风廓线雷达测风数据的能谱分析的研究.pdfVIP

风廓线雷达测风数据的能谱分析研究 慕瑞琪 1）2） 阮征 2）* 魏鸣 1） 葛润生 2） 1） （南京信息工程大学，南京 210044） 2） （中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081） 摘 要 利用风廓线雷达获取的长序列水平风探测数据，进行了中高空大气的风能谱、湍流能谱分布特性分析。 -1 -3 -1 平稳天气情况下中高空湍能谱在4×10-5s ~10 s 区间内呈指数分布，湍流能谱密度表达式为 S (f ) af b ，b值在-0.7~-1.1之间，处在含能区向惯性副区过渡区。不同天气情况下风能谱，湍能谱 表现特征有所差异。在湍谱分布中表现不同的周期峰值区，湍能密度随高度变化也有所差异。 关键词：风廓线雷达 风能谱 湍流能谱 分会场的编号（S1） 引 言 对风的研究常在两种信息表达形式中进行。时域中常研究能量随时间的变化，频域中 则研究能量随频率的分布，究其形成原因。两种不同形式的表达方式以傅里叶变换相联系。 [1] [2] 早在上世纪 50 年代，Panofsky 和 Capt.H.L.Griffith 开始了运用功率谱密度的分 析方法对边界层风进行研究，研究了其频谱特点。Van der Hoven[3] 等利用美国 Brookhoven 国家实验室 125 米气象塔上风的观测资料进行了分析，在频率从 0.0007 周/小时-900 周/小 时范围内的功率谱中,存在周期为 4天、12 小时及约 l 分钟的显著周期，提出了“谱间隙” 现象。这一结果得到了类似观测事实的证实[4]。七十年代后，谱分析技术引入到边界层湍流 研究中 [5-9] 。Hojstrup[10]提出了中性和不稳定层结下的湍流谱分布模式，得到了广泛的应用。 Panofsky.H.A[11]等对复杂地形条件下的湍流结构也进行了观测研究，随地形条件的不同湍谱 [12] 的分布特征有所差异。近年来，Farouk Chellali 等认为湍谱特征受到地形和空间位置等 因素影响。国内学者对湍谱分析也进行了较深入的研究，主要用边界层风数据进行分析。章 小平等[13]根据 320 米气象塔上水平风速的观测资料，分析了不同天气条件下边界层大气中湍 流的宽谱特性及其垂直分布结构，得出在大气中,无论是在稳定或不稳定层结下,经常存在着 几分钟到十几分钟的周期活动；卞建春[14]等根据实测湍流风速资料分析了大气近地层湍流能 谱特征，发现与 Kolmogorov[15-18]的“-5/3 率”相符合，并通过实验证实了用幂指数加指数 函数形式拟合惯性副区谱线更恰当一些；一些学者还对大风过程[20-22]以及冷锋[23-24]进行谱分 析研究。 限于风的观测资料，对风能谱及湍流能谱的研究主要集中在低空边界层，而对于中高空 风能谱，湍能谱的研究甚少。随着风廓线雷达在大气探测中的应用，获取中高空风的探测资 料存在可能。本文运用风廓线雷达获取的中高空水平风资料进行能谱、湍谱的分析，对中高 空湍流能谱特征进行研究，并寻找一些强天气条件下的能谱特征。 1、能谱分析 谱分析是用来进一步研究信号性质的统计学工具。由时域信号变换到频域表示得到的以 频率或波数为参数的函数，称之为谱。 时域信号与频域信号相联系的 Parseval 等式如下所示： 2 ∞ 2 1 ∞ ∞ 2 ∫−∞ x (t)dt 2π∫−∞ F (ω) dω ∫−∞ F (f ) df (1) 2 式中ω为角频率，f 为频率。定义S (ω) F (ω) ，可知S (ω) 表示单位角频率内的波动