沙尘起动初期近地面浓度分布数值模拟研究

对沙尘事件发生初始阶段近地面空间的风沙运动进行了数值模拟研究。考虑固相的剪切黏性、总体黏性、气固相间动量交换、升力等,建立了一个二维气固两相流动数学模型。采用Fluent流体力学软件,进行数值计算。对一组风洞实验数据进行了模拟计算,验证了本模型和计算方法的正确性。研究区域高500 m、长1 000 m。近地层风速廓线采用指数式。沙尘粒度分布用R-R分布;粒径5~150 μm。模拟计算得出近地层内不同风速、沙粒直径的风沙速度及沙尘体积浓度空间分布。结果表明,沙尘起动初期分为发展壮大、回落、稳定3个阶段。沙尘卷起的发展段长度、沙尘卷扬高度及浓度分布曲线形状,均随沙粒和入口风速而明显变化。到达稳定阶段,沙尘浓度沿高度的分布表现为,近地面存在一个均匀的浓度层,即饱和层,其浓度、高度取决于风速和沙粒粒径;饱和层以上沙尘浓度呈指数衰减。     

紊流风场中起跳沙粒的轨迹特征

运用颗粒流体二相流的随机行走扩散模型(DRW)研究了紊流风场下起跳沙粒的运动轨迹特性。得出了轨迹特性(长度、高度、撞击角)随沙粒的大小和风速的变化规律,发现随沙粒粒径的减小紊流脉动对轨迹的影响显著增大。粒径在200μm以下时,紊流风场下计算得的轨迹形状与平均风场下得到的轨迹有明显差异。     

中国北方地区尘卷风时空分布的数值模拟

尘卷风是沙尘气溶胶的重要来源,它可能对全球和区域环境、气候有重要的影响。为了获得尘卷风起沙量的时空特征,通过利用尘卷风起沙参数化方案并将其耦合到WRF(Weather re-search and forecasting model)模式中,模拟了中国北方尘卷风的日月时空变化特征。结果表明:(1)在10:00—14:00(北京时),每日空间分布从东往西尘卷风逐渐出现且强度逐渐增强,然后在14:00—20:00,尘卷风区域从东逐渐向西收缩且强度逐渐减弱。月空间分布从3月起逐渐在塔克拉玛干沙漠、库姆塔格沙漠和柴达木盆地出现了尘卷风中心,然后逐渐扩展到所有沙漠并在6月达到峰值。7月以后尘卷风出现区域与强度急剧下降,到10月已经没有尘卷风出现。(2)塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠的尘卷风日变化均呈单峰分布,从早晨09:00开始出现,到14:00—15:00达到峰值,之后快速下降。其月变化趋势大体均呈单峰分布,从3月开始尘卷风出现并且强度增加,到6月达到峰值,然后快速下降,9月底尘卷风消失,巴丹吉林沙漠尘卷风波动幅度大于塔克拉玛干沙漠。(3)模拟与观测的尘卷风日、月时间变化特征在细节上略有不同,但二者的趋势是大体一样,表明尘卷风起沙参数化方案具有较高的适用性。这一研究成果将有助于我们对沙尘气溶胶的来源、环境和气候变化的深入理解。     

塔克拉玛干沙漠腹地复合型纵向沙垄区近地层沙尘水平通量及粒度特征

利用BSNE梯度集沙仪采集塔克拉玛干沙漠腹地复合型纵向沙垄区近地层80m高度内秋季不同高度的沙尘物质,探讨沙尘天气下水平输沙通量差异及沙尘的粒度特征。结果表明：由于受到复合型纵向沙垄的影响,沙尘天气过程近地层沙尘水平通量并不遵循幂函数或指数函数分布,在20m以下随高度增加而降低,在32~63m随高度增加而增大,并且在24m和63m两个高度处出现转折点。各层沙尘平均粒径64~80μm,以极细沙为主,分选系数0.96~1.12,分选性中等偏差。粒径频率曲线呈双峰分布,主峰值出现在80~110μm,次峰值在10~12μm,反映了沙尘组成的复杂性,远源沙尘在各高度层的变化幅度较小,以局地和区域源为主。沙尘水平通量与沙尘粒度变化表明沙尘天气主导风速风向、强烈的上升运动及纵向沙垄是影响沙尘水平通量垂直差异的重要因素。     

