典型城市不同湍流強度下的能見度變化特征

張通曉, 莊建軍, 黃驕龍, 韓 永

(1. 南京大學 電子科學與工程學院, 江蘇 南京 210023;2. 南京大學 大氣科學學院, 江蘇 南京 210023;3. 中山大學 大氣科學學院, 廣東 廣州 510275)

能見度與湍流強度是空氣質量預報、氣候環境模式和邊界層研究中重要的氣象因子。能見度反映大氣的渾濁程度,對近地面污染程度有重要參考價值。大氣湍流是大氣中的一種重要運動形式,它的存在同時對光波、聲波和電磁波在大氣中的傳播產生一定的干擾作用。在激光大氣傳輸研究中,由于大氣湍流所導致的折射率起伏,會產生光束漂移、光束擴展、光強閃爍和相位起伏等效應,從而破壞了激光的相干性,使激光束波前發生畸變[1-3]。因此在探測大氣能見度(消光系數)和大氣湍流特征時,應該同時考慮它們之間的相互作用。

1 湍流和能見度研究概述

湍流的研究已有近百年的歷史,至今還沒有一個被普遍接受的、唯一的湍流定義。在流體湍流中仍被廣泛應用的是Taylor和vonkaman對湍流的定義：湍流是一種在空間和時間上的隨機無規則運動。在1922 年,Richardson 就注意到了大氣湍流[4]. 大氣的 Reynolds數和 Rayleigh數都特別大, 地球表面附近大氣 Reynolds 數一般達到 107,甚至更大。為了定量描述湍流這種隨機無規則運動[5], 1930 年 Dryden 和 Kuethe用平均速度描述流場平均運動狀態,并用速度脈動均方差描述湍流的強弱。在國內,早在30年代末,周培源提出了著名的剪切湍流17方程組理論[6],在世界上首次建立了一般湍流的雷諾應力所滿足的輸運微分方程組,奠定了湍流模式的基礎。

能見度的研究也能追溯到20世紀初。早期對大氣能見度都是人工觀測。大氣能見度的影響因素有很多[7]，早在20世紀初國外就已經有關于大氣能見度的研究[8-9]。Koschmieder提出的Koschmieder定律指出了大氣能見度與消光系數的關系,是后來計算能見度的重要理論依據與基礎。Baik 等用化學組分分析污染物的散射消光系數,發現煙霧日能見度下降是由于小顆粒物[10];Mie[11]提出Mie散射理論,研究氣溶膠等小滴粒子的散射。

測量能見度的重要手段是能見度測量儀,能見度測量儀又分為透射式與散射式,散射又分為前向散射與后向散射。目前,國產前向散射能見度儀已在氣象部門使用,激光雷達應用于能見度測量在近幾年取得了突破。洛陽凱邁測控有限公司研制的CJY_IC前向散射儀;江蘇省無線電廠引進國外技術[12],改進前向散射雙光路方案生產的K/XYN01型能見度儀。長春氣象儀器研究所首先研制出透射式能見度儀TS透射表[13],四川成都虹岳科技有限公司研發的透射式能見度檢測儀HY-VT100;中科院安徽光機所在2009年6月研制成功了國內首臺便攜式激光雷達能見度儀[14]。

上述針對能見度和湍流強度的測量基本上是分開進行的,忽略了氣溶膠粒子與大氣湍流氣團之間相互作用的影響,這可能導致測量偏差較大[15]。本文利用新研制的大氣能見度和湍流強度同步測量儀,通過記錄典型城市即南京的冬夏兩季實驗數據,研究不同季節、不同污染條件下大氣湍流強度和能見度的變化特征,為未來大氣氣溶膠粒子與湍流相互作用提供參考。

2 測量儀器與測量原理

2.1 實驗儀器

本次實驗所用儀器是實驗室新研發的透射式大氣能見度和湍流強度同步光學測量儀[15-16](AVTOM),可同步監測能見度和湍流強度(Han, et al.,2018)。AVTOM系統結構如圖1所示,儀器主要由發射端與接收端組成,目的是得到輸入光強與經過基線長度削減過后的接收端的接收光強。

