DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 1. 引言 传统果园种植手工劳动方式造成果园养护效率低下，果农劳动强度大。由于专业养护人员的缺乏、果树养护不及时，常常导致果树营养不良甚至死亡，给果农造成极大的损失。随着信息时代的高速发展，传统产业迎来了物联网时代。如何让电脑客户端和手机APP应用程序自动检测控制果树的生长情况，在果树缺失水分时自动通知果农，并进行自动浇水。通过远程监控控制功能实现智能管理，越来越受到关注，因此迫切需要一种可交互智能化果园种植虚拟现实监控控制系统。 文 [ 1 ] 设计的基于PC机和单片机智能灌溉系统无智能终端即智能手机APP操控，极大的限制了远程操作的距离。文 [ 2 ] 设计开发了一种基于ZigBee技术实现农田节水灌溉、施肥以及信息采集与处理的系统数据只能通过路由器传输，限制了数据传输和控制的范围。文 [ 3 ] 发明的基于无线传感器网络智能灌溉系统仅仅可通过无线网络对果园进行浇水控制，但无法检测到果树周围环境的具体信息，同时需要大量的接线不利于在果园安装和维护。虚拟现实作为一种高度逼真的交互式视景仿真技术，在军事、医学、设计和娱乐等领域得到广泛应用 [ 4 ] 。但是，基于虚拟现实技术的可交互远程智能果园浇灌系统尚未见报道。 针对以上已有研究中出现的问题，本文设计和开发了一种物联网 + Unity3D可交互智能化虚拟现实果园种植远程监控控制系统。该系统具有数字化、网络化、虚拟与现实的深度融合的特点。系统硬件采用STM32系类单片机、2.4 G无线模块，虚拟仿真应用程序的开发选用Unity3D引擎移动开发平台。整个系统包括底层部分和顶层部分。其中，底层部分的功能是：对果树进行实时信息采集和控制，顶层部分的功能是实现虚拟漫游、实时信息显示、远程控制功能。顶层部分和顶层部分通过GPRS模块进行数据交换和传输。
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user: 2. 系统总体结构和功能设计 2.1. 总体结构设计 本文提出一种可交互智能化果园种植虚拟现实监控控制系统，该系统由底层部分和顶层部分组成，如图1所示。底层部分包括：核心控制器STM32系类单片机、2.4 G无线模块、土壤湿度传感器、空气温湿度传感器、485通信模块、GPRS模块、继电器模块、水泵、水管、喷头。顶层部分包括：PC端和手机APP。 土壤和空气环境信息采集部分采集部分：采用主—从机模式，主从机均采用STM32F103系列单片机，主机采集空气环境的温湿度和其所在区域的土壤湿度信息，从机负责采集其他区域的土壤湿度信息，并且通过2.4 G通信模块 [ 5 ] 与主机通信，实现一主机多从机的模式，主机收集到各区域的环境信息后将数据发送给上位机。 底层控制系统的设计与开发：电磁阀一端通过水管连接水泵，另一端通过水管连接到土壤，将单片机信号线与继电器接口相连，继电器触点和电磁阀连接，通过改变I/O口的高低电平就可完成对浇灌动作的控制。 下位机与上位机之间通信系统的设计开发：STM32通过串口将数据发送到485模块上，再传输到USR-GPRS-730上，上位机通过TCP/IP协议与GPRS进行通信，使得上位机与下位机可通过物联网相互传送数据。同时，上位机与下位机建立协议，上位机可根据下位机发出的信息进行处理并反馈数据到下位机，下位机根据反馈数据后进行对应的控制处理。 客户端三纬虚拟人机交互APP设计与开发 [ 6 ] ：采用3D Max进行场景建模、渲染和加工，生成3D模型文件后导入Unity3D，后台c#.net脚本语言进行场景漫游、信息显示和远程控制实现 [ 7 ] 。 底层部分封装进一个独立设计的包装中，底层部分都是无线进行相互连接，方便安装和使用；顶层部分开发APP，可以让使用者方便操作和远程监测。最终结合成一个完善的3D数字化智慧果园管理系统。 图1. 系统总体结构图 2.2. 系统功能设计 本系统将传感器采集到的信息通过2.4 G无线网络同意发送至主核心控制器STM32系类单片机，对果树信息进行实时采集，采用Unity3D引擎开发移动平台实现虚拟现实应用程序开发。通过三维虚拟场景漫游，与果树浇灌设备交互实现远程开启停止控制，应用虚拟现实VR技术，实现智能浇灌控制，手自动工作切换模式功能。 具体包括： 1) 信息监测：PC端和手机APP信息显示面板自动显示果树品种、当前环境温湿度、土壤温度和浇灌湿度控制系统设定值。 2) 远程控制：设置了手动浇灌模式和自动浇灌模式。开启自动模式，系统根据实时采集的土壤湿度信息，比较温湿度传感器采样值和控制系统设定值之间的大小，根据差值调整浇水量。手动模式时，可通过PC端或者APP进行对果园的管理，由于对果园进行了三维场景的建立，因此，果农可以直接看到果园的全部场景，利用鼠标点击电脑屏幕或者使用手机APP直接点击手机屏幕对果树进行浇灌。 3) 场景漫游：通过场景前后左右移动和旋转漫游，查看果园场景漫游。
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user: 3. 系统开发关键技术 3D数字化智慧果园系统开发包括底层控制系统开发和顶层远程站客户端应用程序开发。底层部分核心控制器采用STM32F103系列单片机最小系统板将收集的土壤和环境空气信息的模拟数据转为二进制数据，STM32F103系列单片机成本低、体积小、开发简单、系统开发灵活，并且STM32F103系列单片机中断、定时器等外设多，非常适用于控制。虚拟现实开发选择Unity3D平台 [ 8 ] ，它具有大型场景支持和在线控制功能，模块资源丰富，编程周期短，脚本强大，渲染高速的优点。 3.1. 传感器数据采集和单片机的数据处理 通过湿度传感器采集土壤的湿度信号和通过温度传感器采集空气、土壤、水的温度信号，通过单片机的AD模块采样并转换成单片机能识别的信号后送入核心控制单元，核心控制单元对信号进行判断决策后，实时对喷灌设备进行控制，调整喷灌时间、喷灌水量及温度上下限报警，以达到节水节能的目的。 根据实时采集土壤水分、温湿度等数据和电磁阀、泵等驱动执行设备参数，远程设置和修改现场的环境参数(温湿度、土壤水分等)以及现场设备的控制模式，实现智能自动、定时自动、手机遥控、手动灌溉等多种灌溉模式。 3.2. 客户端与单片机之间无线数据传输 上位与下位机之间通信系统的设计开发：STM32通过串口将数据发送到485模块上，再传输到USR-GPRS-730上，上位机通过TCP/IP协议与GPRS进行通信，使得客户端与单片机可通过物联网相互传送数据。