大气光学湍流模型研究与实践

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1、圜密级中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文作者姓名：王红!!虫指导教师：然丞虽班塞虽主国拱堂瞳国塞丞墓盆学位类别：簋主学科专业：丞塞燕盔复友这培养单位：生国型堂隆重塞丞塞盆2012年11月ByWangHong--shuaiADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofAstronomicalt

2、echniqueandmethodNationalAstronomicalObservatoriesofChina11，2012摘要现代大型望远镜在选址、设计和运行时，都需要监测台址的光学湍流廓线及其积分参数。在实测方法之外，近十几年来国际天文界逐渐发展了大气光学湍流模型计算方法。模型计算方法利用中尺度气象模式获取台址的气象参数，通过气象参数和光学湍流参数之间的关系(称为光学湍流参数化模型)，进一步计算光学湍流参数。本文在介绍各种光学湍流参数化模型的同时，回顾了国内外进行光学湍流模型方法研究的主要研究单位及其研究进展；发展了基于WRF气象模

3、式的平台，计算了兴隆站、高美古站、阿里站和全国分布的光学湍流参数，包括c：廓线、大气相干长度、相干时间、视宁度、等晕角，并针对阿里站进行了预报实验。模型计算结果显示：兴隆站在近地面层、地面以上2．5km高度以及12km高度存在强湍流层，视宁度在1．2—3角秒之间，自由大气的视宁度在0．2—0．3角秒左右，等晕角在2．3角秒，相干时间在2．4ms。高美古站在近地面层、地面以上2km、6km和12—16km高度存在强湍流层，视宁度在0．8．1．5角秒之间，自由大气的视宁度在0．2—0．4角秒左右，等晕角在1．8—3．8角秒，相干时间在2．2．3

4、．6ms。阿里站在近地面、地面以上2—3km和8—11km高度存在强湍流层，视宁度在0．3—0．6角秒，自由大气的视宁度在0．2—0．3角秒左右，等晕角在2—4角秒，相干时间在4．6ms。同时对比了四种光学湍流参数化模型，Dewan模型和Jackson模型计算的c：廓线在三个台址都经常会发生跳变，说明这两种模型不适合地形复杂区域。分析模型和数值模型结果比较接近；和实测数据相比，数值模型计算的结果偏小。采用模型方法计算了2010年全国的光学湍流参数。结果显示，视宁度最好区域为青藏高原西部和中部，青藏高原其余区域、云贵高原和天山区域次之，东北最

5、差。自由大气视宁度最好的区域为青藏高原中部、西部和南部，青藏高原其余区域、云贵高原、帕米尔高原和天山区域次之，东北东部、华中、华东最差。大气相干时间最大的区域为青藏高原南部和西部，其次是云贵高原、帕米尔高原，华北及东北最差。等晕角最大的地区为青藏高原中部、西部和帕米尔高原，青藏高原其余地区、云贵高原、天山区域次之，华北、华东及东北最差。各个参数都存在明显的季节变化，通常夏季好、冬季差。全国光学湍流参大气光学湍流模型研究与实践数分布更多的结果已经制成数据硬盘，方便使用和查询。利用模型方法针对阿里站进行了光学湍流参数的预报实验。分别提前3天、2

6、天和1天预报出2011年11月6日夜间阿里天文站的气象参数、大气光学湍流强度Ci廓线和视宁度。共计6次的预报结果均显示，近地面、边界层2km以及对流层12km高度存在强湍流层。与单星SCIDAR的实测数据对比结果表明，本预报系统能够反映出大气光学湍流廓线的结构特征。光学湍流模型计算方法具有非常广泛的应用。模型方法取得了很大的进展，在统计上与实测数据符合，但方法本身还需要继续完善。没有任何一种模型可适用于所有的台址，在一个新的台址，必须结合其实际情况，对模型不断地进行修正，考虑各种影响因素，尤其是近地面层，来提高光学湍流参数的计算精度。关键词

7、：模型计算方法，c：廓线，光学湍流预报，视宁度分布AbstractThemonitoringofopticalturbulenceprofileandthecorrespondinginte-gratedparametersarenecessaryduringsitetesting，telescopedesignandop—erationofmodernlargetelescope．Besidespracticalmeasurements，anatmo-sphericopticalturbulencemodelingmethodhasbee

8、ngraduallydeveloped．Themethodutilizesmesoscalemeteorologicalmodeltoobtainmeteorologicpara