非Kolmogorov湍流統(tǒng)計特征的微溫探空儀測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非Kolmogorov湍流統(tǒng)計特征的微溫探空儀測量方法，為克服測量原理建立在Kolmogorov湍流假定基礎上的現有設備無法研究非Kolmogorov湍流統(tǒng)計特征問題。本發(fā)明方法包括研制湍流氣象探空儀；編制數據測量與轉換板軟件；進行非Kolmogorov湍流統(tǒng)計特征分析。與現有技術相比，本發(fā)明突破國內外常將探空技術用來測量空間一定距離上的兩點溫差，在2/3定律成立的假定下，計算出湍流強度的局限。實現不同區(qū)域非Kolmogorov湍流統(tǒng)計特征研究。
【專利說明】
非Ko I mogorov溫流統(tǒng)計特征的微溫探空儀測量方法
技術領域
[0001]本發(fā)明設及一種非Kolmogorov端流統(tǒng)計特征的微溫探空儀測量方法，屬于大氣光 學參數測量技術領域。
【背景技術】
[0002] 研究低平流層下小尺度非Kolmogorov端流統(tǒng)計特征，設及端流和光傳輸的交叉領 域，有很高的理論研究價值和很好的應用前景。長期W來，波在端流大氣中傳播研究，都是 建立在Kolmogorov的端流理論基礎之上。Kolmogorov端流模型W最簡潔的數學表達方式反 映出大氣端流的規(guī)律，如慣性區(qū)二階結構函數的=分之二標度律和一維端譜的負=分之五 定律，是現有大氣光學端流測量和端流效應計算的理論基礎。探空、飛機、光學方法、雷達等 都可W測量C ；：廓線。但運些方法的測量原理都是建立在Kolmogorov端流假定基礎上得到的 C 或C 勺路徑積分值，很難研究非Ko Imogorov端流統(tǒng)計特征問題。
[0003] 隨機起伏的端流場(如速度場，溫度場等)是具有多尺度時空結構的非線性場。借 助結構函數，和對其進行傅氏變換即所謂的能譜進行描述和量綱分析，是認識端流多尺度 現象的重要手段，也是Kolmogorov端流模型的理論框架。因此采用結構函數和譜分析方法， 得到結構函數的標度指數和譜幕率，與Kolmogorov慣性區(qū)二階結構函數的=分之二標度律 和一維端譜的負=分之五定律進行比較，是判斷是否存在非Kolmogorov端流的主要依據。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種非Kolmogorov端流統(tǒng)計特征的微溫探空儀測量方法，W 解決測量原理建立在Kolmogorov端流假定基礎上的現有設備無法研究非Kolmogorov端流 統(tǒng)計特征問題。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為：
[0006] 非Ko Imogorov端流統(tǒng)計特征的微溫探空儀測量方法，其特征在于:包括W下步驟：
[0007] (1)、研制端流氣象探空儀：
[000引所述研制端流氣象探空儀包括GPS定位模塊（1)、溫濕壓測量模塊(2)、微溫傳感器 (3)、數據測量與轉換板(4)、發(fā)射板(5)、電池組(6);
[0009] 其中，GPS定位模塊（1)選用商用的GPS接收忍片，按Nmea-0183協(xié)議標準格式輸出 GPS的Ascn碼定位數據，測量風速風向，波特率為9600bps;
[0010] 溫濕壓測量模塊(2)選用商用的高精度溫濕壓測量板，其探空碼為二進制，每帖數 據長度21字節(jié)，字節(jié)格式E-8-2，波特率為1200bps;
[0011] 微溫傳感器(3)由微溫探頭、不平衡電橋、前置放大器、檢波放大器、濾波器、電壓 放大器組成，頻率響應范圍為:0. mz~30化，微溫傳感器測量的最小溫度起伏標準差不大 于0.002 °C，信號輸出為巧V;