同时，上位机与下位机建立协议，上位机可根据下位机发出的信息进行处理并反馈数据到下位机，下位机根据反馈数据后进行对应的控制处理。 3.3. 三维交互系统APP的开发 客户端三纬虚拟人机交互APP设计与开发：采用3D Max进行场景建模、渲染和加工，生成3D模型文件后导入Unity3D，后台c#.net脚本语言进行场景漫游、信息显示和远程控制实现，虚拟场景实时与现实交互，使操作者更加直观的感受到果园的现实场景，具有强烈、逼真的感官冲击，给人身临其境的视觉享受。3D数字化智慧果园系统人机交互界面的设计与开发如图2所示。 图2. 人机交互界面的设计与开发流程图 具体开发过程包括： 1) 果园全景取景，建模。使用3D Studio Ｍax软件进行对果园果树等场景的建模，并对模型进行加工和渲染，再利用Photoshop对模型进行精细加工、美化，最后得到逼真的三维模型，将制作好的模型生成Fbx文件导入Unity3D中。 2) 基于Unity3D实现果园场景漫游、实物可视化和实时三维动画。本系统采用c#.net语言作为开发的脚本语言，利用Unity3D软件对微软Visual Studio开发软件提供API，然后通过控制第三视角前后左右、放大、缩小、旋转开发实现三维场景漫游以及手动灌溉模式。 3) Unity 3D应用程序多平台导出。根据Unity3D提供的导出功能，添加导出的场景到列表里，根据应用程序运行在PC端还是移动端，选择切换平台，生成应用程序。
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user: 4. 系统测试 3D物联网智能浇灌控制系统的底层部分如图3所示，底层部分包括机械部分和控制部分。机械部分包括电磁阀、储水箱、水泵、水管；控制部分包括土壤湿度传感器、空气温湿度传感器和继电器。实物图如图所示。 土壤湿度传感器和空气温湿度传感器与核心控制器采用STM32F103系列单片机最小系统板相连，土壤湿度传感器探头插入果树周围土壤中，空气温湿度传感器置于空气中，单片机将收集的土壤和环境空气信息的模拟数据转为二进制数据。果园划分区域进行监控，每块区域放置一个独立的核心控制器，所有区域的信息都将通过2.4 G无线网络传送到一个主核心控制器，主核心控制器与GPRS模块相连，将信息通过物联网发送到上位机，并在APP应用中显示。每个区域各设置一个电池阀，一端通过水管连接 图3. 底层实物图。(a) 信息采集和控制系统；(b) 主从机STM32系列单片机；(c) GPRS无线通信部分 水泵，另一端通过水管连接到喷头，每块区域中的核心控制器STM32F103系列单片机信号线与继电器接口相连，继电器触点和电磁阀连接，通过改变I/O口的高低电平就可改变电池阀的开关，对果树浇灌进行控制。 APP建立的三维虚拟场景下每个区域都有独立的显示土壤和空气环境信息界面，可以结合科学知识设定果树生长所需环境进行智能浇灌，也可以点击喷头进行手动浇灌。通过界面显示与提示对果园进行管理。基于虚拟现实技术的应用程序可以在PC端使用，也可以在手机上使用。
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user: 5. 结论 本文设计开发了一种物联网 + Unity3D的虚拟现实果园种植远程监控控制系统，该系统由底层部分和顶层部分组成，底层部分主核心控制器采用STM32系类单片机，顶层部分应用程序采用Unity3D和3D Studio Max开发。底层部分和顶层部分通过GPRS模块进行数据交换和传输。系统测试表明该系统可以实时监测采集果树的基本信息，监测果树的生长情况，融合采集到的果园信息，实时自动控制浇灌，达到节水、智能、高效的目的。操作者还可以选择手动浇灌，更加精准地控制果园的浇灌。此系统克服了果园现场有线布线的不便，实现了全网络无线传感器信息传输和控制，系统实用性增强，市场应用前景广阔。
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user: 摘 要 针对90℃~200℃的低温余热有机朗肯循环系统，选取SES36、R1233zd-E两种新工质与R245fa、R123两种传统工质在不同的环境温度下基于热力学效率、净功量、系统不可逆损失以及蒸发器出口工质的可用势热力学性能进行了对比分析，分析结果表明工质在不同的热力学性能参数下都有其最佳蒸发温度。而在各自临界温度以下热力性能优劣程度依次为R123，R1233zd-E，R245fa，SES36。综合考虑安全性、环境友好性、设备成本方面，R1233zd-E是良好的R123和R245fa的替代品，SES36次之。 关键词 :有机朗肯循环，工质选择，蒸发温度，热力学可用势 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 我国当前的能源形势相当严峻，节能减排、降低能耗、提高能源综合利用效率是解决我国能源问题的必然选择。工业作为主要耗能领域，提高工业部门的能源利用效率和余热回收利用水平，遵循“温度对口，梯级利用”的科学用能原则，合理评价和充分利用余热余压资源，尤其是中低温余热资源，对于实现我国节能减排的战略目标具有非常重要的意义。工业余热中的低温余热(200℃以下)所占比例约50%，由于其品味较低，传统的以水为工质的朗肯循环因为“工作压力低”、“膨胀机出口工质处于两相区”难以转化利用，有机朗肯循环(ORC)的出现，正好解决这一问题，而在有机朗肯循环系统中，工质的选择则是至关重要的环节。 有机朗肯循环的工质是一种低沸点有机物，其物理性能决定其正好适合低品位热能转化利用。有学者于1966年第一次提出将有机物工质应用于朗肯循环，也是此刻才有了有机朗肯循环这一概念。有机物工质在有机朗肯循环中扮演了不可替代的角色，其性能直接决定循环的性能，国内外学者针对有机朗肯循环工质选择做了大量研究，王建永等 [ 1 ] 针对有机朗肯循环地热发电系统，在地热水90-150℃范围内，选取R245fa、R141b等五种有机工质，以最大净发电功率作为热力性目标对系统进行参数优化，优化结果表明，工质R245fa可选为最佳适用工质。刘健等 [ 2 ] 在回收热量一定的条件下，运用热力学第一定律建立了有机朗肯循环热力分析模型，基于蒸发参数法展开了工质R123和R245fa的优选研究，计算结果表明从工质的环保性和热力性能来综合考虑，认为工质R123优于工质R245fa。韩中合等 [ 3 ] 基于热源温度为100℃~200℃低温热源，选取了R123、R141b等6种工质进行了对比分析。