干旱半干旱区粉尘释放过程的建模与仿真

发布时间：2020-09-05 11:16

　　 粉尘释放对地球系统模式具有重要影响,与物理气候系统、生物地球化学循环、地貌演变、水循环、生态系统等多个主要系统与过程均有复杂的相互作用。干旱半干旱区粉尘释放过程所伴随的沙尘暴等自然灾害也是全球范围内的热点问题。颗粒跃移输运与土壤性质的时空变化是影响粉尘释放过程的最主要因素。近地表沙粒大小颗粒物的风力输运过程是粉尘释放的主要动力,而颗粒物形状与旋转等因素对其在气流中运动的影响一直没有被有效考虑,成为提高计算精度的瓶颈。对于风蚀和粉尘释放过程,已有的研究很少考虑土壤含水率的时空变化特征,并且现有土壤结构理论难以解释粉尘释放过程中的多阶段释放现象。为此,本博士论文在风沙物理学与土壤水动力学的研究方法的基础上,从非球形旋转沙粒跃移运动的微观流固耦合过程出发,对现有的风沙流输运模型进行修正,同时提出了能够完整描述干土层和湿土层中水分运动的土壤蒸发模型,以及包含自由尘层的土壤结构体系,最终建立了能够描述风力推动、土壤吹蚀、水分运动三种复杂物理机制相互耦合的粉尘动态释放模型。主要开展了以下工作:首先,将沙粒视为椭球形刚体,考虑其形状因素与旋转运动,基于动网格的方法研究了单颗沙粒与双沙粒系统跃移运动中的流固耦合规律。发现旋转运动使椭球形沙粒与流场产生了复杂相互作用,单颗沙粒的跃移高度与距离显著增加,但双沙粒系统中的流固耦合作用消耗了更多能量,其跃移高度与距离小于相同初始运动条件的单颗沙粒。旋转的双沙粒系统中,沙粒间稳定的气流减速区使下风向的沙粒更快跌落,发生前面沙粒越过后面沙粒的超越现象,从而降低沙粒间的空中碰撞概率。其次,对椭球形旋转沙粒所受到的气动力进行了修正,建立了平坦床面上充分发展的风沙输运过程模型,并对沙粒形状因素与旋转运动对宏观输运的影响进行了定量模拟。结果表明,风速较小时沙粒的形状参数对输沙率的影响较小,随着风速的增大沙粒的形状参数对输沙率的增益效果开始凸显,表现为输沙率随风速呈线性增加,且形状参数与这种线性关系的斜率具有相关性。长轴与短轴之比为2的沙粒所形成的风沙输运过程与实验结果最为接近,其形貌特征这也更符合现有的对沙粒形貌的研究结果同时,基于土壤水动力学的基本理论,建立了能够完整描述干土层和湿土层中水分运动的土壤蒸发模型,分析了蒸发过程中土壤水分的分布特性及变化规律。结果显示,在干土层形成前的稳定蒸发阶段主要消耗土壤自身储备的水分,在干土层形成前随含水率变化的蒸发阶段,主要依赖于深层土壤中水分的向上输运,但在干旱半干旱区的特定环境中,前者很难形成,后者的持续时间也相对较短。干土层形成后,开始阶段其增长速率较低但增长趋势明显,中期其增长速率即进入相对稳定的阶段,后期的增长速率则出现了小幅度降低。蒸发速率自干土层形成后便迅速降至较低水平并保持相对稳定,随着干土层厚度的增加出现了小幅度下降。最后,将基于风沙输运过程的风蚀模型、包含干土层和湿土层的土壤蒸发模型以及包含自由尘层的土壤结构理论进行有效耦合,建立了粉尘动态释放模型并对典型情况进行了数值模拟。发现粉尘释放过程分为三个主要阶段。首先进行的是自由尘为供给主体、以流体夹带释放为主要机制的阶段,此阶段的高粉尘释放速率随时间迅速降低,反映了自由尘的供给限制。之后为以干土层为供给主体、跃移轰击释放和团粒破碎释放为主要机制的阶段,粉尘释放率显著降低,干土层的厚度是主要限制因素。最后是以湿土层为供给主体、跃移轰击释放和团粒破碎释放为主要机制的阶段,粉尘释放率处于极低水平,土壤含水率成为主要限制因素。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P425.55;S152
【部分图文】：