扬沙和沙尘暴对导线电位影响的风洞模拟实验

根据风洞模拟实验，研究发现扬沙和沙尘暴过程中：①导线电位随风速及输沙量的增大，呈指数规律递增；②随沙粒粒径的增大，电位差随高度的变化具有上扬的趋势；③粒径愈大，电位差反而减小；④沙尘暴中导线电位高于扬沙天气；⑤伴雨状况下的沙尘暴较之非伴雨状况下具有较强的电位差；⑥导线材料相同时，导线直径越小，电位差愈大；⑦导线直径相同时．铝线较之铜线具有较强的电位差，且当裸铝线两端加电压2～4kV时，出现尘端放电现象。     

尘卷风的研究进展

尘卷风是一种发生在大气对流边界层内,能将沙尘或者碎屑等物体扬到高空、具有温度较高的低压核心和较短生命周期的旋风,是自然界中一种最常见的自然现象,也是气象学中最独特的内容。回顾尘卷风的研究历史,主要包括尘卷风的气象要素与环境效应,尘卷风研究的三种方法及取得的成果,粉尘颗粒在尘卷风中的悬移运动及其分层机制,粉尘活动与颗粒荷电,提出了进一步研究的主要内容。     

沙尘天气、尘卷风对沙漠地区起沙量的贡献

降尘量能很好地反映整层沙尘气溶胶的信息。基于WRF/Chem沙尘暴模式及大气边界层的观测资料,获得了包括尘卷风起沙过程的日、月和年总起沙量,进而分析它们与自然降尘量之间的关系。结果表明:(1)半定量的沙尘天气日数与逐月降尘量呈极显著的正相关,但无法更精细地量化降尘量的来源;(2)模式量化计算的沙尘天气起沙量与降尘量的变化大体一致,它对总起沙量的平均贡献率为76%;(3)尘卷风对总起沙量的贡献达到了24%,在无沙尘天气的时段,降尘量100%来自尘卷风的起沙量;(4)沙尘天气和尘卷风构成的总起沙量和降尘量在月、年变化都有极其显著的正相关,均通过了0.001极显著检验。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘气溶胶质量浓度垂直分布特征

 利用Grimm 1.108、Thermo RP 1 400 a以及TSP等仪器于2009年1月至2010年2月对塔克拉玛干沙漠腹地塔中不同高度沙尘气溶胶质量浓度进行连续观测,结合天气资料进行分析。结果表明:①80 m高度PM10质量浓度最高,80 m高度PM2.5和PM1.0质量浓度明显低于4 m高度PM10,80 m高度PM1.0质量浓度最低。频繁的沙尘天气是影响不同粒径的沙尘气溶胶浓度含量的主要因素。②夜间至日出,PM质量浓度逐渐降低,最低基本上出现在08:00,随后质量浓度逐渐增大,18:00前后浓度达到最高值,然后又逐步降低。其规律与风速的昼夜变化完全一致。③TSP月平均质量浓度高值主要集中在3—9月,其中4月和5月浓度最高,随后逐渐减低。3—9月也是PM月平均质量浓度的高值区域,4 m高度PM10月平均质量浓度最高发生在5月,其浓度为846.0 μg·m-3。80 m高度PM10浓度远高于PM2.5和PM1.0浓度,PM2.5和PM1.0浓度相差较小。风沙天气对大气中的不同粒径粒子的浓度含量影响较大,风沙天气越多,粗颗粒含量越高,反之则细颗粒越多。④沙尘天气过程中不同粒径沙尘气溶胶质量浓度变化具有晴天<浮尘天气<扬沙天气<沙尘暴天气的规律。各种沙尘天气中,PM10/TSP表现为晴好天气高于浮尘天气,浮尘天气远高于扬沙和沙尘暴天气。⑤沙尘天气过程中,沙尘气溶胶浓度随着粒径的减小,浓度逐渐降低。不同高度、不同粒径的沙尘气溶胶质量浓度每隔3~4 d形成一个峰值区,与每隔3~4 d出现沙尘天气强度增强过程直接相关。     