谢攀等 [ 4 ] 针对85℃~200℃低温工业余热，基于热力学第一定律分析方法，以R245fa、R600a、R601等19种潜在工质作为研究对象计算各有机工质在不同工业余热温度、蒸发温度及蒸发器出口过热度条件下的系统热效率，为低温工业佘热资源不同温度范围匹配效率最优的有机工质。刘棉涛，李越伟，刘燕妮等 [ 5 ] 选取R113、R114、R141b、R123、R245fa、R245ca、R600、R600a作为回收120℃~200℃低温余热的有机朗肯循环工质，从净功量、热效率、不可逆损失等方面对有机朗肯循环系统性能进行分析和优化，得出系统最佳运行工况。LI Xinguo等人 [ 6 ] 研究了R134a、R245fa等17种工质在整个蒸发温度到接近工质的临界温度附近的范围内，系统热力学性能随着工质的变化和蒸发温度的变化情况，净输出功率与工质临界的温度的关联。 虽然R123、R245fa是广泛应用的低温工质，但是由于制冷剂不可避免的泄漏，因此安全性被放在关键的位置，R123的毒性使得其一直为人所诟病。目前欧洲已全面禁止R123的使用，发展中国家要求2020年废止。虽然R245fa可以作为R123的替代品但是由于其临界温度与压力的限制，使得其热力性能没有那么出色，因此国内外对于新型工质的研究势在必行。近两年来R1233zd-E和SES36成为了新型工质的代表，程启康等 [ 7 ] 对R1233zd-E和R123的换热性能进行对比研究。管束测试台用于测试管外制冷剂侧换热系数，套管式换热台用来测试管内水侧换热系数。试验结果表明，应用在上述2种管型时，R1233zd-E的换热系数在测试的热流密度范围内均稍高于R123。认为R1233zd-E是一种能够满足环境要求的、具有很好的换热性能的R123的替代物。Adriano Desideri等 [ 8 ] 搭建了实验台对传统工质R245fa与新兴工质SES36进行了对比研究，着重于膨胀机在用上述两种有机工质的性能变化，实验结果表明在同样膨胀机转速的情况下应用SES36为工质时的膨胀机等熵效率高于R245fa，相反的对于给定的压力比下的膨胀机的输出功率R245fa要大于SES36。Sebastian Eyerer等 [ 9 ] 采用实验方法对于有潜力的新工质R1233zd-E对于传统工质R245fa的取代可能性进行了探究，结论表明R1233zd-E除了具有低于R245fa的全球变暖潜力值(GWP)外，在热力学性能方面，实验可获得的最大热力学效率R1233zd-E高于R245fa，而最大净功率则相反。
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user: 2. 有机朗肯循环发电系统 有机朗肯循环是由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵四个基本部件，其工作原理如图1所示：有机工质先经工质泵绝热加压送入蒸发器，在蒸发器中工质吸收高温热源的热量定压汽化、产生高温高压的蒸汽，蒸汽进入膨胀机绝热膨胀做功，膨胀机通过联轴器带动发电机发电，将高温高压的有机工质气体携带的机械能转化为电能输出，而经过膨胀机做功后的工质变为低温低压的乏汽，最后排入冷凝器内与冷源定压换热，然后重新经工质泵送入蒸发器进行新的循环。 在本文的热力学分析过程中，做出如下假定：系统处于稳定流动状态；传热过程中的压降忽略不计；蒸发器冷凝器中的换热过程为定压过程；系统与外界没有热量交换；蒸发器出口工质为饱和状态；平均传热温差为10℃；膨胀机的等熵效率为0.85；工质泵的等熵效率为0.8；夏季环境温度假定25℃，冬季环境温度为5℃。 热力系统计算分析如下： 系统循环过程如图2所示 工质在蒸发器内等压吸热过程4-1 (1) 工质在膨胀机内做功1-2 (2) 工质在冷凝器内定压冷却过程2-3 (3) 工质在增压泵内加压过程3-4 (4) 评价指标： (1) 系统热效率 图1. 有机朗肯循环系统简图 图2. 系统循环过程示意图 (5) (2) 净功量 (6) (3) 循环不可逆损失 (7) (4) 热力学可用势： 热力学中定义：在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高份额称为该能量的㶲。㶲可用于表征热力系统与环境相互作用时，从任意状态可逆地变化到与环境相平衡的状态时所作出的最大有用功。但㶲是一个过程量，不能表征循环过程中某一时刻工质流体的热力状态。文献 [ 10 ] 提出了一个新的热力学参数：热力学可用势。在 一定时，可用势是一个状态量，可用于表征工质在某一状态下做可用功的最大能力，其具体表达式如下： 蒸发器出口热力学可用势(以0℃为计算基准) (8)
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user: 3. 有机工质的选择 有机朗肯循环系统的工质选择对系统的运行具有重大的影响，因此也是十分重要的环节。理想的有机工质应具有如下特征 (1) 具有良好的物理性质，无毒或者低毒性，不易燃，不易爆炸。 (2) 对环境破坏性小，即臭氧衰减指数(ODP)为零，和具有较低的温室效应指数(GWP)。 (3) 热力学性质方面，要求其临界温度应略高于循环过程中热源的最高温度，以保证蒸发过程处于两相状态。循环的最高蒸发压力不宜过高，避免出现设备承压能力方面的问题，工质为干工质，即T-s图中饱和蒸汽曲线的斜率为正，这是因为干流体的高温高压蒸汽在涡轮机中膨胀后呈过热蒸汽状态，不会存在液滴的情况，因此更适宜作为有机朗肯循环的工质。 而在实际选择的过程中，很少有工质能同时满足上述要求，因此在选择过程中会根据不同的需要选择最佳工质。由于这四种工质的ODP (Ozone Depletion Potential)为零或近似为零，而他们又具有相似的物理性质，临界温度和临界压力相差不大，因此具备了相互替代的可能性，对比四种工质而言，R123的临界温高于另外三种工质，这就使得在利用较高温度热源时，R123与高温热源的传热温差更小，匹配性能更好。如图3所示在同样的蒸发温度下，R245fa的蒸发压力最高，SES36最小，而较高的压力将会提高机械承压能力，进而增加不必要的费用，因此在考虑系统机组制造成本方面，SES36是优于其它三种工质的。从表1中可以看到R1233zd-E的GWP (Global Warming Potential)是四种工质里最小的，SES36和R1233zd-E在安全性方面是优于R123与R245fa的。 