摘 要: 用AMK-02型超声波大气参数综合测量仪同时测量了常规气象参数和大气折射率结构常数C2n,分析并找出了该仪器给出的C2n在转换时刻与热丝温度脉动仪的测量结果差异较大的原因,是由于超声波法测量温度脉动精度太低,只能达到0.01 K。同时建立了另一种适用于超声波仪计算C2n的方法,即利用该仪器准确的常规气象参数计算C2n,其计算结果与热丝温度脉动仪的测量结果吻合较好。
随着对激光的研究和发展,激光的大气传输效应越来越受到人们的重视,国内外有很多单位正在进行对激光传输环境(包括常规气象参数和大气湍流参数)的测量与研究工作[1,2],测量的仪器和方法也多种多样,这里主要介绍超声波法对大气参数的测量。超声波测量仪不仅体积小巧、操作方便、不易损坏,而且可以同时测量多种大气参数,超声波法一般用来测量常规气象参数,用其测量湍流参数还是一种较新的方法[3,4]。本文主要介绍了从俄罗斯引进的AMK-02型超声波大气参数综合测量仪的测量原理及测试结果分析。通过与热丝温度脉动仪的比对,对超声波测量仪计算折射率结构常数C2n的两种方法进行了分析比较。
1 实验装置及基本原理
AMK-02型超声波大气参数测量仪由超声波温差风速仪(如图1)、湿压探测器(如图2)和数据处理采集系统组成。超声波温差风速仪由4组超声波探测器(每组都包括一个发射端和一个接收端)组成,它可以通过群声速来计算大气温度和三维风速值,而群声速与声速和风速有如下关系
式中:U是群声速矢量;n是垂直于波阵面的单位法线矢量;v是风速矢量;c是静止大气中的声速。
根据热力学原理,对于理想气体可以得到声速与温度的如下关系
式中:Tv=Tk(1+0.319 2e/p)是虚声温(K),Tk为大气温度(K),p为大气压强(0.1 hPa),参数e可以根据方程e=6.107m-2Hu计算,Hu为相对空气湿度,m=7.665θ/(243.33+θ),θ是空气温度(℃)。湿压探测器可以测量出计算所需的相对湿度和大气压强的数值。
实际测量时,超声波温差风速仪的4个发射端分别发射频率为80Hz的超声波信号,数据采集系统测量出沿给定方向i和已知距离Si(i=1,2,3,4)的超声波发射器与接收器之间超声波信号的传输时间ti,利用关系式Ui=Si/ti可以计算出4个通道群声速的绝对值,风速矢量v用它的三个互相垂直的分量vx,vy,vz来计算。在Taylor假定下,根据公式(1)可以计算三维风速vx,vy,vz和声速c的值,根据公式(2)可以从声速c中计算大气温度的一系列瞬时值T和温度脉动值T′。 AMK—02超声波测量仪的性能指标为:大气温度:[(-50~50)±0.25]℃;风速:(0~30)m/s±(0.1 m/s+0.02v),其中v是实测的风速值;大气压强:[(745~1 060)±2] hPa;相对湿度:(10%~100%)±5%;温度脉动精度:0.01 K;风速脉动精度:0.01 m/s。
2 测量结果及分析
2.1超声波-温度脉动法
AMK—02型超声波大气参数测量仪除了直接给出测量的常规气象参数外,还给出了大气折射率结构常数C2n,该仪器未给出源程序,经分析它是通过测量单点温度脉动值来计算C2n的,即由超声波测量出的温度脉动值T′来计算温度波动结构常数
式中:Δt为测量气象参数瞬时值之间的时间间隔;〈〉表示统计平均。
对光波来说温度起伏是引起光波参数变化的重要因素,根据干洁大气中可见光波段内折射率与温度之间关系可得到折射率结构常数与温度结构常数的如下计算关系[5]
式中:p(单位hPa )为大气压强;T(单位K)为大气温度。值得注意的是,这里的气压和大气温度都是在同一时间同一地点测量的值。
我们对超声波测量仪和热丝温度脉动仪(该仪器测量的C2n目前已得到普遍认可)测量的大量结果进行了比对分析,其典型的C2n日变化比对曲线如图3所示。图中HTP是热丝温度脉动仪的测量数据,AMK是超声波测量仪的测量数据。从图3中可以看到热丝温度脉动仪测得的C2n日变化曲线一般要跨5个量级(10-17~10-12m-2/3),而超声波测量仪的结果仅在2个量级的范围内变化(5×10-15~5×10-13m-2/3);而且发现在白天和晚上部分时段两者的结果符合较好,在日出日落转换时刻,两者差别最大,热丝温度脉动仪测量结果已经下降到10-16m-2/3的量级,而AMK-02测量的C2n还在10-14m-2/3量级附近波动。
