[0001] 本发明涉及气象监测技术领域， 具体地， 涉及一种风沙流或沙尘暴环境下大气边界 层湍流监测系统。

背景技术

[00021 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） 构成的一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。

[0003] 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 强沙尘暴。 可见， 风沙流和沙尘暴已经成为影响人类经济社会发 展的一个重要环境问题。

[0004] 正如 Balachandar 等在流体力学年鉴上的文章中指出的： "湍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 "。 同时， 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 为一个活跃的研究领域。 对这一问题的理论、 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， 认识并揭示风沙流或沙尘暴这样一种大气边界 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， 而且也是一个极其复杂和具有挑战性的科学问 题。

[0005] 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、 '-Γ 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。

[0006】 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测量时 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， 己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。

[0007] 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测。

[0008] 在实现本发明的过程中， 发明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。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于， 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歩的优点。

[0010] 为实现上述目的， 本发明采用的技术方案是： 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。

[0011] 进一步地， 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。

[0012] 进一步地， 在所述多个观测架中， 每个观测架为 12-20m观测架。

[0013] 进一歩地， 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 个输沙强度探头， 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 个测量单元； 所述多个输 沙强度探头及多个测量单元， 分别与数据采集器配合连接。 [0014] 进一步地， 在所述多个测量单元中， 每个测量单元包括位于气象塔一侧的三维超声 风速仪、 以及位于气象塔另一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。

[0015] 进一歩地， 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。

[0016] 进一步地， 所述移动终端， 至少包括笔记本电脑。

[0017] 进一步地， 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 个输沙强度探头， 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 个测量单元； 所述多个输 沙强度探头及多个测量单元， 分别与数据采集器配合连接。

[0018] 进一步地， 在所述多个测量单元中， 每个测量单元包括位于观测架一侧的型号为 CAST3 的三维超声风速仪、 以及位于观测架另一侧的型号为 HMP45C 的温湿度计与型号为 AQ-10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。

[0019] 进一步地， 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。

[0020] 本发明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； 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测量： 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。

[0021] 本发明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， 或者通过实施本发明而了解。 本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明 书、 权利要求书、 以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 [0022] 下面通过附图和实施例， 对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0023] 附图用来提供对本发明的进一步理解， 并且构成说明书的一部分， 与本发明的实施 例一起用于解释本发明， 并不构成对本发明的限制。 在附图中：

图 1为根据本发明风沙流或沙尘暴环境下大气边� �层湍流监测系统中气象塔、 热线支架和多 个 16m观测架在水平面上的金字塔形排布示意图；

图 2为根据风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍� �监测系统中气象塔上测量用实验仪器的装 配结构示意图；

图 3为根据本发明风沙流或沙尘暴环境下大气边� �层湍流监测系统中热线支架上热线探头的 装配结构示意图；

图 4 为根据本发明风沙流或沙尘暴环境下大气边界 层湍流监测系统中 16m观测架上测量用 实验仪器的装配结构示意图。

[0024] 结合附图， 本发明实施例中附图标记如下：

1-数据采集器； 2-输沙强度探头； 3-三维超声风速仪； 4-粉尘仪； 5-温湿度计； 6-气象塔； 7- 笔记本电脑； 8-热线探头； 9-热线支架； 10-16m观测架。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明 ， 应当理解， 此处所描述的优选实施 例仅用于说明和解释本发明， 并不用于限定本发明。

【0026】 根据本发明实施例， 提供了一种风沙流或沙尘暴环境下大气边界层 湍流监测系统。 如图 1-图 4所示， 本实施例包括竖直平行配合设置的气象塔 （如气象塔 6)、 热线支架 （如 热线支架 9 )、 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； 还包 括用于为各用电设备供电的供电系统 （可以是主要由太阳能电池板和蓄电池组成的 供电系 统）。 在多个观测架中， 每个观测架为 12-20m观测架 （优选为 16m观测架 10)。

[0027] 如图 1 所示， 上述多个观测架、 气象塔与热线支架， 在水平面上呈金字塔形排布。 气象塔和多个 16m 观测架在水平面上按照三角形列阵形式布置， 这样则可以对不同来流方 向的湍流结构进行测量， 从三维的角度来看， 形态类似于埃及的金字塔。

[0028] 如图 2 所示， 上述第一组测量用实验仪器， 包括数据采集器 （如数据采集器 1 )， 位 于数据采集器的上侧、 且水平并行安装在气象塔的横向通过数据线连 接杆上的多个输沙强度 探头 （如输沙强度探头 2 )， 以及位于多个输沙强度探头的上方、 且水平并行安装在气象塔 的横向通过数据线连接杆上的多个测量单元； 多个输沙强度探头及多个测量单元， 分别与数 据采集器配合通过数据线连接。 在多个测量单元中， 每个测量单元包括位于气象塔一侧的三 维超声风速仪 （如三维超声风速仪 3 )、 以及位于气象塔另一侧的温湿度计 （如温湿度计 5 ) 与粉尘仪 （如粉尘仪 4) ; 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通 过数据线连接。