应用matlab&refprop 9.1软件进行模拟，从系统的热效率、净功量、不可逆损失、可用势这些热力性能方面对四种工质进行对比分析。 3.1. 热效率 图4表示了四种工质循环热效率随蒸发温度的变化情况，当环境温度为25℃时，传热温差不变的情 图3. 工质在不同蒸发温度下的蒸发压力 Table 1 Physical parameters of working fluid 工质 分子量 标准沸点/℃ 临界温度/℃ 临界压力/MPa ODP GWP 安全性 R245fa 134.05 15.14 154.01 3.651 0 950 低毒不可燃 SES36 184.85 35.34 177.55 2.849 0 3710 无毒不可燃 R1233zd-E 130.5 18.32 165.6 3.571 0.00034 7 无毒不可燃 R123 152.93 27.823 183.68 3.6618 0.012 120 低毒不可燃 表1. 工质物性参数 图4. 不同环境温度下系统热力学效率与蒸发温度的关系 况下，系统冷凝温度近似不变，系统的热效率由蒸发温度决定。从图中可以看到，四种工质的循环热效率都随着蒸发温度的升高而增大，同样的蒸发温度下，R123的循环热效率是最高的。但是在接近临界温度的蒸发压力下，除了SES36外，其它三种工质系统热效率都会有小幅度的下降，这也意味着这三种工质都有各自最佳蒸发温度对应的最高热力学效率。R245fa在蒸发温度为150℃时，热效率为15.51%；R1233zd-E在蒸发温度为160℃时，热效率为16.69%；R123在蒸发温度为180℃时，热效率为18.32%，而SES36则没有出现这样的情况可能的是由于SES36是由两种共沸工质组成的混合物原因。 当环境温度为5℃时，系统的冷凝温度下降，理论上系统的热效率是增大的，从图中也可以明显看出在同样的蒸发温度下，四种工质的热效率都上升了3%左右，当蒸发温度上升20℃系统热效率的上升幅度是不如冷凝温度下降20℃，因此同等情况下，冷凝温度的改变对系统热效率的影响是大于蒸发温度的。系统热效率随工质蒸发温度的增加趋势和环境温度为25℃时是一致的，但在环境温度为低于120℃时，R245fa热效率大于R1233zd-E.而最佳蒸发温度对应的热力学效率也有小幅度的上升，R245fa在蒸发温度为150℃时，热效率为18.28%；R1233zd-E在蒸发温度为160℃时，热效率为18.94%；R123在蒸发温度为180℃时，热效率为20.96%。 3.2. 净功量 净功量是评价工质做功能力的重要指标。图5表示了不同工质在不同蒸发温度下的循环净功量，可以看出，不同工质的循环净功量有所差，但都随着蒸发温度的增加而有一个先增大后减小的趋势，因此都有各自最佳蒸发温度对应的所对应的最大净功量，R245fa在蒸发温度为140℃时，净功量最大，环境 图5. 不同环境温度下净功量与蒸发温度的关系 温度为25℃时，最大净功量为36.55 kJ/kg，环境温度为5℃时，最大净功量为48.16 kJ/kg；R1233zd-E在蒸发温度为150℃时，净功量最大，环境温度为25℃时，最大净功量为39.64 kJ/kg，环境温度为5℃时，最大净功量为49.10 KJ/kg；而R123和SES36在环境温度在170℃达到最大净功量，SES36在环境温度为25℃时，最大净功量为37.39 KJ/kg；环境温度为5℃时，最大净功量为47.21 KJ/kg；R123在环境温度为25℃时，最大净功量为40.88 KJ/kg；在环境温度为5℃时，最大净功量为51.22 KJ/kg。从图中可以看到在环境温度不同时四种工质的净功量的大小关系略有不同，在环境温度为25℃时，在同样蒸发温度下对应的净功量R1233zd-E是大于R245fa，而在环境温度为5℃时，同样蒸发温度下对应的净功量R245fa是大于R1233zd-E的。 3.3. 循环不可逆损失 如图6所示在环境温度不同情况下，四种工质的循环不可逆损失随蒸发温度变化情况一致，都随着蒸发温度的升高而增大，这是由于当环境温度不变时，在传热温差不变的情况下，蒸发温度增大，高温热源温度上升，也就是工质平均吸热温度上升，而环境温度不变则低温热源平均温度基本不变，由公式可以看出循环不可逆损失会增大。在同样的蒸发温度下，不可逆损失的SES36 > R245fa > R1233zd-E > R123，由此可以看出在考虑系统不可逆损失方面R123为最优工质。 而环境温度的变化对系统不可逆损失的影响从图中可以看出在蒸发温度不变时，环境温度越低，系统不可逆损失越大，这是由于当环境温度下降时，循环平均温度与环境间温差增大，系统总不可逆损失随之增大，而且随着蒸发温度的增加，不同环境温度下的不可逆损失差也在增大。 3.4. 可用势 因为热力学可用势是反映工质在某一状态下的可逆做功能力，而蒸发器出口单位质量工质的可用势越高，在膨胀机中工质的做功能力就越强，从图7中可以看到在环境温度不变的情况下，随着蒸发温度的上升，蒸发器出口单位工质的可用势都会先增大后减小，有一个最佳蒸发温度使得蒸发器出口单位工质的可用势最大，在不同的环境温度下的最佳蒸发温度都相同。R245fa对应的蒸发器出口工质可用势最大的蒸发温度为140℃；R1233zd-E对应的最优蒸发温度为150℃；SES36与R123对应的最优蒸发温度都为170℃。可以看到工质最大可用势对应的最优蒸发温度和最大净功量对应的最优蒸发温度是一致的。 图6. 不同环境温度下系统总不可逆损失与蒸发温度的关系 图7. 不同环境温度下蒸发器出口可用势与蒸发温度的关系
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user: 4. 结论 本文基于循环热效率、净功量、系统不可逆损失、蒸发器出口工质可用势四个方面对R123、R245fa两种传统工质与R1233zd-E、SES36两种新型工质进行了对比分析，得出了如下结论： (1) 不同的工质在热源温度在100℃~200℃时都有其对应最高热效率的最佳蒸发温度，接近于工质的临界温度，在环境温度不同时，最佳蒸发温度相同，R245fa的最佳蒸发温度为150℃；R1233zd-E为160℃；R123为180℃；SES36由于是两个共沸工质组成的混合物没有出现最佳蒸发温度。在同样蒸发温度下，热效率R123 > R1233zd-E > R245fa > SES36。 (2) 循环的不可逆损失，即从热力学第二定律能量的品质方面考虑其结果与第一定律效率一致。 (3) 蒸发器出口可用势即蒸发器出口工质的做功能力与系统的净功量变化趋势一致，且对应工质的最佳蒸发温度一样。 (4) 在环境温度不同时，工质对应的最佳蒸发温度是一致的，随着热源温度的变化工质热力学参数的变化也一致，除了净功量R245fa 和R1233zd-E在热源温度为90~150时有不同的变化。而环境温度越低，同样蒸发温度下系统的热效率、净功量、蒸发器出口的可用势都会增大，但系统的不可逆损失增大。 (5) 综合考虑系统的热效率、净功量、不可逆损失、蒸发器出口工质可用势，在各自的临界温度以下，R123为最优工质，选用其他工质的顺序为R1233zd-E > R245fa > ses36。考虑到安全性方面和环境保护方面R1233zd-E的性能最优，设备造价方面SES36最优。综合考虑，R1233zd-E是取代R245fa和R123的首选，SES36次之。
