旋转扰动流体中壁面湍流不稳定及其拟序结构研究I：实验

重点介绍和讨论了中性条件下旋转扰动流体中边界层强迫不稳定及其相关的一些问题,阐述了旋转体系中切变驱动边界层不稳定的动力学特征。这些不稳定状态的研究在大气物理学、流体动力学、海洋学等多个领域中引起科学家极大的兴趣,近年来在实验和理论研究中都得到了不断的发展。意大利都灵大学基础物理系地球科学实验组通过水槽旋转实验方法,不断改变水槽启动或结束时的旋转运动速度,以及底部壁面粗糙度等要素,所得到的实验结果与SDBL理论非常一致。     

旋转扰动流体中壁面湍流不稳定及其拟序结构研究Ⅰ:实验

重点介绍和讨论了中性条件下旋转扰动流体中边界层强迫不稳定及其相关的一些问题,阐述了旋转体系中切变驱动边界层不稳定的动力学特征.这些不稳定状态的研究在大气物理学、流体动力学、海洋学等多个领域中引起科学家极大的兴趣,近年来在实验和理论研究中都得到了不断的发展.意大利都灵大学基础物理系地球科学实验组通过水槽旋转实验方法,不断改变水槽启动或结束时的旋转运动速度,以及底部壁面粗糙度等要素,所得到的实验结果与SDBL理论非常一致.     

地表粗糙度非均匀性对模式湍流通量计算的影响

理论分析和数值试验结果表明,地表参量的不均匀性对网格区地表湍流通量的计算有重要影响。近中性大气层结条件下,次网格粗糙度长度的变差系数、网格平均粗糙度及参考高度的选取是影响网格湍流通量计算的主要因素,其中次网格粗糙度长度的变差系数对计算偏差起主要决定作用。实际计算表明,某些特定地区(如植被气候过渡带)粗糙度的地表非均匀性引起的计算相对误差可达40%以上,选取特定的参考高度能改善高网格湍流通量计算的效果。非中性大气层结条件下,由地表粗糙度不均匀性所致的平均风速、位温梯度以及近地层大气稳定度的次网格分布都对网格湍流通量(感热通量)计算产生影响,比较而言,相对误差大小对大气稳定度的次网格分布最为敏感。所以,在目前的数值模式中有必要进一步对湍流通量计算过程中由于地表不均匀性产生的计算偏差加以考虑。     

新月形沙丘迎风坡气流加速模拟

迎风坡气流加速是决定新月形沙丘发育和形态的动力因子，研究这一加速过程的定量关系有利于认识沙丘的发育、沙丘的形态、沙丘的运动等。通过大量的野外实测数据和前人的理论分析，得出沙丘迎风坡气流加速量主要和沙丘坡度、迎风坡前来流风速以及沙丘高度有关，并建立了新月形沙丘迎风坡气流加速和沙丘形态特征的定量关系。根据这一关系得了在风力较强的风沙环境中，沙丘坡度较小；在风力较弱的风沙环境中，沙丘坡度较陡。地表粗糙度越大，迎风坡坡度越陡。沙丘地貌发育高度存在一上限，这一上限与边界层厚度有关。     

节理岩体的分维特征及其工程地质意义

本文用分形理论,对节理网络分布和粗糙度曲线进行分形分析。结果表明,节理的空间分布和粗糙度曲线具自相似性;分维是一个表征岩体强度、岩体损伤程度、岩体质量及节理粗糙程度的几何参数,并可用于评价岩体稳定性、断裂体系活动性及划分风化卸荷带等。     

岩体结构面强度的 Mohr—Coulomb破坏判据与 Barton破坏判据的试验对比

岩体结构面强度是工程岩体稳定性设计中的重要参数,目前工程上常用的两个强度判据,即Mohr-Coulomb准则和Barton准则有各自适用条件。本文在对七组具不同岩性、不同粗糙度及起伏度红层样品进行试验的基础上,探讨了在试验过程中所揭示的强度周期性变化现象,同时基于两准则试验数据,分析了它们之间的区别,获得一些重要结论.即JRC、JCS越大,两准则差别越大;在低法向应力下两准则较接近,在高法向应力时,MC准则偏于危险。     

