[发明专利]云中小尺度湍流的观测方法

说明书

本发明公开了云中小尺度湍流的观测方法，采用准直扩束后的激光照明云团中的云雾粒子；采用高速相机连续采样云团中运动云雾粒子的数字全息图，利用数值重构算法获得数字全息图中在重构平面上具有zr再现距离的二维复振幅分布；对数字全息图依次重建不同距离，获得在采样区间内所有云雾粒子的数量、三维空间分布与粒径，高速相机连续拍摄后得到云雾粒子的三维位移量，结合采样时间可得云雾粒子的三维速度；根据云雾粒子的粒径和湍流频率判断粒子跟随性；根据云团中气流场的三维瞬时速度获得湍流场速度方差，湍流强度和平均湍流动能。本发明云中小尺度湍流的观测方法，现有技术中存在的观测云中湍流时采样频率低、测量参数单一的问题。

技术领域

本发明涉及云物理技术领域，具体涉及云中小尺度湍流的观测方法。

背景技术

湍流是由云中许多不同大小的涡旋相互叠加而成，这些涡旋变化迅速，发展趋势难以预料。同时云是气候模拟中不确定性的主要来源，很难用模型精确参数化其微观物理过程，如云中风速和温度脉动。早期观测手段是使用像风杯等响应较慢的仪器，目前可通过超声风速仪采集高空湍流的风速脉动分量，或利用快速响应的白金丝温度脉动仪探测湍流的温度脉动。但是这些仪器得到的数据只是风速、温度较短时间的平均值，且探头对湍流场的干扰会导致获得湍流的脉动量只能在大尺度的量级上确保精度，而对云中小尺度湍流的描述存在局限性。此外，针对云中湍流进行定量研究是非常困难的，因为涉及的时空范围从数百米的含能涡流到Kolmogorov微米尺度，而且云层是多层、多尺度分布的，这也加大了仿真的难度。

现有的湍流计算方法中雷诺平均的N-S方程(RANS)只能求解出平均流场的流动结构；大涡模拟方法(LES)是使用亚网格尺度(SGS)表示小于过滤尺度的脉动，而大于过滤尺度的涡则需要直接求解，从而分辨出更多的流动细节。2005年Lasher-trapp等应用50m的过滤尺度L在LES模拟中使用模型网格(Lasher-trapp,S.G.,W.A.Cooper,and A.M.Blyth,2005:Broadening of droplet size distributions321from entrainment and mixingin a cumulus cloud.Quart.J.Roy.Meteor.Soc.,131(605),195–322220,doi:10.1256/qj.03.199)极大程度上简化了湍流的模型估计；2011年Fiori等人提出当类似LES模型中的水平网格长度发生巨大变化时(由于高性能计算的可用性或对有限区域预测的需要)需要对云微物理过程进行可靠的参数化(Fiori E,Parodi A,Siccardi F.2011.Uncertaintyin prediction of deep moist convective processes:turbulenceparameterizations,microphysics and grid-scale effects.Atmos.Res.100:447–56)，因为将其用于预测天气和研究气候的数值模型无法解析所有相关的尺度，即从云的微观尺度(亚厘米)到全球尺度(数千公里)。因此LES的实际应用受限很大。

不同于RANS和LES在时空分辨率上的缩水，直接数值模拟(DNS)直接捕捉了湍流的全部细节，然而由于天文数字级别的计算量，目前DNS只能应用于简单几何的流动机理研究。由于云中湍流的时间尺度和空间尺度是正向相关的，小尺度湍流的存在时间也相对较短，这导致获取真实湍流数据的难度非常大，现有研究都局限于仿真计算和模型估计。因此，很有必要提出一种基于数字全息干涉术的云中小尺度湍流的观测方法。

发明内容

本发明的目的是提供云中小尺度湍流的观测方法，解决了现有技术中存在的观测云中湍流时采样频率低、测量参数单一的问题。

本发明所采用的技术方案是云中小尺度湍流的观测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、采用准直扩束后的激光照明云团中的云雾粒子；