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user: 摘 要 分水岭算法易产生过分割现象，本文提出一种基于阈值标记的分水岭分割方法，能更为精准提取遥感图像中的道路信息。该方法对遥感图像进行中值滤波及直方图均衡化预处理；经多尺度形态学梯度计算出最大梯度值、进行低通滤波，然后使用二维最大熵求阈值、完成扩展的极小值变换，通过这些标记对梯度幅度图像加以修正；最后实现标记梯度图像的分水岭变换，利用形状特征提取图像中的道路信息。本文使用MATLAB仿真软件对银川某地的遥感图像进行道路提取，实验结果表明：该算法可以提取出较为精确、清晰的道路信息。 关键词 :遥感图像，分水岭算法，标记提取，道路提取 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 遥感技术的飞速发展使航天飞机和各种卫星系统可提供大量遥感影像，其分辨率也越来越高，为遥感影像的应用提供了便利条件；从高分辨率遥感影像中提取道路信息是目标检测与识别的研究热点，道路信息的提取方法研究基本上可以分为三类：基于边缘提取、基于区域分割提取和两者相结合。 Nevatia [ 1 ] 等以提取梯度方向相对平行的边缘为基础，从边缘提取着手，再提取梯度幅度阈值并将近似方向的点连成线段，最后将之编成相对平行的线对，但它基于道路对比度不变的不完备假设，会产生很多问题。Zhu [ 2 ] 等釆用相对平行的边缘来选择种子点，并根据边缘的强度与长度等的相似程度来连接，同时利用了机遇规则的系统；这种方法简单的假设图像没有噪声兵器道路与背景具有较高的对比度，使得其适应性不高。Fischle [ 3 ] 等从较低分辨率的图像上根据像素灰度值和对比度来计算像素为道路点的得分，以便形成代价阵列，釆用最小代价路径的图搜索方法(例如动态规划)进行求解；它的缺点是代价函数很难确定，可能会造成错误。胡翔云 [ 4 ] 研究的对象是小比例尺图像中非城市地区的道路网，重点研究了一种基于感知编组的自动形成道路网的方法，这种方法基于概率模型，同时有上下文信息作为支持；然后构建了一个实验系统及框架，这个框架的可行性较强，同时便于扩充。文贡坚 [ 5 ] 等提出了提取比较直的主干道路网的方法，这种方法针对的图像是城市航空图像；首先整幅图像被分成若干块，然后在每一个子块中基于直线来提取检测道路段，较完整的道路网可以自动连接形成；其优势在于中层符号是使用直线的，而且直线提取算法比较稳健。 基于以上的道路提取方法及遥感图像的特点，本研究通过中值滤波及直方图增强，不仅能去除图像噪声，还能较好地保持目标的边缘轮廓信息，再用阈值标记来修改梯度图像，从而有效解决了分水岭算法产生的过分割问题，可以更精确地提取图像中的道路信息。
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user: 2. 遥感图像的多尺度形态学梯度与最大熵阈值求取 待处理的原始图像整体偏暗，首先使用直方图均衡化来增强道路与周边环境的差异；再采用中值滤波处理，在保持图像边缘的同时有效去除椒盐噪声，可缓解分水岭过度分割。 2.1. 多尺度形态学梯度算法 分水岭算法处理的是梯度图像，本研究对象为彩色图像，因此我们先求每个通道的梯度，再取最大的梯度，来获得梯度图像。腐蚀和膨胀是形态学图像处理、获取梯度的两个最基本操作。腐蚀是在图像中“收缩”或“细化”的操作，结构元素 对一幅图像 在位置 的腐蚀定义为(1)式，腐蚀处理由包含在与 重合区域中的所有值中选取的最小值决定；膨胀是在图像中“加长”或“变粗”的操作，结构元素 对一幅图像 在位置 的膨胀定义为(2)式，膨胀处理由包含在与 重合区域中的 的所有值中选取的最大值决定。对一幅待分割彩色输入图象 的单尺度形态学梯度可定义为(3)式，该式表明梯度图像计算结果主要取决于结构元素的尺寸和形状。 (1) (2) (3) 由于圆盘状结构元素具有各向同性的性质，使得形态学梯度图像更少地依赖边缘的方向 [ 6 ] ，本文选择具有各向同性的圆盘状“disk”作为结构元素，可以避免图像特征的畸变。如果结构元素尺寸过大会导致图像物体边缘受损，造成边缘与梯度值的不一致性；如果结构元素过小，会致使梯度算子对斜坡边缘产生小的输出，影响分割结果。所以，本文使用多尺度特性计算梯度。设 为结构元素 的半径， 为结构元素的最大半径， 为结构元素的最小半径， 表示权值， 分别代表彩色图像 的RGB三个彩色分量， 表示不同彩色分量、不同尺寸下的形态学梯度，则多尺度形态学梯度定义为(4)式。彩色图像转换为梯度图像可定义为(5)式，其中 分别代表彩色图像 的R、G、B的三个彩色分量的形态学梯度。这样通过计算彩色图像梯度，可以将彩色图像转化为灰度图像。 (4) (5) 2.2. 低通滤波 分水岭算法产生的过分割主要是由于图像中的细节纹理和噪声产生的伪极小值造成的。基于标记约束的分水岭算法是从预先指定的种子点开始浸水，因此只要能够对物体进行准确的相关标记即可得到理想的实验目标，达到识别图像的目的。梯度幅度图像在沿对象的边缘处有较高的像素值，能够突显图像的噪声，与此同时还能减弱图像中较为平坦的区域，从而增强图像中的噪声与图像物体内容之间的差异，此时使用滤波器能够很容易将那些凸显出来的孤立噪声滤除掉。因此从梯度图像的低频成分中提取与物体相关的极小值能够得到比从原始图像的低频成分中更加准确的结果。本文算法对形态学梯度，使用巴特沃斯低通滤波滤波器来计算图像的低频成分 [ 7 ] ，获得空间域的彩色图像梯度 ，有效地克服了先验知识对标记提取的困难。 2.3. 最大熵求阈值 对梯度图像中的低频成分采用二维最大熵算法来自动获取阈值。最大熵阈值分割方法是利用直方图灰度统计信息来构造判别函数取极值的模式来获取最佳分割阈值。假设 的灰度级为 ， 为图像各灰度级出现的频率，梯度图像邻域的平均灰度也有 级。 为总像素，二维直方图为 ， ， 是像素灰度， 是邻域平均灰度。梯度图像中灰度i及其邻域灰度均值j的像素点数由 表示，那么 且 满足 (6) 目标和背景的概率累计分布 、 分别为 (7) (8) 定义其目标和背景的二维熵为 (9) (10) 此梯度图像总熵的判别函数通过变换定义为 (11) 公式中 满足 (12) 最终选取的阈值 满足 (13) 因此通过这种二维最大熵算法自动获取阈值对标记进行扩展地极小值变换，可以有效地屏蔽伪极小值对分割结果的影响，使局部极小值仅出现在标记的位置，有效地消除了人工标记的困难，具有较高的鲁棒性。
