發(fā)布時(shí)間：2020-09-25 14:25

　　 基于沙塵暴野外觀(guān)測(cè),建立有效的沙塵暴定量模擬的數(shù)值模型,實(shí)現(xiàn)大氣表面層內(nèi)沙塵通量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),有助于準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和預(yù)警沙塵暴。然而,目前的沙塵預(yù)報(bào)模式中,無(wú)法模擬沙塵的湍流輸運(yùn)過(guò)程,使得下墊面沙塵通量不準(zhǔn)確進(jìn)而導(dǎo)致了沙塵暴的誤報(bào)和漏報(bào)。已有研究指出,大氣表面層中超大尺度結(jié)構(gòu)是影響沙塵輸運(yùn)的重要乃至決定性因素,然而現(xiàn)有高雷諾數(shù)大氣表面層數(shù)值模擬得到的超大尺度結(jié)構(gòu)與野外觀(guān)測(cè)結(jié)果仍有很大差異,導(dǎo)致目前仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)基于高雷諾數(shù)壁湍流中離散沙粒運(yùn)動(dòng)的沙塵暴模擬,尤其是沙塵暴沙墻前緣的沙鼻現(xiàn)象�！吧潮恰毙蜗蟮恼故玖松硥m的輸運(yùn)結(jié)構(gòu),針對(duì)“沙鼻”現(xiàn)象的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)和刻畫(huà)沙塵暴的空間特征有重要意義�！吧潮恰比绾萎a(chǎn)生及自維持、沙塵顆粒如何向高空輸運(yùn)等問(wèn)題至今依然沒(méi)有弄清楚。針對(duì)這些問(wèn)題,本學(xué)位論文采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,首次建立了能夠反映離散顆粒的湍流輸運(yùn)過(guò)程并包含近地表信息的沙塵暴平穩(wěn)階段沙塵輸運(yùn)模型,并實(shí)現(xiàn)了沙塵暴及“沙鼻”現(xiàn)象的數(shù)值模擬。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)及結(jié)論包括:1)基于青土湖觀(guān)測(cè)列陣(QLOA)測(cè)量數(shù)據(jù),將沙塵暴期間含沙流動(dòng)的大氣表面層中存在的超大尺度結(jié)構(gòu)的速度脈動(dòng)提取并表征,進(jìn)而引入到模型中,建立了一種有效的沙塵暴數(shù)值模型,體現(xiàn)了沙塵暴期間大氣表面層“外部能量輸入”的特點(diǎn);2)建立了地表通量和不同高度處沙塵通量之間的聯(lián)系,給出了不同摩阻風(fēng)速、不同高度處的沙塵垂向通量表征;3)揭示了沙鼻的形成是超大尺度結(jié)構(gòu)的流向和垂向速度脈動(dòng)共同作用的結(jié)果,而流向結(jié)構(gòu)傾角可能是造成沙墻形態(tài)差異的主要原因。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：P425.55
【部分圖文】：

“clouds with embedded streamers”，并且認(rèn)為這一現(xiàn)象是由湍流間歇性造成的。最早的三維風(fēng)沙流模擬是由 Shao and Li [1999]開(kāi)展的，他們采用了大渦模擬方法，通過(guò) k ε 湍流模型對(duì)方程進(jìn)行封閉，并考慮了拉格朗日顆粒軌跡模型、地表流體起動(dòng)及地表?yè)魹R過(guò)程等，求解了三維風(fēng)沙流場(chǎng)。他們研究的關(guān)注點(diǎn)在于擊濺在風(fēng)沙流模擬中的作用、含沙通量廓線(xiàn)的變化以及等效粗糙高度等方面，并沒(méi)有分析建立的三維模型能否得到地表?xiàng)l帶現(xiàn)象。最近，Dupont et al. [2013]利用ARPS(Advanced Regional Prediction System) 開(kāi)展了風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)中的間歇性研究，首次通過(guò)數(shù)值的方法再現(xiàn)了風(fēng)沙流中的“Aeolian streamers”現(xiàn)象。通過(guò)相關(guān)性分析，他們證實(shí)了之前的想法[Baas and Sherman, 2005]，即：這些沙粒條帶結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是湍流渦傳播過(guò)程中的足跡。然而他們的模型中并沒(méi)有考慮流體起動(dòng)，所以并不能說(shuō)明條帶是否在近壁面形成。隨后，Dupont et al. [2015]利用該模型對(duì)粒徑分別為 1.5 μm、6.7 μm、14.2 μm 的三種小粒徑塵顆粒進(jìn)行近地表粉塵懸移研究（見(jiàn)下圖 1.3）。其結(jié)果表明，小粒徑的粉塵顆粒在近地表幾米高度內(nèi)能夠聚集，并且粒徑為 1.5 μm 的粉塵顆粒體現(xiàn)出了較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的非平穩(wěn)過(guò)程，但是對(duì)更大粒徑的情況及顆粒上升高度等問(wèn)題沒(méi)做進(jìn)一步的研究。(a) (b)

