一种风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，包括竖直平行配合设置的气象塔、热线支架、以及多个观测架，所述热线支架靠近气象塔设置，所述多个观测架对称分布在气象塔与热线支架形成区域的两侧；在所述气象塔上，配合安装有第一组测量用实验仪器；在热线支架上，配合安装有热线探头组件；在每个观测架上，配合安装有第二组测量用实验仪器。本发明专利技术所述风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，可以实现对高雷诺数壁湍流三维结构进行测量、对风沙流或沙尘暴流场特性进行测量、以及将湍流测量与沙尘输运测量同步的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气象监测
，具体地，涉及ー种风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统。
技术介绍
在荒漠化地区，经常发生包括空气与沙粒(粒径在100微米以上)、以及空气与沙尘(粒径在100微米以下)构成的ー类气固两相流动的流场。前者，大多集中在距地面2米以下的高度内，也称为地表风沙流(即是土壤风蚀和荒漠化的一种表现形式)，并因此加剧土壤风蚀和荒漠化；后者，主要关注距地面数十米以下高度内的沙尘暴，往往导致交通和通讯 中断以及空气质量下降，甚至房屋和农作物受损及人员伤亡。例如，2010年4月24-25日在甘肃发生的沙尘暴共造成甘肃19个县约132. 56万人受灾；农作物受灾面积达20. 68万公顷。尽管有关风沙流或沙尘暴防治和预报的研究已长达数十年之久，其局部治理也取得一定效果；但是，整体来看，情况依然严峻一方面，土壤风蚀和荒漠化的面积仍在扩大，程度还在加重，耕地面积减少；例如，风沙灾害使得50年前还是一片绿洲的甘肃民勤地区目前的荒漠化面积达94. 5%左右；另一方面，沙尘暴仍在频发；例如，在我国甘肃民勤地区，2010年发生的沙尘暴高达8次，而2009年的沙特阿拉伯首都利雅得和澳大利亚悉尼，以及2011年美国亚利桑那州凤凰城都分别遭遇了 20年来的最強沙尘暴。可见，风沙流和沙尘暴已经成为影响人类经济社会发展的ー个重要环境问题。正如Balachandar等在流体力学年鉴上的文章中指出的“瑞流和多相流是流体力学中最具挑战性的两个问题，……，当两者联合起来也会成为更加难以对付的挑战”。同吋，2010年马鲁希奇等在其综述性文章指出“近年来，高雷诺数下的壁面边界湍流已经逐渐成为一个活跃的研究領域。对这ー问题的理论、标度律、物理过程的理解、实验技术以及数值模拟仍存在着许多的挑战。”所以，认识并掲示风沙流或沙尘暴这样ー种大气边界层的高雷诺数壁湍流的特性和规律，不仅对于风沙流输沙率的准确预测和沙尘暴预报模式的改进起着非常关键的作用，有着重要的应用需求，而且也是ー个极其复杂和具有挑战性的科学问题。但是，在高雷诺数(Re )壁湍流研究方面，对于壁湍流平均流廓线的具体形式、湍流脉动强度随Re变化的规律、外区特大尺度结构的起源和标度及其时空演化规律、‘-I’次方谱的存在性等基本问题的认识尚在争议中。而高Re壁湍流研究中的这些基础理论问题与风沙流输沙率预测和沙尘暴预报准确性的提高是十分相关的。例如，冯卡门常数的值和廓线形式会直接影响对风沙流或沙尘暴演化过程的数值计算，而平均流廓线下限的位置可能对起沙产生影响。在大气边界层湍流研究方面，对大气边界层湍流结构的测量大多存在測量时间较短，温度层结地表粗糙度、来流特征等因素的影响不清楚等问题。由此，一方面导致所得结果的差异较大，另一方面也使得对莫宁-奥布霍夫理论的普适性、脉动强度的各项异性特征、相干结构的产生机制等基本问题的认识，以及风速谱的表征等存在争议。在风沙流或沙尘暴流场特性研究方面，已有探索风沙流和沙尘暴与湍流结构相关性的研究大都带有猜测性质，特别是对风沙流或沙尘暴的流场特性和流动结构及其与起沙和沙尘输运的相互作用等这些对认识和预测风沙流或沙尘暴十分重要的问题，已有的观测装置和观测数据还很难给出准确的回答，而已有的结论，如犹他大学野外观测的结论，是否能推广到风沙流或沙尘暴期间的流场也还不得而知。可见，需要对近地面风沙流或沙尘暴流场特性及其结构开展更为有效的野外观測。在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在无法对高雷诺数壁湍流三维结构进行测量、无法对风沙流或沙尘暴流场特性进行测量、以及没有实现将湍流测量与沙尘输运测量同步等缺陷