我们通过分析找出了AMK-02超声波测量仪使用单点温度脉动法测量C2n不准确的主要原因,是由于超声波法测量温度脉动精度只能达到0.01 K,并用实验数据进行了验证。由于超声波法的局限性,其测温精度不可能提高到0.001 K,因此不适合使用超声波-单点温度脉动法来计算转换时刻或弱湍流条件下C2n(10-16~10-17m-2/3)。下面介绍一种适用于超声波法来计算C2n的方法。
2.2 超声波-常规气象法
超声波法测量的常规气象参数能够较好地满足气象观测的要求,但由其测量的温度值计算得到的温度脉动数据却不能达到弱湍流条件下的精度要求,影响了观测结果的适用性,从而使这种测量方法受到了限制。根据大气边界层与相关理论,湍流作为大气运动的一种状态,其特征参数实际上也应是由大气运动状态变化决定的。我们认为,利用标定后的AMK-02测量的常规气象参数,并根据Wyngaard等的经验关系式和相似性理论也能计算出C2n。下面主要介绍这种方法的理论分析和实验验证工作。
Wyngaard等根据1968年AFCRL边界层试验数据利用量纲分析得出了经验关系式[6]
式中:z为测量点高度;T*为特征温度,T*=-H/v*,H=〈u′T′〉为近地层温度通量(K·cm·s-1),u′和T′分别为垂直方向速度脉动和温度脉动,v*为摩擦速度;L为MoNIn-Obuhkov长度,表征边界层的稳定度,L=〈T〉(v*)2/χgT*,〈T〉为大气平均温度,χ为Karman常数,取0.35,g为重力加速度,取9.81 m/s2。
计算时测量点高度z已知,超声波测量仪根据所测量的常规气象参数可以给出特征温度T*和Monin-Obuhkov长度L,根据(5)式可以计算出温度结构常数C2T,再由(4)式就可以得到折射率结构常数C2n。为了提高计算的精度,我们在国家气象仪器质量检验中心对该仪器测量的常规气象参数(T,v,Hu,P)分别进行了标定和修正。
根据这种方法,利用超声波测量仪测量出的常规气象参数重新计算了折射率结构常数C2n,并与热丝温度脉动仪测量的C2n进行了比对,图4为典型的C2n日变化曲线比对结果。图中AMK-measured是超声波-温度脉动法的计算结果,AMK-modeled是超声波-常规气象法计算结果, HTP是热丝温度脉动仪的测量结果。从图中可以看到超声波-常规气象法计算的C2n比超声波-温度脉动法计算的C2n有了很大的改进,用常规气象参数计算的C2n与热丝温度脉动仪测量的C2n吻合得非常好,起伏一致,转换时刻也较吻合,能很好地反映C2n的日变化规律。
2.3 理论分析
从C2n与C2T的关系式(4)中可以计算出,如果C2n在10-17~10-13m-2/3的量级内变化,C2T的变化范围至少从10-5~10-1K2·m-2/3。
对于温度脉动法,从公式(3)中可得,C2T=〈ΔT2〉/(〈v〉Δt)2/3,平均风速v一般很小,取1 m/s;Δt=1/80。则可得C2T≈102〈ΔT2〉,由C2T的变化范围可得ΔT的变化范围要跨越0.001~0.1 K,而超声波测温T的精度只能达到0.01 K,这也说明了AMK-02型超声波测量仪在使用温度脉动法时的局限性。
对于常规气象参数计算法,它利用的是常规气象参数的各个统计平均量,从公式(4)、(5)中可以推出,如果C2n在10-17~10-13m-2/3的量级内变化,则要求特征温度T*在10-5/2~10-1/2K范围内变化,而近地层温度通量H在10-4~10-1m·K·s-1的范围内变化。要让T*和H满足需要,则要求各个速度分量的脉动精度和温度的脉动精度分别达到0.01 m/s和0.01 K,而这恰好在AMK-02超声波测量仪的测量精度范围内,这也说明了超声波-常规气象法计算C2n的可行性。
