典型地区大气湍流相干结构特征研究

发布时间：2020-04-10 16:46

【摘要】：大气湍流相干结构是指湍流中呈现出的有组织的大尺度涡旋结构,对湍流的生成、发展和演变起着决定性作用。大气湍流相干结构引起的物质交换、能量和动量输运,对研究大气动力学过程具有重要意义。激光在湍流大气中传输时,其光波参数遭到破坏,引起一系列的大气湍流效应,严重制约了光电工程的应用,这种制约不仅体现在湍流强度,同时也体现在湍流尺度上。因此大气湍流相干结构特性的研究不仅具有重要理论价值,也具有重要的应用价值。本文提出频域小波分析的方法研究大气湍流相干结构特性,根据能量极大值原则识别相干结构主尺度,利用重构公式,提取相干结构波形,结合了谱分析的方法,并对重构性能进行统计分析,较之传统的研究湍流相干结构的方法更具有说服力。我们利用近地面大气参数观测系统在敦煌地区开展近地面湍流相干结构特征的研究,利用风廓线雷达在合肥地区开展高空大气湍流相干结构特性的研究,得到以下研究成果:(1)研究表明重构相干波形是具有准周期运动的信号,反映原始脉动信号中某个中间尺度上的运动,两者波形在变化趋势上十分吻合;小波系数的时间与尺度图可以很好解释湍流具有多尺度性,反映了湍流相干结构的演变过程。(2)通过对敦煌地区近地面大气湍流相干结构的主尺度进行统计分析,发现相干结构的主尺度近似满足正态分布;采用统计方法对重构偏差进行数理分析,证明重构相干信号合理性和准确性;分别对湍流信号和相干信号进行了谱分析,发现湍流信号功率谱满足Kolmogorov的“-5/3定律”,相干信号的功率谱偏离Kolmogorov的“-5/3定律”,谱幂率在-2.0附近;相干结构周期与尺度比服从正态分布,其值范围在3.80±0.50,间接表明了湍流存在间歇性。(3)利用风廓线雷达数据,研究合肥地区高空湍流水平方向相干结构特征。研究发现,高空湍流相干结构具有多个主尺度,表明湍流是一种多尺度运动的涡旋结构,大尺度相干结构通过控制小尺度湍流相干结构间接实现对湍流的控制,同时间接证明了湍涡能量的传递过程;高空湍流相干结构主尺度接近1小时,但在1-2km之间大气边界层顶附近可能会由于大气夹卷运动,出现小于30分钟的结构,随着高度的增高,可能由于高空湍流与边界层相比发展并不充分,会出现主尺度变小或湍涡破碎的情况。
【图文】：

图１．１大气分层逡逑

０＞（ｋ）邋＝邋０．０３３Ｃ（Ａ：２邋＋ｒ）＂，ｌ／６邋ｅｘｐ（－邋ｋ２／ｋ＾）歇性与相干结构逡逑尔莫戈罗夫提出的湍流理论，，又称Ｋ４１理论。指出量的结构函数与空间两点的距离ｒ之间存在幂次关系，（［ｍ（ｘ，）－ｍ（ｘ２）］°）邋＝邋Ｃｅ＂１＾＂１３邋ｏｃ邋ｒ＊１是结构常数，ｒ代表场点＼１与＼２之间的间距，私是ｎ歇性又称湍流的不连续性，是湍流运动表现出来的一风洞实验格栅后面的均匀各向同性湍流中ｔ５１Ｕ后来研泛存在于大气湍流１５２？１和海洋湍流中，主要通过温离Ｋ４１理论、耗散率不为常数以及某些统计量的高阶。逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O357.5

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 杨泽X;孙刚;刘庆;李学彬;翁宁泉;;基于小波分析的高空大气湍流相干结构特征研究[J];大气与环境光学学报;2017年05期

2 唐军成;钱仙妹;苗锡奎;陈勇;;像差对聚焦高斯光束大气传输轴闪烁特性的影响[J];光学学报;2017年11期

3 丰帆;李常伟;;基于小波分析的大气湍流相位屏模拟[J];光学学报;2017年01期

4 柯熙政;薛瑶;;大气湍流尺度对部分相干光传输特性的影响[J];光子学报;2017年01期

5 王倩;梅海平;李玉剑;邵士勇;李学彬;饶瑞中;;远海海面大气光学湍流实验测量[J];物理学报;2016年07期

6 宗飞;张志刚;王柯;霍文;胡月宏;常金勇;强希文;;新疆戈壁地区近湖面大气湍流强度测量与分析[J];红外与激光工程;2015年S1期

7 陈小威;孙刚;刘庆;李学彬;翁宁泉;;近地面湍流对整层湍流的贡献及相关研究[J];光学学报;2015年11期

8 青春;吴晓庆;李学彬;朱文越;饶瑞中;梅海平;;WRF模式估算丽江高美古大气光学湍流廓线[J];中国激光;2015年09期

9 郭云谦;袁仁民;罗涛;孙鉴泞;蒋维楣;;高风速相干结构对通量输送影响的实验研究[J];大气科学;2012年04期

10 姚菡;盛立芳;贺峗;黄健;;利用连续小波提取近海大气湍流中的相干结构[J];中国海洋大学学报(自然科学版);2011年05期

相关硕士学位论文 前1条

1 王文良;基于小波包变换的语音增强算法研究[D];天津大学;2007年

本文编号：2622471