【摘要】：雪是地球上最為活躍的自然要素之一,是組成極地冰蓋和高山冰川的重要物質(zhì)來源。積雪的時空分布和演變深刻影響著全球的水文循環(huán),生態(tài)系統(tǒng),氣候演化以及其他自然過程。復(fù)雜地形的積雪具有空間分布不均勻和演變迅速的特征。在一個較短的時間尺度內(nèi),降雪的不均勻沉積和風(fēng)吹雪過程是導(dǎo)致積雪不均勻分布及其時空演變的最主要過程。對于復(fù)雜地形的降雪沉降,湍流風(fēng)場對雪粒運(yùn)動軌跡的影響作為導(dǎo)致降雪不均勻分布的一種機(jī)制一直沒有被有效的考慮;而對于風(fēng)吹雪過程,已有研究很少考慮湍流邊界層內(nèi)的風(fēng)吹雪過程和輸運(yùn)特征,并且復(fù)雜地形的風(fēng)吹雪定量預(yù)測有待進(jìn)一步研究。而這對于實(shí)際野外風(fēng)吹雪過程的理解和復(fù)雜地形積雪分布的精確預(yù)測是必不可少的。為此,本文以非靜力可壓縮流體大渦模擬模型(Advanced Regional Prediction System中尺度大渦模擬模式)為基礎(chǔ),通過改進(jìn)模型的空間離散精度并引入Lagrangian動態(tài)亞格子模型,較好模擬了復(fù)雜地形湍流邊界層的流動特征。同時引入拉格朗日粒子追蹤方法追蹤雪粒的運(yùn)動軌跡,并將考升華效應(yīng)的雪粒與流場進(jìn)行有效耦合,建立了一個可以考慮固體物質(zhì)相變過程的三維湍流邊界層風(fēng)-雪兩相流模型。主要開展了以下工作:首先,建立了一個基于顆粒軌跡追蹤的沉降模型。流場通過大渦模擬方法獲得,并首次通過拉格朗日粒子追蹤方法追蹤雪粒在湍流邊界層內(nèi)的運(yùn)動過程從而直接獲得降雪顆粒在地形周圍的沉積情況,通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性并探討了不同因素對地形性不均勻沉降的影響。發(fā)現(xiàn)降雪顆粒受到湍流風(fēng)場的驅(qū)動而復(fù)雜運(yùn)動,并且受到的影響隨著粒徑的增大而減小;降雪在地形周圍的沉積情況強(qiáng)烈依賴于風(fēng)速和地形特征,相同的降雪強(qiáng)度條件下,地形上的沉積總量隨著地形高度和風(fēng)速的增加而增大;最大沉積位置通常位于山頂附近,并且隨著風(fēng)速的增大從背風(fēng)坡向迎風(fēng)坡漂移。其次,基于雪粒-風(fēng)場-溫度-濕度相互耦合的三維風(fēng)雪兩相流模型對湍流邊界層的風(fēng)吹雪過程進(jìn)行了模擬。借助充分發(fā)展的湍流邊界層,通過拉格朗日粒子追蹤模型計(jì)算顆粒的三維運(yùn)動軌跡并考慮雪粒的升華效應(yīng)和空中碰撞機(jī)制,再現(xiàn)了與自然現(xiàn)象一致的風(fēng)雪流條帶結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果表明,風(fēng)雪流條帶是空中躍移雪粒在高速旋轉(zhuǎn)的渦的吸入效應(yīng)作用下形成的一種局部顆粒濃度匯集的自組織現(xiàn)象;地表雪粒的空間不均勻流體起動并不影響風(fēng)雪流條帶的形成,但是粒-床相互作用過程很大程度上決定了風(fēng)雪流條帶的形狀。通常,風(fēng)雪流條帶的特征長度和寬度分別約為0.5 m和0.16 m,并且不隨風(fēng)速的變化而變化;與典型的風(fēng)沙流條帶相比,風(fēng)雪流條帶的寬度略小,并且風(fēng)雪流條帶轉(zhuǎn)化為更為復(fù)雜的條帶類型需要更大的風(fēng)速。再次,基于理論分析建立了一個復(fù)雜地形的風(fēng)吹雪模型。首先,通過模擬不同風(fēng)速下湍流邊界層的風(fēng)吹雪過程提煉出了風(fēng)吹雪輸運(yùn)強(qiáng)度與摩阻風(fēng)速的關(guān)系。鑒于現(xiàn)有積雪分布預(yù)測模型中大都僅采用平坦地表的風(fēng)吹雪模型預(yù)測積雪的重新分布,基于理論分析,建立了坡面上雪粒臨界起動風(fēng)速與平坦地表情形下的關(guān)系,并修正了風(fēng)吹雪發(fā)生頻率模型和平坦地表的風(fēng)吹雪通量公式,建立了一個可用于計(jì)算復(fù)雜地形侵蝕與沉積的風(fēng)吹雪模型。發(fā)現(xiàn)相對于平坦地表,迎風(fēng)坡的雪粒的起動更加困難,從而導(dǎo)致相同風(fēng)速下的風(fēng)吹雪通量更小,而背風(fēng)坡則恰恰相反;相同地形角度下,背風(fēng)坡上風(fēng)吹雪過程受到的影響要遠(yuǎn)大于迎風(fēng)坡。最后,將復(fù)雜地形的風(fēng)吹雪模型與降雪沉降模型結(jié)合起來,建立了一個可用于預(yù)測復(fù)雜地形積雪分布及其演變的積雪分布預(yù)測模式。降雪顆粒仍然采用拉格朗日粒子追蹤方法進(jìn)行追蹤,直接得到雪粒的沉積位置,在此過程中,基于復(fù)雜地形風(fēng)吹雪模型預(yù)測局部積雪的再分布,從而獲得復(fù)雜地形的空間積雪分布和隨時間的演化過程;同時,模型考慮了吹雪顆粒和降雪顆粒對風(fēng)場的反作用力,發(fā)現(xiàn)由于風(fēng)吹雪過程對局部風(fēng)速十分敏感,雪粒與風(fēng)場的耦合效應(yīng)對于積雪分布的精確預(yù)測至關(guān)重要;不同風(fēng)速下的降雪沉積結(jié)果表明,在實(shí)際復(fù)雜地形的相互影響下,很難找到一種統(tǒng)一的降雪沉積模式來描述復(fù)雜地形的降雪沉積規(guī)律,而基于典型顆粒軌跡追蹤的方法可以直接有效的獲得任意地形的降雪沉積情況�？傊�,本文借助可壓縮流體大渦模擬方法和動態(tài)亞格子閉合模型獲得復(fù)雜地形的湍流大氣邊界層流動,通過拉格朗日粒子追蹤方法追蹤雪粒在流場中的運(yùn)動過程,引入復(fù)雜地形的風(fēng)吹雪模型,并且考慮了雪粒與風(fēng)場的耦合作用,建立了一個復(fù)雜地形積雪分布預(yù)測模式。與已有的積雪分布預(yù)測模式相比,本模型能夠通過追蹤典型雪粒的運(yùn)動軌跡直接獲得復(fù)雜地形的降雪沉積特征,大大提高了模型的空間分辨率,同時有效考慮了地形角度對于風(fēng)吹雪過程的影響,提高了模型對于復(fù)雜地形積雪分布的預(yù)測精度。
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【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P426.635
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本文編號：2458486