CN105954813A - 非Kolmogorov湍流统计特征的微温探空仪测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非Kolmogorov湍流统计特征的微温探空仪测量方法，为克服测量原理建立在Kolmogorov湍流假定基础上的现有设备无法研究非Kolmogorov湍流统计特征问题。本发明方法包括研制湍流气象探空仪；编制数据测量与转换板软件；进行非Kolmogorov湍流统计特征分析。与现有技术相比，本发明突破国内外常将探空技术用来测量空间一定距离上的两点温差，在2/3定律成立的假定下，计算出湍流强度的局限。实现不同区域非Kolmogorov湍流统计特征研究。

Description

非Kolmogorov湍流统计特征的微温探空仪测量方法

技术领域

本发明涉及一种非Kolmogorov湍流统计特征的微温探空仪测量方法，属于大气光学参数测量技术领域。

背景技术

研究低平流层下小尺度非Kolmogorov湍流统计特征，涉及湍流和光传输的交叉领域，有很高的理论研究价值和很好的应用前景。长期以来，波在湍流大气中传播研究，都是建立在Kolmogorov的湍流理论基础之上。Kolmogorov湍流模型以最简洁的数学表达方式反映出大气湍流的规律，如惯性区二阶结构函数的三分之二标度律和一维湍谱的负三分之五定律，是现有大气光学湍流测量和湍流效应计算的理论基础。探空、飞机、光学方法、雷达等都可以测量廓线。但这些方法的测量原理都是建立在Kolmogorov湍流假定基础上得到的或的路径积分值，很难研究非Kolmogorov湍流统计特征问题。

随机起伏的湍流场(如速度场，温度场等)是具有多尺度时空结构的非线性场。借助结构函数，和对其进行傅氏变换即所谓的能谱进行描述和量纲分析，是认识湍流多尺度现象的重要手段，也是Kolmogorov湍流模型的理论框架。因此采用结构函数和谱分析方法，得到结构函数的标度指数和谱幂率，与Kolmogorov惯性区二阶结构函数的三分之二标度律和一维湍谱的负三分之五定律进行比较，是判断是否存在非Kolmogorov湍流的主要依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种非Kolmogorov湍流统计特征的微温探空仪测量方法，以解决测量原理建立在Kolmogorov湍流假定基础上的现有设备无法研究非Kolmogorov湍流统计特征问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

非Kolmogorov湍流统计特征的微温探空仪测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、研制湍流气象探空仪：

所述研制湍流气象探空仪包括GPS定位模块(1)、温湿压测量模块(2)、微温传感器(3)、数据测量与转换板(4)、发射板(5)、电池组(6)；

其中，GPS定位模块(1)选用商用的GPS接收芯片，按Nmea-0183协议标准格式输出GPS的ASCII码定位数据，测量风速风向，波特率为9600bps；

温湿压测量模块(2)选用商用的高精度温湿压测量板，其探空码为二进制，每帧数据长度21字节，字节格式E-8-2，波特率为1200bps；

微温传感器(3)由微温探头、不平衡电桥、前置放大器、检波放大器、滤波器、电压放大器组成，频率响应范围为：0.1Hz～30Hz，微温传感器测量的最小温度起伏标准差不大于0.002℃，信号输出为+5V；

数据测量与转换板(4)有两个模拟输入端口、两个数字输入端口和一个数字输出端口，两个模拟输入端口接入两路微温脉动信号，经两路ADS1110A/D变换器，转换为数字信号，两路数字输入端口接入GPS模块和测量温压湿模块的数字信号，并汇同微温数字信号，进行数据格式和波特率的统一编码，输出二进制BCD探空码，字节格式N-8-1，波特率2400bps，由一个数字输出端口送到发射板(5)；

