风沙流中风速廓线的数值模拟与实验验证

如何描述风沙流中被风沙运动改变了的风速廓线是风沙相互作用研究中的关键问题之一.该文中将跃移风沙流视为一种颗粒拟流体,将跃移颗粒对气流产生的阻力用颗粒流的阻力系数来表达,建立了描写两场相互作用的数学模型.颗粒流的阻力系数采用了前人在液态流化床研究中得出的阻力系数表达形式,通过引入一个修正系数,使其适用于风沙流(气-固两相流).将风沙边界层划分为跃移颗粒所产生的阻力不可忽略的内边界层和跃移颗粒阻力可以忽略但受内边界层影响的外边界层,分别建立了内边界层和外边界层的风速廓线表达式.应用所建立的数学模型,根据由风洞实验测定的跃移风沙流的浓度分布和速度分布资料,计算了跃移风沙流中的风速廓线,并与风洞实测结果进行了对比.结果表明,计算风速廓线与实测风速廓线吻合得比较好,在半对数图上均为上凸的曲线,有别于无风沙运动时的直线.跃移边界层外风速分布可较好地用对数函数来描述.对风沙流中风速廓线的进一步分析证实了风沙物理学奠基人Bagnold在其早期观测风沙流中的风速廓线时提出的"结点现象"(Bagnold结),该结点的高度随风速的增大而升高,随颗粒粒径的增大而降低.根据数值模拟和模拟实验,可以认为有风沙运动的动床剪切风速是综合反映风场与跃移层以及地表之间相互作用的物理量.     

基于欧拉—拉格朗日模式的风沙跃移数值模拟方法

通过对沙粒的起动过程以及粒床相互作用机理进行参数化处理,利用计算流体力学方法与离散动力学模拟对风场和沙粒进行耦合迭代,建立了基于欧拉—拉格朗日模式的、适用于研究风沙流二维特征的风沙跃移数值模型。通过模拟沙粒集团以及单颗沙粒跃移运动的随机特征,有效描述了风沙流垂向以及沿程变化规律,并且能够输出任意时刻每颗沙粒的空间位置、速度和加速度等信息。输沙通量的空间分布与现场观测实验数据有较高的吻合度,摩阻风速和风速廓线两个宏观物理量的变化情况与风沙流形成和发展的物理实际相符,说明了本数值模型和计算方法的合理性。     

新疆戈壁地区风沙流结构及其粒径特征研究

为掌握研究区域风沙流活动情况,设计并完成了长跨时(2016年5月—2018年5月)的戈壁风沙流现场累积观测。基于观测数据和砂土样品,对研究区域的风沙流活动特征及其结构进行系统分析,在此基础上建立输沙通量廓线函数模型。结果表明:1)观测期间现场输沙率水平在177—330 g/(cm·a),均值约247 g/(cm·a)。2)风沙流和地表砂土粒径分布分别呈双峰和单峰型,且风沙流中砂土占比与地表砂土占比的比值随粒径增大而减小。3)建立的线性-多项式-幂函数和指数-幂函数两种模型都能较准确地描述风沙流的输沙通量廓线,拟合优度均值超过0.98,适用于反映现场风沙流结构。     

江汉平原地表风场对几种典型低空流场的响应

本文用改进的Mass-Dempsey一层中尺度模式,模拟江汉平原附近梅雨期4种典型低空流型影响下的地表流场,发现低空流型对地表风场有重要影响.当低空切变线控制时平原地表有辐合系统新生发展,而其它流型控制时地表只维持辐散流场,模拟结果还表明该地地面风场有明显的日变化.     

台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验I.对台风结构的影响

通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场, 表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换, 并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气.对台风Dan的模拟个例表明, 由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同, 风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异.不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异, 与此相对应, 在不同边界层方案下, Eta方案模拟的台风强度偏大; 而Burk-Thompson和Blackadar方案略次之,在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱,体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响.     

