大氣湍流是大氣中的一種重要運動形式，由各種尺度的渦旋疊加而形成不規則運動，堪稱大氣環境的“攪拌器”。大氣中的湍流運動無時、無處不在，看不見摸不著，卻嚴重影響大氣中動量、熱量、污染物等的交換，又對聲波、光波及其它電磁波的傳播產生影響。

　　大氣邊界層內的湍流運動包括了由垂直風切變形成的機械湍流和對流產生的湍流，對氣象和空氣質量起著重要作用。解析大氣邊界層湍流特征，有利于深入了解地-氣系統的能量交換、污染物輸送和擴散以及各種氣象要素，為我國大氣污染治理打開一扇“觀察窗”。

　　相干多普勒激光雷達是一種新興的主動遙感探測儀器。相較于傳統觀測手段，激光雷達具有全天時、高時空分辨率的非接觸探測能力;相對于其它主動遙感設備，又具有質量輕、體積小、掃描靈活的特點，可滿足星載、船載、機載乃至無人機搭載的探測要求，為研究大氣湍流參數及時空變化特征提供重要技術手段。

　　創新研究

　　在國家重點研發計劃“大氣污染成因與控制技術研究”重點專項項目“近海海洋邊界層大氣污染綜合立體探測技術研發及應用示范”的支持下，中國海洋大學宋小全副教授課題組聯合中國科學院安徽光學精密機械研究所、深圳市環境監測中心站等單位，在深圳市沿海區域開展了系統的大氣風場觀測與湍流實驗研究。

　　課題組使用自主研發的相干多普勒激光雷達(圖1)測量了風廓線數據;結合標準大氣模型、溫度日變化模型和地面氣象站資料，根據Tatarski經典的統計理論估算了大氣折射率結構常數( );進一步給出其高時空分辨率的垂直剖面，分析時空變化特征，研究了多個氣象參數變化對 的影響。同時，估算和分析了湍流動能耗散率(ε)、垂直速度方差( )等湍流特征參數。

　　圖1 相干多普勒測風激光雷達原理框圖及系統外觀照片(右下)

　　圖2 2019年10月20日大氣折射率結構常數日變化垂直剖面

　　圖2表明大氣折射率結構常數存在分層，且同一強度湍流層的高度隨時間變化。總體而言，大氣邊界層內的湍流運動強度隨高度增加而減弱，但在邊界層下方，湍流強度出現較為明顯的逆增長區。而大氣邊界層高度的變化，也影響了逆增長區的高度。部分時段和高度內湍流運動復雜，如3時-4時、8時-11時對應位置上風速均有較大的垂直梯度，其結構呈現“鼻狀結構”，這可能是伴隨著逆溫層的大尺度低空急流或者強風速帶所致。

　　圖3 不同高度平均大氣折射率結構常數日變化

　　圖3顯示大氣折射率結構常數的分布與高度相關。隨著高度的增加，湍流運動強度整體減弱的同時，其白天強、夜間弱、存在轉換時刻的“墨西哥帽”式日變化結構也逐漸弱化。比如720 m高度上的大氣折射率結構常數數值基本維持不變，這可能是隨著高度升高、地表熱輻射減弱使得湍流運動強度減弱，使得大氣折射率結構常數失去了典型的日變化特征。

　　圖4 垂直速度方差與大氣折射率結構常數20 min平均廓線歸一化相關圖

　　通過外尺度與垂直風速標準差計算了湍流動能耗散率和垂直速度方差，并加以對比來驗證估算結果的合理性。圖4給出了不同時刻垂直速度方差與大氣折射率結構常數的20 min平均廓線歸一化相關圖，可以看出12:50-13:10時段內，垂直速度方差與大氣折射率結構常數的相關系數可達0.8以上。

　　圖5 不同時刻湍流動能耗散率與大氣折射率結構常數20 min平均廓線

　　圖5給出了不同時刻湍流動能耗散率與大氣折射率結構常數的20 min平均廓線，兩者相關系數通常在0.6以上。

　　大氣折射率結構常數、垂直速度方差和湍流動能耗散率之間的較高相關性體現了湍流運動在各個方向的一致性，也進一步印證了估算結果的合理性。

　　未來展望

　　研究結果初步驗證了多普勒激光雷達在估算湍流參數的相關算法以及可行性。然而，湍流這一世紀難題，曾被稱為“經典物理學最后的未解難題”，對其研究與認識仍任重而道遠。

　　在項目的支持下，課題組還將圍繞海-陸相互作用、城市熱島效應、復雜大氣結構等內容，進一步使用超聲風速儀、溫度脈動儀等多種設備與多普勒激光雷達聯合長期觀測，提高湍流特性的探測高度、探測精度和時空分辨率，為我國沿海地區的大氣污染物輸送擴散、天氣變化等研究提供重要支撐。

參考文獻： 中國光學期刊網

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