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CSAT3B超聲風速計與高分辨率多普勒雷達在湍流測量中的對比

來源:康寶智信測量技術(shù)(北京)有限公司   2022年04月02日 16:12  

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文章概要:大氣湍流特征參數(shù)的準確獲取,對于渦度相關(guān)測量,風能研究以及大氣數(shù)值模型的驗證至關(guān)重要。超聲風速傳感器在研究湍流特征領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,然而該類測風儀器卻容易受到流場畸變效應(yīng)的影響(探頭或安裝支架對風場的影響)。不少科研工作者在研究修正該效應(yīng)對風測量的影響,比如使用不同型號的超聲傳感器進行野外對比,或者在風洞中進行數(shù)值模擬試驗,然而這些試驗由于缺乏可靠的參考標準或真實的湍流環(huán)境,其結(jié)論的可靠性一直飽受爭議。PTB多普勒雷達是一款新型的遙感測量設(shè)備,其與三維超聲風速傳感器具有非常相近的空間和時間采樣特征,而且不會受到任何流場畸變效應(yīng)的影響,因此本文利用多普勒雷達作為參考標準來驗證CSAT3B測量結(jié)果的可靠性。

實驗設(shè)計:田間比對實驗在位于德國布倫瑞克一個新近收獲的玉米田的邊界(52.2943°N, 10.4461°E)上進行的。CSAT3B安裝在拖車頂部的氣動伸縮式桅桿上,安裝高度為30.5 m,朝向為270°。PTB激光雷達架設(shè)在拖車西側(cè)約9 m的位置。測量時間從2018年09月14 日9點持續(xù)到2018年9月27日 6點(UTC)。

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實驗結(jié)果:文章對兩個設(shè)備的平均風速,垂直風速標準差以及摩擦速度的測量結(jié)果進行了比對,結(jié)果表明:平均風速,垂直風速標準差的對比結(jié)果具有非常好的一致性,相關(guān)系數(shù)均大于0.99,RMSE分別是0.082和0.017m/s。摩擦速度的相關(guān)系數(shù)為0.97,RMSE為0.042m/s。

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此外,本文還對陰影校正對測量結(jié)果的修正進行了分析,結(jié)果表明:由Horst提出的H15陰影校正并不能有效地提高測量結(jié)果的準確性,因為它會人為地引入三個風速分量之間的相關(guān)性,在高頻區(qū)域嚴重扭曲了協(xié)譜的形狀(下圖灰線為使用H15修正后的協(xié)譜曲線)。

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結(jié)語:CSAT3B三維超聲傳感器測量結(jié)果的可靠性得到充分驗證,尤其是在垂直風速脈動測量上非常精確,幾乎不受流場畸變效應(yīng)的影響。CSAT3B能夠非常好地滿足渦度相關(guān)測量的理論需求,從而幫助科研工作人員在通量研究上獲取準確的實驗數(shù)據(jù)。

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