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user: 3. 基于标记的分水岭分割 3.1. 分水岭算法 1991年，Vincent和Soille将分水岭算法 [ 8 ] 应用于图像处理，把一副原始图像想象成图1所示的一个地形表面，这个地形表面有一系列的山谷，每一个谷就代表着一个较小连通区域或较小值像素，设想所有的谷底被刺穿，谷底开始积水，水平面开始匀速上升，积水的面会漫过这个集水盆地，为了防止积水面漫过盆地，在盆地间筑坝，这些坝就形成了分水岭。分水岭分割就类似于这个漫水过程。 分水岭算法分为排序和淹没两个操作： 图1. 分水岭概念示意图 1) 排序：在积水过程中，按升序排列所有像素亮度值，相同亮度值的像素被存入同一列表，在淹没过程中便于一起访问相同亮度值的全部像素，提高了分割速度； 2) 淹没：当水从区域极小值处逐渐对图像拓扑表面进行淹没时，按照像素亮度值升序访问每一个像素点，从最小亮度值像素开始标记每一个集水盆地，在对相同亮度值的像素进行访问时，从与标记集水盆地相邻的像素开始，根据测地距离，确定像素被标记处理的顺序，按照先入先出的原则，实现对同一亮度级的像素进行淹没，确定这些像素的标号。 3.2. 阈值标记的分水岭分割 通过采用梯度图像 作为分水岭的分割图像，用提取到的标记对原始梯度图像 进行修改，屏蔽掉原有图像中的所有局部极小值 [ 9 ] ，修改后的梯度图像中，局部极小值只存在二值标记图像 中不为 零的地方。修改后的标记图像用 表示，即 (式中， 表示形态学极小值标定技术的操作。然后在修改后的梯度图像 上应用分水岭分割，得到最终的理想分割结果，用 表示， 表示分水岭算法的分割操作算子，即 。 3.3. 算法实现 1) 对图像进行直方图均衡化，中值滤波预处理。 2) 对预处理后的图像求RGB分量的多尺度形态学梯度，并求得最大的形态学梯度。 3) 对最大的形态学梯度进行提取原始图像内部标记，对原始图像进行巴特沃斯低通滤波。 4) 用二维最大熵求梯度图像的阈值 [ 10 ] ，并用阈值对梯度图像进行扩展的极小值变换。 5) 修改梯度图像，用分水岭变换分割图像，提取里面的道路信息。
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user: 4. 实验结果与分析 实验数据选取资源三号国产卫星提供的样图中的一部分(图2)，图像分辨率为2.1米，尺寸为385 × 354，测试在Matlab (R2010a)上运行。对原始图像进行预处理。从图3与图4，可以看出图像的对比度明显增强；图5为最大形态学梯度图像，选择的尺寸分别为1、2、3，图6为低通滤波后的图像，我们选择的截止频率为50 HZ；采用原始分水岭算法和改进的分水岭算法。图7与图8对比发现改进后的分水岭算法不仅能够将遥感图像的道路信息分割出来，还可以得到较为清晰的道路信息。 以上结果图像可以看出，道路区域的面积不会很小，这样就可以再次过滤掉分割后的小面积，从而 图2. 样图 图3. 样图一部分 图4. 预处理图像 图5. 最大形态学梯度 图6. 滤波图像 图7. 传统算法 图8. 改进的算法 图9. 道路信息 只留下提取的道路信息。道路本身具有一定的长度和宽度 [ 11 ] ，目标长度越长，则为道路的可能性越大；目标宽度越宽，则为道路的可能性越小。分割后图像中的道路信息如图9所示，和原图对比后发现，道路信息不仅提取完成，而且提高道路信息的精准性。
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user: 5. 结束语 本文计算梯度图像，使用中值滤波与直方图增强处理图像，较好地去除了噪声以及增强了图像的对比度，目标轮廓清晰，便于后续分水岭变换。提出了利用阈值标记的分水岭分割方法，并利用道路的形状特征提取道路，并在Matlab R2010a软件平台进行了仿真实验。实验结果表明，该方法可以很好地提取图像中的道路信息。
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user: 弱固结砂岩的岩石学特征及其地质意义
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user: 摘 要 弱固结砂岩在我国分布广泛，引发了较多的环境问题和工程问题。本文以柳江盆地太原组顶部弱固结砂岩为研究对象，通过野外地质调查、偏光显微镜和扫描电镜及其能谱进行了分析。结果表明：(1) 弱固结砂岩分布于太原组煤层顶板上部，砂岩的弱固结化与煤的热变质演化具有成因联系。(2) 砂岩类型主要为灰白色中细粒长石石英砂岩，长石以碱性长石为主，发育高岭石化和伊利石化。黏土矿物主要为高岭石和伊利石，高岭石含量在13%~37%之间，伊利石含量在5%~7%之间，高岭石 + 伊利石组合储层敏感性表现为较强的速敏。(3) 矿物元素表明钾长石由Al、Si、O和K元素组成，高岭石由Al、Si和O元素组成，结合岩相学观察认为长石的溶蚀溶解作用为高岭石的形成提供了元素基础。(4) 该研究成果将为煤矿开采过程中地下水防治和矿山工程设计提供重要的地质信息。 关键词 :弱固结砂岩，岩石学，柳江盆地，太原组 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 前人将分布在煤层或油气藏上部弱固结砂岩称为砒砂岩 [ 1 ] 或红色砂岩漂白现象 [ 2 ] ，例如在鄂尔多斯盆地东北部 [ 2 ] [ 3 ] 、松辽盆地 [ 4 ] 和美国科罗拉多高原 [ 5 ] 等地区分别进行了报道，在世界范围内，美国科罗拉多高原出露的红色和白色砂岩研究程度最高，其研究成果对“CO 2 地质封存”和“注CO 2 提高石油采收率”等均提供了来自“自然类似物”的有用信息。