风力作用下沙粒蠕移概率的转化特征

建立了沙粒从蠕移状态向静止、跳跃转化以及继续滚动的概率模型.根据滚动沙粒简化的运动方程,结合两个关键随机变量-沙床表面风速和床面位置参数,求出了静止概率、滚动概率、跳跃概率随时间变化的表达式.在此基础上通过对时间求极限得到稳定情况下沙粒处于三种运动状态的概率.利用沙粒蠕移概率除蠕移概率和跃移概率之和,得到沙粒相对蠕移概率,并以此反映蠕移输沙量占总输沙量的比例.计算结果表明,三种转移概率是时间、沙床表面风速和沙粒直径的函数.静止概率随时间增大而增大,但随粒径增大而减小;滚动概率随时间的变化根据粒径的不同表现出不同的特点.粒径较小,滚动概率随时间的增大先增大后减小,存在极大值;粒径较大时,滚动概率随时间的增大逐渐增大,不存在峰值.跳跃概率随时间的增大而增大.三种概率达到稳定状态所需要的时间随粒径的增大而减少.同粒径的沙粒在相同的时间内,三种转移概率会趋于定值.稳定概率和相对蠕移概率由沙床表面风速分布和粒径大小来确定,具有很大的取值范围;静止稳定概率和跳跃稳定概率随粒径的增大分别增大和减小;而滚动稳定概率随粒径的增大逐步先增大后减小.在一定风速条件下,相对蠕移概率随风速和方差的变化都不大,沙粒粒径是最主要的影响因素.     

塔克拉玛干荒漠-绿洲过渡带尘卷风活动特征——以肖塘为例

利用1992—2011年塔克拉玛干沙漠北缘荒漠-绿洲过渡带肖塘气象站的观测资料,分析了该地区尘卷风的年、月变化规律及其与气象因子的关系。结果表明:(1) 1992—2011年尘卷风发生日数总体呈波动递减趋势;尘卷风主要发生在3—9月,占全年总日数的90.9%,其中4—7月占全年总日数的70%左右。(2)尘卷风月发生日数随月平均地表与1.5 m高处温差的增大而线性增加(r=0.875,P<0.01)。(3)尘卷风月发生日数随着月平均风速的增大而幂函数增加(r=0.89,P<0.01)。(4)尘卷风月发生日数随月平均相对湿度的增大而线性减少(r=-0.869,P<0.01)。     

Clearing enhances dust devil formation

In the southwest of Western Australia, the large scale replacement of native perennial vegetation with agriculture based on winter growing annual species leads to a significant change in the surface albedo and roughness. Whilst the redistribution of the surface energy balance impacts on cloud climatology, the reduced roughness of the agricultural area has enhanced the injection of aerosols into the atmosphere through the increased potential for dust devils. Although the native vegetation experiences a higher sensible heat flux, it is the reduced frictional drag of the cleared agricultural lands that enhances the potential for dust devil formation and thus provides an additional source of atmospheric aerosols.     

海岸横向沙脊表面风沙流结构粒度响应的野外观测研究

 风沙流中沙粒粒度组成的垂向变化及不同粒径沙粒的垂向分布特征等是风沙流结构粒度响应的基本研究内容,但一直较缺少野外观测实证证据。在我国海岸沙丘集中分布的河北昌黎黄金海岸,选择规模高大、形态典型的横向沙脊,采用野外梯度风速仪和平口式积沙仪对其顶部风沙流结构的粒度响应进行了野外实地观测。结果表明,海岸沙丘表面风力的分选作用明显,与横向沙脊表面相比风沙流所含沙物质中细沙组分比例增多、粗沙组分比例降低;粒度构成的垂向变化是,在风沙流0—10 cm、10—40 cm和40—60 cm三个高程段内,分别是以中沙为主、中沙与细沙并重和以中沙为主,其中中沙含量在三个高程段内分别呈现出自地表向上逐渐降低、含量比较稳定、向上逐渐升高的垂向变化,细沙则呈现相应的反向变化,随之平均粒径也呈现为自下而上逐步变细、比较稳定到逐渐变粗的变化,但分选系数、偏度和峰态无明显差异;横向沙脊顶部的风沙流结构整体符合指数分布,但不同粒径沙粒的垂向分布特征并不相同,其中粗沙为幂函数分布,细沙遵循指数函数递减,中沙的指数函数和幂函数拟合均有较高相关系数,但在0—40 cm高度内更符合指数函数分布。     

The distribution of velocity and energy of saltating sand grains in a wind tunnel

Sand transport by wind is a special case of two-phase flow of gas and solids, with saltating grains accounting for about 75% of the transport rate. This form of flow is not only the main external agent moulding aeolian landforms but also the motive force responsible for transport, sorting and deposition of aeolian sediments. High-speed multiflash photography is an effective method of studying the distribution of velocity and energy of saltating grains within the boundary layer of wind tunnel. The experimental wind shear velocities were set at 0.63, 0.64, 0.74 and 0.81 ms⁻¹. The statistical study of the results showed that there is a power function relation between mean velocity and height of saltating grains. As the height is divided into 0.5-cm intervals, the sand grain velocities at various levels are consistent with the Pearson VII distribution pattern. The variations in kinetic energy and total energy of sand grains with height accord with the pulse peak modified with power term (Pulsepow) law; the maximum values occur at heights of 6 cm or so and tend to shift upward with increasing wind velocity.     

