CN109541724A - 一种近地层沙尘水平输送通量获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近地层沙尘水平输送通量获取方法，涉及地层沙尘监测技术领域。该方法利用Sensit压电式风蚀传感器实时全自动连续测量地表运动沙粒个数，获取任意采样时间段内地表运动沙粒总数，并通过建立近地层沙尘水平输送通量与同时段内地表运动沙粒总数之间的线性关系式，利用该线性关系式以及任意采样时间段内地表运动沙粒总数，对某一区域任意测量时间步长的近地层沙尘水平输送通量进行快速估算，使得某一区域近地层沙尘水平输送通量这一参数的获取更加方便快捷，与现有技术中，对近地层沙尘水平输送通量的获取方法相比，可以极大的降低人工投入，获取到频率更高的关于近地层沙尘水平输送通量数据，满足科学研究或业务应用的需求。

Description

一种近地层沙尘水平输送通量获取方法
技术领域
本发明涉及地层沙尘监测技术领域，尤其涉及一种近地层沙尘水平输送通量获取方法。
背景技术
风沙运动、沙尘天气是全球干旱、半干旱区一种常见的地表过程。其对天气气候、生态环境、人类健康及社会生产带来的影响不容忽视，一直是人类社会关注的热点问题。近地层沙尘水平输送通量是风沙运动及沙尘天气研究中的关键参数之一，有助于深入认识风沙运动特性、为定量评估区域土壤风蚀难易程度及开展防沙治沙工程建设提供参考、又决定着沙尘天气数值预报模式的结果。目前近地层沙尘水平输送通量的测量或获取中存在的主要问题有：①以梯度集沙仪测量不同高度点的沙尘水平输送通量，然后人工取样、称重，再对数据进行拟合、积分处理，以获得测量时间段通过某一截面积的沙尘水平输送通量。该方法效率较低，且投入人工成本较高；②采样频率一般以单次沙尘天气过程或者日、月为单位，难以满足科学研究中分钟级别甚至秒级采样频率的更高要求,而丢失沙尘输送过程中的细节信息；③即便某些强化观测试验中收集了分钟级别的数据，但不能实现长期连续观测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种近地层沙尘水平输送通量获取方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种近地层沙尘水平输送通量获取方法，包括如下步骤：
S1，构建近地层沙尘水平输送通量与同时段内地表运动沙粒总数的如下线性关系式
Q＝Dcount
其中，Q为近地层沙尘水平输送通量，D为经验系数，count为采样时段内Sensit风蚀传感器监测到的运动沙粒总数；
S2，利用Sensit压电式风蚀传感器实时全自动连续测量地表运动沙粒个数；
S3，统计任意采样时间段内地表运动沙粒总数；
S4，根据S1构建的公式，以及S3统计得到的地表运动沙粒总数，计算得到该地区该采样时间段内的近地层沙尘水平输送通量。
优选地，S1中，所述经验系数D采用如下方法获取得到：
S101，在选定区域安装梯度集沙仪，在梯度集沙仪一侧安装Sensit压电式风蚀传感器，传感器探头距离地表5cm，梯度集沙仪与Sensit压电式风蚀传感器的轴线均与主风向垂直；
S102，利用所述梯度集沙仪收集不同高度测量点的多组沙尘水平输送通量数据，利用Sensit压电式风蚀传感器实时监测地表运动沙粒个数，压电式风蚀传感器的测量频率为1Hz，且为全自动连续测量；
S103，根据S102得到的沙尘水平输送通量数据，按照如下公式(1)对沙尘水平输送通量随高度变化的关系进行拟合，确定参数a和b：
q(z)＝a(z)b (1)
其中，q(z)为某个测量高度点上的沙尘水平输送通量，z为测量高度，a、b为参数；
S104，利用如下公式(2)对公式(1)进行积分，确定每个采样时段近地层沙尘水平输送通量：
