关键词:
大气光学
光学湍流
参数化模式
再分析数据
广域时空分布
摘要:
大气光学湍流是与光电工程系统设计、应用密切相关的基本参数。了解和掌握大气光学湍流强度(C_n2)及其时空分布特征,对于优化光电系统性能具有重要意义。传统大气光学湍流探测方法和技术无法进行长期系统的测量,难以满足光电工程应用中对于广域大气光学湍流参数时空分布特征的预测需求。本文在总结和梳理国内外大气湍流模式研究的基础上,对典型地区大气光学湍流参数化模式开展研究,提出了一种光学湍流参数化模式与再分析数据相结合预测广域大气湍流参数的方法,预测了广域大气光学湍流参数时空分布特征。主要研究内容和取得的成果如下:
(1)采用HMNSP99模型和结合遗传算法的反向传播神经网络GA-BP模型对沿海、沙漠、高原等地区C_n2廓线的估算方法开展研究。估算结果与实测结果对比表明,两种模型估算的log(C_n2)平均偏差和均方根误差分别小于1.3 m-2/3和1.5m-2/3。整体上,GA-BP神经网络模型估算准确度与HMNSP99模式估算准确度相当,两种模型均可准确估算大气光学湍流廓线。
(2)基于典型地区湍流探空数据集,采用数理统计分析方法,优化大气光学湍流参数化模型,建立了一种广域大气光学湍流参数化模型(General Turbulence Model,GTM)。采用GTM模型估算了不同地区C2廓线,并与实测C_n2廓线对比,log(C_n2)的平均偏差和均方根误差整体上均小于1 m-2/3,初步验证了 GTM模型估算大气光学湍流的准确度。
(3)提出了一种GTM模式结合ERA5再分析数据预测广域大气光学湍流参数时空分布特征的表征方法。利用该方法预测的大气光学湍流参数与国际上著名天文台站公布的长期监测或模型结果基本一致,证明了该表征方法预测广域大气湍流参数时空分布特征是可行的。表征方法预测了青海冷湖站大气视宁度的中值为0.72",这与国家天文台报道的实测视宁度中值(0.75")一致。
(4)进一步地,利用所提出的表征方法预测了全球、中国区域及附近海域大气湍流参数时空分布特征。结果显示,较好的大气相干长度主要分布在夏威夷群岛、美洲西海岸、青藏高原等地区,这与国际上著名天文台址分布是一致的,并指出埃塞俄比亚高原地区具有较好的大气相干长度条件。
此外,预测结果表明:大气相干时间较佳的区域主要分布在美洲西海岸、非洲埃塞俄比亚高原地区等低纬度地区;等晕角分布特征不明显,较优的值主要在南海、东海和印度尼西亚等区域。中国区域大气相干长度分布与地形密切相关,整体上“东小西大”;大气相干时间分布是“南大北小,西高东低”,云贵高原西部、南部地区和南海附近地区较优;等晕角分布整体上是“南北大,中间小”。中国区域及附近海域大气湍流参数整体上呈现出“夏季较优,冬季较差”的特点,南海和附近太平洋海域较佳,其次是东海、黄海和渤海。
本文通过研究高空大气湍流参数化模式,预测了广域大气湍流参数的时空分布特征。这不仅可以丰富现有的湍流估算模式内容,让我们对广域大气湍流参数空间变化特征和长期变化趋势有了全面的认识,也为未来大型望远镜选址、自由空间光通信及激光大气传输最佳路径和驻留时间等提供了科学数据支撑。