发射板(5)将数字输出端的统一编码后的探空数据进行FSK调制，调制速率、频偏、发射频率、输出功率等参数均可由软件编程设定；

电池组(6)供电至上述GPS定位模块(1)、温湿压测量模块(2)、微温传感器(3)、数据测量与转换板(4)、发射板(5)；

(2)、编制数据测量与转换板软件，其步骤如下：

(2.1)、开始，初始化；

(2.2)、读取标定系数；

(2.3)、设置脉动信号采样数100次，若不到100次，执行步骤2.4。若到100次，执行步骤(2.8)；

(2.4)、选通采样通道A，归一化处理，发送采样数据；

(2.5)、选通采样通道B，归一化处理，发送采样数据；

(2.6)、是否收到GPS数据，若收到，存入发射缓冲区，若没有收到，执行步骤(2.7)；

(2.7)、是否收到温湿压数据，若收到，存入发射缓冲区，若没有收到，执行步骤(2.3)；

(2.8)、计算通道A方差；

(2.9)、计算通道B方差；

(2.10)、发送通道A、B方差，发送3次；

(2.11)、发送GPS数据和温湿压数据；

(3)、进行非Kolmogorov湍流统计特征分析：

以气象探空作为测量平台，采用结构函数和谱分析的方法来研究低平流层下小尺度湍流是否偏离Kolmogorov 2/3标度律或-5/3定律，实现不同区域非Kolmogorov湍流统计特征研究；

根据Kolmogorov湍流理论，在惯性子区内，相隔距离为r的两点温度差的结构函数对r呈幂次规律变化，这就是湍流的标度律：

<[T(x+r)-T(x)]ⁿ>∝r^ζn (1)这里T是温度，<>代表系综平均，ζ_n是n阶惯性区标度指数；按Kolmogorov湍流理论ζ_n＝n/3，即ζ_n是n的线性函数，对应的惯性区标度律为正常标度律，当n＝2时，式(1)即是著名的三分之二标度律；

与二阶温度结构函数相对应的是一维温度谱：

S_T(k₁)＝γε^-1/3χk₁ ^-5/3 (2)

γ是Obukhov-Corrsin数，约为0.4，ε和χ分别为湍流动能耗散率和温度方差耗散率，k₁为波数，通常波数谱S_T(k₁)是通过Taylor假定由时间序列的温度脉动信号频率谱S_T(f)得到，两者关系为：

$S_T\left(k_1\right)=\frac{V}{2\mathrm{\&pi;}}{S}_T\left(f\right)---\left(3\right)$

其中V是气流通过传感器速度，在竖直方向可估计为气球上升速度；

对(2)式取对数，

$log\left(S_T\right(f\left)\right)=log\left({\left(\frac{V}{2\mathrm{\&pi;}}\right)}^{2/3}{\mathrm{\&gamma;\&epsiv;}}^{-1/3}\mathrm{\&chi;}\right)-\frac{5}{3}log\left(f\right)---\left(4\right)$

S_T(f)的一般形式可表示为：

S_T(f)＝Af^α (5)

进一步可写为：

log(S_T(f))＝log(A)+αlog(f) (6)

谱幂率α可以线性拟合得到，过程如下：

(a)、通过单点温度脉动传感器，测量时间序列的温度脉动信号，经Fourier变换或小波变换，得到时间谱，再由泰勒假定，将时间谱转变成空间谱；

(b)、将若干微温传感器空间上按一定规律排列，测量高空不同空间距离的温度结构函数，通过Fourier变换或小波变换，在不涉及泰勒假定条件下，得到温度起伏空间谱；

(c)、对温度起伏空间谱分段拟合，得到温度起伏谱幂率的高度分布，研究实际大气不同区域出现非Kolmogorov湍流的统计特征及其湍流谱模式。

本发明针对上述问题，提出一种非Kolmogorov湍流统计特征的微温探空仪测量方法，突破国内外常将探空技术用来测量空间一定距离上的两点温差，在2/3定律成立的假定下，计算出湍流强度的局限。

本发明优点为：

本发明研究低平流层下小尺度非Kolmogorov湍流统计特征，具有有很高的理论研究价值和很好的应用前景。本发明突破国内外常将探空技术用来测量空间一定距离上的两点温差，在2/3定律成立的假定下，计算出湍流强度的局限。实现不同区域非Kolmogorov湍流统计特征研究。

