大气边界层基本气象要素数值模拟的工程化应用

【作者】 许丽人； 张美根； 李鲲；

【机构】 中国科学院大气物理研究所LAPC； 北京应用气象研究所；

【摘要】 低空飞行器的主要活动空域在大气边界层内,大气边界层环境的中小时空尺度的扰动过程是飞行器飞行轨迹和飞行姿态的主要扰动源,飞行器在大气边界层扰动环境中如何安全可靠地进行飞行活动,需要充分了解和掌握低层大气的扰动特征,并在此基础上研究飞行器受环境的影响程度,进而提高飞行器的环境适应性。影响飞行器运动的大气参量有气温、气压、密度、风速等物理量,这些参量随时间和空间在不断地发生着变化,为研究大气边界层环境对飞行器飞行性能的影响,必须从数值产品中提取出可用于低空飞行器飞行仿真的大气边界层环境数据。近年来,随着计算能力的大幅度提高,数值预报技术得到了快速发展,新型数值预报模式提供了更加精确的环境数据(四维动态大气),这些具有物理背景的大气环境数据对实现大气环境的工程化应用,进而开展飞行器与大气环境的耦合试验研究奠定了重要的技术基础。本文围绕大气边界层环境基本气象要素的建模以及大气边界层环境对低空飞行器飞行特性影响问题,采用数值仿真手段,以飞行器在一次大风环境下飞行过程为具体仿真应用个例,开展大气边界层环境影响效应的仿真试验,通过探索大气边界层环境基本气象要素模型建立的可行性及其对低空飞行器影响的基本规律,为进一步开展大气环境对飞行器影响评估研究提供思路。研究基于RAMS6.0数值模式,对2002年5月发生在东南沿海地区的一次典型动量下传大风天气过程进行数值再现,模拟输出经纬网格点上不同高度层、不同时次的大气边界层环境基本气象要素;给合飞行器仿真需求,建立精确描述大气运动状态的基本气象要素模型;基于六自由度飞行动力学原理,实现了大气边界层环境模型与飞行动力学模型耦合;开展了大气边界层环境对低空飞行器影响效应的仿真试验,分析大气边界层环境对低空飞行器飞行轨迹和姿态特性的影响。通过对比分析飞行器在静态大气和动态大气中的飞行仿真试验,结果表明:在运动的大气中飞行的飞行器受气流的影响,其飞行轨迹发生了偏离,在俯冲阶段,受下沉气流的影响出现掉高现象;飞行姿态发生了改变,俯仰角受气流影响出现波状振荡,滚动角在气流的作用下发生了偏移。因此,在飞行器的设计和使用中不能忽略大气环境的干扰因素。更多还原