空气动力学粗糙度研究进展

空气动力学粗糙度是衡量地球表面与大气之间动量和能量交换的重要参数,对于研究各种地表过程和气候变化至关重要。遥感技术作为远距离监测手段,研究空气动力学粗糙度时其优势在于高时效、高经济效益,能实现区域或大空间尺度的动态监测,因此利用遥感技术估算空气动力学粗糙度成为热点问题。通过系统阐述近年来国内外空气动力粗糙度研究进展,重点介绍了利用遥感技术估算植被下垫面空气动力学粗糙度的方法,对各种估算方法的优势和不足进行了总结,分析了气象因素和地表粗糙元形态特征因素对空气动力学粗糙度的影响,进而对遥感技术在该领域的应用做出展望,旨在为空气动力学粗糙度遥感监测的研究提供思路。     

砾石床面的空气动力学粗糙度

通过砾石床面的空气动力学粗糙度(Z₀)的风洞实验研究,结果表明,砾石床面的空气动力学粗糙度(Z₀)与砾石粒径、砾石覆盖度和自由风速有关,Bagnold的1/30定律和其它有关空气动力学粗糙度与粗糙元高度的固定比例对砾石床面都不适用。在各种一定砾石覆盖度条件下,砾石床面的Z₀随自由风速的增加而呈指数衰减。在各种一定自由风速条件下,Z₀随砾石覆盖度C的变化遵循二次曲线:Z₀=F₁+F₂C+F₃C^1.5+F₄C²,砾石覆盖度为40%~75%时,Z₀达到最大值。建立了包含自由风速和砾石覆盖度两个因子的Z₀的双因子综合模型。     

固定沙质床面的空气动力学粗糙度

通过固定沙质床面的空气动力学粗糙度z₀的风洞实验研究,结果表明,z₀与沙粒粒径的关系为:z₀=a₁+b₁D²ln(D),并非Bagnold的1/30定律,也不是其他研究者的z₀与沙粒粒径D的固定关系。Bagnold的1/30定律仅对有限风速情况和非常狭窄的颗粒粒径范围有效。风也是影响空气动力学粗糙度的活跃因子。z₀与沙粒粒径,z₀与摩阻速度,z₀与摩阻雷诺数之间的关系都与风速有关。类似于水利学粗糙度,将空气动力学粗糙度划分为空气动力学完全光滑区、过渡区和完全粗糙区三个区域。     

粗糙元几何参数的交互作用对床面空气动力学粗糙度的影响

 为了全面地揭示粗糙元的所有几何参数的交互作用对空气动力学粗糙度的影响,利用风洞实验研究了粗糙元高度、密度、高度与间距比、孔隙度和方向比率等几何参数交互作用对空气动力学粗糙度的影响。结果表明,密实和孔隙粗糙元的无量纲空气动力学粗糙度（空气动力学粗糙度度/粗糙元高度）均可表示为粗糙元密度/等效密度的正比例函数,而比例系数反映了粗糙元几何参数交互作用。据此,该研究发展了一个全面反映粗糙元高度h、密度/等效密度λ、高度与行间距比Sp和方向比率AR等几何参数交互作用的空气动力学粗糙度模式:Z0h=-0.0028+0.5403S0.32p·AR-0.07·λ。该模式改进了模拟的精度,扩大了适用范围。     

耕作土壤表面的空气动力学粗糙度及其对土壤风蚀的影响

土壤表面粗糙度是影响耕作土壤抗风蚀能力的一个重要因素。根据风速廓线计算得到的空气动力学粗糙度,可以简捷而有效地刻画土壤表面的空气动力学性质。风洞模拟实验表明,耕作土壤表面的空气动力学粗糙度主要取决于暴露地表的土块直径,在土块大致均匀分布的条件下,直径愈大,空气动力学粗糙度愈大。土壤风蚀速率则随空气动力学粗糙度的增大而迅速减小,二者具有良好的相关性。     

数值模拟气流特征和砾石几何参数对床面空气动力学粗糙度的影响

本文应用流体计算软件FLUENT6.3,采用非结构化网格划分技术模拟了气流特征和砾石几何参数对床面空气动力学粗糙度的影响。结果表明：空气动力学粗糙度（z₀）与风速（u）、摩阻速度（u_*）之间存在定量关系：z₀=a exp（bu/u_*）。砾石高度对空气动力学粗糙度的影响显著优于砾石直径,空气动力学粗糙度随砾石密度的变化比较复杂,先增加后减小。FLUENT在模拟风洞砾石床面动力学过程中的成功应用,是我们在研究方法上的一次有益尝试。     

