一种大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法及应用技术

本发明专利技术属于大气湍流技术领域，公开了一种大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法及应用，该方法包括步骤：通过ERA5再分析数据或WRF模式运算数据获得常规气象参数；通过大气湍流数学物理模型计算得到大气湍流强度廓线，并根据大气湍流强度廓线计算平面波在天顶方向上的积分参数，获得大气光学湍流整层效应参数；通过计算机软件对大气湍流强度廓线及其积分参数进行可视化表征，获得大气湍流强度廓线及其积分参数的时空分布图。本发明专利技术能有效弥补现有探测技术的局限和应用场景大气光学湍流特性参数数据库的不足，具有重要的应用前景，尤其利于支撑激光定向能系统面向较大范围乃至全球范围的规划、部署和应用。部署和应用。部署和应用。

【技术实现步骤摘要】
一种大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法及应用


[0001]本专利技术属于大气湍流监测
，涉及一种大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法及应用。

技术介绍

[0002]大气光学湍流强度及其积分参数(湍流廓线的高度积分量，如视宁度、相干长度、等晕角、相干时间等参数定量描述整层大气湍流效应)是光电系统的设计和使用密切相关的基本参量。
[0003]目前，包括激光定向能系统在内的大部分先进光电系统都是在大气层内使用，其系统性能将不可避免地受到大气湍流的影响，那么有效获取大气湍流廓线及其积分参数分布情况对光电系统的性能发挥至关重要。从某种意义上说，已知大气光学湍流廓线时空分布便可评估出大气湍流对光电系统性能产生多大的影响，进而可以借助自适应光学技术手段削弱或减小大气湍流对光电系统性能的影响，提高光电系统的性能。然而，现有技术中使用探空气球、飞机、雷达等方式测量大气湍流廓线易受到人力、物力、财力的限制，难以进行大范围长期系统地观测，难以满足光电工程技术快速发展的需求，这长期以来是光电工程应用中的一个痛点问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法，其目的在于解决现有测量大气湍流廓线方式易受到人力、物力、财力的限制以及难以进行大范围长期系统观测的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供一种大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]步骤一：常规气象参数获取
[0007]通过ERA5再分析数据或WRF模式运算获得常规气象参数；
[0008]步骤二：计算大气光学湍流及积分参数
[0009]根据步骤一中获取的常规气象参数，通过大气湍流数学物理模型计算得到大气湍流强度廓线，并根据大气湍流强度廓线计算平面波在天顶方向上的积分参数，获得大气光学湍流整层效应参数；
[0010]步骤三：大气光学湍流参数分布表征
[0011]通过计算机软件对步骤二中获得的大气湍流强度廓线及其积分参数进行可视化表征，获得大气湍流强度廓线及其积分参数的时空分布图。
[0012]进一步地，步骤一中获得的常规气象参数包括大气的温度、风速、气压。
[0013]进一步地，步骤二中大气湍流数学模型为：
[0014][0015]式中:为大气湍流强度廓线；L0为外尺度，单位是m；θ为位温，单位是K；T为气温，单位是K；P为气压，单位是hPa；h为海拔高度，单位是m。
[0016]进一步地，大气湍流数学模型中外尺度数学模型为：
[0017][0018]式中:L0为外尺度，单位是m；h为海拔高度，单位是m；u、v是水平风速分量，单位是m/s；A、B、C为常系数。
[0019]进一步地，外尺度数学模型中系数A、B、C通过湍流探空数据集，经数理统计分析得到。
[0020]进一步地，步骤二中平面波在天顶方向上的积分参数包括视宁度ε、相干长度r0、等晕角θ0、相干时间τ0中一个或多个。
[0021]进一步地，天顶方向上的积分参数表示为：
[0022][0023][0024][0025][0026]式中：λ为波长，单位是nm；V(h)为风速，单位是m/s。
[0027]进一步地，在计算大气湍流廓线及其积分参数之前，对步骤一获取的常规气象参数进行可疑数据处理和数据序列订正，获得完整的常规气象数据。
[0028]进一步地，步骤三中计算机软件采用Python、NCL、Matlab中一种或多种。
[0029]另外，本专利技术提供上述大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法在激光定向能系统中的应用，能够弥补激光系统应用中大气光学湍流特性参数保障方面的不足。
