一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統:專利背景,發明內容,專利目的,技術

《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》是蘭州大學於2012年5月24日申請的發明專利，該專利申請號為2012101641140，公布號為CN102681030A，公布日為2012年9月19日，發明人是薄天利、鄭曉靜、梁軼瑞、張靜紅、王國華。

《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》包括豎直平行配合設定的氣象塔、熱線支架、以及多個觀測架，所述熱線支架靠近氣象塔設定，所述多個觀測架對稱分布在氣象塔與熱線支架形成區域的兩側；在所述氣象塔上，配合安裝有第一組測量用實驗儀器；在熱線支架上，配合安裝有熱線探頭組件；在每個觀測架上，配合安裝有第二組測量用實驗儀器。該發明所述風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，可以實現對高雷諾數壁湍流三維結構進行測量、對風沙流或沙塵暴流場特性進行測量、以及將湍流測量與沙塵輸運測量同步的優點。

2021年6月24日，《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》摘要附圖）

基本介紹

中文名：一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統
申請人：蘭州大學
發明人：薄天利、鄭曉靜、梁軼瑞、張靜紅、王國華
申請號：2012101641140
申請日：2012年5月24日
公布號：CN102681030A
公布日：2012年9月19日
地址：甘肅省蘭州市城關區天水路222號
代理機構：北京中恆高博智慧財產權代理有限公司
代理人：宋敏
Int. Cl.：G01W1/00
類別：發明專利

專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,

專利背景

在荒漠化地區，經常發生包括空氣與沙粒（粒徑在100微米以上）、以及空氣與沙塵（粒徑在100微米以下）構成的一類氣固兩相流動的流場。前者，大多集中在距地面2米以下的高度內，也稱為地表風沙流（即是土壤風蝕和荒漠化的一種表現形式），並因此加劇土壤風蝕和荒漠化；後者，主要關注距地面數十米以下高度內的沙塵暴，往往導致交通和通訊中斷以及空氣品質下降，甚至房屋和農作物受損及人員傷亡。

例如，2010年4月24-25日在甘肅發生的沙塵暴共造成甘肅19個縣約132.56萬人受災；農作物受災面積達20.68萬公頃。儘管有關風沙流或沙塵暴防治和預報的研究已長達數十年之久（相關數據截至2012年5月），其局部治理也取得一定效果；但是，整體來看，情況依然嚴峻：一方面，土壤風蝕和荒漠化的面積仍在擴大，程度還在加重，耕地面積減少；例如，風沙災害使得50年前（相關數據截至2012年5月）還是一片綠洲的甘肅民勤地區的荒漠化面積達94.5%左右；另一方面，沙塵暴仍在頻發；例如，在中國甘肅民勤地區，2010年發生的沙塵暴高達8次，而2009年的沙烏地阿拉伯首都利雅得和澳大利亞悉尼，以及2011年美國亞利桑那州鳳凰城都分別遭遇了20年來的最強沙塵暴。可見，風沙流和沙塵暴已經成為影響人類經濟社會發展的一個重要環境問題。

正如Balachandar等在流體力學年鑑上的文章中指出的：“湍流和多相流是流體力學中最具挑戰性的兩個問題，……，當兩者聯合起來也會成為更加難以對付的挑戰”。同時，2010年馬魯希奇等在其綜述性文章指出：“近年來，高雷諾數下的壁面邊界湍流已經逐漸成為一個活躍的研究領域。對這一問題的理論、標度律、物理過程的理解、實驗技術以及數值模擬仍存在著許多的挑戰。”所以，認識並揭示風沙流或沙塵暴這樣一種大氣邊界層的高雷諾數壁湍流的特性和規律，不僅對於風沙流輸沙率的準確預測和沙塵暴預報模式的改進起著非常關鍵的作用，有著重要的套用需求，而且也是一個極其複雜和具有挑戰性的科學問題。