[0012] 數據測量與轉換板(4)有兩個模擬輸入端口、兩個數字輸入端口和一個數字輸出 端口，兩個模擬輸入端口接入兩路微溫脈動信號，經兩路ADSl 110A/D變換器，轉換為數字信 號，兩路數字輸入端口接入GPS模塊和測量溫壓濕模塊的數字信號，并匯同微溫數字信號， 進行數據格式和波特率的統(tǒng)一編碼，輸出二進制BCD探空碼，字節(jié)格式N-8-1，波特率 2400bps，由一個數字輸出端口送到發(fā)射板(5);
[0013] 發(fā)射板(5)將數字輸出端的統(tǒng)一編碼后的探空數據進行FSK調制，調制速率、頻偏、 發(fā)射頻率、輸出功率等參數均可由軟件編程設定；
[0014] 電池組(6)供電至上述GPS定位模塊（1)、溫濕壓測量模塊（2)、微溫傳感器(3)、數 據測量與轉換板(4)、發(fā)射板(5);
[001引（2)、編制數據現慢與轉換板軟件，其步驟如下：
[0016] (2.1)、開始，初始化；
[0017] (2.2)、讀取標定系數；
[0018] (2.3)、設置脈動信號采樣數100次，若不到100次，執(zhí)行步驟2.4。若到100次，執(zhí)行 步驟(2.8);
[0019 ] (2.4 )、選通采樣通道A，歸一化處理，發(fā)送采樣數據；
[0020] (2.5 )、選通采樣通道B，歸一化處理，發(fā)送采樣數據；
[0021] (2.6)、是否收到GPS數據，若收到，存入發(fā)射緩沖區(qū)，若沒有收到，執(zhí)行步驟(2.7);
[0022] (2.7)、是否收到溫濕壓數據，若收到，存入發(fā)射緩沖區(qū)，若沒有收到，執(zhí)行步驟 (2.3)；
[0023] (2.8)、計算通道A方差；
[0024] (2.9)、計算通道B方差；
[00巧](2.10)、發(fā)送通道A、B方差，發(fā)送3次；
[0026] (2.11 )、發(fā)送GPS數據和溫濕壓數據；
[0027] (3)、進行非KoImogorov端流統(tǒng)計特征分析：
[0028] W氣象探空作為測量平臺，采用結構函數和譜分析的方法來研究低平流層下小尺 度端流是否偏離Kolmogorov 2/3標度律或-5/3定律，實現不同區(qū)域非Kolmogorov端流統(tǒng)計 特征研究；
[0029] 根據Kolmogorov端流理論，在慣性子區(qū)內，相隔距離為r的兩點溫度差的結構函數 對r呈幕次規(guī)律變化，運就是端流的標度律：
[0030] <[T(x+r)-T(x)]n〉K/n (1)運里T是溫度，<〉代表系綜平均，Cn是n階慣性區(qū)標度 指數;按Kolmogorov端流理論Cn = n/3,即Cn是n的線性函數，對應的慣性區(qū)標度律為正常標 度律，當n = 2時，式(1)即是著名的S分之二標度律；
[0031 ]與二階溫度結構函數相對應的是一維溫度譜：
[0032] St化1)= 丫 礎 1-5/3 (2)
[0033] 丫是Obukhov-Corrsin數，約為0.4, e和X分別為端流動能耗散率和溫度方差耗散 率，ki為波數，通常波數譜St化1)是通過化ylor假定由時間序列的溫度脈動信號頻率譜St (f)得到，兩者關系為：
[0034] 巧
[0035] t流通過傳感器速度，在豎直方向可估計為氣球上升速度；
[0036] 對* 9、才甘可對?速杯
[0037]
(4)
[0038] ST(f)的一般形式可表示為：
[0039] ST(f)=A 產巧）
[0040] 進一步可寫為：
[0041] log(Sx(f)) = log(A)+al〇g(f) (6)
[0042] 譜幕率a可W線性擬合得到，過程如下：
[0043] (a)、通過單點溫度脈動傳感器，測量時間序列的溫度脈動信號，經化urier變換或 小波變換，得到時間譜，再由泰勒假定，將時間譜轉變成空間譜；
[0044] (b)、將若干微溫傳感器空間上按一定規(guī)律排列，測量高空不同空間距離的溫度結 構函數，通過化urier變換或小波變換，在不設及泰勒假定條件下，得到溫度起伏空間譜；
[0045] (C)、對溫度起伏空間譜分段擬合，得到溫度起伏譜幕率的高度分布，研究實際大 氣不同區(qū)域出現非Ko Imogorov端流的統(tǒng)計特征及其端流譜模式。