3 结 论
从上面的比对和分析中可以看到,由于超声波法的局限性,限制了其温度的测量精度,从而限制了用温度脉动法计算的C2n的准确度(尤其在日出日落转换时刻)。但由于其测量的常规气象参数经过标定和修正,还是比较准确可靠的,利用这些气象参数计算的C2n与常用的热丝温度脉动仪测量结果吻合较好,因此利用超声波测量仪测量的常规气象参数可以比较准确地计算出近地面平坦地形折射率结构常数C2n。超声波-常规气象法不仅解决了由俄罗斯引进的AMK-02型超声波测量仪不能准确测量转换时刻C2n的问题,而且有进一步应用推广的价值。
参考文献:
[1] 吴晓庆,马成胜,王英俭.近地面折射率结构常数的长期测量和统计分析[J].强激光与粒子束, 2002,14(4):551-556.(Wu X Q, Ma CS, Wang Y J. Long-term measurements and statistics study of surface layer refractive index structure parameter.High Power Laser andParticle Beams, 2002,14(4):551—556)
[2] Eaton F D, Miller J E, Stokes S D. Optical turbulence measurements at a mountain ridge[A]. Proc of SPIE[C]. 2000,4034: 22—32.
[3] Bogushevich A Y. Ultrasonic methods for estimation of atmospheric meteorological and turbulence[J].Parameters Atmos Oceanic Opt,1999,12( 2):164—169.
[4] Stokes S D, Eaton F D, Miller J E. Optical turbulence measurement and acoustic sounder calibration using hot-wire anemometers[J]. Procof SPIE[C]. 2000,4034: 2—11.
[5] 宋正方.应用大气光学基础[M].北京:气象出版社, 1990.(Song Z F. The foundation of application atmospheric optics. Beijing: Meteorol-ogy Press, 1990)
[6] Wyngaard J C, Izumi Y. Behavior of the refractive-index-structure parameter near the ground[J].Journalof the Optical Society of Ameri-ca, 1971,61(12) : 1646—1650.
[7] 袁仁民,曾宗泳,马成胜.利用气象要素估算近地面光学湍流[J].量子电子学报, 2001,18(1):87—91.(Yuan R M, Zeng Z Y, Ma C S,Estimation optical turbulence by meteorology factors.Chinese Journal of Quantum Electronics, 2001,18(1):87—91)
[8] 盛裴轩,毛节泰.大气物理学[M].北京:北京大学出版社, 2003.(Sheng P X, Mao J T. Atmosphere physics, Beijing: Beijing UniversityPress, 2003)
[9] 周秀骥.高等大气物理学[M].北京:气象出版社, 1991.(Zhou X J. Higher atmosphere physics, Beijing: Meteorology Press, 1991)
本文作者：周孟莲, 刘晶儒, 蔡 跃, 姚东升, 程德艳