但是，在高雷諾數（Re）壁湍流研究方面，對於壁湍流平均流廓線的具體形式、湍流脈動強度隨Re變化的規律、外區特大尺度結構的起源和標度及其時空演化規律、‘-1’次方譜的存在性等基本問題的認識尚在爭議中。而高Re壁湍流研究中的這些基礎理論問題與風沙流輸沙率預測和沙塵暴預報準確性的提高是十分相關的。例如，馮卡門常數的值和廓線形式會直接影響對風沙流或沙塵暴演化過程的數值計算，而平均流廓線下限的位置可能對起沙產生影響。

在大氣邊界層湍流研究方面，對大氣邊界層湍流結構的測量大多存在測量時間較短，溫度層結地表粗糙度、來流特徵等因素的影響不清楚等問題。由此，一方面導致所得結果的差異較大，另一方面也使得對莫寧-奧布霍夫理論的普適性、脈動強度的各項異性特徵、相干結構的產生機制等基本問題的認識，以及風速譜的表征等存在爭議。在風沙流或沙塵暴流場特性研究方面，已有探索風沙流和沙塵暴與湍流結構相關性的研究大都帶有猜測性質，特別是對風沙流或沙塵暴的流場特性和流動結構及其與起沙和沙塵輸運的相互作用等這些對認識和預測風沙流或沙塵暴十分重要的問題，已有的觀測裝置和觀測數據還很難給出準確的回答，而已有的結論，如猶他大學野外觀測的結論，是否能推廣到風沙流或沙塵暴期間的流場也還不得而知。

可見，需要對近地面風沙流或沙塵暴流場特性及其結構開展更為有效的野外觀測。

截至2012年5月，在實現《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》的過程中，發明人發現相關技術中至少存在無法對高雷諾數壁湍流三維結構進行測量、無法對風沙流或沙塵暴流場特性進行測量、以及沒有實現將湍流測量與沙塵輸運測量同步等缺陷。

發明內容

專利目的

《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》的目的在於提出一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，以實現對高雷諾數壁湍流三維結構進行測量、對風沙流或沙塵暴流場特性進行測量、以及將湍流測量與沙塵輸運測量同步的優點。

技術方案

進一步地，所述多個觀測架、氣象塔與熱線支架，在水平面上呈金字塔形排布。

進一步地，在所述多個觀測架中，每個觀測架為12-20米觀測架。

進一步地，所述第一組測量用實驗儀器，包括數據採集器，位於所述數據採集器的上側、且水平並行安裝在氣象塔的橫向連線桿上的多個輸沙強度探頭，以及位於所述多個輸沙強度探頭的上方、且水平並行安裝在氣象塔的橫向連線桿上的多個測量單元；所述多個輸沙強度探頭及多個測量單元，分別與數據採集器配合連線。

進一步地，在所述多個測量單元中，每個測量單元包括位於氣象塔一側的三維超聲風速儀、以及位於氣象塔另一側的溫濕度計與粉塵儀；所述三維超聲風速儀、溫濕度計及粉塵儀，分別與數據採集器配合連線。

進一步地，所述熱線探頭組件，包括移動終端，以及位於移動終端的上方、且水平並行安裝在熱線支架的橫向連線桿上的多個熱線探頭；在每個橫向連線桿的兩端，安裝有位於熱線支架兩側的兩個熱線探頭；每個熱線探頭，分別與移動終端連線。

進一步地，所述移動終端，至少包括筆記本電腦。

進一步地，所述第二組測量用實驗儀器，包括數據採集器，位於所述數據採集器的上側、且水平並行安裝在觀測架的橫向連線桿上的多個輸沙強度探頭，以及位於所述多個輸沙強度探頭的上方、且水平並行安裝在觀測架的橫向連線桿上的多個測量單元；所述多個輸沙強度探頭及多個測量單元，分別與數據採集器配合連線。