附图说明

图1是湍流气象探空仪电路框图。

图2是数据测量与转换板软件流程图。

具体实施方式

实施例1非Kolmogorov湍流统计特征的微温探空仪测量方法。其包括下列步骤和条件：Ⅰ、研制湍流气象探空仪；Ⅱ、编制数据测量与转换板软件；Ⅲ、进行非Kolmogorov湍流统计特征分析。

如图1所示，Ⅰ、研制湍流气象探空仪包括GPS定位模块(1)、温湿压测量模块(2)、微温传感器(3)、数据测量与转换板(4)、发射板(5)、电池组(6)；

其中，GPS定位模块(1)，选用商用的GPS接收芯片，按Nmea-0183协议标准格式输出GPS的ASCII码定位数据，测量风速风向，波特率为9600bps。温湿压测量模块(2)，选用商用的高精度温湿压测量板，其探空码为二进制，每帧数据长度21字节，字节格式E-8-2(偶效验、8数据位、2停止位)，波特率为1200bps；微温传感器(3)，研制的微温传感器由微温探头、不平衡电桥、前置放大器、检波放大器、滤波器、电压放大器组成。频率响应范围为：0.1Hz～30Hz，微温传感器测量的最小温度起伏标准差不大于0.002℃，信号输出为+5V。研制的数据测量与转换板(4)有两个模拟输入端口、两个数字输入端口和一个数字输出端口。两个模拟输入端口接入两路微温脉动信号，经两路ADS1110A/D变换器，转换为数字信号；两路数字输入端口接入GPS模块和测量温压湿模块的数字信号，并汇同微温数字信号，进行数据格式和波特率的统一编码，输出二进制BCD探空码，字节格式N-8-1(无校验位、8数据位、1停止位)，波特率2400bps。由一个数字输出端口送到发射板(5)；发射板(5)将数字输出端的统一编码后的探空数据进行FSK调制，调制速率、频偏、发射频率、输出功率等参数均可由软件编程设定。图1是湍流气象探空仪电路框图。

Ⅱ、编制数据测量与转换板软件。

步骤1，开始，初始化。

步骤2，读取标定系数。

步骤3，设置脉动信号采样数100次，若不到100次，执行步骤4。若到100次，执行步骤8。

步骤4，选通采样通道A，归一化处理，发送采样数据。

步骤5，选通采样通道B，归一化处理，发送采样数据。

步骤6，是否收到GPS数据，若收到，存入发射缓冲区，若没有收到，执行步骤7。

步骤7，是否收到温湿压数据，若收到，存入发射缓冲区，若没有收到，执行步骤3。

步骤8，计算通道A方差。

步骤9，计算通道B方差。

步骤10，发送通道A、B方差，发送3次。

步骤11，发送GPS数据和温湿压数据。

图2是数据测量与转换板软件流程图。

Ⅲ、进行非Kolmogorov湍流统计特征分析。

长期以来，波在湍流大气中传播研究，都是建立在Kolmogorov的湍流理论基础之上。Kolmogorov湍流模型以最简洁的数学表达方式反映出大气湍流的规律，如惯性区二阶结构函数的三分之二标度律和一维湍谱的负三分之五定律，是现有大气光学湍流测量和湍流效应计算的理论基础。若不对实验装置、测量内容和分析方法进行精心设计，仅从测量原理建立在Kolmogorov湍流假定基础上得到的或的路径积分值是无法研究非Kolmogorov湍流问题的。

本发明采用结构函数和谱分析的方法是判据低平流层下小尺度湍流是否偏离Kolmogorov 2/3标度律或-5/3定律的一种行之有效的手段。国内外学者大都采用这一方法，在飞机或高空气球的测量平台上，实现了对非Kolmogorov湍流特性的有限认识。相比而言，本发明提出用气象探空作为测量平台，研究非Kolmogorov湍流，突破国内外常将探空技术用来测量空间一定距离上的两点温差，在2/3定律成立的假定下，计算出湍流强度的局限。实现不同区域非Kolmogorov湍流统计特征研究。