基于WRF-LES的干旱湖区近地面风场模拟与敏感性研究

基于6层嵌套的WRF-ARW模式,在新疆博斯腾湖某湖岸地区进行了实际大气条件下的LES近地面风场数值模拟,并依据该地观探测资料开展了模拟结果的比对分析。为了探讨该地陆面特征对模拟结果的影响,分别针对地形分辨率、土壤湿度和地表粗糙度开展了敏感性试验。研究结果表明,在所关注的小尺度研究区域内,WRF-LES通过对大气边界层内大尺度湍涡的直接解析,相比于中尺度模拟,模拟结果更能体现出近地层风场的高度起伏性,进而提高数值模拟的真实性和准确性。为达到预期应用效果,WRF-LES需要与之相匹配的高分辨率的地形数据,此外土壤湿度数据会通过改变地表热通量分配来影响日间大尺度湍涡的发展,进而影响近地面风场模拟结果,而地表粗糙度对WRF-LES近地面风速模拟的影响则较为复杂。     

“99·4”特强寒潮过程的分析

对“99·4”罕见的寒潮天气过程进行了初步分析,重点分析了500hPa的u、v风场及其廓线。北风带的东移南扩是造成寒潮过程的关键。南疆的风沙天气延长了低温的持续时间。     

有限区域流函数和速度势的3种求解方法在分析台风Bilis暴雨增幅中的比较研究

将有限区域流函数、速度势求解中常用的两种张驰法(即理查逊法和加速利布曼法)与调和—余弦谱展开法(H-C法)进行了比较,理论研究表明:H-C法单独考虑边界影响分量,物理意义明确,且不会丢失边界上的天气系统;从计算上看,H-C法重建的风场能精确还原原始风场,且计算效率明显高于两种张驰法,即收敛更快。通过在台风Bilis(0604)暴雨增幅过程诊断中的应用发现,常用的两种张驰迭代方法在求解有限区域流函数和速度势的问题上效果都不是很好,即:用理查逊法和加速利布曼法计算的流函数和速度势重建的风场与原始风场差别较大,不能准确还原原始风场;用H-C法不仅计算效率高,还原的风场与原始风场差异极小,且不受南边界较强的西南季风涌影响,在暴雨增幅前期能较好地反映与暴雨增幅相关的强辐合信号。因此,可用H-C法计算得到的无辐散风和无旋风对有限区域的天气系统进行更深入的动力结构分析。     

二维平流辐射雾的数值模拟

本文采用二维非定常数值模式,模拟了大气边界层内辐射雾、平流辐射雾和在海陆交界处的平流辐射雾的形成、演变规律。研究了雾发展过程中湍流-辐射作用及风场、水汽平流和海陆风环流对雾发展影响的特点。模拟计算结果得出湍流-辐射作用是雾发展变化的主要物理因子。大气边界层风场及风场环流和水汽的平流输送对在不同地点,时刻雾的发展和强度变化也有重要的影响。     

有限区域流函数和速度势的计算及其在台风中应用

在Endlich提出求解旋转风和辐散风基础上,本文给出了直接利用风场迭代计算流函数和速度势的方法,该方法不但能求解流函数和速度势,还可将原始风场直接分解为旋转风和辐散风。此方法在有限区域中,能大大降低边界条件对计算结果的影响,不仅能计算准确的涡度和散度,还能很好的重建原始风场。采用此方法,对"0808"号台风"凤凰"进行了诊断分析,得到了台风不同时期的流函数和速度势、旋转风和辐散风。结果发现在台风的不同时期,流函数与高度场相似,可用其低值中心来分析台风移动路径和强度的变化,速度势存在高值区,其中心与高度场低值中心不吻合;旋转风的涡旋中心也可用来反映台风中心,台风南侧辐散风较大,故可用来反映南方水汽供应对台风发展、成熟、衰退的影响。     

Activity of Wind-Blown Sand and the Formation of Feathered Sand Ridges in the Kumtagh Desert,China

We study the activity of wind-blown sand and its effects on the evolution of feathered sand ridges in the Kumtagh Desert, China, and attempt to reveal the formation process of feathered sand ridges using wind-tunnel experiments, remote sensing data, and detailed field observations from 2005 to 2008. The prevailing wind direction in the Kumtagh Desert is easterly in winter and north-easterly in other seasons. The average annual wind speed is 5.9 ms⁻¹, and winds sufficiently strong to entrain sand occur on 143 days per annum. The sand transport rate within 0.4 m of the ground is strongly influenced by local landforms, and is related to wind speed by a power function. Wind erosion occurs on the crest, the windward slope of crescent sand ridges and inter-ridge sand strips, where the blowing sand cloud is in an unsaturated state; in contrast, sand accumulation occurs on the leeward slope of the crescent sand ridges, where the blowing sand cloud is in an over-saturated state. These results indicate that the development of feathered sand ridges in the Kumtagh Desert is mainly controlled by the local wind regime. The dominant winds (from the north, north-north-east and north-east) and additional winds (from the east-north-east, east and east-south-east) determine the development of crescent sand ridges, but winds that are approximately parallel to sand ridges form the secondary inter-ridge sand strips.     

