大气光学湍流廓线估算方法研究进展

吴晓庆

(1.中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所，中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031;2.先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037)

引言

1 Tatarski公式中几种常见的外尺度参数化模式

Tatarski公式形式为

(1.1)

(1.2)

其中,T是绝对气温(K)，P是气压(hPa)，γa是干空气绝热递减率(9.8×10-3Km-1),h是高度(m)，L0是湍流外尺度。常见的L0参数化模式有含有风剪切量的Dewan模式：

对流层 (1.3)

平流层 (1.4)

含有风剪切量和温度梯度的HMNSP99模式为

对流层 (1.5)

平流层 (1.6)

外尺度经验公式Coulman模式：

(1.7)

2 Thorpe尺度模式

该方法引入了一个Thorpe尺度参量LT，LT与L0之间具有如下线性关系：

L0=cLT

(2.1)

式中，c是待定系数。Tatarski公式重写为

(2.2)

(1)根据探空测量得到的气温廓线，转换成位温廓线θ；

(2)对于一条位温廓线序列{θ1,θ2,…,θn}，廓线中的每一个位温值对应的高度为zm，其中m=1,2,…,n。将序列θ按照从小到大的顺序转化成一个单调递增的序列θs，即{θs1,θs2,…,θsn}，并且θs1θs2…θsn，其中的s1,s2,…,sn是对应的1,2,…,n排序后的序列；

(3)对于序列θ中的一点θi，其原本对应所在的高度为zi，经过第二步处理以后，在得到的序列θs中，其对应的高度为zj，那么该点位移量Δz=zi-zj的均方根(或Δz的绝对值)作为Thorpe尺度LT。

图1 Thorpe scale估算的南极点冬季和夏季廓线Fig.1 Profile of estimated by Thorpe scale in summer and winter at South pole

3 Ellison尺度模式

Ellison尺度与Thorpe尺度相似，可以得到类似(2.2)公式如下：

(3.1)

(1)将探空获得的温度廓线转换为位温廓线，如图2(a)所示；

(2)初始位温廓线中每一个位温值对应相应的高度值，例如{θ1,θ2,…,θn}对应{h1,h2,…,hn}。然后将位温进行冒泡升序排列，排序后的位温序列对应相应的高度廓线，{θs1,θs2,…,θsn}对应{hs1,hs2,…,hsn}；

(3.2)

c的计算流程如下：

图2 Ellison尺度计算过程(a)位温廓线；(b)位温波动廓线；(c)排序后的位温梯度；(d)位移量；(e)LE；(f)实测与估算廓线

4 人工神经网络法

5 讨论

图3 SA-BP神经网络算法流程图

图4 神经网络结构图