常規(guī)氣象參數(shù)估算南極泰山站近地面大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度?

吳曉慶田啟國金鑫淼姜鵬青春蔡俊周宏巖3)

1)(中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國科學(xué)院大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031)

2)(中國極地研究中心,上海 200136)3)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026)4)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院,合肥 230031)(2016年9月2日收到;2016年10月9日收到修改稿)

常規(guī)氣象參數(shù)估算南極泰山站近地面大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度?

吳曉慶1)?田啟國2)金鑫淼2)姜鵬2)青春1)4)蔡俊1)4)周宏巖2)3)

1)(中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國科學(xué)院大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031)

2)(中國極地研究中心,上海 200136)3)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026)4)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院,合肥 230031)(2016年9月2日收到;2016年10月9日收到修改稿)

選擇最好的天文臺(tái)址放置大口徑望遠(yuǎn)鏡一直是天文學(xué)家追求的目標(biāo).天文臺(tái)址的選擇與近地面層湍流強(qiáng)度大小以及隨高度遞減的快慢密切相關(guān).與中緯度最好的天文臺(tái)站相比,南極大陸具有極低的紅外天空背景輻射、極低的可降水含量、極低的氣溶膠和塵埃顆粒物含量、非常小的光污染、晴天日數(shù)多,無疑成為下一代大型光學(xué)/紅外天文望遠(yuǎn)鏡在地球上尋找地基站址的理想場所.本文建立了光學(xué)湍流強(qiáng)度估算方法,第一次對(duì)南極泰山站近地面大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度進(jìn)行估算.模式輸入的氣象參數(shù)是2013年12月30日至2014年2月10日移動(dòng)式大氣參數(shù)測量系統(tǒng)在南極泰山站測量的數(shù)據(jù),折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的估算結(jié)果與溫度脈動(dòng)儀實(shí)測的進(jìn)行了比較,并對(duì)估算方法進(jìn)行了敏感性分析.測量結(jié)果和分析表明:南極內(nèi)陸近地面具有明顯的日變化特征,夜晚達(dá)2×10?14m?2/3,比白天強(qiáng),日出和日落時(shí)刻附近出現(xiàn)最小值.的模式估算和實(shí)驗(yàn)測量的比對(duì)表明了模式用來估算南極近地面的可行性.的模式估算和測量差異最大值往往出現(xiàn)在日出和日落時(shí)刻附近.由于南極內(nèi)陸大氣大部分時(shí)間處于穩(wěn)定狀態(tài),選用不同的結(jié)構(gòu)常數(shù)函數(shù)估算的值差別不大,0.5m,2.0m兩高度溫差測量精度是影響估算值的主要因素.