结构面粗糙度统计测量最小样本数确定方法

由于结构面粗糙度具有各质异性、各向异性、非均一性和尺寸效应等特征，结构面粗糙度系数（JRC）取值具有不确定性，工程中广泛采用统计方法来分析结构面粗糙度性质，然而以往研究往往忽略样本数不足对统计结果的影响。针对结构面粗糙度统计测量时无法确定合理样本数的问题，分别提出基于变异系数级比分析及简单随机抽样原理的最小样本数确定方法。以实际工程岩体结构面表面数据为研究对象，对比分析两种方法在系列尺寸下确定的统计测量最小样本数。实例分析表明：小尺寸样本的变异系数（CV）值明显大于大尺寸样本，且CV值随取样尺寸的增大而减小，取样尺寸为10～50 cm的CV值基本稳定在0.31～0.47之间，取样尺寸为60～100 cm的CV值基本稳定在0.21～0.31之间；最小样本数与取样尺寸基本满足幂函数关系，且最小样本数随取样尺寸的增大而减少；系列尺寸下级比分析方法在允许误差为±2%时确定的最小样本数与简单随机抽样原理在最大允许误差为10%、置信度为95%时计算的最小样本数是一致的，相似度大于0.997。该研究方法可为工程岩体中定量获取结构面粗糙度统计测量最小样本数提供依据，保证了JRC（结构面粗糙度系数）统计测量结果的准确性，对工程岩体稳定性评价中结构面力学参数的准确获取具有重要意义。     

运用SAR图像和TM热红外图像定量反演地表空气动力学粗糙度的二维分布

在分析“陆地表面与大气相互作用”研究领域对地表空气动力学粗糙度二维分布的科学需求后, 确定以SAR (Synthetic Aperture Radar)图像的后向散射系数与地表的几何特征参数、介电常数等参数具有定量关系的SPM(Small Perturbation Model)模型为基础, 提出了运用TM热红外图像和地面同步观测的微气象数据相结合的热惯量-土壤湿度反演模型, 获取了试验区内土壤表层的湿度信息, 通过与介电常数的链结, 从SAR图像的后向散射的复合信息中解析出像元尺度的非体散射地表的几何特征信息; 经过形态因子的转换, 在SAR图像和TM图像空间尺度转换的基础上得出非植被区的等效几何粗糙度信息. 再应用作物高度的光谱模型, 计算出试验区的作物高度后, 转换为等效几何粗糙度. 采用分层镶嵌等图像处理方法, 生成了试验区像元尺度的地表等效几何粗糙度的二维分布图. 根据大气湍流理论和大气稳定度订正方法, 对测量的大气温度剖面数据和风速剖面数据进行迭代运算, 获取了试验区内裸土及小麦植被等类型地表风浪区的空气动力学粗糙度实测值. 在分析风浪区等效几何粗糙度、动力因子、热力因子对空气动力学粗糙度的共同作用后, 建立了由地表等效几何粗糙度向空气动力学粗糙度转换的尺度转换模型. 运用实测值验证了这一系列模型最终反演结果, 表明整个研究思路是可行的, 并可望应用于与空气动力学粗糙度有关的地-气相互作用的区域化研究领域.     

几种不同下垫面地表粗糙度动态变化及其对通量机理模型模拟的影响

在众多地表通量模拟模型和遥感通量反演模型中,空气动力学粗糙度(z0)是一个重要的地表参数.选取代表典型农田的禹城站,代表复杂下垫面的千烟洲站和代表森林下垫面的长白山站3个通量观测站的风速和温度廓线资料,运用最小二乘法拟合迭代,分别计算得到各站点通量塔所在地的零平面位移和空气动力学粗糙度.在此基础上,分别分析不同下垫面的空气动力学粗糙度随作物高度和叶面积指数(LAI)、风向(地形)、风速、摩擦速度等因子的变化.并采用SEBS模型分析地表空气动力学粗糙度动态变化对地表通量计算的影响.结果表明空气动力学粗糙度随植被特征(如作物高度,叶面积指数等)以及风向、风速和摩擦速度等因子而变化.禹城和长白山站通量塔所在风浪区的空气动力学粗糙度明显随作物生长期植被高度及叶面积指数变化,即先随LAI增加而增加,达到峰值后,随LAI增加而减小;千烟洲叶面积指数变化较小,空气动力学粗糙度随叶面积指数的变化不明显;地形较平坦的禹城和长白山站空气动力学粗糙度随风向变化较小,而地形起伏较大的千烟洲站空气动力学粗糙度随风向变化较大.随着风速的变化,禹城站空气动力学粗糙度没有明显变化,而千烟洲和长白山空气动力学粗糙度表现出随风速增加而减小的趋势.各站空气动力学粗糙度的这种动态变化对模型通量反演有较大影响,通过模型分析,5月1日～6月3日禹城空气动力学粗糙度日平均值、千烟洲及长白山通量塔空气动力学粗糙度5d平均值与模型所取z0值相比,由于z0的动态变化造成相同时间尺度显热通量H的计算相对误差的绝对值最大可分别达到2.726%,33.802%和18.105%.