[发明专利]一种风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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、‘-1’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，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测。

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

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步的优点。

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。

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。

进一步地，在所述多个观测架中，每个观测架为12-20m观测架。