对流边界层夹卷通量参数化的室内模拟研究

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。     

夹卷层大尺度相干结构运动特征的室内模拟研究

大尺度相干结构是大气边界层中一种重要的物理现象。本文利用室内水槽模拟方法模拟对流边界层的发生发展,利用实验获取的光斑图像对夹卷层大尺度结构进行了研究。通过分析实验采集的光斑图样中大尺度相干结构的闪烁特性,发现其对应于光斑中长而亮的条纹,而在闪烁指数廓线中对应于峰。根据大尺度结构的这种闪烁特征,本文提出了一种空间相关方法计算其垂直平均速度,并对大尺度结构的运动特征进行了分析,结果表明,边界层顶部热泡以缓慢运动为主,其驱动了边界层顶部的发展。     

室内模拟稳定边界层和对流边界层的初步研究

介绍了一套自行研制的室内模拟湍流系统.通过加热以及制冷手段控制水槽的顶部和底部温度,模拟暖空气均匀越过冷空气表面条件下的稳定边界层(SBL)温度场结构特征,以及平坦下垫面均匀加热条件下的对流边界层(CBL)温度场结构特征,并测量两种情况下的平均温度和热通量垂直廓线,分析对流混合层发展的演变过程.结果表明,模拟SBL和CBL的温度场结构与大气边界层的温度场结构观测结果符合较好.     

非均匀下垫面对流边界层热通量特征的物理模拟研究

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.     

利用气象火箭探测资料估算戈壁地区高空折射率结构常数廓线

大气光学湍流严重影响光学系统的正常工作,大气折射率结构常数C_n²廓线的获取是计算大气湍流影响效应的基础,而目前C_n²廓线的实测与估算通常限于平流层底部以下,对于平流层中部以上的C_n²廓线则研究较少。为了研究更高高度的C_n²分布特征,利用戈壁地区气象火箭探测获取的常规气象参数,以30 km为界分两层估算了C_n²廓线,在30 km以上,探索性地尝试了基于Tatarskii公式的参数化方案。研究结果表明：在30 km以下,估算的C_n²数量级和变化趋势与历史数据较一致;在30 km以上,在假定满足均匀各向同性理论情况下,估算的C_n²随着高度增加整体呈减小趋势且变化平稳,平均数量级从10^-20减小到10^-23。由于目前关于湍流的理论基础还不够完善,因...     

热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究

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.     

AMTIS单通道多角度热红外图像的大气订正

给出了在假定无大气廓线情况下,AMTIS单通道多角度热红外图像的大气订正算法.算法需要三个参数:其中大气等效温度,用“最小标准差法”从图像自身来估算;大气透过率通过地表的绝对湿度或者太阳辐射计得到的大气水汽含量参数来估算;像元的辐射率比由AMTIS得到的NDVI计算.通过将大气订正后的亮度温度与地面实测点亮度温度比较,两者相差约1.2K,这对于无大气廓线情况下单通道热红外图像的大气订正来说,结果是可以接受的.     

基于平均探空廓线和地表实测数据构建大气参数廓线的方法研究

许多光学工程都需要掌握实时大气参数廓线,用来预测大气透过率和大气背景辐射,而目前除了无线电探空和大气遥感外,不易获得实时大气参数廓线。利用历年探空站点数据,并根据地面实时大气参数值,构建各高度层比例因子,得到实时大气参数廓线。以厦门地区为例,将模拟构建的实时温度、气压、水汽密度廓线及整层大气可降水量与实际探空廓线进行对比,表明:构造的对流层以下的温度廓线偏差小于2.5 K,气压基本保持不变,水汽密度廓线在晴天条件下与真实廓线吻合较好,水汽总量偏差小于15%。此方法在某些光学工程中有一定的应用价值。     

利用Tatarski方案估算不同环境下的光学湍流廓线

大气光学湍流的存在会严重制约光学系统的性能。为了能够降低大气湍流的影响,满足光电工程的应用,准确地估算出不同场景下的大气光学湍流廓线具有十分重要的指导意义。基于Tatarski光学湍流参数化方案和广泛应用的外尺度模式,利用探空仪测量的气象探空数据,对内陆（合肥）、海陆交界处（茂名）和远海海洋这三个不同环境下的大气光学湍流廓线进行估算。将合肥和茂名两地的估算值与实际观测的廓线进行对比验证,发现在变化趋势和量级上相近,为该模式估算远海海洋的大气光学湍流廓线提供了依据。结果表明模式能够较好地估算出不同环境下的光学湍流廓线。此外,还发现高空光学湍流的发生与风切变和温度梯度有重要关系。     