南極天文,光學(xué)湍流,估算方法,敏感性分析

1 引 言

地基天文觀測受制于地球大氣特性,不同波段的天文觀測有不同的影響因素.影響地基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡性能的主要因素有:天空背景、水汽含量、光學(xué)湍流等[1].地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的星像質(zhì)量與大氣光學(xué)湍流密切相關(guān),我們將折射率起伏主要是由溫度起伏引起的湍流稱為光學(xué)湍流,量度這種折射率起伏強(qiáng)度的量為折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)天空背景、水汽含量和光學(xué)湍流與高度和溫度有關(guān).較高的海拔高度、非常低的氣溫、十分穩(wěn)定的大氣條件都極大地降低了這些因素對(duì)地基望遠(yuǎn)鏡的影響.與地球上其他天文臺(tái)站(Mauna kea,Paranal,San PedroMartir,Roque de los Muchachos)相比[2],南極大陸具有極低的紅外天空背景輻射、極低的可降水含量、極低的氣溶膠和塵埃顆粒物含量、非常小的光污染、晴天日數(shù)多,無疑成為下一代大型光學(xué)/紅外天文望遠(yuǎn)鏡在地球上尋找地基站址的理想場所.目前,近地面層數(shù)據(jù)的獲得主要有兩種方法:一是用各種儀器進(jìn)行測量,即通過測量溫度起伏、光強(qiáng)起伏、到達(dá)角起伏、雷達(dá)回波信號(hào)等,在均勻各向同性湍流的假定下得到.在20世紀(jì)90年代中期,澳大利亞新南威爾士大學(xué)和法國Nice大學(xué)采用塔載微溫傳感器[3]首次對(duì)South Pole的近地面湍流和湍流廓線進(jìn)行了測量.與此同時(shí)研制出主要配備聲雷達(dá)和小型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的無人職守的天文選址觀測系統(tǒng)AASTO(Automated Astrophysical Site Testing Observatory)[4]和AASTINO(Automated Astrophysical Site Testing International Observatory)[5],分別對(duì)South Pole和Dome C進(jìn)行系統(tǒng)觀測.2008年,我國科學(xué)家已在南極Dome A建立了包括聲雷達(dá)、專業(yè)望遠(yuǎn)鏡、氣象塔等設(shè)備的天文觀測站PLATO(Plateau Observatory),已收集了該地區(qū)寶貴的大氣參數(shù)資料[6,7].另一種是基于Monin-Obukhov相似理論,建立大氣邊界層湍流模式,通過測量常規(guī)氣象參數(shù)來估算本文分析了移動(dòng)式大氣參數(shù)測量系統(tǒng)在泰山站測量的湍流數(shù)據(jù),建立了光學(xué)湍流強(qiáng)度估算方法,首次對(duì)南極泰山站近地面大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度進(jìn)行估算.模式輸入的氣象參數(shù)分別來自2013年12月30日至2014年2月10日移動(dòng)式大氣參數(shù)測量系統(tǒng)在南極泰山站測量的氣象數(shù)據(jù).將的估算結(jié)果與溫度脈動(dòng)儀實(shí)測的進(jìn)行了比較,并對(duì)估算方法進(jìn)行了敏感性分析.

2 常規(guī)氣象參數(shù)估算近地面光學(xué)湍流強(qiáng)度方法

其中T是氣溫,q是絕對(duì)濕度;系數(shù)AT,Aq是與波長、氣溫、氣壓、絕對(duì)濕度有關(guān)的常數(shù);分別是溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)、濕度結(jié)構(gòu)常數(shù)和溫濕相關(guān)項(xiàng)結(jié)構(gòu)常數(shù).

其中A=79.0×10?6P/T2,B= ?56.4×10?6.

無量綱結(jié)構(gòu)常數(shù)函數(shù)fT,fq,fTq由實(shí)驗(yàn)確定.文獻(xiàn)中有許多這一函數(shù)的不同表達(dá)方式,最具代表性的是Wyngaard結(jié)構(gòu)常數(shù)函數(shù)[12],

作為比對(duì),Bataille結(jié)構(gòu)常數(shù)函數(shù)為[13]

圖1是兩種無量綱結(jié)構(gòu)常數(shù)函數(shù)隨穩(wěn)定度參數(shù)變化的比較.盡管兩者差別不十分明顯,但選用不同的結(jié)構(gòu)常數(shù)函數(shù)對(duì)估算會(huì)產(chǎn)生較大影響.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)無量綱結(jié)構(gòu)常數(shù)函數(shù)Fig.1.(color on line)The nond imensional structure parameter function.

(3)式的特征尺度u?,t?,q?以及Obhukov長度L都與兩層氣象參數(shù)有關(guān).

其中,?u=u(z1)?u(z2);?T=T(z1)?T(z2);?q=q(z1)? q(z2);Ψu,ΨH,Ψq分別是無量綱積分函數(shù),由實(shí)驗(yàn)確定.采用Dyer和Hicks經(jīng)驗(yàn)公式[14,15]:當(dāng)z/L＜0時(shí),

當(dāng)z/L＞0時(shí),

通常情況認(rèn)為fT(z/L)=fTq(z/L)=fq(z/L),這樣將(3)和(6)式代入(2)式,具體的算法流程圖如圖2所示.