[0029] 在图 2 中， 多个输沙强度探头可以为 3个测量单元， 多个测量单元可以为 7个测量 单元。

[0030] 例如， 可以在气象塔上自下向上的 0.2m、 0.5m, lm、 2m、 4m、 8m、 12m、 16m、 24m 和 32m 处， 分别安装三维超声风速仪、 粉尘仪和温湿度计； 在气象塔底部 0.05m、 0.1m, 0.15m, 0.2m和 0.3m处， 分别安装输沙强度探头； 16m观测架上分别安装两台三维 超声风速仪、 两台粉尘仪、 两个输沙强度探头和一个温湿度计。

[0031] 如图 3 所示， 上述热线探头组件， 包括移动终端 （可以是笔记本电脑 7)， 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通过数据线 连接杆上的多个热线探头； 在每个横向通过数据线连接杆的两端， 安装有位于热线支架两侧的两个热线探头； 每个热线 探头， 分别与移动终端通过数据线连接。

[0032] 在图 3中， 可以在热线支架的不同高度处安装有 16个野外热线风速仪的热线探头， 每个热线探头通过数据线与用于采集数据的笔 记本电脑相连。

[00331 如图 4 所示， 第二组测量用实验仪器， 包括数据采集器， 位于数据采集器的上侧、 且水平并行安装在观测架的横向通过数据线连 接杆上的多个输沙强度探头， 以及位于多个输 沙强度探头的上方、 且水平并行安装在观测架的横向通过数据线连 接杆上的多个测量单元； 多个输沙强度探头及多个测量单元， 分别与数据采集器配合通过数据线连接。 在多个测量单 元中， 每个测量单元包括位于观测架一侧的型号为 CAST3 的三维超声风速仪、 以及位于观 测架另一侧的型号为 HMP45C 的温湿度计与型号为 AQ-10的粉尘仪； 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 配合通过数据线连接。

[0034] 在图 4 中， 多个输沙强度探头可以为 2个测量单元， 多个测量单元可以为 2个测量 单元。

[0035] 在上述实施例中， 数据采集器， 用于采集气象塔和 16m 观测架上测量用实验仪器的 数据； 输沙强度探头， 用于测量风沙流的输沙强度； 三维超声风速仪， 用于测量三维风速； 粉尘仪， 用于测量粉尘浓度； 温湿度计， 用于测量大气温度和湿度； 移动终端 （如笔记本电 脑 7)， 用于实时记录热线探头所感应到的风速。

[0036] 上述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， 涉及荒漠地表在起 沙与不起沙情况和不同层结条件下的风场、 粉尘、 温湿度的实时同步测量， 获得零压力梯度 近中性条件下高雷诺数壁湍流在风沙流或沙尘 暴情形的数据； 可以用于实现对荒漠地表在起 沙与不起沙情况和不同层结条件下的风场、 粉尘、 温湿度的实时同步测量， 获得零压力梯度 近中性条件下高雷诺数壁湍流在风沙流或沙尘 暴情形的数据。

[0037] 具体地， 上述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， 可以包括 一个气象高塔 （50-70m左右）、 热线观测架、 数十个高度在 16m左右的分别沿流向和展向布 置的观测架， 以及在其上梯度布置的三维超声风速仪、 热线风速仪、 粉尘仪、 温湿度仪、 数 据采集器和笔记本电脑等， 由此构成三维多点多要素梯度测量系统； 按照三角形列阵形式竖 直平行设置气象观测塔、 热线观测架和数十个 16m 的观测架， 在气象塔上安装有三维超声 风速仪、 温湿度计、 输沙强度探头和粉尘仪， 在热线支架上安装有热线探头， 在数十个 16m 观测架上安装有三维超声风速仪、 温湿度计、 输沙强度探头和粉尘仪； 在气象塔、 热线观测 架和观测架都独立安装数据采集器和笔记本电 脑。

[0038] 综上所述， 本发明上述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， 由于包括竖直平行设置的气象塔、 热线支架与数十个 16m观测架， 在气象塔上安装有三维 超声风速仪、 粉尘仪、 温湿度计和输沙强度探头， 在热线支架上安装有室外热线风速仪的热 线探头， 在 16m 观测架上安装有三维超声风速仪、 粉尘仪、 温湿度计和输沙强度探头； 气 象塔和数十个 16m观测架都分别独立安装有数据采集器， 测量用实验仪器通过数据线与数 据采集器连接； 热线支架上的仪器通过数据线与笔记本电脑连 接； 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 测量； 从而可以克服现有 技术中无法捕获高雷诺数壁湍流三维结构的缺 陷， 以实现三维、 多因素和实时同步的优点。

[0039] 最后应说明的是： 以上所述仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说 明， 对于本领域的技术人员来说， 其依然可以 对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在 本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护 范围之内。