论文 干旱半干旱区粉尘释第一章 绪论和意义地球系统模式中的重要子过程，大气中的矿物气气溶胶中的占比为 20%~50%（Tegen and 统中多个主要系统与过程均有复杂的相互作用（Miller and Tegen, 1998; Tegen et al., 2002; Jic06; Cwiertny et al., 2008; Huneeus et al., 2011; C 2014）。

我国甘肃、新疆等地的大部分干旱半干旱地区由雪山与周边盆地组成，其中有祁连山地区、天山地区等，具有广袤的荒漠生态系统与稀疏镶嵌其中的绿洲生态系统共存的典型地理特征（图1-2）。这些地区的高山冰川和积雪融水、降水径流所夹带而下的大量沙质沉积，为其周边的盆地带来了丰富的松散沙物质，所形成的沉积层厚度一般可达数百米（王涛，2003），主要为沙土与沙壤土等土壤类型，极易受风力侵蚀，其中以风沙运动为主要形式。同时，这些融水与径流也

图 1-3 风沙输运过程中沙尘颗粒的主要运动形式动态释放过程与风沙运动演变规律具有密切的联系（滕震基性的工作，Bagnold（1941）在野外观测和风洞实验的为蠕移、跃移和悬移三种形式（图 1-3）。蠕移即为沙粒在动的运动形态；跃移是沙粒在风力或降落颗粒冲击作用下

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 黄建平;;声音[J];知识就是力量;2017年06期

2 邹维;卢刚;;论干旱半干旱区土壤侵蚀类型分析与划分问题[J];中国水利;2015年20期

3 李妮亚;;纪念国际干旱半干旱区研究中心成立25周年暨专题讨论会将举行[J];农业环境与发展;1991年04期

4 黄建平;季明霞;刘玉芝;张镭;龚道溢;;干旱半干旱区气候变化研究综述[J];气候变化研究进展;2013年01期

5 吴见;刘民士;李伟涛;;干旱半干旱区植被盖度信息提取技术研究[J];干旱区资源与环境;2013年09期

6 李飞;赵军;赵传燕;张小强;;中国干旱半干旱区潜在植被演替[J];生态学报;2011年03期

7 任志远;许更新;左晓明;沈洪霞;杨治国;;干旱半干旱区新疆杨地膜覆盖育苗技术研究[J];内蒙古林业调查设计;2011年05期

8 韩丽娜;;改进的垂向混合产流模型在辽西干旱半干旱区域洪水模拟中的应用[J];吉林水利;2017年05期

9 陶亚玲;;干旱半干旱区种植模式对马铃薯生长产量对比试验初报[J];甘肃农业;2006年12期

10 管晓丹;马洁茹;黄建平;黄瑞新;张镭;马柱国;;海洋对干旱半干旱区气候变化的影响[J];中国科学:地球科学;2019年06期

相关会议论文 前10条

1 魏韵;于海鹏;黄建平;张强;杨宾;张萌;;全球增暖2℃和1.5℃情景下东亚干旱半干旱区的干湿响应[A];第34届中国气象学会年会 S4 重大气象干旱成因、物理机制、监测预测与影响论文集[C];2017年

2 杨文斌;王涛;冯伟;姚冬梅;李卫;;低覆盖度治沙理论及其在干旱半干旱区的应用[A];中国治沙暨沙业学会2018年学术年会论文集[C];2018年

3 吕昌河;;我国干旱半干旱区的生态脆弱特征及其对气候变化的响应[A];S5 全球典型干旱半干旱地区气候变化及其影响[C];2012年

4 赵萍;何俊彦;赵功强;王秉龙;;宁夏干旱半干旱区苜蓿引种试验报告[A];第二届中国苜蓿发展大会论文集——S03苜蓿栽培、加工与利用[C];2003年

5 吴燕锋;章光新;巴特尔·巴克;;基于综合气象干旱指数北疆近50年干旱时空变化特征[A];水科学前沿与中国水问题对策——第十三届中国水论坛论文集[C];2015年