圖2 模式的算法流程圖Fig.2.The algorithmfl owchart ofmodel.

3 模式輸入的氣象參數(shù)和估算結(jié)果

泰山站位于中國南極中山站與昆侖站之間的伊麗莎白公主地,東經(jīng)76?58′,南緯73?51′,海拔高度2621m.移動(dòng)式大氣參數(shù)測量系統(tǒng)由CR5000數(shù)據(jù)采集器、CSAT3三維超聲風(fēng)速計(jì)、溫度脈動(dòng)儀、溫濕壓風(fēng)速風(fēng)向傳感器以及485輸模塊、電源模塊和3m高支架等組成.測量兩層氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速,以及氣壓、地表面輻射溫度、大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度等多種大氣參數(shù).該系統(tǒng)已隨中國第30次南極科考隊(duì)安裝在南極建成的新站泰山站[16?18],用于南極天文選址.本文分析的數(shù)據(jù)是2013年12月30日系統(tǒng)安裝完成開始觀測至2014年2月10日科考人員帶回的部分?jǐn)?shù)據(jù).在43天中選取1月28日至31日測量的常規(guī)氣象參數(shù)作為代表,進(jìn)行的估算,并與溫度脈動(dòng)儀測量的進(jìn)行比對(duì).

模式輸入的氣象參數(shù)主要是兩層溫度、濕度和風(fēng)速.首先對(duì)兩高度上(z1=0.5 m,z2=2.0 m)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行1min的滑動(dòng)平均.將相對(duì)濕度換算成絕對(duì)濕度q(kg.kg?1),分別計(jì)算出兩高度層常規(guī)氣象參數(shù)的平均值差值,?u=u(z1)?u(z2),?T=T(z1)?T(z2),?q=q(z1)?q(z2).由(6d)式計(jì)算出Monin-Obukhov長度L,代入(8)式計(jì)算出

圖3 (網(wǎng)刊彩色)從上至下為2014年1月28日至31日南極泰山站模式估算和測量值、兩高度溫差、兩高度氣溫、兩高度風(fēng)速差、兩高度風(fēng)速隨時(shí)間的變化Fig.3.(color on line)Fromtoptobottom,obtained fromthe model and measurement,temperature d iff erence,air temperature,wind speed d iff erence,wind speed versus time over Taishan from28 to31 January 2014 in Antarctic.

圖4 模式估算與溫度脈動(dòng)儀測量的的比較Fig.4.Comparison ofvalues estimated by model and measured by micro-thermometer.

表1 模式估算值的相對(duì)誤差Table 1.Relative error ofestimated by models.

表1 模式估算值的相對(duì)誤差Table 1.Relative error ofestimated by models.