[0030]显而易见，在以上单个实施方式中描述的元件或特征可以在其它实施方式中单独或组合使用。
[0031]有益效果：基于本项专利技术形成的大气光学湍流时空分布表征技术，能有效弥补现有探测技术的局限和应用场景大气光学湍流特性数据库的不足，具有重要的工程应用前
景。本项专利技术技术成果，可为光电系统的设计和运行提供重要的技术支持，尤其利于支撑激光定向能系统面向大范围乃至全球的规划、部署和应用。
附图说明
[0032]在附图中，尺寸和比例不代表实际产品的尺寸和比例。附图仅仅是说明性的，并且为了清楚起见，省略了某些非必要的元件或特征。
[0033]图1是大气光学湍流时空分布表征技术逻辑流程图；
[0034]图2是自定义WRF模式运算常规气象参数流程图；
[0035]图3是大气湍流计算模型技术流程图；
[0036]图4是大气湍流及积分参数分布可视化表征技术流程；
[0037]图5是大气相干长度全球分布示例图。
具体实施方式
[0038]接下来将参照附图详细描述本专利技术。这里所描述的仅仅是根据本专利技术的优选实施方式，本领域技术人员可以在优选实施方式的基础上想到能够实现本专利技术的其他方式，其他方式同样落入本专利技术的范围。
[0039]实施例
[0040]大气光学湍流表征技术研究非常复杂，受地域、时间、天气、光照等多种因素影响，准确表征全球不同地区、不同时段的大气光学湍流强度非常困难，这其中不仅需要能够准确、实时获取常规气象参数，还需要根据常规气象参数通过复杂的湍流参数化数学模型计算得到准确的大气光学湍流参数。本专利技术在研究常规气象参数来源途径、大气光学湍流及积分参数数学模型准确表达基础上，提出一种表征较大时空范围大气光学湍流参数分布可视化的方法。本专利技术的大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法，主要包括以下三个步骤：
[0041]步骤一：常规气象参数获取
[0042]通过ERA5再分析数据或WRF模式运算获得常规气象参数；
[0043]步骤二：计算大气光学湍流及积分参数
[0044]根据步骤一中获取的常规气象参数，通过大气湍流数学模型计算得到大气湍流强度廓线，并根据大气湍流强度廓线计算平面波在天顶方向上的积分参数，获得大气光学湍流整层效应参数；
[0045]步骤三：大气光学湍流参数时空分布表征
[0046]通过计算机软件对步骤二中获得的大气湍流强度廓线及其积分参数进行可视化表征，获得大气湍流强度廓线及其积分参数的时空分布图。
[0047]基于本项专利技术形成的大气光学湍流时空分布表征技术，能有效弥补现有探测技术的局限和应用场景大气光学湍流特性数据库的不足，具有重要的工程应用前景。结合图1，下面对于本专利技术方法各步骤具体的操作方式进行详细说明。
[0048]一、常规气象参数获取
[0049]常规气象参数来源是基础，若数据不准，必然导致表征失真，若只利用定期发布的历史再分析数据，则无法预测大气湍流时空分布。本专利技术对于常规气象参数数据来源主要
有两个方面：ERA5(European Centre for Medium
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：常规气象参数获取通过ERA5再分析数据或WRF模式运算获得常规气象参数；步骤二：计算大气光学湍流及积分参数根据步骤一中获取的常规气象参数，通过大气湍流数学物理模型计算得到大气湍流强度廓线，并根据大气湍流强度廓线计算平面波在天顶方向上的积分参数，获得大气光学湍流整层积分效应参数；步骤三：大气光学湍流参数时空分布表征通过计算机软件对步骤二中获得的大气湍流强度廓线及其积分参数进行可视化表征，获得大气湍流强度廓线及其积分参数的时空分布图。2.根据权利要求1所述的大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法，其特征在于，步骤一中获得的常规气象参数包括大气的温度、风速、气压。3.根据权利要求1所述的大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法，其特征在于，步骤二中大气湍流数学模型为：式中:为大气湍流强度廓线；L0为外尺度，单位是m；θ为位温，单位是K；T为气温，单位是K；P为气压，单位是hPa；h为海拔高度，单位是m。4.根据权利要求3所述的大气光学湍流参数时空分布可视化表征方法，其特征在于，大气湍流数学模型中外尺度的数学模型为：式中:L0为外尺度，单位是m；h为海拔高度，单位是m；u、v是水平风速分量，单位是m/...

【专利技术属性】
技术研发人员：青春，毕翠翠，康丽，杨期科，朱文越，吴晓庆，李学彬，崔生成，刘庆，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：