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小波分析在近地面湍流相干结构研究中的应用

Application of Wavelet Analysis in Research of Near-Surface Turbulence Coherent Structure

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摘要

基于频域小波分析方法研究了大气湍流相干结构特性,采用Mexican Hat小波函数分析了近地面风速脉动数据资料。根据能量极大值原则识别相干结构主尺度,利用重构公式提取相干结构波形。结果表明重构相干波形是具有准周期运动的信号,它反映了原始脉动信号中某个中间尺度上的运动, 两者波形在变化趋势上十分吻合;小波系数的时间与尺度图可以很好地解释湍流的多尺度性和间歇性,反映了湍流相干结构的演变过程。在分析时间段内对风速相干结构的主尺度进行统计分析,发现相干结构的主尺度近似满足正态分布。

Abstract

The coherent structure characteristics of atmospheric turbulence are investigated based on frequency domain wavelet analysis method. The data of wind velocity fluctuation over the ground are analyzed with Mexican Hat wavelet function. According to the maximum energy principle, the principal scale of coherent structure is identified and the coherent structure waveform is extracted by reconstruction formula. Results show that the reconstructed coherent waveform is a signal with quasi-periodic motion, which reflects a middle scale movement of the existing original pulse signal, and their waveforms coincide well with each other in the changing trend. Time and scale maps of wavelet coefficients can well explain the multi-scale and intermittence characteristics of turbulence, and reflect the evolution of turbulence coherent structure. During the analysis period, statistical analysis on the main scale of wind speed coherent structure is carried out, and it’s found that the main scale of coherent structure satisfies the normal distribution approximately.

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中图分类号:P427.1

DOI:10.3788/aos201838.0501002

所属栏目:大气光学与海洋光学

基金项目:国家自然科学基金(41375017)

收稿日期:2017-10-10

修改稿日期:2017-12-12

网络出版日期:--

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白士伟:中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
孙刚:中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
李学彬:中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
刘庆:中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
翁宁泉:中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026

联系人作者:孙刚(gsun@aiofm.ac.cn)

备注:白士伟(1993-),男,硕士研究生,主要从事大气参数测量与分析方面的研究。E-mail: baishiwei0103@163.com

【1】Kline S J, Reynolds W C, Schraub F H, et al. The structure of turbulent boundary layer[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1967, 30(4): 741-774.

【2】Li X, Hu F, Pu Y F, et al. Identification of coherent structures of turbulence at the atmospheric surface layer[J]. Advance in Atmospheric Sciences, 2002, 19(4): 687-698.

【3】Rao R Z. Modern atmospheric optics[M]. Beijing: Science Press, 2012: 481-513.
饶瑞中. 现代大气光学[M]. 北京: 科学出版社, 2012: 481-513.

【4】Feng F, Li C W. Simulation of atmospheric phase screen based on wavelet analysis[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(1): 0101004.
丰帆, 李常伟. 基于小波分析的大气湍流相位屏模拟[J]. 光学学报, 2017, 37(1): 0101004.

【5】Belmonte A, Taylor M T, Hollberg L, et al. Effect of atmospheric anisoplanatism on earth-to-satellite time transfer over laser communication links[J]. Optics Express, 2017, 25(14): 15676-15686.

【6】Li H S, Sang X Y. SNR and transmission error rate for remote laser communication system in real atmosphere channel[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2017, 258: 156-162.

【7】Tang J C, Qian X M, Miao X K, et al. Effects of aberrations on on-axis scintillation propagating properties of focus Gaussian beams in turbulent atmosphere[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(11): 1101001.
唐军成, 钱仙妹, 苗锡奎, 等. 像差对聚焦高斯光束大气传输轴闪烁特性的影响[J]. 光学学报, 2017, 37(11): 1101001.

【8】Li Y, Qi J, Chen F N. The propagation quality of semiconductor laser beams in anisotropic non-Kolmogorov turbulence[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(7): 0701003.
李燕, 戚俊, 陈斐楠. 激光二极管光束在各向异性激光二极管光束在各向异性非柯氏大气湍流中的传输特性分析[J]. 光学学报, 2017, 37(07): 0701003.

【9】Yuan R M, Zeng Z Y. Study of optical of large-scale structure[J]. Acta Optica Sinica, 2001, 21(1): 19-23.
袁仁民, 曾宗泳. 大尺度相干结构的光学特性研究[J]. 光学学报, 2001, 21(1): 19-23.

【10】Ke X Z, Xue Y. Effect on the partially coherent beam propagation properties in the atmospheric turbulence considering its scales[J]. Acta Photonica Sinica, 2017, 46(1): 0101002.
柯熙政, 薛瑶. 大气湍流尺度对部分相干光传输特性的影响[J]. 光子学报, 2017, 46(1): 0101002.

