1. 作品研發的背景
大氣中風雷雨電的能量來源無一不是太陽加熱引起的內能向各種能量的轉化。在某種意義上，大氣運動可以被理解為旋轉曲面上在太陽加熱下產生的流體運動。重力作用下的大氣存在下部密度大、上部密度小的層結特征，它限制了大氣對流的高度;科氏力作用下的氣塊的運動仿佛定常磁場中的帶電粒子，會受到轉向作用而呈現出顯著的渦旋運動，造就了小到臺風，大到三圈環流的萬千氣象。然而，由于大氣運動尺度較大且過于復雜，人們對它的認識多來自于資料分析，數值模擬和理論推導三類比較抽象的手段，在教學方面也局限于這三類。傅豪等五位大氣科學專業的本科生渴望通過做實驗直觀、感性地學習大氣科學，因而他們于2012年秋在物理學院潘永華、高惠濱高工和大氣科學學院王元教授的指導下開始了自主研發大氣對流演示裝置的工作。
2. 作品促進教學的理由
依靠做實驗理解大氣現象的趣味在于要從復雜的大氣中抽象出幾個核心因素并再現和測量之，然后以此為出發點逐步加入復雜因素，最終從物理實驗回歸大氣理論以達到完整的認識。在要素選取上，我們選擇科氏力、地表加熱和密度分層特性(層結性)三個特征，將大氣運動抽象為“旋轉層結流體上的熱對流”，通過制作旋轉平臺、安置底部加熱裝置、配置上暖下冷的溶液來模擬之，并用同學自主編寫的粒子圖像測速軟件測量流體運動。
為了使實驗室中模擬的“大氣”與真實大氣相似，必須令實驗參數滿足流體力學的“相似原理”。我們控制瑞利數(代表對流傳熱功率與熱傳導功率大小)，泰勒數(表征地轉偏向力和粘性力的強弱)與大氣基本一致，理論上可以和大氣運動“部分等價”，在實驗中也的確看到了和大氣類似的流場結構。在滿足真實大氣和實驗室模型相似的基礎上，我們用水代替空氣，降低了實驗技術難度。
另外，我們還編寫了一套計算流體力學程序用于數值模擬流場，在與實驗結果相互驗證的同時促進學生對現象的全面認識，并以實驗中的“測量、分析、數值模擬”思路類比地學習大氣科學中的“觀測、分析、數值模擬”方法。
3. 作品的功能
3.1 自然現象的再現
本作品可在實驗室中“部分再現”出臺風形成初期的對流渦旋群和雷暴發展初期熱泡突破重力層結兩個大氣現象。前者著重考慮了地球的旋轉和加熱兩要素，后者著重考慮層結和加熱兩要素。所謂層結是指大氣上部密度小下部密度大的特征。這里強調“初期”是因為成熟的天氣系統中潛熱釋放是主要能源之一，而潛熱難以在實驗室模擬。同時，本作品再現的對流渦旋爆發過程是顯著的自組織現象，不僅能加深學生對混沌現象的理解，還能對大氣對流的研究有所啟示。
3.2 工程目標的實現
該儀器不同于一般流體實驗儀器的地方在于所有供電、加熱都需要在旋轉平臺上進行，這對信號和電力的傳輸、儀器控制是個考驗。
本作品可以在一個較高速旋轉(<5轉/s)的平臺上對一個直徑15cm的水槽進行兩個二維平面上的流場速度測量和實時加熱控制測量。
我們通過導電滑環向轉臺供220v交流電，并實時傳輸流場或儀器示數畫面到觀眾面前的顯示屏上。
在流體速度測量方面，我們考慮到熱對流結構精細，因而沒有采用容易干擾流場的傳統定點式探頭測速，而是用非接觸式的粒子圖像測速。我們用紅綠兩部片激光正交地照亮流場的感興趣層，用分別安裝紅、綠濾光片的兩部相機在轉臺上拍攝之，待實驗結束后用粒子圖像測速軟件反演出兩個二維速度場。當對流渦旋恰好處在兩面激光交線附近時，可獲得它的“準三維”速度結構。
為了增強加熱的可控性，我們用通過遙控繼電器控制的250w白熾燈作為容器底部的熱源，可有效減少“熱慣性”對溫控的影響，而且比紅外加熱燈成本低很多。我們還專門布置了一臺風扇用于燈泡周圍空間的散熱。
作品名稱：大氣對流演示裝置
作者單位：南京大學大氣科學學院