根据1941年Kolmogorov湍流理论(简称K41)，在惯性子区内，相隔距离为r的两点温度差的结构函数对r呈幂次规律变化，这就是湍流的标度律。

〈[T(x+r)-T(x)]ⁿ>∝r^ζn (1)

这里T是温度，〈〉代表系综平均，ζn是n阶惯性区标度指数。按K41理论ζ_n＝n/3，即ζ_n是n的线性函数，对应的惯性区标度律为正常标度律。当n＝2时，式(1)即是著名的三分之二标度律。

与二阶温度结构函数相对应的是一维温度谱：

S_T(k₁)＝γε^-1/3χk₁ ^-5/3 (2)

γ是Obukhov-Corrsin数，约为0.4，ε和χ分别为湍流动能耗散率和温度方差耗散率，k₁为波数。通常波数谱S_T(k₁)是通过Taylor假定由时间序列的温度脉动信号频率谱S_T(f)得到，两者关系为：

$S_T\left(k_1\right)=\frac{V}{2\mathrm{\&pi;}}{S}_T\left(f\right)---\left(3\right)$

其中V是气流通过传感器速度，在竖直方向可估计为气球上升速度。

对(2)式取对数，

$log\left(S_T\right(f\left)\right)=log\left({\left(\frac{V}{2\mathrm{\&pi;}}\right)}^{2/3}{\mathrm{\&gamma;\&epsiv;}}^{-1/3}\mathrm{\&chi;}\right)-\frac{5}{3}log\left(f\right)---\left(4\right)$

S_T(f)的一般形式可表示为：

S_T(f)＝Af^α (5)

进一步可写为：

log(S_T(f))＝log(A)+αlog(f) (6)

谱幂率α可以线性拟合得到。其步骤如下：

步骤a，通过单点温度脉动传感器，测量时间序列的温度脉动信号，经Fourier变换或小波变换，得到时间谱，再由泰勒假定，将时间谱转变成空间谱。

步骤b，将若干微温传感器空间上按一定规律排列，测量高空不同空间距离的温度结构函数，通过Fourier变换或小波变换，在不涉及泰勒假定条件下，得到温度起伏空间谱。

步骤c，对温度起伏空间谱分段拟合，得到温度起伏谱幂率的高度分布，研究实际大气不同区域(边界层、对流层、低平流层)出现非Kolmogorov湍流的统计特征及其湍流谱模式。

Claims (1)

1.非Kolmogorov湍流统计特征的微温探空仪测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、研制湍流气象探空仪：

所述研制湍流气象探空仪包括GPS定位模块(1)、温湿压测量模块(2)、微温传感器(3)、数据测量与转换板(4)、发射板(5)、电池组(6)；

其中，GPS定位模块(1)选用商用的GPS接收芯片，按Nmea-0183协议标准格式输出GPS的ASCII码定位数据，测量风速风向，波特率为9600bps；

温湿压测量模块(2)选用商用的高精度温湿压测量板，其探空码为二进制，每帧数据长度21字节，字节格式E-8-2，波特率为1200bps；

微温传感器(3)由微温探头、不平衡电桥、前置放大器、检波放大器、滤波器、电压放大器组成，频率响应范围为：0.1Hz～30Hz，微温传感器测量的最小温度起伏标准差不大于0.002℃，信号输出为+5V；

数据测量与转换板(4)有两个模拟输入端口、两个数字输入端口和一个数字输出端口，两个模拟输入端口接入两路微温脉动信号，经两路ADS1110A/D变换器，转换为数字信号，两路数字输入端口接入GPS模块和测量温压湿模块的数字信号，并汇同微温数字信号，进行数据格式和波特率的统一编码，输出二进制BCD探空码，字节格式N-8-1，波特率2400bps，由一个数字输出端口送到发射板(5)；

