1. 作品研发的背景
大气中风雷雨电的能量来源无一不是太阳加热引起的内能向各种能量的转化。在某种意义上，大气运动可以被理解为旋转曲面上在太阳加热下产生的流体运动。重力作用下的大气存在下部密度大、上部密度小的层结特征，它限制了大气对流的高度;科氏力作用下的气块的运动仿佛定常磁场中的带电粒子，会受到转向作用而呈现出显著的涡旋运动，造就了小到台风，大到三圈环流的万千气象。然而，由于大气运动尺度较大且过于复杂，人们对它的认识多来自于资料分析，数值◢模拟和理论推导三类比较抽象的手段，在教学方面也局限于这三类。傅豪等五位大气科学专业的本科生渴望通过做实验直观、感性地学习大气科学，因而他们于2012年秋在物理学院潘永华、高惠滨高工和大气科学学院王元教↑授的指导下开始了自主研发大气对流演示装置的工作。
2. 作品促进教学的理由
依靠做实验理解大气现〓象的趣味在于要从复杂的大气中抽象出几个核心因素并再现和测量之，然后以此为出发点逐步加入复杂因素，最终从物理实验回归大气理论以达到完整的认识。在要素选取上，我们选择科∞氏力、地表加热和密度分层特性(层结性)三个特征，将大气运动抽象为“旋转层结流体上的热对流”，通过制作旋转平台、安置底部加热装置、配置上暖下冷的溶液来模拟之，并用同学自主编写的∏粒子图像测速软件测量流体运动。
为了使实验室中模拟的“大气”与真实大气※相似，必须令实验↑参数满足流体力学的“相似原理”。我们控制瑞利数(代表对流传热功率与热传导功率大小)，泰勒数(表征地转偏向力和粘性力的强弱)与大气基本一致，理论上可以和大气运动“部分等价”，在实验中也↙的确看到了和大气类似的流场结构〒。在满足真实大气和实验室模型相似的基础上，我们用水代替空气，降低了实验技术难度。
另外，我们还编写了一套计算流体力学程序用于数值模拟流场∑，在与实验结果相互验证的同时促进学生对现象的全面认识，并以」实验中的“测量、分析、数值模拟”思路类比地学习大气卐科学中的“观测、分析、数值模拟”方法。
3. 作品的功能
3.1 自然现象的再现
本作品可在实验室中“部分再现”出台风形成初期的对流涡旋群和雷暴发展初期热泡突破重力层结两个大气现象。前者着重考虑了地球的旋转和加㊣ 热两要素，后者着重考虑层结和加热两要素。所谓层结是指大气上部密度小下部密度大的特征。这里强调“初期”是因为成熟的天气系统中潜热释放是主要能源之一，而潜热难以在实验室模拟。同时，本作品再现的对流涡↓旋爆发过程是显著︼的自组织现象，不仅能加深学生对混沌现象的理解，还能对大气对流的研究有所启△示。
3.2 工程目标的实现
该仪器不同于一般流体实验仪器的地方在于所有供电、加热都需要在旋转平台上进行，这对信号和电力的传输、仪器控制是个考验。
本作品可以在一①个较高速旋转(<5转/s)的平Ψ 台上对一个直径15cm的水槽进行两个二维平面上的流场速度测量和实时加热控制测量。
我们通过导电滑环向转台供220v交流电，并实时传输流场或仪器示数画面到观众面前的显示屏上。
在流☉体速度测量方面，我们考虑到热对流结构精细，因而没有采用容易干扰流场的传统定点式探头测速，而是用非◆接触式的粒子图像测速。我们用红绿两部片激光正交地照亮流场的感兴趣层，用分别安装红、绿滤光片的两部相机在转台上拍摄之，待实验结束后用粒子图像测速软件反演出两个二维速度场。当对流∴涡旋恰好处在两面激光交线附近时，可获得∞它的“准三维”速度结构。
为了增强加热的可控性，我们用通过遥控继电器控制的250w白炽灯作为容器底部的热源，可有效减少“热惯性”对温控的影响，而且比红外加热灯成本▓低很多。我们还专门布置了一台风扇用于灯泡周围空间的散热。
作品名称：大气对流演示装置
作者单位：南京大学大☉气科学学院