Beijing Time/h W yngaard[C2n(model)?C2n(measu re)]/C2n(measu re)Bataille[C2n(model)?C2n(measure)]/C2n(measure)28 29 30 31 28 29 30 31 1 ?0.732 0.131 0.065 ?0.134 ?0.748 0.150 0.117 ?0.134 2 0.034 0.186 0.055 0.139 0.020 0.241 0.127 0.144 3 ?0.027 0.044 0.114 0.067 ?0.033 0.101 0.195 0.107 4 ?0.114 0.060 0.109 0.224 ?0.063 0.127 0.212 0.284 5 0.068 0.567 0.511 0.826 0.110 0.656 0.655 0.880 6 ?0.827 1.765 1.834 2.634 ?0.838 1.888 2.128 2.751 7 ?0.863 0.108 ?0.033 0.521 ?0.871 0.250 0.130 0.626 8 ?0.853 ?0.179 ?0.449 0.005 ?0.863 ?0.033 ?0.339 0.131 9 ?0.998 ?0.359 ?0.424 ?0.276 ?0.998 ?0.227 ?0.295 ?0.157 10 ?0.782 ?0.178 0.218 ?0.115 ?0.779 0.010 0.502 0.025 11 ?0.732 0.114 ?0.495 ?0.838 ?0.635 0.438 ?0.370 ?0.791 12 ?0.537 0.558 ?0.962 0.059 ?0.370 1.020 ?0.951 0.392 13 ?0.476 0.085 ?0.508 ?0.055 ?0.288 0.450 ?0.365 0.261 14 ?0.401 ?0.397 0.103 ?0.363 ?0.185 ?0.181 0.431 ?0.129 15 ?0.456 0.406 0.150 ?0.232 ?0.260 0.873 0.488 0.045 16 ?0.432 ?0.259 ?0.228 ?0.173 ?0.227 0.008 0.000 0.124 17 ?0.309 ?0.202 ?0.678 ?0.315 ?0.061 0.089 ?0.584 ?0.069 18 ?0.488 0.323 ?0.607 ?0.493 ?0.305 0.786 ?0.492 ?0.317 19 ?0.662 ?1.000 0.400 ?0.580 ?0.540 ?1.000 0.713 ?0.430 20 ?0.888 ?0.623 0.941 ?0.167 ?0.847 ?0.623 1.198 ?0.111 21 ?0.824 ?0.230 0.179 0.953 ?0.833 ?0.267 0.231 0.966 22 ?0.774 ?0.717 ?0.043 0.783 ?0.788 ?0.736 ?0.105 0.716 23 ?0.325 ?0.798 0.810 0.667 ?0.373 ?0.810 0.716 0.590

圖5 模式估算和測量的隨兩高度溫差的變化Fig.5.values estimated by model and measu red by micro-thermometer versus air temperatu re diff erence fromone height toanother.

表2 泰山站近地面層C與其他站的C比較Tab le 2.Comparison of su rface layer Cvalues between Taishan station and other sites.

表2 泰山站近地面層C與其他站的C比較Tab le 2.Comparison of su rface layer Cvalues between Taishan station and other sites.

Site Height range/m ε(mean)/arcsec C2n(mean)/m?2/3 South Pole 7—17 0.46 2.0×10?14La Palma 6—12 0.07 1.4×10?15Devasthal 6—12 1.28 1.8×10?13Taishan 2 — 5.1×10?15

4 光學(xué)湍流模式的敏感性分析

為方便起見,僅考慮近紅外和可見光波段情況.在該波段內(nèi),折射率起伏主要是由于溫度起伏引起的.這樣估算的敏感性分析簡化為估算的敏感性分析.

其中,Sz,Su?和St?分別是相應(yīng)輸入?yún)?shù)的敏感性系數(shù),它們都是穩(wěn)定度參數(shù)ζ的函數(shù),與無量綱結(jié)構(gòu)常數(shù)函數(shù)fT選取有關(guān);無量綱函數(shù)fT由實(shí)驗(yàn)確定.將(4)式和(5)式分別代入(13)式,得到表3所列的各敏感性系數(shù).

表3 敏感性系數(shù)Sz,Su?和St?Tab le 3.The sensitivity coeffi cients Sz,Su?和St?.

結(jié)合(6)式,(14)式為圖6為由Wyngaard公式和Bataille公式計(jì)算的敏感性系數(shù).一般來說,若敏感性系數(shù)S很大(不管是正還是負(fù)),它將使輸入?yún)?shù)的測量誤差放大,導(dǎo)致C的估算值有很大的不確定性.若敏感性系數(shù)S為零,則估算值與輸入?yún)⒘康臏y量誤差無關(guān).換句話說,輸入?yún)?shù)與估算值沒有多大關(guān)系.因此,理想的敏感性系數(shù)應(yīng)接近1或?1.從圖6可看出,相比較而言,兩高度溫差的測量誤差導(dǎo)致的對(duì)C估算值不確定性貢獻(xiàn)最大,在大氣穩(wěn)定條件下高度參數(shù)對(duì)估算結(jié)果不敏感.兩種公式計(jì)算的敏感性系數(shù)Sz,Su?幾乎相同,在z/L＞0的大氣穩(wěn)定條件下,兩種公式St?也幾乎相同,只是在z/L＜0的大氣不穩(wěn)定條件下,兩種公式計(jì)算的St?才有所差別.