漂白砂岩形成于“烃类流体”的观点提出于上个世纪二十年代 [ 5 ] ，认为与烃类流体运移有关的漂白砂岩出露于鄂尔多斯盆地 [ 2 ] [ 3 ] 、犹他东南部 [ 6 ] 、犹他Laramide时期Uinta逆掩断层附近 [ 7 ] 和犹他南部 [ 8 ] 。针对以上地质现象，国内学者曾开展过大量流体—岩石相互作用研究，例如酸性流体作用下长石的稳定性 [ 9 ] 、屑长石砂岩与CO2流体在水热条件下的相互作用 [ 10 ] 和CO 2 驱油后的矿物捕获 [ 11 ] 等。前人研究内容主要集中在通过野外产状分析、地球化学元素测试、实验室试验和包裹体分析的基础上，对弱固结砂岩的粘土矿物组成和成因进行探索，通常以平面分布样品为研究对象，而针对这些弱固结砂岩所引发的环境 [ 12 ] 和工程问题 [ 13 ] 柳江盆地尚未开展深入探索，相关研究集中在水文、地貌和构造方面。而柳江盆地在大地构造属性、演化和矿产资源条件等方面都与松辽盆地和鄂尔多斯盆地存在差异，所形成的弱固结砂岩类型也存在较大区别，例如鄂尔多斯盆地包括蒙皂石为主和高岭石+伊利石为主的砒砂岩，伴生铀矿；松辽盆地以伊利石为主的白砂岩，伴生氧化铁条带；而柳江盆地的弱固结砂岩以灰白色为主，伴生铝土矿等。因此，查明弱固结砂岩的岩石学特征，将为环境治理和矿山工程设计提供重要的地质信息。
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user: 2. 地质背景 秦皇岛柳江盆地位于华北地台东北部，系燕山沉降带东段侵蚀构造盆地，东部紧邻渤海湾盆地，盆地南北向受山羊寨–王庄–拿子峪断裂带控制，东西向受上平山–南林子和大花生峪–大刘庄断裂带控制 [ 14 ] 。中生代以来岩浆活动强烈，发育北东向较强的酸性、中性和基性岩浆侵入和喷出作用 [ 15 ] [ 16 ] ，形成闪长玢岩、正常斑岩、辉绿岩等岩株、岩墙和岩床构造，发育安山岩、英安岩和凝灰安山岩等喷出岩 [ 15 ] 。盆地基底为太古代混合花岗岩 [ 17 ] ，上部为古生代、中生代和第四纪沉积盖层 [ 16 ] ，包括海相、海陆过渡相和陆相沉积环境，地层自下而上包括石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组(图1)。盆地含铝土矿、煤、石灰岩和石英砂岩等沉积矿产 [ 15 ] ，其中老柳江煤矿主要开采煤层分布在太原组和山西组地层，煤类型为无烟煤，变质程度高。
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user: 3. 研究方法与步骤 以柳江盆地煤层顶板石炭系太原组弱固结砂岩为研究对象，以岩石学研究为切入点，在野外地质调查、取样和文献分析的基础上，在连续剖面采集样品9件，通过偏光显微镜(Axio Scope A1)、X-射线衍射(TD-3500) 和扫描电镜及其能谱分析(JSM-6700)等技术手段，对若固结砂岩的矿物组成、元素特征和成岩作用等方面进行了研究，测试分析在吉林大学测试科学实验中心和华北理工大学地质系岩矿分析室进行，分析步骤可分为：① 野外新鲜样品采集；② 样品制备，显微镜样品制备成0.03 mm的岩石薄片，扫描电镜样品制备成1 × 1 × 0.2 cm的小片，X-射线衍射样品制备成200目粉末样后制成靶；③ 测试，将制备好的样品放置在相应的测试分析设备上观察和测试；④ 结果分析，将测试分析结果汇总进行综合分析和制图。 图1. 研究区位置及基础地质简图
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user: 5. 地质意义 红色砂岩漂白形成于“烃类流体”的观点提出于上个世纪二十年代 [ 5 ] ，认为与烃类流体运移有关的漂白砂岩出露于鄂尔多斯盆地 [ 2 ] [ 3 ] 、犹他东南部 [ 6 ] 、犹他Laramide时期 Uinta逆掩断层附近 [ 7 ] 和犹他南部 [ 8 ] 。对弱固结砂岩的粘土矿物组成和成因进行分析，通常以平面分布样品为研究对象，而针对这些弱固结砂岩所引发的环境 [ 11 ] 和工程问题 [ 12 ] 柳江盆地尚未开展深入探索，相关研究集中在水文、地貌和构造方面。本文以柳江盆地煤层上部弱固结砂岩为研究对象，以砂岩的岩石学特征为切入点开展研究，查明了本区的弱固结砂岩黏土矿物类型主要为高岭石，其次为伊利石，黏土矿物组合敏感性表现为速敏。砂岩的这种黏土化蚀变导致了砂岩的固结能力变差，抗压能力减低，孔隙度和渗透率增加，对煤矿的开采和矿山安全将造成严重影响，因此在煤矿的开采过程中遇到这类岩性需加固处理。同时这一结果将为煤矿开采过程中地下水防治和矿山工程设计提供重要的地质信息。
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user: 6. 结论 通过野外地质考察、显微岩相学和地球化学等方法对弱固结砂岩岩石学特征开展了研究，取得以下认识： 1) 弱固结砂岩分布于太原组煤层顶板上部，砂岩的弱固结化与煤的热变质演化具有成因联系。 2) 砂岩类型主要为灰白色中细粒长石石英砂岩，长石以碱性长石为主，发育高岭石化和伊利石化。黏土矿物主要为高岭石和伊利石，高岭石含量在13%~37%之间，伊利石含量在5%~7%之间，高岭石+伊利石组合储层敏感性表现为较强的速敏。 3) 矿物元素表明钾长石由Al、Si、O和K元素组成，高岭石由Al、Si和O元素组成，结合岩相学观察认为长石的溶蚀溶解作用为高岭石的形成提供了元素基础。 4) 砂岩的黏土化蚀变导致了固结能力变差，抗压能力减低，孔隙度和渗透率增加，对煤矿的开采和矿山安全将造成严重影响，该研究成果将为煤矿开采过程中地下水防治和矿山工程设计提供重要的地质信息。
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user: 资助信息 华北理工大学创新创业训练项目(X2016135)、河北省矿业开发与安全技术重点实验室开放基金(2016kykf02)、华北理工大学博士启动项目（28406499）、河北省地质矿产勘查开发局科技项目（2200113）、河北省自然科学基金(E2017209217)、河北省高等学校青年拔尖人才计划项目(BJ2017018)和河北省高层次人才博士后资助项目(B2016003016)联合资助。