圖 1.3 ARPS 模擬得到的近地表躍移（Dmean=200 μm）、粉塵懸移（Dmean=1.5 μm）模擬示意圖，引自 Dupont et al. [2015]。從以上的已有研究中不難發(fā)現(xiàn)，目前基于湍流的三維非平穩(wěn)數(shù)值模型還比較少，并且這種模型中即使考慮了湍流的作用，沙塵顆粒的運(yùn)動(dòng)主要還是集中在近地表躍移層內(nèi)。這就說(shuō)明地表?yè)魹R、流場(chǎng)近壁猝發(fā)結(jié)構(gòu)等并不是沙塵顆粒向更高處輸運(yùn)的主要因素。1.2.2 沙塵向上輸運(yùn)機(jī)理由于粒徑接近 1 μm 的塵顆粒，對(duì)流場(chǎng)的跟隨性較好，且自身的沉降速度較慢，所以能夠長(zhǎng)時(shí)間的懸浮在空中。對(duì)這類(lèi)顆粒而言，并不需要特別的流場(chǎng)條件，通過(guò)濃度擴(kuò)散就能輸運(yùn)到較高處。游來(lái)光等[1991]在內(nèi)蒙古西部地區(qū)沙暴天氣下所做的大氣氣溶膠飛機(jī)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：沙暴天氣下大氣含塵量中 50%是由粒徑大于 20 μm 的沙塵顆粒組成的，最大測(cè)量到的粒徑竟然能達(dá)到 350 μm。因此，對(duì)于較大粒徑的沙塵顆粒，就需要靠一些特定的流場(chǎng)環(huán)境才能使其向更高、

圖 1.4 沙塵顆粒通過(guò)(a)地表?yè)魹R，(b)熱對(duì)流引起的大渦直接攜帶的形式進(jìn)入大氣示意圖，引自 Klose and Shao [2013]。3). 陣風(fēng)Cheng et al. [2012]指出冷鋒過(guò)后，中國(guó)北方春季的強(qiáng)風(fēng)往往伴有揚(yáng)塵。通過(guò)對(duì)沙塵暴期間大氣表面層流場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量，他們發(fā)現(xiàn)冷鋒過(guò)后的強(qiáng)風(fēng)通常疊加有周期為 3-6 分鐘的陣風(fēng)，并且認(rèn)為正是陣風(fēng)的作用，沙塵顆粒才能克服下沉氣流的影響，使其能夠從地表到邊界層以至自由大氣層傳輸。依據(jù)測(cè)量結(jié)果，他們給出了流向風(fēng)速、垂向風(fēng)速、流向陣風(fēng)以及垂向陣風(fēng)的擬合經(jīng)驗(yàn)公式。并且將這些公式形成的背景場(chǎng)作用于沙塵顆粒，進(jìn)而模擬了沙塵輸運(yùn)。他們的研究表明：每個(gè)高度上的陣風(fēng)中上升氣流和下降氣流都會(huì)交替出現(xiàn)，沙塵顆粒一旦進(jìn)入上升氣流中就有可能沿著某一“通道”（見(jiàn)下圖 1.5）持續(xù)的向更高更遠(yuǎn)處輸運(yùn)。然而他們的觀(guān)測(cè)地點(diǎn)北京并不是沙塵暴發(fā)生的沙源地，從他們測(cè)量的結(jié)果中的下沉氣流可以推測(cè)，北京很有可能是沙塵暴傳播過(guò)程中的下降階段。因此，他們提出的陣風(fēng)的觀(guān)點(diǎn)是不是適用于沙塵暴，特別是沙源地的沙塵暴中沙塵向上輸運(yùn)機(jī)制，目前

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 曾慶存;胡非;程雪玲;;大氣邊界層陣風(fēng)揚(yáng)塵機(jī)理[J];氣候與環(huán)境研究;2007年03期

2 游來(lái)光,馬培民,陳君寒,栗柯;沙暴天氣下大氣中沙塵粒子空間分布特點(diǎn)及其微結(jié)構(gòu)[J];應(yīng)用氣象學(xué)報(bào);1991年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 劉洪佑;大氣表面層中大尺度湍流結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)特征及表征[D];蘭州大學(xué);2017年

2 張靜紅;近地表的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其對(duì)沙塵輸運(yùn)的影響[D];蘭州大學(xué);2013年

3 薄天利;沙丘場(chǎng)時(shí)空演化跨尺度動(dòng)力學(xué)模型及其仿真研究[D];蘭州大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2826674