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光波在大气中传输时,由于湍流的存在导致相位扰动造成光电系统的成像质量下降。自适应光学系统用于校正湍流的影响,但优化自适应光学系统性能以及大型望远镜在选址、设计和运行时都需要监测台址的光学湍流强度及其积分参数。测量高空大气光学湍流需要耗费巨大的人力、物力和财力,并且由于测量方法的限制难以在全国大范围连续地测量。介绍了基于数值天气预报(WRF)模式,依据湍流参数化模型模拟得到光学湍流强度廓线。模拟结果与在高美古观测站探空实测数据进行了对比,结果表明模拟的光学湍流强度廓线展现了高空大气光学湍流廓线的变化特征,与实测结果基本一致。
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第 42 卷 第 9 期
2015 年 9 月
Vol. 42, No. 9
September, 2015
中 国 激 光
CHINESE JOURNAL OF LASERS
0913001-
WRF 模式估算丽江高美古大气光学湍流廓线
青 春
1,2
吴晓庆
1
李学彬
1
朱文越
1
饶瑞中
1,3
梅海平
1
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
中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
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 光波在大气中 传输时,由于湍流的存 在导致相位扰动造成 光电系统的成像质量 下降。自适应光学系 统用于
校正 湍流 的影 响,但 优化自适应光学系统性能以及大型望远 镜在 选址 、设计 和运 行时都需要监测台址的光学湍流
强度 及其 积分 参数。测量高空大气光学湍流需要 耗费 巨大 的人力、物 力和财力,并且由于测量方法的限制难以在
全国大范 围 连 续地测量 。 介 绍了基于 数 值 天气预报 (WRF)模 式,依 据 湍流参数 化 模 型模拟 得 到 光学湍流 强 度 廓
线。模拟结果与在高美古观测站探空实测数据进行了对比,结果表明模拟的光学湍流强度廓线展现了高空大气光
学湍流廓线的变化特征,与实测结果基本一致。
关键词 大气光学; 湍流廓线; 数值天气预报模式; 参数化; 探空
中图分类号 O437.5 文献标识码 A
doi: 10.3788/CJL201542.0913001
Estimation of Atmospheric Optical Turbulence Profile by
WRF Model at Gaomeigu
Qing Chun
1,2
Wu Xiaoqing
1
Li Xuebin
1
Zhu Wenyue
1
Rao Ruizhong
1,3
Mei Haiping
1
1
Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,
Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031, China
2
Science Island Branch of Graduate School, University of Science and Technology of China,
Hefei, Anhui 230031, China
3
School of Environmental Science and Optoelectronic Technology, University of Science and Technology of China,
Hefei, Anhui 230026, China
Abstract When electromagnetic waves propagate through the atmosphere, the turbulence causes phase
fluctuations and degrades the image quality of the photoelectric system. Adaptive optics is used to correct the effect
of atmospheric turbulence, but in order to optimize system performance, as well as the large telescope sitting,
designing and operating, monitoring optical turbulence intensity and integral parameters of the observing stations
are necessary. Measuring atmospheric optical turbulence takes a huge labor, materials and financial resources, and
it is difficult to measure a large region continuously. The weather research and forecasting (WRF) model is
introduced based on the optical turbulence parameterization, the profiles of the optical turbulence intensity
are simulated using turbulence parameterized model. Simulation results are compared with measurements at
Gaomeigu observing station, the results show that the simulation profiles emerge the variation tendency of the upper
air atmospheric optical turbulence, and basically coincide with the measurements.
