不同下垫面沙尘起扬的风洞实验与野外观测研究

通过野外观测与风洞实验相结合的方式，对不同下垫面的沙尘起动与起扬进行实验观测研究。野外实验选择在甘肃民勤地区进行，选取绿洲、绿洲-沙漠交错带以及沙漠三种下垫面进行对比实验观测，研究不同下垫面沙尘起动以及沙尘暴期间近地表湍流风场、沙尘浓度和沙尘通量的变化规律。在风洞中作出相应的模拟，通过高频风速测量仪器（热线风速仪，超声风速仪，PDA）与先进的图像采集系统（PIV，高速摄影仪）对不同下垫面下的风速湍流特征、颗粒运动速度特征进行实验分析，研究不同地表情况下沙尘颗粒的起动风速、沙尘颗粒的运动速度、沙尘颗粒垂直通量、地表起沙率及其变化规律。结合野外观测与风洞实验测量，分析沙尘起扬机理及其影响因素，为沙尘起动与起扬模型的建立提供相关实验数据，进而为荒漠化防治和减轻沙尘暴灾害提供科学理论和依据。

了解沙尘起扬过程对控制地表土壤风蚀，消减风沙天气危害具有重要的意义。项目通过野外观测与风洞实验相结合的方式，对不同下垫面的沙尘起动与起扬进行实验观测研究。野外实验选择在甘肃民勤地区进行，选取绿洲、绿洲-沙漠交错带以及沙漠三种下垫面进行对比实验观测，研究不同下垫面沙尘起动以及沙尘暴期间近地表湍流风场、沙尘浓度和沙尘通量的变化规律。在风洞中作出相应的模拟，通过高频风速测量仪器（热线风速仪，超声风速仪，PDA）与先进的图像采集系统（PIV，高速摄影仪）对不同下垫面下的风速湍流特征、颗粒运动速度特征进行实验分析，研究不同地表情况下沙尘颗粒的起动风速、沙尘颗粒的运动速度、沙尘颗粒垂直通量、地表起沙率及其变化规律。结果表明：近壁面湍流猝发对沙尘颗粒起动有着直接的影响，在相同摩阻风速的情况下，平均起跳颗粒数随着粒径的增大，先增大后减小。在相同颗粒粒径的情况下，上扬的沙尘颗粒数是随着摩阻风速的增加而增加；沙尘颗粒的上扬量在相同的来流风速的条件下，随着颗粒粒径的增大而逐渐减少，呈非线性的变化趋势，而质量上扬量随着摩阻风速与颗粒粒径的增加一直在增大。与轰击排放相比，气体夹带造成的释放通量较小，但在跃移运动不明显的低风条件下，气体夹带是地表粉尘释放的主要原因；地表粉尘供应的限制是制约流体释放的主要原因，同时对跃移轰击较弱时的轰击效率也有一定影响；剧烈的地表颗粒运动（跃移和蠕移）引起的地表更新是解除粉尘供应限制的重要途径，有效的地表更新可以维持一定的流体释放和轰击效率；现有的粉尘释放模式可以在一定程度上预测地表的粉尘释放通量，但由于忽略了流体释放和地表更新效果的影响而难以对粉尘释放量进行准确的预测。已有模式低估了大气粉尘的沉降速度，尤其在地表较为粗糙的情况下，拦截效应在现有模式中被严重低估。本项目研究提出了一套改进的粉尘沉降模式。通过建立地表粉尘吸收和地表动量损耗的关系，地表阻力分配理论（Drag partition theory）连同相关的地表参数化方法被引入到粉尘沉降模式中。 改进的模式可适用于各种地表类型（光滑或粗糙）。 通过与风洞实验数据和已有模式的比较表明：新的模式比以往模型能更好的符合风洞实验结果。 通过洞模型输入参数的灵敏性分析发现：新引入的地表参数（即粗糙物迎风盖度）对各种大小粉尘颗粒的沉降速度都有较大影响。以上结论的获取将为荒漠化防治提供新的科学理论和技术支持。