進一步地，在所述多個測量單元中，每個測量單元包括位於觀測架一側的型號為CAST3的三維超聲風速儀、以及位於觀測架另一側的型號為HMP45C的溫濕度計與型號為AQ-10的粉塵儀；所述型號為CAST3的三維超聲風速儀、型號為HMP45C的溫濕度計及型號為AQ-10的粉塵儀，分別與數據採集器配合連線。

進一步地，以上所述的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，還包括用於連線相應實驗儀器與數據採集器或移動終端的數據線，以及用於為各用電設備供電的供電系統。

改善效果

《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》各實施例的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，由於包括豎直平行配合設定的氣象塔、熱線支架、以及多個觀測架，熱線支架靠近氣象塔設定，多個觀測架對稱分布在氣象塔與熱線支架形成區域的兩側；在所述氣象塔上，配合安裝有第一組測量用實驗儀器；在熱線支架上，配合安裝有熱線探頭組件；在每個觀測架上，配合安裝有第二組測量用實驗儀器；可以對野外高雷諾數情況下風速、粉塵濃度、輸沙強度和溫濕度等實施全方位實時同步高頻測量；從而可以克服相關技術中無法對高雷諾數壁湍流三維結構進行測量、無法對風沙流或沙塵暴流場特性進行測量、以及沒有實現將湍流測量與沙塵輸運測量同步的缺陷，以實現對高雷諾數壁湍流三維結構進行測量、對風沙流或沙塵暴流場特性進行測量、以及將湍流測量與沙塵輸運測量同步的優點。

附圖說明

圖1為根據《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》中氣象塔、熱線支架和多個16米觀測架在水平面上的金字塔形排布示意圖；

圖2為根據風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統中氣象塔上測量用實驗儀器的裝配結構示意圖；

圖3為根據《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》中熱線支架上熱線探頭的裝配結構示意圖；

圖4為根據《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》中16米觀測架上測量用實驗儀器的裝配結構示意圖。

附圖示記如下：1-數據採集器；2-輸沙強度探頭；3-三維超聲風速儀；4-粉塵儀；5-溫濕度計；6-氣象塔；7-筆記本電腦；8-熱線探頭；9-熱線支架；10-16米觀測架。

技術領域

《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》涉及氣象監測技術領域，具體地，涉及一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統。

權利要求

1.《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》特徵在於，包括豎直平行配合設定的氣象塔、熱線支架、以及多個觀測架，所述熱線支架靠近氣象塔設定，所述多個觀測架對稱分布在氣象塔與熱線支架形成區域的兩側；在所述氣象塔上，配合安裝有第一組測量用實驗儀器；在熱線支架上，配合安裝有熱線探頭組件；在每個觀測架上，配合安裝有第二組測量用實驗儀器；所述多個觀測架、氣象塔與熱線支架，在水平面上呈金字塔形排布；在所述多個觀測架中，每個觀測架為12-20米觀測架。

2.根據權利要求1所述的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，其特徵在於，所述第一組測量用實驗儀器，包括數據採集器，位於所述數據採集器的上側、且水平並行安裝在氣象塔的橫向連線桿上的多個輸沙強度探頭，以及位於所述多個輸沙強度探頭的上方、且水平並行安裝在氣象塔的橫向連線桿上的多個測量單元；所述多個輸沙強度探頭及多個測量單元，分別與數據採集器配合連線。

3.根據權利要求2所述的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，其特徵在於，在所述多個測量單元中，每個測量單元包括位於氣象塔一側的三維超聲風速儀、以及位於氣象塔另一側的溫濕度計與粉塵儀；所述三維超聲風速儀、溫濕度計及粉塵儀，分別與數據採集器配合連線。

4.根據權利要求1所述的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，其特徵在於，所述熱線探頭組件，包括移動終端，以及位於移動終端的上方、且水平並行安裝在熱線支架的橫向連線桿上的多個熱線探頭；在每個橫向連線桿的兩端，安裝有位於熱線支架兩側的兩個熱線探頭；每個熱線探頭，分別與移動終端連線。

5.根據權利要求4所述的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，其特徵在於，所述移動終端，至少包括筆記本電腦。

