【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(lái)源。積雪的時(shí)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(guò)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(gè)較短的時(shí)間尺度內(nèi),降雪的不均勻沉積和風(fēng)吹雪過(guò)程是導(dǎo)致積雪不均勻分布及其時(shí)空演變的最主要過(guò)程。對(duì)于復(fù)雜地形的降雪沉降,湍流風(fēng)場(chǎng)對(duì)雪粒運(yùn)動(dòng)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(méi)有被有效的考慮;而對(duì)于風(fēng)吹雪過(guò)程,已有研究很少考慮湍流邊界層內(nèi)的風(fēng)吹雪過(guò)程和輸運(yùn)特征,并且復(fù)雜地形的風(fēng)吹雪定量預(yù)測(cè)有待進(jìn)一步研究。而這對(duì)于實(shí)際野外風(fēng)吹雪過(guò)程的理解和復(fù)雜地形積雪分布的精確預(yù)測(cè)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(guò)改進(jìn)模型的空間離散精度并引入Lagrangian動(dòng)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(dòng)特征。同時(shí)引入拉格朗日粒子追蹤方法追蹤雪粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,并將考升華效應(yīng)的雪粒與流場(chǎng)進(jìn)行有效耦合,建立了一個(gè)可以考慮固體物質(zhì)相變過(guò)程的三維湍流邊界層風(fēng)-雪兩相流模型。主要開(kāi)展了以下工作:首先,建立了一個(gè)基于顆粒軌跡追蹤的沉降模型。流場(chǎng)通過(guò)大渦模擬方法獲得,并首次通過(guò)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(dòng)過(guò)程從而直接獲得降雪顆粒在地形周?chē)某练e情況,通過(guò)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(duì)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(chǎng)的驅(qū)動(dòng)而復(fù)雜運(yùn)動(dòng),并且受到的影響隨著粒徑的增大而減小;降雪在地形周?chē)某练e情況強(qiáng)烈依賴(lài)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(chǎng)-溫度-濕度相互耦合的三維風(fēng)雪兩相流模型對(duì)湍流邊界層的風(fēng)吹雪過(guò)程進(jìn)行了模擬。借助充分發(fā)展的湍流邊界層,通過(guò)拉格朗日粒子追蹤模型計(jì)算顆粒的三維運(yùn)動(dòng)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(dòng)并不影響風(fēng)雪流條帶的形成,但是粒-床相互作用過(guò)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(zhǎng)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(lèi)型需要更大的風(fēng)速。再次,基于理論分析建立了一個(gè)復(fù)雜地形的風(fēng)吹雪模型。首先,通過(guò)模擬不同風(fēng)速下湍流邊界層的風(fēng)吹雪過(guò)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(cè)模型中大都僅采用平坦地表的風(fēng)吹雪模型預(yù)測(cè)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(dòng)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(gè)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(duì)于平坦地表,迎風(fēng)坡的雪粒的起動(dòng)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(guò)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(lái),建立了一個(gè)可用于預(yù)測(cè)復(fù)雜地形積雪分布及其演變的積雪分布預(yù)測(cè)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(guò)程中,基于復(fù)雜地形風(fēng)吹雪模型預(yù)測(cè)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(shí)間的演化過(guò)程;同時(shí),模型考慮了吹雪顆粒和降雪顆粒對(duì)風(fēng)場(chǎng)的反作用力,發(fā)現(xiàn)由于風(fēng)吹雪過(guò)程對(duì)局部風(fēng)速十分敏感,雪粒與風(fēng)場(chǎng)的耦合效應(yīng)對(duì)于積雪分布的精確預(yù)測(cè)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(lái)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(dòng)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(dòng),通過(guò)拉格朗日粒子追蹤方法追蹤雪粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(chǎng)的耦合作用,建立了一個(gè)復(fù)雜地形積雪分布預(yù)測(cè)模式。與已有的積雪分布預(yù)測(cè)模式相比,本模型能夠通過(guò)追蹤典型雪粒的運(yùn)動(dòng)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(shí)有效考慮了地形角度對(duì)于風(fēng)吹雪過(guò)程的影響,提高了模型對(duì)于復(fù)雜地形積雪分布的預(yù)測(cè)精度。
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【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：P426.635
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本文編號(hào)：2458486