植被覆盖地表空气动力学粗糙度与零平面位移高度的模拟分析

 空气动力学粗糙度、零平面位移高度是植被覆盖地表的两个重要的空气动力学特征参数,利用数值计算的方法,运用Matlab软件编程,对内蒙古四子王旗草地地表的空气动学粗糙度、零平面位移高度进行模拟计算、绘图及分析。得到了在8种植被密度和6种植被高度情况下摩阻速度、空气动学粗糙度、零平面位移高度与风速的关系,并与野外实验数据进行对比分析,发现模拟值可以很好的反映空气动力学参数的性质。进而分别得到了包括植被密度的风速与摩阻速度、空气动学粗糙度的关系式和包括植被高度的风速与摩阻速度、空气动学粗糙度的关系式,这有助于进一步研究该地区草地风沙运动机理,以及床面与近地层气流相互作用的力学性质。     

塔克拉玛干沙漠肖塘地区空气动力学粗糙度分析

利用塔克拉玛干沙漠北部肖塘地区梯度自动站2007年1月1日至2007年5月31日的观测数据,计算出该区域中性条件下粗糙度范围是1.00×10-11~1.65×10-3 m,平均粗糙度为6.05×10-5 m,接近沙粒粒径的1/30,与平坦沙面粗糙度相似。摩擦速度的范围是0.14~2.33 m·s-1,平均值1.24 m·s-1。粗糙度随下垫面性质变化明显,与稳定度呈正相关,与风速呈负相关,摩擦速度随粗糙度增大而减小。     

粗糙床面风廓线统一对数区的空气动力学粗糙度及其空间变异特征

为了进一步理解粗糙床面阻力效应,减小空气动力学粗糙度测试中的不确定性,依据风沙风洞测试的3类粗糙元（细高粗糙元、孔隙粗糙元和粗矮粗糙元）覆盖的39个粗糙床面在不同自由风速下的风廓线数据,提出了风廓线统一对数区的概念并得出以下结论：粗糙床面风廓线统一对数区范围约在0.1～0.3 h至边界层顶部,空气动力学粗糙度是变应力层内床面对气流阻力效应的垂向平均;在统一对数区内拟合的空气动力学粗糙度的垂向变异分为先增后减型（概率为71%）、减小型（20%）和增加型（9%）等类型,而采用统一对数区的空气动力学粗糙度可以避免垂向变异带来的不确定性;统一对数区的无量纲空气动力学粗糙度随粗糙元密度以幂函数形式增加的特征,进一步表明该指标能更好地表征粗糙床面对气流阻力效应;尾涡流风廓线统一对数区的空气动力学粗糙度约为街流区1~5倍,表明街流区风廓线统一对数区的空气动力学粗糙度是模拟跃移起动更合适的参数。     

雅鲁藏布江中游平坦流沙地表空气动力学特征北大核心CSCD

近地层空气动力学过程及特征是影响风沙运动过程及强度的重要因素,受地表粗糙元特征和空气密度等多种因子的影响,是风沙科学研究的重要内容。雅鲁藏布江中游是青藏高原风沙活动最频繁的地区之一,但对其流沙地表空气动力学过程的研究较为薄弱。基于日喀则宽谷和山南宽谷的野外实测风速资料,对流沙地表的风速廓线、空气动力学粗糙度(z_(0))和摩阻风速(u_(*))进行分析,旨在为高海拔风沙运动过程、机理提供理论依据,同时为该地区风沙灾害的防治提供思路。结果表明:(1)空气密度为0.84±0.02 kg·m^(-3)时,流沙地表的风速廓线满足对数函数关系。高海拔地区风速廓线平均截距和斜率大于低海拔地区,说明由海拔引起的空气密度影响近地层气流运动。(2)雅鲁藏布江中游摩阻风速随风速增大而线性增大(R^(2)>0.75),但二者的拟合系数大于前人的研究结果,进一步说明空气密度影响近地层气流运动。(3)u_(*)和z_(0)满足指数模型z_(0)=b_(1)exp(u_(*)/b_(2))+b_(3)。(4)相似均质下垫面条件下,u_(*)和z_(0)与气温、湿度和海拔呈显著正相关,气温的影响最大。     