6.根據權利要求1所述的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，其特徵在於，所述第二組測量用實驗儀器，包括數據採集器，位於所述數據採集器的上側、且水平並行安裝在觀測架的橫向連線桿上的多個輸沙強度探頭，以及位於所述多個輸沙強度探頭的上方、且水平並行安裝在觀測架的橫向連線桿上的多個測量單元；所述多個輸沙強度探頭及多個測量單元，分別與數據採集器配合連線。

7.根據權利要求6所述的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，其特徵在於，在所述多個測量單元中，每個測量單元包括位於觀測架一側的型號為CAST3的三維超聲風速儀、以及位於觀測架另一側的型號為HMP45C的溫濕度計與型號為AQ-10的粉塵儀；所述型號為CAST3的三維超聲風速儀、型號為HMP45C的溫濕度計及型號為AQ-10的粉塵儀，分別與數據採集器配合連線。

8.根據權利要求1所述的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，其特徵在於，還包括用於連線相應實驗儀器與數據採集器或移動終端的數據線，以及用於為各用電設備供電的供電系統。

實施方式

《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》實施例提供了一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統。如圖1-圖4所示，該實施例包括豎直平行配合設定的氣象塔（如氣象塔6）、熱線支架（如熱線支架9）、以及多個觀測架，熱線支架靠近氣象塔設定，多個觀測架對稱分布在氣象塔與熱線支架形成區域的兩側；在氣象塔上，配合安裝有第一組測量用實驗儀器；在熱線支架上，配合安裝有熱線探頭組件；在每個觀測架上，配合安裝有第二組測量用實驗儀器；還包括用於為各用電設備供電的供電系統（可以是主要由太陽能電池板和蓄電池組成的供電系統）。在多個觀測架中，每個觀測架為12-20米觀測架（優選為16米觀測架10）。

如圖1所示，上述多個觀測架、氣象塔與熱線支架，在水平面上呈金字塔形排布。氣象塔和多個16米觀測架在水平面上按照三角形列陣形式布置，這樣則可以對不同來流方向的湍流結構進行測量，從三維的角度來看，形態類似於埃及的金字塔。

如圖2所示，上述第一組測量用實驗儀器，包括數據採集器（如數據採集器1），位於數據採集器的上側、且水平並行安裝在氣象塔的橫向通過數據線連線桿上的多個輸沙強度探頭（如輸沙強度探頭2），以及位於多個輸沙強度探頭的上方、且水平並行安裝在氣象塔的橫向通過數據線連線桿上的多個測量單元；多個輸沙強度探頭及多個測量單元，分別與數據採集器配合通過數據線連線。在多個測量單元中，每個測量單元包括位於氣象塔一側的三維超聲風速儀（如三維超聲風速儀3）、以及位於氣象塔另一側的溫濕度計（如溫濕度計5）與粉塵儀（如粉塵儀4）；三維超聲風速儀、溫濕度計及粉塵儀，分別與數據採集器配合通過數據線連線。

在圖2中，多個輸沙強度探頭可以為3個測量單元，多個測量單元可以為7個測量單元。

例如，可以在氣象塔上自下向上的0.2米、0.5米、1米、2米、4米、8米、12米、16米、24米和32米處，分別安裝三維超聲風速儀、粉塵儀和溫濕度計；在氣象塔底部0.05米、0.1米、0.15米、0.2米和0.3米處，分別安裝輸沙強度探頭；16米觀測架上分別安裝兩台三維超聲風速儀、兩台粉塵儀、兩個輸沙強度探頭和一個溫濕度計。

如圖3所示，上述熱線探頭組件，包括移動終端（可以是筆記本電腦7），以及位於移動終端的上方、且水平並行安裝在熱線支架的橫向通過數據線連線桿上的多個熱線探頭；在每個橫向通過數據線連線桿的兩端，安裝有位於熱線支架兩側的兩個熱線探頭；每個熱線探頭，分別與移動終端通過數據線連線。

