大气湍流的光学特性在大气科学和光电工程应用研究中有重要影响。鉴于实际大气条件的复杂多变和实验条件的限制，在实验室内建立可控的、有限尺度的人工湍流模拟装置作为大气湍流的替代者，已成为相关研究的重要技术途径，在自适应光学技术中的相位模拟、自由空间光通信等光电工程设计中发挥了重要作用。目前，对海洋湍流中的光传播与成像、新兴光电工程的大气影响、特殊结构光束的大气传播的研究也借助于湍流模拟装置。为了充分发挥实验室湍流模拟装置的优势，本文深入分析了实验室人工湍流模拟装置的性能及其局限性。实验室内产生的人工湍流无疑可以用于探索一种随机介质对光传播影响的定性甚至半定量规律。但必须注意到：有限空间内产生的湍流只有在远离边界的较小空间内才具备均匀各向同性的特性，采用各向同性湍流统计理论分析湍流模拟装置中的全路径光传播效应是不严谨的。如果以此类装置研究光传播的定量规律，必须首先根据光电应用场景设计具有光学相似性的模拟装置，然后清楚了解湍流装置内的湍流特性的空间结构，并据此开展理论分析。

城市边界层粗糙子层内的平均场和湍流场特征通常利用局地相似理论来描述, 但在很多场合仍然适用于 Monin-Obukhov 相似性理论。在合肥城区开展气象观测, 获取粗糙子层内两不同高度的风速温度数据, 分析 Monin-Obukhov 相似性理论与局地相似性理论的差异, 同时分析风速、温度的归一化标准差与局地稳定度的关系随高度的变化。结果表明, 两高度上的摩擦速度 u* 相差超过 13%, 特征温度 T* 相差小于 2%。风速、温度归一化标准差与稳定度之间的关系可以采用平坦下垫面近地层得到的拟合关系式, 只是具有不同的拟合系数, 且两个高度的拟合系数不同。这说明本实验地点符合一般粗糙子层的特征, 与平坦均匀下垫面近地面层有较大的差别。

为研究不同气象条件下近地面层湍流大气对光传输到达角起伏的影响,在校园内一块较平坦草地上开展了光传输实验。 采用半导体激光器作为光源,传输60 m至接收端,使用焦距为1300 mm的望远镜接收后由CCD相机采集光点灰度图片。 根据灰度图片上光点位置计算传输路径上的大气湍流折射结构常数C2n以及垂直、水平两个方向到达角 (Angle of arrival, AoA)起伏方差的比值。同时测量了传输路径附近的温度、风速等气象数据,计算稳定 度参数Richardson数。结果表明, Richardson数大于临界值0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值均 大于1.0; Richardson 数小于0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值在1.0左右起伏。由此可以看到, 稳定层结条件下,湍流表现为各向异性特征;不稳定层结条件下,湍流表现为各向同性特征。

边界层作为地面与自由大气的过渡带对人类活动影响很大。边界层湍流结构尤其是夹卷层的湍流特征，是边界层研究的一个重要方面，这对于加深对边界层的认识以及研究边界层参数化具有十分重要的意义。由于边界层上部位置较高，难以进行精细结构观测。在室内对流水槽(150 cm×150 cm×60 cm)中模拟了大气对流边界层的发生发展。将准直光通过模拟对流边界层得到光斑图像数据。利用改进协方差法对光斑图像进行功率谱分析，找出功率谱密度最大值所对应的频率即峰值频率，峰值频率对应的波长为涡的特征尺度。研究结果表明，在混合层，峰值波长较小，说明此处混合比较均匀，小尺度结构占主导地位。而夹卷层的峰值波长较大。夹卷层的平均峰值波长与对流Richardson数存在一定的关系，这种关系受下垫面类型以及对流状况的双重影响。

类似CCD这样记录二维信息的传感器在诸多研究领域都有重要的应用。CCD的位数是涉及信号质量、 价格和数据传输速度等方面的一个重要指标。CCD光圈也是影响信号质量的一个重要因素。 采用数值模拟的方法,从信号的标准差和功率谱的角度讨论了CCD的采样位数和光圈调整对信号保真的影响, 并给出了CCD的最佳工作状态图。结果表明,4位和6位CCD采样信号失真较大,而8位CCD,只有操作得当, 才可以和12位CCD一样不失真地反映出真实的信号信息。根据模拟结果得出CCD的最佳工作状态图, 为CCD的采集提供了很好的理论指导,有一定现实意义。