【11】Xu D, Duan Y, Chen K J. Influence of small-scale vortex structure on optical transmission in hypersonic turbulence flow field[J]. Infrared and Laser Engineering, 2010, 40(1): 2217-2222.
许东, 段玥, 陈科杰. 高超声速湍流场中小尺度涡旋结构对光传输的影响[J]. 红外与激光工程, 2010, 40(1): 2217-2222.

【12】Antonia R A, Chambers A J, et al. Temperature ramps in the atmospheric surface layer[J]. Journal of the Atmospheric Science, 1979, 36(1): 99-108.

【13】Zeng Z Y. Bursts in the turbulent medium and light propagation[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2001, 18(4): 376-380.
曾宗泳. 湍流介质中的猝发现象和光传输[J]. 量子电子学报, 2001, 18(4): 376-380.

【14】Sun K H, Shu W. On the burst detection techniques in wall-turbulence[J]. Acta Mechanica Sinica, 1994, 26(4): 488-493.
孙葵花, 舒玮. 湍流猝发的检测方法[J]. 力学学报, 1994, 26(4): 488-493.

【15】Quan L H, Hu F, Cheng X L. Analysing coherent structures of humidity time series by the spectral analysis of the wavelet transform coefficients[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2007, 31(1): 57-63.
全力红, 胡非, 程雪玲. 用小波系数谱方法分析湍流湿度脉动的相干结构[J]. 大气科学, 2007, 31(1): 57-63.

【16】Jiang N, Wang Z D, Shu W. The maximum energy criterion for identifying burst events in wall turbulence using wavelet analysis[J]. Acta Mechanica Sinica, 1997, 29(4): 406-411.
姜楠, 王振东, 舒玮. 子波分析识别壁湍流猝发事件的能量最大准则[J]. 力学学报, 1997, 29(4): 406-411.

【17】Gao W, Li B L. Wavelet analysis of coherent structures at the atmosphere-forest interface[J]. Journal of Applied Meteorology, 1993, 32(11): 1717-1725.

【18】Yao H, Sheng L F, He Y, et al. Isolating the coherent structure in atmospheric turbulence over the sea using continuous wavelet transform[J]. Periodical of Ocean University of China, 2011, 41(5): 7-14.
姚菡, 盛立芳, 贺赟, 等. 利用连续小波提取近海大气湍流中的相干结构[J]. 中国海洋大学学报, 2011, 41(5): 7-14.

【19】Coulter R L, Li B L. A technique using the wavelet transform to identify and isolate coherent structures in the planetary boundary layer[C]. 11th Symposium on Boundary Layer and Turbulence. Charlotte, NC: AMS, 1995: 291-294.

【20】Chen J, Zheng Y G, Hu F. Isolating the coherent structure in atmospheric turbulence in the rough urban canopy layer by using continuous wavelet transform[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2003, 27(2): 182-190.
陈炯, 郑永光, 胡非. 用连续子波变换提取城市冠层大气湍流的相干结构[J]. 大气科学, 2003, 27(2): 182-190.

【21】Wang J S, Zhang J Z, Shu W. The digital filter method of extracting the coherent structure in wall turbulence[J]. Acta Mechanica Sinica, 1995, 27(4): 388-405.
汪健生, 张金钟, 舒玮. 提取壁湍流相干结构的数字滤波法[J]. 力学学报, 1995, 27(4): 398-405.

【22】Sheng Z, Xie S Q, Pan C Y, et al. Probability theory and mathematical statistics[M]. Beijing: Higher Education Press, 2001: 250-252.
盛骤, 谢式千, 潘承毅, 等. 概率论与数理统计[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001: 250-252.

【23】Huang J Y. Meteorological statistics and predictive methods[M]. Beijing: China Meteorological Press, 2013: 24-25.
黄嘉佑. 气象统计分析与预报方法[M]. 北京: 气象出版社, 2013: 24-25.

【24】Zeng Z Y, Yuan R M, Tan K, et al. The spectrum of temperature in the surface layer over complicated terrain[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 1998, 15(2): 134-139.
曾宗泳, 袁仁民, 谭锟, 等. 复杂地形近地面温度谱[J]. 量子电子学报, 1998, 15(2): 134-139.

【25】Weng N Q, Zeng Z Y, Ma C S, et al. Atmospheric structure parameter C2n in the boundary layer of Hefei[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 1998, 15(4): 423-428.
翁宁泉, 曾宗泳, 马成胜, 等. 合肥近地面折射率结构常数C2n分布特征及分析[J]. 量子电子学报, 1998, 15(4): 423-428.

引用该论文

Bai Shiwei,Sun Gang,Li Xuebin,Liu Qing,Weng Ningquan. Application of Wavelet Analysis in Research of Near-Surface Turbulence Coherent Structure[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(5): 0501002

白士伟,孙刚,李学彬,刘庆,翁宁泉. 小波分析在近地面湍流相干结构研究中的应用[J]. 光学学报, 2018, 38(5): 0501002

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