式中，Q为近地层沙尘水平输送通量，x为采样高度；
S105，根据梯度集沙仪每个采样时段内Sensit风蚀传感器监测到的运动沙粒总数与集沙仪每个采样时段近地层沙尘水平输送通量，对如下的线性相关方程(3)进行拟合，得到系数D：
Q＝Dcount (3)
式中，Q为近地层沙尘水平输送通量，D为系数，count为梯度集沙仪每个采样时段内Sensit风蚀传感器监测到的运动沙粒总数。
优选地，S104中，x优选为2m。
优选地，所述梯度集沙仪的高度为2m，且分别在5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、200cm处安装单个集沙仪。
优选地，每个高度测量点上的集沙仪收集的沙尘水平输送通量数据为多组，优选为30组。
优选地，所述Sensit压电式风蚀传感器与梯度集沙仪一侧的距离为2m。
本发明的有益效果是：本发明提供的近地层沙尘水平输送通量获取方法，利用Sensit压电式风蚀传感器实时全自动连续测量地表运动沙粒个数，获取任意采样时间段内地表运动沙粒总数，并通过建立近地层沙尘水平输送通量与同时段内地表运动沙粒总数之间的线性关系式，利用该线性关系式以及任意采样时间段内地表运动沙粒总数，对某一区域任意测量时间步长的近地层沙尘水平输送通量进行快速估算，使得某一区域近地层沙尘水平输送通量这一参数的获取更加方便快捷，与现有技术中，对近地层沙尘水平输送通量的获取方法相比，可以极大的降低人工投入，而且可以获取到频率更高的关于近地层沙尘水平输送通量数据，能够满足科学研究或业务应用的需求。
附图说明
图1是本发明提供的近地层沙尘水平输送通量获取方法的流程示意图；
图2是2m高度梯度集沙仪和Sensit压电式风蚀传感器的安装结构示意图；
图3是沙尘水平输送通量与高度的幂函数拟合结果示意图；
图4是沙尘水平输送通量与运动沙粒数的拟合结果示意图；
图5是以小时为采样时间步长估算得到的塔克拉玛干沙漠沙尘水平输送通量结果示意图；
图6是以日为采样时间步长估算得到的塔克拉玛干沙漠沙尘水平输送通量结果示意图；
图7是以月为采样时间步长估算得到的塔克拉玛干沙漠沙尘水平输送通量结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种近地层沙尘水平输送通量获取方法，包括如下步骤：
S1，构建近地层沙尘水平输送通量与同时段内地表运动沙粒总数的如下线性关系式
Q＝Dcount
其中，Q为近地层沙尘水平输送通量，D为经验系数，count为采样时段内Sensit风蚀传感器监测到的运动沙粒总数；
S2，利用Sensit压电式风蚀传感器实时全自动连续测量地表运动沙粒个数；
S3，统计任意采样时间段内地表运动沙粒总数；
S4，根据S1构建的公式，以及S3统计得到的地表运动沙粒总数，计算得到该地区该采样时间段内的近地层沙尘水平输送通量。
上述方法中，由于可以利用Sensit压电式风蚀传感器实时全自动连续测量地表运动沙粒个数，所以，可以很容易的对任意采样时间段内地表运动沙粒总数进行统计，因此，通过建立近地层沙尘水平输送通量与同时段内地表运动沙粒总数之间的线性关系式，即可利用该线性关系式，只需要统计任意采样时间段内地表运动沙粒总数，即可对某一区域任意测量时间步长的近地层沙尘水平输送通量进行快速估算，使得某一区域近地层沙尘水平输送通量这一参数的获取更加方便快捷，与现有技术中，对近地层沙尘水平输送通量的获取方法相比，可以极大的降低人工投入，而且可以获取到频率更高的关于近地层沙尘水平输送通量数据，能够满足科学研究或业务应用的需求。
其中，所述经验系数D采用如下方法获取得到：
S101，在选定区域安装梯度集沙仪，在梯度集沙仪一侧安装Sensit压电式风蚀传感器，传感器探头距离地表5cm，梯度集沙仪与Sensit压电式风蚀传感器的轴线均与主风向垂直；