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user: 摘 要 冰川近地层地表特征参数是冰川表面能量-物质平衡模型的基础，影响冰川消融模拟的精度，因此开展近地层地表特征参数研究对于准确探讨冰川对气候变化的响应具有重要意义。本论文以祁连山西段典型大陆型冰川——老虎沟12号冰川为例，分析了老虎沟流域的气象变化特征位于冰川积累区海拔5040 m自动气象站资料，确定了消融区冰川表面地表动量和热量粗糙度，动量拖曳系数，热量输送系数，感热和潜热通量输送等地表特征参数及其变化规律，结果表明：(1) 动力学地表粗糙度6~9月月均值分别为2.4、2.1、0.7和0.6mm，热传输附加阻尼(kB − 1 )具有明显日循环，在正午时分出现最小；(2) 大气层结稳定状态时，动量拖曳系数和热量输送系数6-9月月均值分别为0.001， 0.0009， 0.001和0.001，大气层结不稳定时，两系数都为0.0022；(3) 感热通量绝大多数时间为正值，潜热通量绝大多数时间为负值，两者可相互抵消，观测期间两者的平均值分别为10.4和−12.3 W∙m −2 。 关键词 :老虎沟流域，冰川积累区，整体空气动力学法，地表特征参数 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 冰川是冰冻圈的重要组成部分，由于冰/雪面具有很高的反照率和巨大的相变潜热，冰冻圈对气候的影响作用仅次于海洋。IPCC第五次评估报告认为 [ 1 ] ，1993~2010年间冰冻圈萎缩对海平面上升速率的贡献为3.2 mm/a。冰川是气候变化的指示器，冰川在全球变化中扮演着重要的角色。 世界上巨大数量的冰川是优质清洁的淡水资源，但分布极其不均衡，，导致在各地区可利用价值的差异。冰盖全部集中在南极和格陵兰，山岳冰川的84%集中于亚洲高地和北美寒区。中国是中低纬带冰川最多规模最大的国家， 又是世界荒漠区和贫水国中冰川最多的国家 [ 2 ] 。据中国第一次冰川编目资料，中国有冰川46，377条，总面积59，425 km 3 ，冰川储量为5600 km 3 ，仅次于美国、俄罗斯和加拿大 [ 3 ] 。 全球平均地表温度和海洋温度上升、冰雪大范围消融以及海平面上升等观测事实证明了气候系统在变暖，在全球气候变暖背景下，我国近百年来气候也呈现变暖趋势。在气候变暖的背景下，我国山地冰川还将持续萎缩后退。冰川消融产生的海洋冷水，引起了大洋环流的变化，影响海气相互作用，进而影响气候变化。因此，研究我国冰川变化不仅具有重要的科学意义，也具有非常重要的现实意义。大气和冰川表面的能量交换的时空变化在一定程度上决定着冰川的动态变化，通过冰川表面的能量平衡研究，对揭示冰川发育的水热条件以及冰川对气候变化的响应具有重要意义 [ 4 ] 。 冰川与大气之间的能量交换在冰冻圈与大气圈之间相互作用研究中起着重要的作用。而湍流是大气边界层中主要的运动形态，对地面与大气间的动量输送、热量输送、水汽交换以及物质的输送起着主要的作用。冰川表面的湍流交换是冰/气间能量交换的最重要的组成部分之一，而冰川表面湍流参数变化研究又是准确获得湍流交换的核心内容。因此选择具有代表性的冰川，定量分析地表特征参数的变化，对于冰川表面能量-物质平衡观测试验的开展具有重要意义。
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user: 2. 国内外研究进展 2.1. 边界层湍流理论的发展 1883 年，英国科学家Reynolds通过实验发现流体在流动过程中存在“层流”和“湍流”两种内部结构完全不同的流态，这是人类第一次提出湍流的概念。在雷诺有关湍流试验的基础上，德国流体力学家普朗特于1904年提出了混合长理论，他把无规则的流体“湍涡”运动看成是分子热运动，模仿分子平均自由程引入了混合长的概念，形成了最基本的湍流理论基础。 20世纪30年代普朗特完善了混合长理论，他提出了一种湍流梯度输送理论，用于分析湍流交换系数并建立它和其他湍流参数的关系。Taylor (1935) [ 5 ] 对均匀各向同性湍流进行了理论探讨，导出了湍流动力学特征微分方程。1938 年，Karman等人在Taylor (1935)的工作基础上推导出著名的Karman-Howarth方程，成为各向同性湍流理论的基础。同一年 Taylor又提出了湍流能谱理论。前苏联科学家Kolmogorov (1941) [ 6 ] 把量纲分析引入湍流研究中，提出了湍流相似理论，推导出著名的“2/3”定律。Monin和Obukhov (1954) [ 7 ] 提出了莫宁-奥布霍夫(Monin-Obukhov)相似理论，建立了表面湍流通量和平均量之间的联系，这在湍流理论的发展史中具有划时代的意义。Prestiey (1959)提出了自由对流大气湍流理论。至此经典的湍流理论已基本形成。 2.2. 湍流参数研究现状 摩擦速度，稳定度参数，湍流强度，拖曳系数，粗糙度等湍流参数是计算表面通量的基础，是气候和中尺度天气模式的参数化方案所必需的参数，对这些参数的研究和确认对改进近地层的边界层参数化方案具有重要意义。 早在上世纪70年代，国外就出现较多研究通过观测试验分析各湍流参数与风速的经验关系，其中对摩擦速度和拖曳系数的研究更为多见。Smith和Bank (1975) [ 8 ] 利用塞布尔岛一块沙咀地上的涡旋相关观测数据计算了拖曳系数C D ，并与前人的一些研究结果作了比较，发现C D 随风速线性变化，但各区域的变化斜率都有所不同。Sethu Raman和Raynor (1975) [ 9 ] 通过位于美国纽约长岛南海岸、马萨诸塞州东南部巴泽兹湾和佛罗里达州华尔顿堡滩的三个海洋观测站观测资料，得到平均风、温廓线，并根据廓线计算了各站点的拖曳系数和摩擦速度，发现摩擦速度随风速线性增长，粗糙程度增加，斜率也相应增大，当风速为0时，摩擦速度也为0。同时还发现，拖曳系数与风速的关系并不明显，但是拖曳系数是粗糙度类别的函数，粗糙度越大，拖曳系数随风速的分布越离散。这些早期的结论奠定了以后研究的基础。八十年代以来关于这些参数与风速的关系的基本结论并没有太大变化。 国内由于湍流研究起步较晚，对各湍流参数的研究总体比较少，但也出现了一些针对某些典型下垫面的研究，并获得了不少研究成果。林忠等(2009) [ 10 ] 利用我国南极考察队在中山站附近冰盖上的湍流资料，用涡动相关法计算了各湍流参数，探讨了冰盖下垫面上湍流强度、摩擦速度、拖曳系数等与风速和稳定度的关系，张强和卫国安(2004) [ 11 ] 。根据甘肃敦煌野外试验的观测资料，用空气动力学方法、涡动相关法以及组合法三种不同方法计算并比较了干旱戈壁区动量输送的拖曳系数。目前国内外对摩擦速度、拖曳系数、湍流强度等与风速的关系，已经有了比较初步的认识，但是还存在很多的不足与不确定的结果。