风沙野外监测

提出了监测古尔班通古特沙漠风沙的方案，研制了YMZX多功能全自动野外风沙监测仪。YMZX在风洞实验中集沙量有效率为98％，其旋转部分不接触沙表面，集沙仪随风向的变化而旋转，可在极易风蚀土壤上运行，这种集沙仪已安装在古尔班通古特沙漠北部和南部使用，获取了一批风沙监测资料，可用于风沙运动规律及防沙治沙研究。     

沙漠地区沙尘天气近地层湍流输送特征分析

利用1996－04－20－50－10在内蒙古自治区吉兰泰气象站以及1997－04－05－27在内蒙古自治区阿拉善右旗气象站观测到的风，温，湿廓线资料，应用空气动力学方法，计算了每天各观测时次的流动量通量，湍流感热通量和湍流潜热通量，并且比较分析了荒漠下垫面不同沙尘天气状况下的湍流动量通量，感热通量和潜热通量的日变化。结果表明，在沙漠地区春季无降水天气状况下，晴空条件下，白天热力湍流基于动力湍流，在近地层最重要的物质交换是湍流感热交换，浮尘天气条件下，近地层湍流输送较晴空天气条件下弱；扬沙天气条件下，近地层湍流感热交换和湍流动力量流感热通量的峰值大于交换，并且湍流动量通量的峰值较晴空峰值大将近一个量级，湍流感热通量的峰值大于浮尘天气峰值，但小于晴空条件下峰值，沙尘暴天气条件下，湍流动量通量和感热通量一样都是最重要的湍流交换，湍流交换强于扬沙天气，强的感热对沙漠地局地性沙尘暴的产生和加强起着重要作用。     

Surface energy and radiation budget over a tropical station: An observational study

This study attempts to understand the variations in the radiation and surface energy budget parameters during days of occurrence and non occurrence of convective activity such as thunderstorms at Ranchi (23°25??N, 85°26??E), India using the special experimental data sets obtained during pre-monsoon month of May, 2008. For this purpose five continuous thunderstorm days (TD) of varying intensity, along with three non-thunderstorm days (NTD) preceding the TD are considered. Thunderstorms occurred at site are multi-cellular in nature. Change of wind direction and strong gusty winds are noticed in TD cases. Pre-dominant wind direction is south westerly for the TD; it is northwesterly during NTD. Sudden drop of air temperature and rise of relative humidity and rise/drop in atmospheric pressure is noticed during TD are found to be proportional to the intensity of thunderstorm event. More partitioning of net radiation (QN) is in to latent heat flux (QE) and the contribution of sensible heat flux (QH) and soil heat flux (QG) are same during TD. But in the NTD more partitioning of QN is in to QH followed by QG that of QE. Significant differences in radiation and energy budget components are noticed during TD and NTD events.     

CWHF型全自动集沙仪结构设计及应用性能野外验证

集沙仪作为一种风蚀研究装置,可直接和准确的测定风沙流中的输沙量和风沙流结构。为此,我们自行设计了一种全自动、高频风沙流采样器—CWHF全自动集沙仪,并通过与2 m高度风速和Sensit跃移撞击传感器的野外配合观测,对比分析其野外实地的应用性能。CWHF全自动集沙仪整体外形呈“L”状,其最大特点是集沙容器底部安装有高精度单点称重传感器,使其能够实现集沙累积值的实时高频测量及长时间的采样任务。在野外环境中对沙尘暴天气背景下的相关数据进行分析,发现CWHF全自动集沙仪的累积量和输沙通量均与风速和撞击颗粒数间有较高的一致性,其能够很好地捕捉沙物质的输移信息,野外应用效果良好。此外,通过其估算塔中流动沙面2015年5月18日和25日两次沙尘暴天气近地表100 cm高度内,宽度为100 cm的截面上的水平输沙通量分别为101.37 kg和110.83 kg。     

沙坡头人工植被区和流动沙丘上热量平衡观测研究

采用流动沙丘上人工植被和裸露流动沙丘下垫面近地层微气象实测资料，应用波文比法，计算了近地层感热和潜热通量＾２），并与作者在防风林干旱裸田和湿润小麦植被农田的结果进行比较分析。结果表明：在雨季的沙坡头地区流动沙丘人工植被上净辐射通量较强，可达６００Ｗ。ｍ＾－２以上，而净辐射的７０％左右的能量用于地表的蒸散，而感热散失和土壤贮存能量各占１５％左右；裸露流动沙丘上由于地表反射率大而净辐射通量小于植被区，     

