专利名称：一种风沙流或沙尘暴环境下大气边界层湍流监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型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“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、‘-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。在实现本实用新型的过程中，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
实用新型内容
本实用新型的目的在于，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，本实用新型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。进一步地，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。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。进一步地，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。进一步地，所述移动终端，至少包括笔记本电脑。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。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-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。本实用新型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。本实用新型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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型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。下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中图I为根据本实用新型风沙流或沙尘暴环境下大气边界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流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为根据本实用新型风沙流或沙尘暴环境下大气边界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为根据本实用新型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。结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下I-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
以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。根据本实用新型实施例，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I-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)。如图I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。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I )，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。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。例如，可以在气象塔上自下向上的O. 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O. 05m、0. lm、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。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。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。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。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。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。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。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。综上所述，本实用新型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。最后应说明的是以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求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，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，其特征在于，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U、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。
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。
6.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，其特征在于，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。
7.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，其特征在于，所述移动终端，至少包括笔记本电脑。
8.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，其特征在于，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侦U、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。
9.根据权利要求8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-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。
10.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，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。
专利摘要本实用新型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。本实用新型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。
文档编号G01W1/00GK202583492SQ20122023710
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者薄天利, 郑晓静, 梁轶瑞, 张静红, 王国华 申请人:兰州大学