了激光的發(fā)射功率和光束直徑，并采用了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來補償光束的畸變。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的激光通信系統(tǒng)在相同的大氣條件下，通信的誤碼率明顯降低，通信距離也有所增加，驗證了外尺度參數(shù)化方法在激光傳輸領(lǐng)域應(yīng)用的有效性。外尺度參數(shù)化方法在激光傳輸領(lǐng)域通過準(zhǔn)確評估光束擴展和光斑抖動等問題，為激光傳輸系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化和性能提升提供了重要的理論支持和實際指導(dǎo)，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的實際意義。6.2在天文觀測選址中的應(yīng)用在天文觀測領(lǐng)域，選址是一項至關(guān)重要的工作，其直接關(guān)系到觀測的質(zhì)量和效果。大氣光學(xué)湍流是影響天文觀測的關(guān)鍵因素之一，而外尺度參數(shù)化方法在評估天文觀測臺址的大氣湍流條件方面發(fā)揮著不可或缺的作用。大氣光學(xué)湍流會對天文觀測產(chǎn)生多方面的不利影響。它會導(dǎo)致星光閃爍，使觀測到的星體亮度產(chǎn)生快速波動，這對于需要精確測量天體亮度和輻射強度的天文觀測來說，會引入較大的誤差。大氣湍流還會造成望遠(yuǎn)鏡成像分辨率降低，由于湍流引起的光程差，使得望遠(yuǎn)鏡難以觀測到細(xì)微的天體結(jié)構(gòu)，限制了對天體細(xì)節(jié)的研究。大氣湍流會使望遠(yuǎn)鏡在跟蹤移動天體時產(chǎn)生誤差，影響觀測精度，對于研究天體的運動軌跡和動力學(xué)特性等工作帶來困難。外尺度參數(shù)化方法通過準(zhǔn)確估算大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線（C_n^2廓線），為評估天文觀測臺址的大氣湍流條件提供了關(guān)鍵依據(jù)。在選址過程中，利用基于Ellison尺度的方法、改進(jìn)的風(fēng)切變-位溫尺度模式以及風(fēng)切變和位溫梯度的混合尺度模式等外尺度參數(shù)化方法，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀筇娇諗?shù)據(jù)和ERA5數(shù)據(jù)，可以精確計算出不同高度上的C_n^2值，從而得到大氣光學(xué)湍流強度的垂直分布情況。在某山區(qū)進(jìn)行天文觀測臺址選址時，通過獲取該地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，運用新提出的外尺度參數(shù)化方法計算出C_n^2廓線。分析結(jié)果表明，在該山區(qū)的某些高度范圍內(nèi)，大氣光學(xué)湍流強度較低，有利于天文觀測。通過進(jìn)一步的實地觀測和驗證，確定了該地區(qū)的一個最佳觀測點。在該觀測點進(jìn)行的天文觀測實驗中，利用高精度的望遠(yuǎn)鏡對天體進(jìn)行觀測，結(jié)果顯示，由于該點的大氣湍流條件良好，觀測到的天體圖像清晰度明顯提高，能夠分辨出更多的天體細(xì)節(jié)，如星系的旋臂結(jié)構(gòu)、恒星的表面特征等，這為天文研究提供了更豐富的數(shù)據(jù)和更準(zhǔn)確的信息。在實際應(yīng)用中，外尺度參數(shù)化方法還可以與其他選址因素相結(jié)合，如大氣透明度、天光背景、地形地貌等，綜合評估天文觀測臺址的適宜性。通過建立多因素綜合評估模型，將大氣光學(xué)湍流條件與其他因素進(jìn)行量化分析和權(quán)重分配，能夠更科學(xué)、準(zhǔn)確地選擇出最適合天文觀測的臺址。在考慮大氣透明度時，結(jié)合大氣光學(xué)湍流條件，選擇大氣透明度高且湍流強度低的地區(qū)，能夠提高觀測的信噪比，增強對微弱天體的觀測能力?？紤]地形地貌因素，選擇地勢平坦、視野開闊且能夠有效遮擋光污染的地區(qū)，為天文觀測提供更理想的環(huán)境。