发射板(5)将数字输出端的统一编码后的探空数据进行FSK调制，调制速率、频偏、发射频率、输出功率等参数均可由软件编程设定；

电池组(6)供电至上述GPS定位模块(1)、温湿压测量模块(2)、微温传感器(3)、数据测量与转换板(4)、发射板(5)；

(2)、编制数据测量与转换板软件，其步骤如下：

(2.1)、开始，初始化；

(2.2)、读取标定系数；

(2.3)、设置脉动信号采样数100次，若不到100次，执行步骤2.4，若到100次，执行步骤(2.8)；

(2.4)、选通采样通道A，归一化处理，发送采样数据；

(2.5)、选通采样通道B，归一化处理，发送采样数据；

(2.6)、是否收到GPS数据，若收到，存入发射缓冲区，若没有收到，执行步骤(2.7)；

(2.7)、是否收到温湿压数据，若收到，存入发射缓冲区，若没有收到，执行步骤(2.3)；

(2.8)、计算通道A方差；

(2.9)、计算通道B方差；

(2.10)、发送通道A、B方差，发送3次；

(2.11)、发送GPS数据和温湿压数据；

(3)、进行非Kolmogorov湍流统计特征分析：

长期以来，Kolmogorov湍流理论的三分之二标度律和一维湍谱的负三分之五定律，是现有大气光学湍流测量和湍流效应计算的理论基础,建立在Kolmogorov湍流假定基础上得到的或的路径积分值是无法研究非Kolmogorov湍流问题的；

以气象探空作为测量平台，采用结构函数和谱分析的方法来研究低平流层下小尺度湍流是否偏离Kolmogorov 2/3标度律或-5/3定律，实现不同区域非Kolmogorov湍流统计特征研究；

根据Kolmogorov湍流理论，在惯性子区内，相隔距离为r的两点温度差的结构函数对r呈幂次规律变化，这就是湍流的标度律：

这里T是温度，<>代表系综平均，是n阶惯性区标度指数；按Kolmogorov湍流理论即是n的线性函数，对应的惯性区标度律为正常标度律，当n＝2时，式(1)即是著名的三分之二标度律；

与二阶温度结构函数相对应的是一维温度谱：

S_T(k₁)＝γε^-1/3χk₁ ^-5/3 (2)

γ是Obukhov-Corrsin数，约为0.4，ε和χ分别为湍流动能耗散率和温度方差耗散率，k₁为波数，通常波数谱S_T(k₁)是通过Taylor假定由时间序列的温度脉动信号频率谱S_T(f)得到，两者关系为：

$S_T\left(k_1\right)=\frac{V}{2\mathrm{\&pi;}}{S}_T\left(f\right)---\left(3\right)$

其中V是气流通过传感器速度，在竖直方向可估计为气球上升速度；

对(2)式取对数，

$\log \left(S_T\right(f\left)\right)=log\left({\left(\frac{V}{2\mathrm{\&pi;}}\right)}^{2/3}{\mathrm{\&gamma;\&epsiv;}}^{-1/3}\mathrm{\&chi;}\right)-\frac{5}{3}log\left(f\right)---\left(4\right)$

S_T(f)的一般形式可表示为：

S_T(f)＝Af^α (5)

进一步可写为：

log(S_T(f))＝log(A)+αlog(f) (6)

谱幂率α可以线性拟合得到，过程如下：

(a)、通过单点温度脉动传感器，测量时间序列的温度脉动信号，经Fourier变换或小波变换，得到时间谱，再由泰勒假定，将时间谱转变成空间谱；

(b)、将若干微温传感器空间上按一定规律排列，测量高空不同空间距离的温度结构函数，通过Fourier变换或小波变换，在不涉及泰勒假定条件下，得到温度起伏空间谱；

(c)、对温度起伏空间谱分段拟合，得到温度起伏谱幂率的高度分布，研究实际大气不同区域出现非Kolmogorov湍流的统计特征及其湍流谱模式。