偏西风作用下敦煌月牙泉金字塔沙山顶部风沙流初步观测研究

金字塔沙山丘体高大,形态复杂,坡面风沙动力过程实地观测困难,至今尚无坡面风沙流野外观测数据。通过新研制自动集沙仪,对偏西风作用下敦煌月牙泉北侧金字塔沙山顶部风沙流进行了实时观测,共观测8组近地表51.4 cm高度内输沙数据,各观测时段中2 m高度平均风速7.46～14.15 m·s^-1,各组观测时长18~95 min。结果表明：偏西风纵向气流作用下金字塔沙山风沙流结构与平坦地表一致,即输沙量随高度增加呈单一的指数规律递减,且风沙流主要在近地表30 cm高度内输移。风沙流结构特征值λ以大于1为主,且随风速增大而增大,表明金字塔沙山坡面过程主要表现为风蚀过程。偏西风作用下金字塔沙山风沙流中沙粒以细沙为主,平均粒径随高度增加而减小;沙山迎风坡沙粒从坡脚到沙脊线逐渐粗化,风蚀作用增强,细沙从而随风沙流搬运至沙山顶,对金字塔沙山多以细沙为主的格局形成起重要作用。     

海岸风沙流中不同粒径组沙粒的垂向分布模式

通过对河北昌黎黄金海岸沙丘风沙流的野外实地观测与室内风洞模拟实验数据的数值模拟,探讨了我国典型海岸沙丘风沙流中不同粒径组沙粒输沙量的垂向分布模式。结果表明,河北昌黎黄金海岸沙丘表面风沙流中不同粒径组沙粒输沙量的垂向分布特征并不一致,其中细沙和中沙符合典型的指数递减分布规律,但粗沙则为负幂函数分布。究其原因,主要与不同粒径组沙粒输沙量的分布高度及运动方式差异有关。在实际非均匀沙床面上,粗沙主要集中分布于沙丘表面4cm高度内湍流发育的近地表层,运动方式以蠕移为主,沙丘表面湍流的主导作用使其输沙量随高度的变化满足负幂律关系,但中沙和细沙则以跃移运动为主,跃移沙粒输沙量的垂向分布呈现指数递减特征。     

雅鲁藏布江米林宽谷段爬升沙丘粒度分异特征研究

雅鲁藏布江米林宽谷段爬升沙丘分布广泛。选择卧龙镇西侧雅鲁藏布江右岸典型爬升沙丘,根据沙丘爬升高度和叠置沙丘地貌部位对其表面沉积物进行了系统采样。作为河谷风沙地貌的重要组成部分,相应采集了河漫滩、阶地沙丘沙样品。粒度分析表明,爬升沙丘对河漫滩沙丘、阶地沙丘在物源和形成过程方面具有继承性,其表面沉积物以细沙和极细沙为主(2.07～3.71Φ),分选中等或较好(0.20～1.41Φ),细偏,多峰。由坡脚向丘顶的沉积物粒径变细,分选变好,偏度和峰度降低。爬升沙丘表面叠置沙丘的粒度向丘顶变粗、分选变好。细沙、极细沙等粒级组分与高度相关,反映颗粒爬升能力不同。叠置条带状沙丘脊部和槽部的粒度存在分异。     

沙尘暴中球形沙粒局部带电对电磁波的交叉去极化效应

 基于小粒子散射的Rayleigh近似,给出局部带电小圆球粒子在不同极化方式入射波作用下的前向散射振幅函数,以及差分衰减、差分相移表达式,同时计算了线极化毫米波在带电沙尘暴中传播的交叉去极化分辨率。结果表明,圆球粒子局部带电时也会使得入射极化波产生去极化效应,且入射波的去极化效应随着电荷分布角的增加先增强后减弱,在90°角达到最大值;随着荷质比、入射波频率的增加不断增强,随着能见度的增加不断减小。结果说明,在沙尘暴中的无线电接收装置设计时必须考虑到沙粒带电对通信信号的去极化影响。