整個系統的工作流程：Led光源發出一束光，經過斬波器調制頻率后,被準直鏡頭準直后從發射端出射，通過基線長度(在此選擇的是25 m)的平行光束,受氣溶膠粒子以及湍流氣團的作用,發生散射、吸收、閃爍、漂移和擴展等光學效應,光強有一定的削減,最終傳遞到接收端；經過接收端的聚焦透鏡組,被匯聚在光檢測器的探測面上，經過光檢測器發生光電轉換,光信號轉化為電壓信號輸出，電壓信號的衰減正比于光強的衰減,通過電壓衰減可以求出消光系數與能見度,通過電壓的起伏變化可以求得光強的起伏變化,進而求得湍流。得到的原始電壓信號在上位機進行處理,保存到數據庫,并在PC端實時顯示能見度湍流以及消光系數。

圖1 AVTOM系統結構圖

2.2 大氣能見度與大氣湍流測量原理

根據布格-朗伯(Bouguer-Lambert)定律,平行光在大氣中的衰減與距離及消光系數呈如下關系：

F=F0e-σL

(1)

其中，σ為消光系數,L為基線長度,F為光通量，F0為L=0時的光通量。

如果用MOR表示氣象光學視程(能見度),即光通量衰減至5%所經過的距離[10],則

(2)

因為光強I是指點光源在給定方向上單位立體角內發出的光通量,所以有

F/F0=I/I0

(3)

光電變換中電信號U與入射光信號I成正比,故:

I/I0=U/U0

(4)

可得:

(5)

由光傳輸理論可得,波長為λ的球面波經過大氣湍流進行傳播,光強為I,在傳播距離L處,直徑為D的孔徑內接受的對數光強起伏方差為

Φn(κ)kF(γκ)dκ

(6)

其中k為光波數,k=2π/λ;γ=z/L為球面波的傳播因子;κ為空間波數;F(κ)是孔徑濾波函數,對于內外徑之比為ε的圓環接收孔徑[11],F(κ)為

(7)

表示折射率起伏的空間譜密度Φn(κ),可表示為

(8)

在已知的弱起伏條件下,對數光強起伏方差等于閃爍指數:

(9)

將(7)、(8)代入(6)式可得

(10)

(11)

3 測量結果與對比分析

3.1 冬夏兩季測量結果

選擇具有代表性的典型城市南京作為觀測點,南京夏季能見度和大氣結構常數變化趨勢見圖2。在圖2(a)(7月19日)中能見度基本穩定在8 km上下，大氣結構常數也基本在10-12數量級,不過在19：20時刻產生了一個異常極值點,在這點剛好能見度也有一個極大值,但不是最大值,與其他時刻相比較,無任何異常。由此可見,能見度與湍流大體趨勢雖然一致,但是湍流大小對能見度大小影響有限。從圖2(b)(7月25日)中的兩條曲線可以明顯看到,除了大概在20:40和21:50左右有2個非常大的極值點外,其余時刻相對而言都比較穩定,湍流強度相對于圖2(a)圖整體較小,與此同時,能見度也整體降低。7月25日能見度整體在5 km左右波動,而圖2(b)也就是7月25日,能見度大體分布在6 km。圖2(c)(7月27日)圖中19:00—19:40湍流強度相對而言比較大,而在此后的3個小時除了20:50左右有個異常點,整體偏低,但能見度卻無明顯下降,不過整體而言,能見度與湍流強度極值點仍然大體上是對應的。

總體而言,在夏季能見度的變化趨勢與湍流強度的整體變化趨勢趨于一致。無論是7月19日還是7月25日,尤其是7月19日,可以看到湍流強度對能見度的影響更多趨向于一種趨勢,而不是絕對的正比例關系。

冬季能見度和大氣結構常數變化趨勢如圖3所示。圖3(a)(12月19日)中能見度基本都在7 km上下波動,而大氣結構常數基本10-12量級，大氣結構常數的上下浮動趨勢也基本與能見度的浮動趨勢相吻合，大氣結構常數分別在19:50與20:50有較明顯的極大值,在這兩個時刻能見度在局部也有明顯的極大值?？偟膩碚f這一天大氣結構常數雖有波動,但除了兩個較為明顯的極大值,總體來說比較平穩,能見度波動范圍也不大。圖3(b)(12月23日)中能見度也基本在7 km左右浮動,大氣結構常數穩定在10-12這個級別,圖中的湍流變化趨勢基本與能見度一致。值得一提的是,這一天的能見度明顯普遍比其他幾天都高,而湍流強度也比其他幾天高。從側面印證了湍流與能見度之間確實存在著不可忽略的聯系。在圖3(c)圖(12月25日)中,變化趨勢也大體符合規律,大氣結構常數與能見度都沒有較為明顯的極值,二者極值也基本是一一對應。在圖3(d)(12月26日)中，能見度與前幾天差不多,大概在8 km上下波動,不難看出能見度與結構常數變化趨勢基本吻合。圖3(e)(12月27日)中結構常數級別并沒有變化,但是系數范圍卻變小了,除了19:40前后十幾分鐘與22:40前幾分鐘個別幾個極值點,其余結構常數大小都沒超過4×10-12,而能見度也基本在8 km以下。