[0046] 本發(fā)明針對上述問題，提出一種非Kolmogorov端流統(tǒng)計特征的微溫探空儀測量方 法，突破國內外常將探空技術用來測量空間一定距離上的兩點溫差，在2/3定律成立的假定 下，計算出端流強度C巧勺局限。
[0047] 本發(fā)明優(yōu)點為：
[004引本發(fā)明研究低平流層下小尺度非Kolmogorov端流統(tǒng)計特征，具有有很高的理論研 究價值和很好的應用前景。本發(fā)明突破國內外常將探空技術用來測量空間一定距離上的兩 點溫差，在2/3定律成立的假定下，計算出端流強度C；；的局限。實現不同區(qū)域非Kolmogorov 端流統(tǒng)計特征研究。
【附圖說明】
[0049] 圖1是端流氣象探空儀電路框圖。
[0050] 圖2是數據測量與轉換板軟件流程圖。
【具體實施方式】
[0051] 實施例1非Kolmogorov端流統(tǒng)計特征的微溫探空儀測量方法。其包括下列步驟和 條件：I、研制端流氣象探空儀；n、編制數據測量與轉換板軟件；m、進行非Kolmogorov端流 統(tǒng)計特征分析。
[0052] 如圖1所示，I、研制端流氣象探空儀包括GPS定位模塊(1 )、溫濕壓測量模塊(2)、微 溫傳感器(3)、數據測量與轉換板(4)、發(fā)射板(5)、電池組(6);
[0053] 其中，GPS定位模塊（1)，選用商用的GPS接收忍片，按Nmea-0183協(xié)議標準格式輸出 GPS的ASCII碼定位數據，測量風速風向，波特率為9600bps。溫濕壓測量模塊(2)，選用商用 的高精度溫濕壓測量板，其探空碼為二進制，每帖數據長度21字節(jié)，字節(jié)格式E-8-2(偶效 驗、8數據位、2停止位），波特率為1200bps;微溫傳感器(3)，研制的微溫傳感器由微溫探頭、 不平衡電橋、前置放大器、檢波放大器、濾波器、電壓放大器組成。頻率響應范圍為:〇.mz~ 30Hz，微溫傳感器測量的最小溫度起伏標準差不大于0.002°C，信號輸出為巧V。研制的數據 測量與轉換板(4)有兩個模擬輸入端口、兩個數字輸入端口和一個數字輸出端口。兩個模擬 輸入端口接入兩路微溫脈動信號，經兩路ADSl 110A/D變換器，轉換為數字信號;兩路數字輸 入端口接入GI^模塊和測量溫壓濕模塊的數字信號，并匯同微溫數字信號，進行數據格式和 波特率的統(tǒng)一編碼，輸出二進制BCD探空碼，字節(jié)格式N-8-U無校驗位、8數據位、1停止位）， 波特率2400bps。由一個數字輸出端口送到發(fā)射板(5);發(fā)射板(5)將數字輸出端的統(tǒng)一編碼 后的探空數據進行FSK調制，調制速率、頻偏、發(fā)射頻率、輸出功率等參數均可由軟件編程設 定。圖1是端流氣象探空儀電路框圖。
[0054] n、編制數據測量與轉換板軟件。
[0055] 步驟1，開始，初始化。
[0056] 步驟2,讀取標定系數。
[0057] 步驟3,設置脈動信號采樣數100次，若不到100次，執(zhí)行步驟4。若到100次，執(zhí)行步 驟8。
[005引步驟4，選通采樣通道A，歸一化處理，發(fā)送采樣數據。
[0059] 步驟5，選通采樣通道B，歸一化處理，發(fā)送采樣數據。
[0060] 步驟6,是否收到GI^數據，若收到，存入發(fā)射緩沖區(qū)，若沒有收到，執(zhí)行步驟7。
[0061 ]步驟7，是否收到溫濕壓數據，若收到，存入發(fā)射緩沖區(qū)，若沒有收到，執(zhí)行步驟3。
[0062] 步驟8,計算通道A方差。
[0063] 步驟9,計算通道B方差。
[0064] 步驟10,發(fā)送通道A、B方差，發(fā)送3次。
[0065] 步驟11，發(fā)送GPS數據和溫濕壓數據。
[0066] 圖2是數據測量與轉換板軟件流程圖。
[0067] 虹、進行非Ko Imogorov端流統(tǒng)計特征分析。
[0068] 長期W來，波在端流大氣中傳播研究，都是建立在KoImogoroV的端流理論基礎之 上。Kolmogorov端流模型W最簡潔的數學表達方式反映出大氣端流的規(guī)律，如慣性區(qū)二階 結構函數的=分之二標度律和一維端譜的負=分之五定律，是現有大氣光學端流測量和端 流效應計算的理論基礎。若不對實驗裝置、測量內容和分析方法進行精屯、設計，僅從測量原 理建立在K 01 m 0 g 0 r 0 V端流假定基礎上得到的C:.自或C非勺路徑積分值是無法研究非 Kolmogorov端流問題的。
