基于沙塵暴野外觀測,建立有效的沙塵暴定量模擬的數(shù)值模型,實現(xiàn)大氣表面層內沙塵通量的準確預測,有助于準確的預報和預警沙塵暴。然而,目前的沙塵預報模式中,無法模擬沙塵的湍流輸運過程,使得下墊面沙塵通量不準確進而導致了沙塵暴的誤報和漏報。已有研究指出,大氣表面層中超大尺度結構是影響沙塵輸運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構與野外觀測結果仍有很大差異,導致目前仍沒有實現(xiàn)基于高雷諾數(shù)壁湍流中離散沙粒運動的沙塵暴模擬,尤其是沙塵暴沙墻前緣的沙鼻現(xiàn)象。“沙鼻”形象的展示了沙塵的輸運結構,針對“沙鼻”現(xiàn)象的研究對于認識和刻畫沙塵暴的空間特征有重要意義。“沙鼻”如何產生及自維持、沙塵顆粒如何向高空輸運等問題至今依然沒有弄清楚。針對這些問題,本學位論文采用實驗和數(shù)值模擬相結合的方法,首次建立了能夠反映離散顆粒的湍流輸運過程并包含近地表信息的沙塵暴平穩(wěn)階段沙塵輸運模型,并實現(xiàn)了沙塵暴及“沙鼻”現(xiàn)象的數(shù)值模擬。本文的主要創(chuàng)新點及結論包括:1)基于青土湖觀測列陣(QLOA)測量數(shù)據(jù),將沙塵暴期間含沙流動的大氣表面層中存在的超大尺度結構的速度脈動提取并表征,進而引入到模型中,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;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構的流向和垂向速度脈動共同作用的結果,而流向結構傾角可能是造成沙墻形態(tài)差異的主要原因。
【學位單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P425.55
【部分圖文】：

“clouds with embedded streamers”，并且認為這一現(xiàn)象是由湍流間歇性造成的。最早的三維風沙流模擬是由 Shao and Li [1999]開展的，他們采用了大渦模擬方法，通過 k ε 湍流模型對方程進行封閉，并考慮了拉格朗日顆粒軌跡模型、地表流體起動及地表擊濺過程等，求解了三維風沙流場。他們研究的關注點在于擊濺在風沙流模擬中的作用、含沙通量廓線的變化以及等效粗糙高度等方面，并沒有分析建立的三維模型能否得到地表條帶現(xiàn)象。最近，Dupont et al. [2013]利用ARPS(Advanced Regional Prediction System) 開展了風沙躍移運動中的間歇性研究，首次通過數(shù)值的方法再現(xiàn)了風沙流中的“Aeolian streamers”現(xiàn)象。通過相關性分析，他們證實了之前的想法[Baas and Sherman, 2005]，即：這些沙粒條帶結構本質上是湍流渦傳播過程中的足跡。然而他們的模型中并沒有考慮流體起動，所以并不能說明條帶是否在近壁面形成。隨后，Dupont et al. [2015]利用該模型對粒徑分別為 1.5 μm、6.7 μm、14.2 μm 的三種小粒徑塵顆粒進行近地表粉塵懸移研究（見下圖 1.3）。其結果表明，小粒徑的粉塵顆粒在近地表幾米高度內能夠聚集，并且粒徑為 1.5 μm 的粉塵顆粒體現(xiàn)出了較長時間內的非平穩(wěn)過程，但是對更大粒徑的情況及顆粒上升高度等問題沒做進一步的研究。(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，沙塵顆粒的運動主要還是集中在近地表躍移層內。這就說明地表擊濺、流場近壁猝發(fā)結構等并不是沙塵顆粒向更高處輸運的主要因素。1.2.2 沙塵向上輸運機理由于粒徑接近 1 μm 的塵顆粒，對流場的跟隨性較好，且自身的沉降速度較慢，所以能夠長時間的懸浮在空中。對這類顆粒而言，并不需要特別的流場條件，通過濃度擴散就能輸運到較高處。游來光等[1991]在內蒙古西部地區(qū)沙暴天氣下所做的大氣氣溶膠飛機觀測實驗研究結果表明：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，最大測量到的粒徑竟然能達到 350 μm。因此，對于較大粒徑的沙塵顆粒，就需要靠一些特定的流場環(huán)境才能使其向更高、

圖 1.4 沙塵顆粒通過(a)地表擊濺，(b)熱對流引起的大渦直接攜帶的形式進入大氣示意圖，引自 Klose and Shao [2013]。3). 陣風Cheng et al. [2012]指出冷鋒過后，中國北方春季的強風往往伴有揚塵。通過對沙塵暴期間大氣表面層流場實時測量，他們發(fā)現(xiàn)冷鋒過后的強風通常疊加有周期為 3-6 分鐘的陣風，并且認為正是陣風的作用，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)測量結果，他們給出了流向風速、垂向風速、流向陣風以及垂向陣風的擬合經驗公式。并且將這些公式形成的背景場作用于沙塵顆粒，進而模擬了沙塵輸運。他們的研究表明：每個高度上的陣風中上升氣流和下降氣流都會交替出現(xiàn)，沙塵顆粒一旦進入上升氣流中就有可能沿著某一“通道”（見下圖 1.5）持續(xù)的向更高更遠處輸運。然而他們的觀測地點北京并不是沙塵暴發(fā)生的沙源地，從他們測量的結果中的下沉氣流可以推測，北京很有可能是沙塵暴傳播過程中的下降階段。因此，他們提出的陣風的觀點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機制，目前

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 曾慶存;胡非;程雪玲;;大氣邊界層陣風揚塵機理[J];氣候與環(huán)境研究;2007年03期

2 游來光,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及其微結構[J];應用氣象學報;1991年01期

相關博士學位論文 前3條

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

2 張靜紅;近地表的流場結構及其對沙塵輸運的影響[D];蘭州大學;2013年

3 薄天利;沙丘場時空演化跨尺度動力學模型及其仿真研究[D];蘭州大學;2010年

本文編號：2826674