在兩層高度、氣溫、風(fēng)速相對(duì)誤差分別為5%,20%,20%的條件下,

由(15)式計(jì)算的模式估算不確定度的理論分析結(jié)果見圖7.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)利用W yngaard公式和Bataille公式計(jì)算得到的敏感性系數(shù)(Sz,Su和St)Fig.6.(color on line)The sensitivity coeffi cients Sz,Su?and St?fromnond imensional structure parameter function according toWyngaard and Bataille equations.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)不同大氣穩(wěn)定度下模式估算不確定度Fig.7.(color on line)The uncertainty of Cestimated by model under diff erent stability parameters.

當(dāng)模式輸入?yún)?shù)測量誤差確定(兩層高度、氣溫、風(fēng)速相對(duì)誤差分別為5%,20%,20%)時(shí),在大氣穩(wěn)定條件下,兩種相似性函數(shù)不確定度相當(dāng),均在30%左右;在大氣不穩(wěn)定條件下,選用Wyngaard無量綱結(jié)構(gòu)常數(shù)函數(shù)估算C的不確定度約47%,而Bataille公式估算C的不確定度不超過75%.

5 討論與結(jié)論

在晴朗的天氣情況下,由于受太陽輻射、地面摩擦等因素的影響,造成了近地面大氣風(fēng)速和溫度在垂直方向上的不均勻分布,在一定條件下形成了近地面湍流.輻射過程最顯著的特點(diǎn)是日變化,因此近地面湍流則以日變化為主要特征.對(duì)陸地而言,白天由于太陽輻射,地表溫度高于氣溫,熱量向上傳遞,近地面大氣層結(jié)不穩(wěn)定,湍流充分發(fā)展,湍流很強(qiáng),中午可達(dá)最大值.夜間由于輻射冷卻,地表溫度低于氣溫,熱量通向下傳遞,近地面大氣層結(jié)穩(wěn)定,湍流不易發(fā)展,因而平均湍流強(qiáng)度相對(duì)較低.但下墊面為冰雪的南極內(nèi)陸地區(qū),由于海拔高、空氣稀薄、高緯度、冰雪表面對(duì)太陽輻射的反射等因素,使得白天地表太陽輻射増溫強(qiáng)度低于夜晚輻射冷卻降溫強(qiáng)度,與陸地相反近地面層0.5 m,2.0 m兩高度氣溫差強(qiáng)度夜晚強(qiáng)于白天,表現(xiàn)出夜晚湍流強(qiáng)度大于白天湍流強(qiáng)度.當(dāng)然,下墊面無論是陸地或是冰雪,在日出后一小時(shí)、日落前一小時(shí)左右,太陽輻射和地表輻射逐漸平衡,地溫和氣溫趨于一致,大氣層結(jié)處于中性,對(duì)湍流的產(chǎn)生和發(fā)展沒有影響,絕大多數(shù)情況下湍流是一天中最弱的.本文建立的光學(xué)湍流強(qiáng)度方法,準(zhǔn)確反映了南極泰山站近地面光學(xué)湍流日變化特征.

模式輸入數(shù)據(jù)中最敏感性參數(shù)是氣溫差,氣溫差值的大小決定了湍流強(qiáng)弱.C的模式估算和測量差異最大值往往出現(xiàn)在大氣層結(jié)處于中性狀態(tài).模式算法認(rèn)為,當(dāng)氣溫差值為零時(shí),C的估算值非常小.而實(shí)際情況考慮到測量儀器的噪聲,以及影響湍流的其他因素在模式中沒有反映出來,因此在中性狀態(tài)下測量的C不一定非常小.針對(duì)這種差異,一方面在模式滿足普適性和方便使用的前提下盡可能完善模式.另一方面,由于弱湍流對(duì)光電系統(tǒng)影響很小,這種C的模式估算和測量差異在一定程度上也可以忍受.