[0069] 本發(fā)明采用結構函數和譜分析的方法是判據低平流層下小尺度端流是否偏離 Kolmogorov 2/3標度律或-5/3定律的一種行之有效的手段。國內外學者大都采用運一方 法，在飛機或高空氣球的測量平臺上，實現了對非Kolmogorov端流特性的有限認識。相比而 言，本發(fā)明提出用氣象探空作為測量平臺，研究非Kolmogorov端流，突破國內外常將探空技 術用來測量空間一定距離上的兩點溫差，在2/3定律成立的假定下，計算出端流強度的 局限。實現不同區(qū)域非Ko Imogorov端流統(tǒng)計特征研究。
[0070] 根據1941年Kolmogorov端流理論(簡稱K41)，在慣性子區(qū)內，相隔距離為r的兩點 溫度差的結構函數對r呈幕次規(guī)律變化，運就是端流的標度律。
[0071] 〈[T(x+r)-T(x)]n〉Kr 站(1)
[0072] 運里T是溫度，〈〉代表系綜平均，站是n階慣性區(qū)標度指數。按K41理論Cn = n/3,即Cn 是n的線性函數，對應的慣性區(qū)標度律為正常標度律。當n = 2時，式（1)即是著名的=分之二 標度律。
[0073] 與二階溫度結構函數相對應的是一維溫度譜：
[0074] St化1)= 丫 e-i/3礎 1-5/3 (2)
[00巧]丫是Obukhov-Corrsin數，約為0.4, e和X分別為端流動能耗散率和溫度方差耗散 率，ki為波數。通常波數譜St化1)是通過化ylor假定由時間序列的溫度脈動信號頻率譜St (f)得到，兩者關系為：
[007引對(2)式取對數，
[0076] (3)
[0077] (流通過傳感器速度，在豎直方向可估計為氣球上升速度。
[0079]
伴
[0080] ST(f)的一般形式可表示為：
[0081 ] ST(f)=A 產（5)
[0082] 進一步可寫為：
[0083] log(Sx(f)) = log(A)+al〇g(f) (6)
[0084] 譜幕率a可W線性擬合得到。其步驟如下：
[0085] 步驟日，通過單點溫度脈動傳感器，測量時間序列的溫度脈動信號，經化urier變換 或小波變換，得到時間譜，再由泰勒假定，將時間譜轉變成空間譜。
[0086] 步驟b，將若干微溫傳感器空間上按一定規(guī)律排列，測量高空不同空間距離的溫度 結構函數，通過化urier變換或小波變換，在不設及泰勒假定條件下，得到溫度起伏空間譜。
[0087] 步驟C，對溫度起伏空間譜分段擬合，得到溫度起伏譜幕率的高度分布，研究實際 大氣不同區(qū)域(邊界層、對流層、低平流層）出現非Kolmogorov端流的統(tǒng)計特征及其端流譜 模式。
【主權項】
1.非Kolmogorov端流統(tǒng)計特征的微溫探空儀測量方法，其特征在于:包括以下步驟： (1) 、研制湍流氣象探空儀： 所述研制湍流氣象探空儀包括GPS定位模塊（1)、溫濕壓測量模塊(2)、微溫傳感器(3)、 數據測量與轉換板(4)、發(fā)射板(5)、電池組(6); 其中，GPS定位模塊（1)選用商用的GPS接收芯片，按Nmea-0183協(xié)議標準格式輸出GPS的 ASCII碼定位數據，測量風速風向，波特率為9600bps; 溫濕壓測量模塊(2)選用商用的高精度溫濕壓測量板，其探空碼為二進制，每幀數據長 度21字節(jié)，字節(jié)格式E-8-2，波特率為1200bps; 微溫傳感器(3)由微溫探頭、不平衡電橋、前置放大器、檢波放大器、濾波器、電壓放大 器組成，頻率響應范圍為：0.1Hz~30Hz，微溫傳感器測量的最小溫度起伏標準差不大于 0.002°(：，信號輸出為+5￥; 數據測量與轉換板(4)有兩個模擬輸入端口、兩個數字輸入端口和一個數字輸出端口， 兩個模擬輸入端口接入兩路微溫脈動信號，經兩路ADS1110A/D變換器，轉換為數字信號，兩 