差分像移大气湍流廓线激光雷达的研制

大气折射率结构常数在自适应光学系统、天文观测以及大气湍流模型等研究领域都有着重要的意义。基于差分像移的大气湍流廓线的测量原理,研制了一套距离分辨的大气湍流廓线激光雷达。差分像移湍流廓线激光雷达相比传统湍流测量技术对仪器误差,比如震动和离焦不敏感,可以对目标进行实时的主动探测,并能够得到测路径上随距离分布的大气湍流廓线。介绍了差分像移湍流廓线激光雷达的基本原理与系统结构,利用该湍流廓线激光雷达进行了外场探测实验,探测距离信号发射点200~8 000 m的目标大气,距离分辨率为200~1 000 m,共13个采样点。采用50 Hz帧率的ICCD相机获取信号,每个采样点测量20 s,获得1 000张图像,计算出对应的差分像移,并进一步反演出对应的折射率结构常数,得到了大气湍流的距离分布廓线,最后对实验的结果与过程进行分析,验证了该激光雷达系统的功能性。     

激光雷达监测北京城区冬季边界层气溶胶

运用一种新型边界层气溶胶监测激光雷达,在北京丰台区进行了外场实验,探讨了大气边界层内气溶胶消光系数时空分布的特点.实验结果表明:1)冬季北京城区气溶胶源多且变化快;2)北京城区气溶胶污染白天比晚上严重,中午达到顶峰;3)气象条件对气溶胶的扩散和分布影响很大.实验结论对北京城区的环境治理具有较高的参考价值.     

激光雷达探测大气边界层高度分布的梯度法应用研究

为了研究合肥地区大气边界层结构变化特征,利用偏振拉曼-米散射激光雷达进行了连续探测.首先介绍利用激光雷达回波信号提取大气边界层高度的梯度法,并分析该方法的优缺点.然后对梯度法进行修正,给出具体的实例分析及对比结果.最后利用修正后的梯度法对激光雷达连续测量数据进行大气边界层高度提取,得到合肥地区观测站上空大气边界层的高度分布及时间变化特征.结果表明,实验期间合肥地区的大气边界层高度主要分布在1～1.5 km范围内,平均高度约为(1.28±0.2) km.     

合肥郊区大气边界层垂直风速的声雷达探测

垂直速度的测量与分析是研究大气边界层对流和湍流的重要手段,对合肥地区用声雷达探测的垂直速度数据的分析表明,白天对流旺盛,垂直速度较大,湍流较强,夜间对流相对较弱,垂直速度较小,湍流也较弱。在白天对流比较强时,瞬时垂直速度可超过0．6m／s,从对数据的统计分析来看,有90％的垂直风速在0．3m／s以F。同时分析了垂直风速标准差,发现其有明显的日变化特征,并且与大气折射率结构常数有很好的相关性。     

平面激光诱导荧光技术及其在紊流拟序结构研究中的应用

在平面激光诱导荧光技术（PLIF）原理的基础上，建立了一套平面激光诱导荧光系统，并将其应用于明渠紊流边界层拟序结构的研究，取得了较好的成果，实现了流动显示的定量测量。     

915M微波测风雷达原理及实验对比

本文讨论了一种用于探测晴空大气边界层的微波风廓线雷达。这种雷达可以测量100～3000m风的垂直廓线,另外附加一套无线电声学探测装置,还可以测量100～1000m的温度廓线,首先介绍了雷达的测量原理和性能指标,在此基础上讨论了影响测量的几个因素,最后给出了若干对比实验的结果。     

合肥郊区大气边界层垂直风速的声雷达探测

垂直速度的测量与分析是研究大气边界层对流和湍流的重要手段,对合肥地区用声雷达探测的垂直速度数据的分析表明,白天对流旺盛,垂直速度较大,湍流较强,夜间对流相对较弱,垂直速度较小,湍流也较弱。在白天对流比较强时,瞬时垂直速度可超过0．6 m／s,从对数据的统计分析来看,有90％的垂直风速在0．3 m／s以下。同时分析了垂直风速标准差,发现其有明显的日变化特征,并且与大气折射率结构常数有很好的相关性。     

大气边界层温度无线检测仪的研究与设计

针对目前我国大气边界层温度无线探测系统存在的数据可靠性差、信号频率漂移大、灵敏度低等缺点,采用了在发射端基于声表面波谐振器ASK调制,在接收端使用能自动调谐接收频率的高灵敏度接收芯片进行ASK解调的设计方案。设计有效地改进了检测系统的性能,系统的抗干扰措施也作了研究。实验结果表明,测量-20℃～+40℃之间的温度,误差仅为0.03℃～1.56℃,测量精度得到了提高;系统性能大有改善。     

风力机叶片翼型改进方法的研究

以最大相对厚度较小的某风力机新翼型为研究对象,拟对其进行结构改进。利用FLUENT软件计算了该翼型吸力面和压力面上沿来流x方向的切应力,据此找到了吸力面边界层分离点,以此点开始对翼型吸力面沿后缘点进行适当加厚,并对修改前后的翼型进行了气动特性对比分析。结果表明：从翼型压力面边界层分离点到后缘点对翼型进行适当加厚处理,对其气动性能影响不大,却可改善风轮的结构动态特性,为满足工艺需求,在叶片实际加工中对后缘部分进行适当加厚处理是可行的。