CSAT3B超聲風(fēng)速計與高分辨率多普勒雷達(dá)在湍流測量中的對比

文章概要：大氣湍流特征參數(shù)的準(zhǔn)確獲取，對于渦度相關(guān)測量，風(fēng)能研究以及大氣數(shù)值模型的驗證至關(guān)重要。超聲風(fēng)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(fēng)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(fēng)場的影響）。不少科研工作者在研究修正該效應(yīng)對風(fēng)測量的影響，比如使用不同型號的超聲傳感器進(jìn)行野外對比，或者在風(fēng)洞中進(jìn)行數(shù)值模擬試驗，然而這些試驗由于缺乏可靠的參考標(biāo)準(zhǔn)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(dá)是一款新型的遙感測量設(shè)備，其與三維超聲風(fēng)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(dá)作為參考標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dá)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）。

實驗結(jié)果：文章對兩個設(shè)備的平均風(fēng)速，垂直風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差以及摩擦速度的測量結(jié)果進(jìn)行了比對，結(jié)果表明：平均風(fēng)速，垂直風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)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。

此外，本文還對陰影校正對測量結(jié)果的修正進(jìn)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(zhǔn)確性，因為它會人為地引入三個風(fēng)速分量之間的相關(guān)性，在高頻區(qū)域嚴(yán)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）。

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(fēng)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(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)。