路數字輸入端口接入GPS模塊和測量溫壓濕模塊的數字信號，并匯同微溫數字信號，進行數 據格式和波特率的統(tǒng)一編碼，輸出二進制B⑶探空碼，字節(jié)格式N-8-1，波特率2400bps，由一 個數字輸出端口送到發(fā)射板(5); 發(fā)射板(5)將數字輸出端的統(tǒng)一編碼后的探空數據進行FSK調制，調制速率、頻偏、發(fā)射 頻率、輸出功率等參數均可由軟件編程設定； 電池組(6)供電至上述GPS定位模塊（1)、溫濕壓測量模塊(2)、微溫傳感器(3)、數據測 量與轉換板(4)、發(fā)射板(5); (2) 、編制數據測量與轉換板軟件，其步驟如下： (2.1) 、開始，初始化； (2.2) 、讀取標定系數； (2.3) 、設置脈動信號采樣數100次，若不到100次，執(zhí)行步驟2.4,若到100次，執(zhí)行步驟 (2.8)； (2.4 )、選通采樣通道A，歸一化處理，發(fā)送采樣數據； (2.5 )、選通采樣通道B，歸一化處理，發(fā)送采樣數據； (2.6) 、是否收到GPS數據，若收到，存入發(fā)射緩沖區(qū)，若沒有收到，執(zhí)行步驟(2.7); (2.7) 、是否收到溫濕壓數據，若收到，存入發(fā)射緩沖區(qū)，若沒有收到，執(zhí)行步驟(2.3); (2.8) 、計算通道A方差； (2.9) 、計算通道B方差； (2 · 10)、發(fā)送通道A、B方差，發(fā)送3次； (2.11)、發(fā)送GPS數據和溫濕壓數據； (3) 、進行非Kolmogorov端流統(tǒng)計特征分析： 長期以來，Kolmogorov端流理論的三分之二標度律和一維端譜的負三分之五定律，是 現有大氣光學端流測量和端流效應計算的理論基礎，建立在Kolmogorov端流假定基礎上得 到的C $或Cj的路徑積分值是無法研究非Kolmogorov端流問題的； 以氣象探空作為測量平臺，采用結構函數和譜分析的方法來研究低平流層下小尺度湍 流是否偏離Kolmogorov 2/3標度律或-5/3定律，實現不同區(qū)域非Kolmogorov端流統(tǒng)計特征 研究； 根據Kolmogorov湍流理論，在慣性子區(qū)內，相隔距離為r的兩點溫度差的結構函數對r 呈冪次規(guī)律變化，這就是湍流的標度律：⑴ 這里T是溫度，〈>代表系綜平均，心是η階慣性區(qū)標度指數；按Kolmogorov湍流理論 = η/?，即仏是n的線性函數，對應的慣性區(qū)標度律為正常標度律，當n = 2時，式⑴即是著 名的三分之二標度律； 與二階溫度結構函數相對應的是一維溫度譜： ST(ki)= γ ε-1/3xki-5/3 (2) γ是Obukhov-Corrsin數，約為0.4，ε和x分別為湍流動能耗散率和溫度方差耗散率，ki 為波數，通常波數譜ST(lu)是通過Taylor假定由時間序列的溫度脈動信號頻率譜ST(f)得 到，兩者關系為：(3) 其中Γ ，V是氣流通過傳感器速度，在豎直方向可估計為氣球上升速度； 1% 對(2)式取對數，(4) ST(f)的一般形式可表示為： Sx(f)=Afa (5) 進一步可寫為： log(ST(f)) = log(A)+al〇g ⑴ (6) 譜冪率a可以線性擬合得到，過程如下： (a) 、通過單點溫度脈動傳感器，測量時間序列的溫度脈動信號，經Fourier變換或小波 變換，得到時間譜，再由泰勒假定，將時間譜轉變成空間譜； (b) 、將若干微溫傳感器空間上按一定規(guī)律排列，測量高空不同空間距離的溫度結構函 數，通過Fourier變換或小波變換，在不涉及泰勒假定條件下，得到溫度起伏空間譜； (c) 、對溫度起伏空間譜分段擬合，得到溫度起伏譜冪率的高度分布，研究實際大氣不 同區(qū)域出現非Kolmogorov端流的統(tǒng)計特征及其端流譜模式。
【文檔編號】G01W1/02GK105954813SQ201610188720
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年3月25日
【發(fā)明人】吳曉慶, 黃宏華, 范承玉
【申請人】中國科學院合肥物質科學研究院