S102，利用所述梯度集沙仪收集不同高度测量点的多组沙尘水平输送通量数据，利用Sensit压电式风蚀传感器实时监测地表运动沙粒个数，压电式风蚀传感器的测量频率为1Hz，且为全自动连续测量；
S103，根据S102得到的沙尘水平输送通量数据，按照如下公式(1)对沙尘水平输送通量随高度变化的关系进行拟合，确定参数a和b：
q(z)＝a(z)b (1)
其中，q(z)为某个测量高度点上的沙尘水平输送通量，z为测量高度，a、b为参数；
S104，利用如下公式(2)对公式(1)进行积分，确定每个采样时段近地层沙尘水平输送通量：
式中，Q为近地层沙尘水平输送通量，x为采样高度；
S105，根据梯度集沙仪每个采样时段内Sensit风蚀传感器监测到的运动沙粒总数与集沙仪每个采样时段近地层沙尘水平输送通量，对如下的线性相关方程(3)进行拟合，得到系数D：
Q＝Dcount (3)
式中，Q为近地层沙尘水平输送通量，D为系数，count为梯度集沙仪每个采样时段内Sensit风蚀传感器监测到的运动沙粒总数。
本发明实施例中，S104中，x优选为2m。
因为近地表绝大部分沙尘的输送均发生高度2m以内，所以本发明中，将x优选为2m，可以满足几乎所有的采样高度。
所述梯度集沙仪的高度为2m，且分别在5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、200cm处安装单个集沙仪。
采用安装梯度集沙仪的方式进行梯度采样，本发明中梯度采样高度的选取可以基本符合半对数变化规律，而且能够对应风速测量高度。
本发明实施例中，每个高度测量点上的集沙仪收集的沙尘水平输送通量数据为多组，优选为30组。
将每个高度测量点上的集沙仪收集的沙尘水平输送通量数据设置为30组，符合统计学样本代表性标准，使得统计的结果更具有准确性。
本发明中，所述Sensit压电式风蚀传感器与梯度集沙仪一侧的距离为2m
采用2m的距离即可保证两套仪器对沙尘输送测量的统一性，又可尽量减小两套仪器安装支架对测量带来的干扰。
具体实施例
本实施例中，利用本发明提供的方法对塔克拉玛干沙漠腹地的近地层沙尘水平输送通量进行估算，其按照如下步骤进行实施过程：
步骤1、利用梯度集沙仪在塔克拉玛干沙漠腹地进行近地层沙尘水平输送通量的测量，数据采集频率为每次沙尘天气过程采集一次，采集16组数据(见表1)。然后利用每组数据对公式(1)进行拟合，确定参数a和b：
q(z)＝a(z)b (1)
拟合过程和结果可参见图3，参数a和b的数值可参见表1，其中，R2＝0.9968，可见近地层沙尘水平输送通量随高度变化非常符合幂函数分布。
表1数据采样时间段、拟合的参数a和b，积分得到的每组采样时段近地层沙尘水平输送通量及同时段沙粒总数
步骤2、利用公式(2)和确定的参数a和b，积分计算得到通过试验点100cm(宽)×200cm(高)截面的沙尘水平输送通量(结果如表1)。
步骤3、对Sensit压电式风蚀传感器每个采样时段内运动沙粒总数与梯度集沙仪每个时段通过100cm(宽)×200cm(高)截面的沙尘水平输送通量进行线性拟合，建立了如公式(3)的线性相关方程：
Q＝Dcount (3)
线性拟合的结果可参见图4，其中，R2＝0.9196，可见两者的一致性非常好。