戈壁风蚀面与植被覆盖面地表性质粗糙度长度的确定

以Monin-Obukhov相似性理论为基础, 利用量纲分析法分别推导出不同层结稳定度下确定戈壁风蚀面与植被覆盖面空气动力学参数的物理模型, 并利用该模型研究了粗糙度长度与粗糙元性质, 流经近地层流体特征以及大气层结稳定度之间的关系。得出以下结论: 戈壁风蚀面上空气动力学粗糙度长度与砾石粒径、高度、覆盖度、自由风速、摩擦速度以及大气层结稳定度有关; 植被覆盖面空气动力学粗糙度长度取决于植被类型、植被高度、覆盖度、零平面位移高度、自由风速、摩擦速度以及大气层结稳定度。     

荒漠区粗糙度长度的确定及在模式中的应用

利用2005年进行的“绿洲系统能量与水分循环补充观测试验”第3阶段的观测资料计算了金塔试验区内戈壁和沙漠的动力学和热力学粗糙度长度,沙漠和戈壁的动力粗糙度长度分别为1.81×10-3m和1.64×10-3 m,与黑河试验结果基本一致,均为沙漠的动力粗糙度大于戈壁。试验区内沙漠和戈壁的热力粗糙度长度分别是0.28×10-3 m和0.62×10-3 m。将计算得到的粗糙度长度代入Noah陆面模式,模拟的戈壁、沙漠上的地表温度和感热通量同观测值较为一致,优于原粗糙度长度的模拟结果,大大提高了该模式在沙漠、戈壁特殊区域的模拟能力,有利于将耦合了Noah模式的中尺度模式更好地应用到绿洲系统的研究中。     

直立植物防沙措施粗糙特征的模拟实验

通过风洞模拟实验研究了直立植物防沙措施的粗糙特征及其影响因素。实验结果表明,在各种一定风速条件下,对数风速廓线中的粗糙度Ｚ０ＳＦ值随植物密度的增加呈幂函数增加,幂函数的指数〈１;而在各种一定植物密度条件下,Ｚ０随风速的增大而减溃,遵循单分子增长风线的指数函数。根据实验结果建立的包含风速和植物密度两个因子的Ｚ０的双因子综合模型对Ｚ０的预测值与实验值吻合得比较好。对数风速郭线中的Ｚ０是一个反映近地表气     

Experimental Determination of the Roughness Length for Temperature Over a Field of Tall Grass in Central Sweden

The aim of this study was to analyse wind, temperature and humidity profiles, surface radiation temperature, and eddy correlation fluxes of momentum and heat over a grass field in order to obtain a better parameterisation of exchange processes over such a surface. The study was performed under summer conditions over a formerly cultivated, uniform and well-watered field of tall grass in central Sweden. An unusually low displacement height, d, was found, at 0.25 times the maximum canopy height h. The roughness length for wind speed could be approximated with the relation z_ou = 0.15(h–d). The relations of d and z_ou would be closer to the traditional ones if a mean canopy height, which is about half of the height used here, had been used in the analysis. The estimation of the quantity kB^–1 required accurate determination of the surface temperature. The radiometric surface temperature was measured by two different radiometers, one collecting thermal radiation at angles 0–45° and measuring effectively at 30° from nadir, and the other having a field of view of 15° and being tilted at 45° from nadir. The detected directional variations in the surface radiation temperature were within ± 1K, and the former radiometer, which was judged to be more accurate, was used for further analysis. The quantity kB^–1 was expressed through the roughness-sublayer Stanton number and drag coefficient. Methodologically, the most accurate determination of the Stanton number was to plot the air-surface temperature difference versus the temperature scale multiplied by any other relevant parameter. The quantity kB^–1 showed a dependence on the roughness Reynolds number, Re_o, and it took the form kB^–1 = 0.08 Re_o^0.5–1.9; its value varied between 0 and 4 for the present range of Re_o. These results are judged to be in good agreement with theory, considering the complexity of natural surfaces and the simplifications used in the theoretical deductions.     

山区林地粗糙度的推求

应用实测资料计算复杂地面森林冠层的动量、潜热和粗糙参数以及动量总体输送系数（CM）、热量总体输送系数（CH）和水汽总体输送系数（CE）的参数。使用最大相关法计算本地风的粗糙度Z0M与零通量面d0M,同样结果较满意。在假设θS=θRAD的情况下计算水汽粗糙度Z0H,表明斯坦顿系数S-1t=ln（Z0M/Z0H）/K比过去的调查结果大。温度的零通量计算结果为d0H=（11.9）,该值与d0M值（=12.8）相近。通过修改后方程计算表面湿度参数α,表面湿度参数α的值为0.61,该值与冠层的相对湿度相近。因此α的值可以用冠层顶部的相对湿度来计算。计算森林区粗糙度的方法和模型可推广应用到黑河流域。