總體來說,通過這5天的能見度與結構常數的變化趨勢,可以看出冬季結構常數變化趨勢與能見度變化趨勢吻合。

圖2 南京夏季能見度與大氣結構常數變化趨勢

圖3 南京冬季能見度與大氣結構常數變化趨勢

表1列出了2017年南京冬季5天觀測到的能見度與湍流各量值(c為質量濃度)，表2為2017年夏季觀測到的各量值。

表1 2017年冬季選取5天觀測的能見度與湍流各量值

表2 2017年夏季選取3天觀測到的能見度與湍流各量值

綜合上面的圖與表可以得出這樣一個規律：能見度與大氣結構常數呈一定的正相關,在能見度比較高的時候,結構常數也比較大,能見度低的時候,結構常數相應降低,有時甚至有數量級的變化；其變化趨勢也與結構常數的波動浮動有關,一定程度上有吻合趨勢。舉一個最明顯的例子,如圖2所示，12月23日這一天的能見度基本在10 km左右,表1中更加客觀的平均值是11 km；而7月25日能見度基本在5 km左右,其平均值為4.9 km；這兩天的大氣結構常數,12月23日是10-12數量級,而7月25日的數量級是10-13,二者的差別顯而易見。

3.2 對比分析

分別在冬夏兩季抽取3天一共12 h的觀測數據做對比。為了控制變量,兩季節均取相同的時間點(19:00到23:00)，結果見圖4?？梢院苊黠@看到，夏天3天的能見度整體低于冬天3天的能見度；同樣地,夏天3天的大氣結構常數整體低于冬天抽取的3天的大氣結構常數，二者變化趨勢從整體走勢來看有較高的相似度。

圖4 冬夏能見度以及大氣結構常數對比

為了證明實驗所得數據的準確性,特地取了2017年7月25日的數據與其他儀器進行對比，結果見圖5。圖中紅線代表對比的儀器測量結果,藍線代表本文用的儀器(AVTOM)的測量結果。圖5(a)輸出結果的時間間隔為1 min,圖5(b)輸出結果的時間間隔為30 min。從圖5中可以發現,對與大氣能見度的測量而言,AVTOM的測量結果為4 km～8 km之間,OSIOWI-430的測量結果在7 km左右?？傮w而言,OSIOWI-430的測量結果好像就是AVTOM的測量結果的一條平衡線,AVTOM的測量結果圍繞著這條平衡線上下波動。從宏觀上來看,二者測量結果差別不大。對于大氣折射率結構常數而言,AVTOM和CAST3A的測量結果雖然有所差別,但在數量級都在10-14～10-13m-2/3,所以二者測量結果基本吻合。綜上所述可以得出,AVTOM的測量結果與現有儀器的測量結果基本相符。

4 總結

本文實驗結果為研究不同季節湍流強度對能見度的影響提供了科學依據。通過南京市2017年冬夏兩季的實驗數據,驗證了在冬季能見度的變化趨勢與湍流的變化趨勢大體吻合,即湍流強度(在實驗中表現為大氣結構常數的大小)越大,相應的能見度越高;同時印證了夏季也符合這個規律,能見度變化趨勢與湍流變化趨勢大體符合；但是湍流強度對能見度的影響大小卻又有不同,并且當能見度以千米量級上升或者下降時,湍流也有量級變化。在較高能見度(8 km以上),湍流量級在10-12量級,而在能見度一般的情況下(4 km以下),湍流量級在10-13量級。

圖5 AVTOM與OSI OWI-430 CAST3A的結果對比

本次實驗仍然有很多需要改進的地方,其中最大的不足之處在于取得時間跨度太小,不具有足夠的代表性；其次只取了兩個季節,冬夏兩季并不能代表四季特征。最后,沒有在不同的天氣污染條件下做對比實驗,這些都是今后需要完善的地方。