步骤4、根据Sensit压电式风蚀传感器自动测量运动沙粒数数据，利用图4中拟合得到的线性方程，对塔克拉玛干沙漠不同时间步长(时、日、月)的沙尘水平输送通量进行估算，结果分别如图5-7所示，可以发现估算的沙尘水平输送通量均与风速具有较好的一致性。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明提供的近地层沙尘水平输送通量获取方法，利用Sensit压电式风蚀传感器实时全自动连续测量地表运动沙粒个数，获取任意采样时间段内地表运动沙粒总数，并通过建立近地层沙尘水平输送通量与同时段内地表运动沙粒总数之间的线性关系式，利用该线性关系式以及任意采样时间段内地表运动沙粒总数，对某一区域任意测量时间步长的近地层沙尘水平输送通量进行快速估算，使得某一区域近地层沙尘水平输送通量这一参数的获取更加方便快捷，与现有技术中，对近地层沙尘水平输送通量的获取方法相比，可以极大的降低人工投入，而且可以获取到频率更高的关于近地层沙尘水平输送通量数据，能够满足科学研究或业务应用的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种近地层沙尘水平输送通量获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，构建近地层沙尘水平输送通量与同时段内地表运动沙粒总数的如下线性关系式
Q＝Dcount
其中，Q为近地层沙尘水平输送通量，D为经验系数，count为采样时段内Sensit风蚀传感器监测到的运动沙粒总数；
S2，利用Sensit压电式风蚀传感器实时全自动连续测量地表运动沙粒个数；
S3，统计任意采样时间段内地表运动沙粒总数；
S4，根据S1构建的公式，以及S3统计得到的地表运动沙粒总数，计算得到该地区该采样时间段内的近地层沙尘水平输送通量。
2.根据权利要求1所述的近地层沙尘水平输送通量获取方法，其特征在于，S1中，所述经验系数D采用如下方法获取得到：
S101，在选定区域安装梯度集沙仪，在梯度集沙仪一侧安装Sensit压电式风蚀传感器，传感器探头距离地表5cm，梯度集沙仪与Sensit压电式风蚀传感器的轴线均与主风向垂直；
S102，利用所述梯度集沙仪收集不同高度测量点的多组沙尘水平输送通量数据，利用Sensit压电式风蚀传感器实时监测地表运动沙粒个数，压电式风蚀传感器的测量频率为1Hz，且为全自动连续测量；
S103，根据S102得到的沙尘水平输送通量数据，按照如下公式(1)对沙尘水平输送通量随高度变化的关系进行拟合，确定参数a和b：
q(z)＝a(z)b (1)
其中，q(z)为某个测量高度点上的沙尘水平输送通量，z为测量高度，a、b为参数；
S104，利用如下公式(2)对公式(1)进行积分，确定每个采样时段近地层沙尘水平输送通量：
式中，Q为近地层沙尘水平输送通量，x为采样高度；
S105，根据梯度集沙仪每个采样时段内Sensit风蚀传感器监测到的运动沙粒总数与集沙仪每个采样时段近地层沙尘水平输送通量，对如下的线性相关方程(3)进行拟合，得到系数D：
Q＝Dcount (3)
式中，Q为近地层沙尘水平输送通量，D为系数，count为梯度集沙仪每个采样时段内Sensit风蚀传感器监测到的运动沙粒总数。
3.根据权利要求2所述的近地层沙尘水平输送通量获取方法，其特征在于，S104中，x优选为2m。
4.根据权利要求3所述的近地层沙尘水平输送通量获取方法，其特征在于，所述梯度集沙仪的高度为2m，且分别在5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、200cm处安装单个集沙仪。
5.根据权利要求4所述的近地层沙尘水平输送通量获取方法，其特征在于，每个高度测量点上的集沙仪收集的沙尘水平输送通量数据为多组，优选为30组。
6.根据权利要求2所述的近地层沙尘水平输送通量获取方法，其特征在于，所述Sensit压电式风蚀传感器与梯度集沙仪一侧的距离为2m。
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