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CSAT3B超声风速计与高分辨率多普勒雷达在湍流测量中的对比

来源:技术文章    发布时间:2022-04-02    浏览:240次

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文章概要:大气湍流特征参数的准确获取,对于涡度相关测量,风能研究以及大气数值模型的验证至关重要。超声风速传感器在研究湍流特征领域被广泛应用,然而该类测风仪器却容易受到流场畸变效应的影响(探头或安装支架对风场的影响)。不少科研工作者在研究修正该效应对风测量的影响,比如使用不同型号的超声传感器进行野外对比,或者在风洞中进行数值模拟试验,然而这些试验由于缺乏可靠的参考标准或真实的湍流环境,其结论的可靠性一直饱受争议。PTB多普勒雷达是一款新型的遥感测量设备,其与三维超声风速传感器具有非常相近的空间和时间采样特征,而且不会受到任何流场畸变效应的影响,因此本文利用多普勒雷达作为参考标准来验证CSAT3B测量结果的可靠性。

实验设计:田间比对实验在位于德国布伦瑞克一个新近收获的玉米田的边界(52.2943°N, 10.4461°E)上进行的。CSAT3B安装在拖车顶部的气动伸缩式桅杆上,安装高度为30.5 m,朝向为270°。PTB激光雷达架设在拖车西侧约9 m的位置。测量时间从2018年09月14 日9点持续到2018年9月27日 6点(UTC)。

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实验结果:文章对两个设备的平均风速,垂直风速标准差以及摩擦速度的测量结果进行了比对,结果表明:平均风速,垂直风速标准差的对比结果具有非常好的一致性,相关系数均大于0.99,RMSE分别是0.082和0.017m/s。摩擦速度的相关系数为0.97,RMSE为0.042m/s。

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此外,本文还对阴影校正对测量结果的修正进行了分析,结果表明:由Horst提出的H15阴影校正并不能有效地提高测量结果的准确性,因为它会人为地引入三个风速分量之间的相关性,在高频区域严重扭曲了协谱的形状(下图灰线为使用H15修正后的协谱曲线)。

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结语:CSAT3B三维超声传感器测量结果的可靠性得到充分验证,尤其是在垂直风速脉动测量上非常精确,几乎不受流场畸变效应的影响。CSAT3B能够非常好地满足涡度相关测量的理论需求,从而帮助科研工作人员在通量研究上获取准确的实验数据。

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