在圖3中，可以在熱線支架的不同高度處安裝有16個野外熱線風速儀的熱線探頭，每個熱線探頭通過數據線與用於採集數據的筆記本電腦相連。

如圖4所示，第二組測量用實驗儀器，包括數據採集器，位於數據採集器的上側、且水平並行安裝在觀測架的橫向通過數據線連線桿上的多個輸沙強度探頭，以及位於多個輸沙強度探頭的上方、且水平並行安裝在觀測架的橫向通過數據線連線桿上的多個測量單元；多個輸沙強度探頭及多個測量單元，分別與數據採集器配合通過數據線連線。在多個測量單元中，每個測量單元包括位於觀測架一側的型號為CAST3的三維超聲風速儀、以及位於觀測架另一側的型號為HMP45C的溫濕度計與型號為AQ-10的粉塵儀；型號為CAST3的三維超聲風速儀、型號為HMP45C的溫濕度計及型號為AQ-10的粉塵儀，分別與數據採集器配合通過數據線連線。

在圖4中，多個輸沙強度探頭可以為2個測量單元，多個測量單元可以為2個測量單元。

在上述實施例中，數據採集器，用於採集氣象塔和16米觀測架上測量用實驗儀器的數據；輸沙強度探頭，用於測量風沙流的輸沙強度；三維超聲風速儀，用於測量三維風速；粉塵儀，用於測量粉塵濃度；溫濕度計，用於測量大氣溫度和濕度；移動終端（如筆記本電腦7），用於實時記錄熱線探頭所感應到的風速。

上述實施例的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，涉及荒漠地表在起沙與不起沙情況和不同層結條件下的風場、粉塵、溫濕度的實時同步測量，獲得零壓力梯度近中性條件下高雷諾數壁湍流在風沙流或沙塵暴情形的數據；可以用於實現對荒漠地表在起沙與不起沙情況和不同層結條件下的風場、粉塵、溫濕度的實時同步測量，獲得零壓力梯度近中性條件下高雷諾數壁湍流在風沙流或沙塵暴情形的數據。

具體地，上述實施例的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，可以包括一個氣象高塔（50-70米左右）、熱線觀測架、數十個高度在16米左右的分別沿流向和展向布置的觀測架，以及在其上梯度布置的三維超聲風速儀、熱線風速儀、粉塵儀、溫濕度儀、數據採集器和筆記本電腦等，由此構成三維多點多要素梯度測量系統；按照三角形列陣形式豎直平行設定氣象觀測塔、熱線觀測架和數十個16米的觀測架，在氣象塔上安裝有三維超聲風速儀、溫濕度計、輸沙強度探頭和粉塵儀，在熱線支架上安裝有熱線探頭，在數十個16米觀測架上安裝有三維超聲風速儀、溫濕度計、輸沙強度探頭和粉塵儀；在氣象塔、熱線觀測架和觀測架都獨立安裝數據採集器和筆記本電腦。

綜上所述，《一種風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統》上述實施例的風沙流或沙塵暴環境下大氣邊界層湍流監測系統，由於包括豎直平行設定的氣象塔、熱線支架與數十個16米觀測架，在氣象塔上安裝有三維超聲風速儀、粉塵儀、溫濕度計和輸沙強度探頭，在熱線支架上安裝有室外熱線風速儀的熱線探頭，在16米觀測架上安裝有三維超聲風速儀、粉塵儀、溫濕度計和輸沙強度探頭；氣象塔和數十個16米觀測架都分別獨立安裝有數據採集器，測量用實驗儀器通過數據線與數據採集器連線；熱線支架上的儀器通過數據線與筆記本電腦連線；可以對野外高雷諾數情況下風速、粉塵濃度、輸沙強度和溫濕度等實施全方位實時同步高頻測量；從而可以克服相關技術中無法捕獲高雷諾數壁湍流三維結構的缺陷，以實現三維、多因素和實時同步的優點。

專利榮譽