利用对流水槽成功模拟热力非均匀下垫面对流边界层的发生发展。仿照数值模拟中常用的马赛克方法在对流水 槽的底部铺了一些导热率缓慢的材料(橡胶薄板),使下垫面的加热存在差异,进而产生非均匀加热。利用温 度廓线和准直光系统共同决定边界层顶部的位置和对流速度尺度。采用PTV测量技术获得高精度的二维流场,看到 流场具有复杂的空间结构和尺度特征。相对于均匀下垫面来说,底部的非均匀加热使得混合层湍流的组织性得到加 强,具有稳定的环流结构。非均匀下垫面对流边界层的方差随高度的变化曲线与均匀下垫面的特征明显不同。 为了分析非均匀下垫面对流边界层的环流特征和水平输送对湍流变化的贡献,计算了湍流动能的湍流输 送。计算结果表明,加热开始不久,由于不同下垫面的的温差较大,水平输送也较大;而当一段时间后,温 差变小,水平输送也变小了。由此可以看出非均匀下垫面对流边界层的水平输送依赖于下垫面的非均匀强度。

利用对流水槽,通过在底面设置马赛克状隔热覆盖物,模拟热力非均匀下垫面对流边界层的发生发展。在对流边界 层发展的同时,利用温度廓线测量仪器分别测量不同下垫面的温度廓线,获取不同时刻温度场的数据,由此计算 了热通量廓线。结果表明,非均匀下垫面对流边界层的归一化热通量随高度表现出非线性特征,即具有上凸和 下凹的特征。上凸和下凹特征随时间出现振荡,这明显不同于均匀下垫面的情形。从热通量等值线图上可以看 出,总体平均的热通量廓线振荡较小,局地热通量廓线振荡较大,而且下垫面未覆盖区域的热通量廓线比覆盖区 域振荡的频率更高、振幅更大。这表明,非均匀下垫面条件下的对流边界层和均匀下垫面条件下的对流边界层 的湍流结构有很大的不同。热力非均匀下垫面湍流特征呈现出一些均匀下垫面所没有的物理特性。在均匀下 垫面得到的边界层的参数化规律不能简单地用于热力非均匀下垫面的对流边界层发展过程。水槽模拟的结果 可以为数值模拟和野外观测提供有益的参考。

边界层是地面与自由大气的过渡带, 对人类活动有重要影响。由于边界层上部位置较高, 进行精细结构观测很难。在室内对流水槽(150 cm×150 cm×60 cm)中模拟了大气对流边界层的发生发展。将准直光通过模拟对流边界层得到光斑图像数据, 对光斑图像数据进行频谱分析。根据光在湍流介质中的传输理论确定无标度区间得到边界层各高度处的标度指数。研究表明, 均匀下垫面标度指数在混合层基本在-8/3左右, 接近各向同性湍流的理论值。而夹卷层的标度指数, 实验初期严重偏离理论值, 但在实验后期, 由于对流剧烈也逐渐接近-8/3, 此时夹卷层也趋于混合均匀。夹卷层平均标度指数与对流Richardson数存在一定的关系。标度指数廓线随高度的变化特点与同时刻的热通量廓线和归一化光强方差廓线有比较一致的对应关系。

为了获得城市边界层能量特征,于2004年7～8月分别在合肥、南京两地采集土壤温度数据,并分析获得两地的土壤热扩散率vg.由于数据采集存在差异,采用不同的处理方式分析数据:采用振幅变化法分析合肥地区水银地温温度计及计算机系统采集的数据,得到其深度15 cm以上土壤层的土壤热扩散率vg值为1.665×10-7～4.687×10-7 m2/s,vg值随深度加深而增加;利用热传导方程设计的差分格式分析合肥(铂电阻地温温度计-计算机采集系统采集数据)、南京浦口两地数据,结果表明合肥土壤深度10 cm处的vg值为2×10-7 m2/s,南京土壤深度5～20 cm之间的vg值为2.1×10-7～6.5×10-7 m2/s,其vg值随深度变化而变化,趋势与合肥一致.最后比较了合肥、南京两地土壤热扩散率vg值的差异,对同一土壤深度,南京地区的土壤热扩散率vg值略大于合肥地区.

大气对流边界层室内模拟是大气边界层研究的一种常用手段.利用室内对流水槽(150cm×150cm×60cm)模拟了大气对流边界层,以实验获取的平均温度廓线数据和光斑图像为基础对夹卷通量进行了参数化研究.通过分析由光斑图像得到的折射率结构常数廓线获取边界层的结构,然后通过平均温度廓线计算下垫面和混合层顶的热通量.从而计算夹卷通量参数化结果,并以此对理想模型下的边界层发展进行了计算,其结果与水槽模拟的情况较一致.