在確定的模式輸入?yún)?shù)測量誤差下,選用不同的結(jié)構(gòu)常數(shù)函數(shù)對(duì)估算C的不確定度會(huì)產(chǎn)生很大影響,由于南極內(nèi)陸大氣大部分時(shí)間處于穩(wěn)定狀態(tài),選用不同的結(jié)構(gòu)常數(shù)函數(shù)估算的C值差別不大,0.5m,2.0 m兩高度溫差測量精度是影響C估算值的主要因素.

目前中緯度最好的天文臺(tái)站整層視寧度為0.5—1 arcsec[2].泰山站近地面層2 m高C平均值為5.1× 10?15m?2/3,比Devasthal站和South Pole要弱,比La Palma略強(qiáng).如果考慮C隨高度的遞減關(guān)系,泰山站在6—12 m高度內(nèi)的C值應(yīng)該與La Palma相當(dāng).當(dāng)然泰山站能否作為優(yōu)良的天文臺(tái)址,除需要考慮近地面層C是否主要集中在幾十米高的范圍內(nèi),還要對(duì)其他因素進(jìn)行綜合評(píng)估.

[1]Hou J L 1994Prog.Astron.12 127(in Chinese)[侯金良1994天文學(xué)進(jìn)展12 127]

[2]Lawrence J S,Ash ley MC B,Tokovinin A,Travouillon T2004Nature431 278

[3]Marks R D,Vernin J,Azouit M,Briggs JW,Burton MG,Ash ley MC B,Manigau lt J F 1996Astron.Astrophys.Suppl.Ser.118 385

[4]Storey JW V,Ash ley MC B,Burton MG 1996PASA13 35

[5]Lawrence J S,Ash ley MC,Bu rton MG,Storey J W 2003Astronomy in Antarctica,25th Meeting of the IAUSydney,Australia,18 Ju ly,2003 p2

[6]Yuan X Y,Cui X Q,Gong X F,W ang D,YaoZ Q,Li X N,W en HK,Zhang Y J,Zhang R,Xu L Z,Zhou F,W ang L F,Shang Z H,Feng L L 2010Proc.SPIE7733 77331

[7]Liu G R,Yuan X Y 2009Acta Astronom.Sin.50 224(in Chinese)[劉根榮,袁祥巖 2009天文學(xué)報(bào) 50 224]

[8]And reas E L 1988J.Opt.Soc.Am.A5 481

[9]W u X Q,Zhu X T,Huang HH,Hu S X 2012Acta Opt.Sin.32 0701004(in Chinese)[吳曉慶,朱行聽,黃宏華,胡順星2012光學(xué)學(xué)報(bào)32 0701004]

[10]Hill R J 1978RadioSci.13 953

[11]Fairall CW,Larsen SE 1986Bound.-Layer Meteor.34 287

[12]Haugen D A1973On Surface Layer Turbulence,Workshopon Micrometeorology(Boston:American Meteorological Society)pp101–149

[13]Bataille P 1992Analyse du Comportement d’un Systeme de Télécommunications Optique fonctionnan t a 0,83μmDans la Basse Atmosphere(Rennes:Université de Rennes1)

[14]Dyer AJ 1974Bound.-Layer Meteor.7 363

[15]Hicks BB1976Q.J.R.Meteor.Soc.102 535

[16]Tian Q G,Chai B,Wu X Q,Jiang P,Ji T,Jin X M,Zhou HY 2015Polar Sci.27 125(in Chinese)[田啟國,柴博,吳曉慶,姜鵬,紀(jì)拓,金鑫淼,周宏巖 2015極地研究27 125]