6 李振朝;;CoLM陆面模式在干旱半干旱区的应用与改进[A];第七次全国动力气象学术会议论文摘要[C];2009年

7 杨扬;;陆面过程模式在我国西北半干旱区的适用性研究[A];第33届中国气象学会年会 S5 应对气候变化、低碳发展与生态文明建设[C];2016年

8 程相坤;程航;孙国武;;亚非干旱半干旱区气候特征分析[A];第33届中国气象学会年会 S4 干旱气象灾害监测预测及其影响与对策[C];2016年

9 刘俊;;CMIP5模式对东亚干旱半干旱区夏季降水的模拟研究[A];第32届中国气象学会年会S5 干旱陆面过程与气候变化[C];2015年

10 冉津江;;中国干旱半干旱区气候变化特征及成因分析[A];创新驱动发展 提高气象灾害防御能力——S18第四届研究生年会[C];2013年

相关重要报纸文章 前10条

1 梁乐 记者 朱彤;干旱半干旱区造林可有效增加土壤碳氮储量[N];科技日报;2018年

2 记者 王钰 焦玉海;携手描绘干旱半干旱区人与自然和谐美好蓝图[N];中国绿色时报;2016年

3 记者 周静;干旱半干旱区生态系统治理主题论坛召开[N];贵州日报;2016年

4 ;中外嘉宾共商全球干旱半干旱区生态系统治理[N];中国绿色时报;2016年

5 记者 宋喜群 通讯员 刘晓倩;气候变暖将使全球干旱区面积加速扩张[N];光明日报;2015年

6 本报记者 倪永强 通讯员 于仕琪;研究干旱气候变化，是情怀更是责任[N];中国气象报;2018年

7 本报记者 王硕;共建共享 科学修复 走向干旱半干旱治理新时代[N];人民政协报;2016年

8 记者 焦玉海 王钰;加强干旱半干旱区生态修复技术合作[N];中国绿色时报;2016年

9 杜英 邸金;气候变暖或让发展中国家更穷[N];科技日报;2015年

10 记者 赖敏　倪永强 通讯员 倾继祖;气象部门主持参与四项成果获国家科学技术奖[N];中国气象报;2014年

相关博士学位论文 前10条

1 顿洪超;干旱半干旱区粉尘释放过程的建模与仿真[D];兰州大学;2019年

2 李潇;中国北方季节性连旱的特征及成因[D];南京信息工程大学;2018年

3 石育中;黄土高原社会—生态系统的干旱脆弱性及农户适应研究[D];西北大学;2018年

4 苑广辉;中国干旱半干旱区陆气相互作用及其对区域气候的影响[D];兰州大学;2018年

5 赵艳茹;东亚干旱半干旱区边界层高度对干湿变化的影响研究[D];兰州大学;2018年

6 李小雁;干旱半干旱过渡带雨水集流实验与微型生态集雨模式[D];中国科学院研究生院（寒区旱区环境与工程研究所）;2000年

7 陈峰;中纬度中国—塔吉克斯坦东西向树轮气候研究[D];兰州大学;2015年

8 宋闪闪;西藏干旱半干旱区丛藓科物种多样性及空间分布的初步研究[D];中国农业大学;2015年

9 杨启东;干旱半干旱区两种典型下垫面的陆面过程模拟研究[D];兰州大学;2012年

10 胡有宁;延安城市森林生态系统服务功能价值评估[D];西北农林科技大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 王少华;干旱半干旱区河流污染现状分析与治理对策[D];广西大学;2018年

2 王国强;1961-2015年黄土高原地区玉米生育期干旱演变特征及风险区划[D];西北师范大学;2017年

3 冯冬蕾;东北地区干旱特征及典型干旱过程成因分析[D];成都信息工程大学;2018年

4 黄绍琳;干旱诱导沙柳和柠条幼苗死亡的生理机制[D];西北农林科技大学;2017年

5 杨舒畅;基于标准化降水指数的内蒙古地区干旱特征分析[D];南京信息工程大学;2017年

6 崔振;四种干旱半干旱区适生灌木对几种典型重金属的耐受积累特征研究[D];西南大学;2017年

7 柴荣繁;中国干旱对气候变化响应的区域性差异及其原因分析[D];南京信息工程大学;2017年

8 丁小俊;利用树轮资料的EOF迭代方案重建中东亚干旱半干旱区1500年来气温变化的初步研究[D];兰州大学;2007年

9 张明;干旱半干旱区平原水库附近土壤水盐动态变化研究[D];新疆大学;2005年

10 景丞;中国连片特困区干旱灾害影响评估[D];南京信息工程大学;2017年

本文编号：2812953