沙尘暴过程中气象要素响应及输沙分析

通过野外监测系统获取的试验数据,对拐子湖地区2011年4月份一次强沙尘暴过程中贴地层微气象要素和输沙进行分析,得出如下结论：大气高温干燥,地表高温低湿、气压下降,风速增大是沙尘暴来临的前兆;沙尘暴过程中风向和风速相对稳定,气压、水汽压和相对湿度都会明显下降;地温下降速度较慢,土壤湿度略有上升;输沙量主要集中于距地表50cm以内高度层,在0-20cm高度层里输沙量呈增大趋势,20cm以上随着高度升高含沙量逐渐下降;跃移沙粒输沙量的空间分布与风向频率既有相似性,又有差异性;蠕移输沙量的方向分布比较复杂,同风向分布有显著的差异。这些结果对沙尘暴预报和沙源区的防风治沙有指导意义。     

巴丹吉林沙漠北缘沙尘天气过程中近地面气象要素变化及风沙流结构分析

提要：利用2013年春季在巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区的沙尘暴加强观测资料,对比分析该地区典型流动沙面晴天、扬沙和沙尘暴三种天气背景下各气象要素的变化特征及差异,同时对沙尘暴过程中近地层风沙活动特征进行分析。结果表明,随风速增加沙尘天气强度逐步提升且沙尘天气来临前风速、风向均表现出明显的调整现象,此后爆发过程中风速、风向相对稳定。随沙尘天气强度的增加气温逐渐减小且沙尘天气过程中地面呈利于沙尘起动的暖干状态,同时地面气压不断升高。悬浮的沙尘会导致拐子湖流动沙地各层地温有减小趋势,但减小程度相对较弱,使沙尘天气下各层地温仍保持良好的梯度变化和正弦型日变化趋势。拐子湖流沙地春季起沙风速为6.5m/s,输沙通量垂直分布状况在20cm左右具有明显的分段现象。地表100cm内总输沙量的50%和90%分别集中在地表20cm和56cm高度以内。观测期间整个5月地表0～100cm高度内的输沙通量为420.96kg/m。     

沙尘天气下输沙率的野外观测与分析

2014年7月—2014年8月借助风速仪、微梯度集沙仪,通过野外监测系统获取的试验数据,对塔中地区2014年7月—2014年8月沙尘天气过程中贴地层输沙率进行分析,得出:0～85 mm高度内,随着风速的增大,35～85 mm无论是绝对的输沙量还是相对的输沙量都减少。0～85 mm高度内,各层输沙率最大值均出现在风速为8 m·s-1左右,波动较为显著;最小值出现在6.5 m·s-1左右,波动不明显;沙尘天气中,输沙率最大值出现在5～15 mm高度,最小值出现在35～85 mm高度。扬沙天气中,风速9.2 m·s-1时,输沙率最大值在0～5 mm处。沙尘暴天气,拐点风速为7.5 m·s-1,7.5 m·s-1时,输沙率增加不显著,7.5 m·s-1时,输沙率增加显著。通过微梯度集沙仪获得的上述试验数据是风沙工程设计的一个极重要工程参数,具有重要的实践意义。     

Wind Regimes Windward of a Shelterbelt Protecting Gravity Irrigated Crop Land from Moving Sand in the Gezira Scheme (Sudan)

Summary  The work reported on was part of a more comprehensive study dealing with threatening sand movement towards the northwestern part of the Gezira irrigation scheme, Sudan. An irrigated sand blocking shelterbelt Eucalyptus microtheca is used to prevent canals and gravity irrigated crop land to be further affected. The objective of this paper is to report on the wind data that were obtained, mainly windward of this belt, and to deal with their implications and those of the belt characteristics and deposited sand in interaction with the wind for combating local sand movements and further desertification. Outside the influence of the belt, wind speed over eroded land was increasingly higher than that over irrigated land with the growth of cotton. Both these values were considerably higher than those reported from the nearest meteorological stations. The two prevailing winds, of which the summer SW wind was perpendicular to the belt, had consistent annual patterns during three years of observation. Also the diurnal patterns were very reproducible. Wind speed within the belt, at 1 m height, showed fast reduction inwards above the deposited sand. Efforts to control moving sand in the source area should be joined with those made at the borders of agricultural land. Received August 20, 1997 Revised September 30, 1998