[17]Tian Q G,Chai B,W u X Q,Jiang P,Ji T,Jin X M,Zhou HY 2015Chin.J.Polar Res.26 140

[18]W u X Q,Tian Q G,Jiang P,Chai B,Q ing C,Cai J,Jin X M,Zhou HY 2015Adv.Polar Sci.26 305

[19]Pant P,Stalin C S,Sagar R 1998Astron.Astrophys.Suppl.Ser.136 19

PACS:92.60.hk,92.60.Fm,42.25.DdDOI:10.7498/aps.66.039201

Estimating optical tu rbu lence of atmospheric su rface layer at Antarctic Taishan station frommeteorological data?

Wu Xiao-Qing1)?Tian Qi-Guo2)Jin Xin-Miao2)Jiang Peng2)Qing Chun1)4)Cai Jun1)4)Zhou Hong-Yan2)3)

1)(Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation,Chinese Academy of Science,Anhui Institute ofOptics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Science,Hefei 230031,China)2)(Polar Research Institu te of China,Shanghai 200136,China)3)(University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)4)(Science Island Branch of Graduate School,University of Science and Technology of China,Hefei 230031,China)(Received 2 September 2016;revised manuscript received 9 October 2016)

Turbu lence intensity in the near-surface layer and its decrease rate with height are closely related tothe quality of potential sites.Astronomers have been pursuing a perfect astronomical site toplace the large-aperture telescopes.Compared with the best mid-latitude sites,Antarctic plateau inevitably becomes an ideal site for building the nextgeneration large optical and infrared telescopes,which is because of its lowinfrared sky emission,lowatmospheric precipitab le water vapour content,lowaerosol and dust content of the atmosphere,and light pollution.In this paper,we establish a model of the atmospheric optical turbulence in surface layer,and use it toestimate Cat Antarctic Taishan station for the fi rst time.Themeteorological parameters of themodel input are the datameasured by amobile atmospheric parameter measurement systemat Antarctic Taishan station from30 December 2013 to10 February 2014.The values of C,estimated by themodel and measured by a micro-thermometer,are compared.Sensitivity analysis of the estimation method is alsocarried out.Themeasurement results and analyses showthat Cobtained at Taishan station has obvious diurnal variation characteristics,with well-behaved peaks in the daytime and nighttime,and minima near sunrise and sunset.Cobtained in thenighttime isstronger than that in daytime,more specifi cally,it ison the order of 2×10?14m?2/3.The comparison between model predictions and experimental data demonstrates that it is feasible toestimate Cin Antarctic by using thismodel.The biggest diff erences between Cvalues obtained fromthemodel and measurement usually emerge at sunrise and sunset,respectively.Considering the fact that Antarctic atmosphere is in a stab le statemost of the time,the values of Cestimated by diff erent nondimensional structure parameter functions are nearly the same.Thus,themeasurement accuracy of air temperature diff erence fromone height toanother is the main factor that aff ects the estimated value of C.

Antarctic astronomy,optical turbulence,estimating method,sensitivity analysis

10.7498/aps.66.039201

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):41275020,41576185,11503023)、中國極地研究中心極地科學(xué)青年創(chuàng)新基金(批準(zhǔn)號(hào):CX 20130201)、上海市自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):14ZR 1444100)和中國極地環(huán)境綜合考察與評(píng)估項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):CHINARE-2013-02-02,CHINARE-2014-02-03)資助的課題.

?通信作者.E-mail:xqwu@aiofm.ac.cn

*Project supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.41275020,41576185,11503023),the Polar Science Innovation Fund for Young Scientists of Polar Research Institute of China(G rant No.CX 20130201),the ShanghaiNatural Science Foundation,China(Grant No.14ZR1444100),and the Chinese Polar Environment Comprehensive Investigation and Assessment Programs(G rant Nos.CHINARE-2013-02-02,CHINARE-2014-02-03).

?Corresponding author.E-mail:xqwu@aiofm.ac.cn