Key words atmospheric optics; turbulence profile; numerical weather forecasting model; parameterization;
balloon
OCIS codes 010.1290; 010.1330; 030.4070; 060.4510
收稿日期: 2015-05-18; 收到修改稿日期: 2015-06-15
基金项目: 国家自然科学基金(41275020)
作者简介: 青 春(1987—),男,博士研究生,主要从事大气湍流的参数化与模式预报方面的研究。
E-mail: chunqing@mail.ustc.edu.cn
导师 简 介: 吴 晓 庆(1963—),男 ,研究 员 ,博 士生 导师 ,主要 从 事 大 气边 界 层 、大气 湍 流测 量 与 模 式、天文选 址 等 方 面的 研
究。E-mail: xqwu@aiofm.ac.cn(通信联系人)
1
中 国 激 光
0913001-
1 引 言
光波在大 气中 传输时,受到大 气湍 流的影响而 产生各种效 应,如闪 烁、到达 角起伏等,从而影响 光电系
统的成像质量以及空间光通信的稳定性
[1-4]
。天文观测站在选址、设计和运行时都需要考虑大气湍流对望远
镜光电性能的影响
[5-6]
。折射率结构常数 C
2
n
是表征大气光学湍流强度的重要参数。过去发展了较多的测量
方法,但由于测量方法的局限想要通过实际测量手段获得较大时空范围内的大气湍流参数不切实际。因此
依据常规气象参数模拟和预报大气光学湍流具有重要意义。
大气湍流 是大气随机 运动的结果 ,其 形成和变化 都与常规气 象参数 有着密不可 分的联系,国内 外对大
气光学湍流的参数模 式进行了大量的研究。Hufnagel 等
[7]
基于星光闪烁和气球 探空测量数据归纳出高空大
气湍流参数模 式,此模 式尽 管考虑了气 象要 素的影响,但单纯用 风速 平方平均不 能反 映大气湍流 的复 杂性
和多样性。Warnock 等
[8]
在对小尺度和风切变的统计模式基础上开发了美国国家海洋和大气管理局(NOAA)
模式,利用无线电探空得到的标准气象参数估算大气光学湍流强度廓线。Bougeault 等
[9]
在 1995 年最早尝试
将中尺度气象模式模拟大气光学湍流应用到天文学上。Masciadri 等
[10-11]
基于非静力学气象模式获得了三维
大气光学湍流分布,水平分辨率达到了 500 m。目前在夏威夷莫纳克亚气象中心,建立了较为成熟的大气光
学湍流模拟预报系统,为莫纳克亚天文台每天两次发布未来 5 天的常规气象参数和大气光学湍流参数的预
报结果
[12]
。许利明等
[13-14]
利用中尺度气象模式获得了合肥、库尔勒、东山等地的大气光学湍流强度廓线。王
红帅等
[15-16]
尝试将大气光学湍流预报的研究成果运用到天文选址工作中。
本文介 绍了 利用 气象 数值预报(WRF)模式,依据大气光学湍流的参数化方案模拟了云南高美古天文观
测站大气光学湍流强度廓线,并与探空实测数据进行了对比验证。
2
C
2
n
测量原理
在局地均匀各向同性湍流的假定下,折射结构函数 D
n
(r) 定义为 D
n
(r) =
[ ]
n(x) - n(x + r)
2
[17]
,D
n
(r) 与空间
两点间距离
r
存在如下关系:
D
n
(r) = C
2
n
r
2 3
, l
0
≪ r ≪ L
0
, (1)
式中
x
和
r
是位置矢量,
r
是
r
的模,
∙
表示系综平均,C
2
n
是折射率结构常数,
l
0
和
L
0
分别是湍流的内尺度
和外尺度。温度结构常数 C
2
T
的表示形式与 C
2
n
相同,把折射率
n
换成温度
T
即可
C
2
T
= [T(x) - T (x + r)]
2
r
-2/3
. (2)
对于可见 光和近 红外光 波,折射 率起伏 主要是 由温度起伏 引起的 。因此 C
2
T
可直接由 温度结 构常数 C
2
T
得到
C
2
n
=
æ
è
ç
ö
ø
÷
79 × 10
-6
P
T
2
2
C
2
T
, (3)
式中
P
为气压,单位为 hPa。
两个相距为 1 m 的微温探头将空间两点环境温度的变化感应为电阻值的变化,经不平衡电桥转换为电
压的变化,从电压放大器输出的电压变化
ΔV
对应一定的温度变化
ΔT
,A 是标定系数,则有
ΔV = A∙ΔT
. (4)
由(2)、(4)式通过测量空间两点温差的平方平均得到 C
2
T
,再由(3)式求得折射率结构常数 C
2
T
。
3 模拟方法
3.1 模式简介
数值天气预报模式是由 美国 国家大气研究中心(NCAR)和美国国家环境 预测 中心(NCEP)共同联 合开 发
的 中 尺 度 非 静 力 学 天 气 预 报 模 式 。 WRF 为 完 全 可 压 缩 ,具 有 静 力 选 项 的 非 静 力 学 模 式 。 水 平 方 向 采 用
Arakawa-C 网 格 点 ,垂 直方 向 采 用 地形 跟 随 质 量 坐 标 。在 时 间 积 分方 面 采 用 3 阶或 4 阶 的 Runge-Kutta 算
法。WRF 模式依据大气运动闭合基本方程组,即运动方程、连续方程、状态方程、热力学方程、水汽方程。在
σ
坐标系下基本方程组为
[18]
2
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