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对上述问题，提出一种风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，以实现对高雷诺数壁湍流三维结构进行测量、对风沙流或沙尘暴流场特性进行测量、以及将湍流测量与沙尘输运测量同步的优点。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是一种风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，包括竖直平行配合设置的气象塔、热线支架、以及多个观测架，所述热线支架靠近气象塔设置，所述多个观测架对称分布在气象塔与热线支架形成区域的两侧；在所述气象塔上，配合安装有第一组测量用实验仪器；在热线支架上，配合安装有热线探头组件；在每个观测架上，配合安装有第二组测量用实验仪器。进ー步地，所述多个观测架、气象塔与热线支架，在水平面上呈金字塔形排布。进ー步地，在所述多个观测架中，每个观测架为12-20m观测架。进ー步地，所述第一组测量用实验仪器，包括数据采集器，位于所述数据采集器的上侧、且水平并行安装在气象塔的横向连接杆上的多个输沙強度探头，以及位于所述多个输沙强度探头的上方、且水平并行安装在气象塔的横向连接杆上的多个测量単元；所述多个输沙強度探头及多个测量単元，分别与数据采集器配合连接。进ー步地,在所述多个测量单元中，姆个测量单元包括位于气象塔ー侧的三维超声风速仪、以及位于气象塔另ー侧的温湿度计与粉尘仪；所述三维超声风速仪、温湿度计及粉尘仪，分别与数据采集器配合连接。进ー步地，所述热线探头组件，包括移动终端，以及位于移动终端的上方、且水平并行安装在热线支架的横向连接杆上的多个热线探头；在每个横向连接杆的两端，安装有 位于热线支架两侧的两个热线探头；每个热线探头，分别与移动终端连接。进ー步地，所述移动終端，至少包括笔记本电脑。进ー步地，所述第二组测量用实验仪器，包括数据采集器，位于所述数据采集器的上侧、且水平并行安装在观测架的横向连接杆上的多个输沙強度探头，以及位于所述多个输沙强度探头的上方、且水平并行安装在观测架的横向连接杆上的多个测量単元；所述多个输沙強度探头及多个测量単元，分别与数据采集器配合连接。进ー步地，在所述多个测量单元中，每个测量単元包括位于观测架ー侧的型号为CAST3的三维超声风速仪、以及位于观测架另ー侧的型号为HMP45C的温湿度计与型号为AQ-IO的粉尘仪；所述型号为CAST3的三维超声风速仪、型号为HMP45C的温湿度计及型号为AQ-10的粉尘仪，分别与数据采集器配合连接。进ー步地，以上所述的风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，还包括用于连接相应实验仪器与数据采集器或移动终端的数据线，以及用于为各用电设备供电的供电系统。本专利技术各实施例的风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，由于包括竖直平行配合设置的气象塔、热线支架、以及多个观测架，热线支架靠近气象塔设置，多个观测架对称分布在气象塔与热线支架形成区域的两侧；在所述气象塔上，配合·安装有第一组測量用实验仪器；在热线支架上，配合安装有热线探头组件；在每个观测架上，配合安装有第二组测量用实验仪器；可以对野外高雷诺数情况下风速、粉尘浓度、输沙强度和温湿度等实施全方位实时同步高频測量；从而可以克服现有技术中无法对高雷诺数壁湍流三维结构进行测量、无法对风沙流或沙尘暴流场特性进行测量、以及没有实现将湍流测量与沙尘输运测量同步的缺陷，以实现对高雷诺数壁湍流三维结构进行测量、对风沙流或沙尘暴流场特性进行测量、以及将湍流测量与沙尘输运测量同步的优点。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，其特征在干，包括竖直平行配合设置的气象塔、热线支架、以及多个观测架，所述热线支架靠近气象塔设置，所述多个观测架对称分布在气象塔与热线支架形成区域的两侧；在所述气象塔上，配合安装有第一组测量用实验仪器；在热线支架上，配合安装有热线探头组件；在每个观测架上，配合安装有第二组测量用实验仪器。2.根据权利要求I所述的风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，其特征在于，所述多个观测架、气象塔与热线支架，在水平面上呈金字塔形排布。3.根据权利要求I所述的风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，其特征在于，在所述多个观测架中，每个观测架为12-20m观测架。4.根据权利要求1-3中任一项所述的风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，其特征在干，所述第一组测量用实验仪器，包括数据采集器，位于所述数据采集器的上侦れ且水平并行安装在气象塔的横向连接杆上的多个输沙強度探头，以及位于所述多个输沙强度探头的上方、且水平并行安装在气象塔的横向连接杆上的多个测量単元；所述多个输沙强度探头及多个测量単元，分别与数据采集器配合连接。5.根据权利要求4所述的风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统，其特征在于，在所述多个测量单元中，每个测量単元包括位于气象塔一侧的三维超声风速仪、以及位于气象塔另ー侧的温湿度计与粉尘仪；所述三维超声风速仪、温湿度计及粉尘仪，分别与数据采集器配合连接。6.根据权利要求1-3中任一项所述的风沙流或沙尘暴...

【专利技术属性】
技术研发人员：薄天利，郑晓静，梁轶瑞，张静红，王国华，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：