基于超大尺度结构模化的沙尘暴及沙墙形态数值研究
发布时间：2020-09-25 14:25
基于沙尘暴野外观测,建立有效的沙尘暴定量模拟的数值模型,实现大气表面层内沙尘通量的准确预测,有助于准确的预报和预警沙尘暴。然而,目前的沙尘预报模式中,无法模拟沙尘的湍流输运过程,使得下垫面沙尘通量不准确进而导致了沙尘暴的误报和漏报。已有研究指出,大气表面层中超大尺度结构是影响沙尘输运的重要乃至决定性因素,然而现有高雷诺数大气表面层数值模拟得到的超大尺度结构与野外观测结果仍有很大差异,导致目前仍没有实现基于高雷诺数壁湍流中离散沙粒运动的沙尘暴模拟,尤其是沙尘暴沙墙前缘的沙鼻现象。“沙鼻”形象的展示了沙尘的输运结构,针对“沙鼻”现象的研究对于认识和刻画沙尘暴的空间特征有重要意义。“沙鼻”如何产生及自维持、沙尘颗粒如何向高空输运等问题至今依然没有弄清楚。针对这些问题,本学位论文采用实验和数值模拟相结合的方法,首次建立了能够反映离散颗粒的湍流输运过程并包含近地表信息的沙尘暴平稳阶段沙尘输运模型,并实现了沙尘暴及“沙鼻”现象的数值模拟。本文的主要创新点及结论包括:1)基于青土湖观测列阵(QLOA)测量数据,将沙尘暴期间含沙流动的大气表面层中存在的超大尺度结构的速度脉动提取并表征,进而引入到模型中,建立了一种有效的沙尘暴数值模型,体现了沙尘暴期间大气表面层“外部能量输入”的特点;2)建立了地表通量和不同高度处沙尘通量之间的联系,给出了不同摩阻风速、不同高度处的沙尘垂向通量表征;3)揭示了沙鼻的形成是超大尺度结构的流向和垂向速度脉动共同作用的结果,而流向结构倾角可能是造成沙墙形态差异的主要原因。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P425.55
【部分图文】：
“clouds with embedded streamers”，并且认为这一现象是由湍流间歇性造成的。最早的三维风沙流模拟是由 Shao and Li [1999]开展的，他们采用了大涡模拟方法，通过 k ε 湍流模型对方程进行封闭，并考虑了拉格朗日颗粒轨迹模型、地表流体起动及地表击溅过程等，求解了三维风沙流场。他们研究的关注点在于击溅在风沙流模拟中的作用、含沙通量廓线的变化以及等效粗糙高度等方面，并没有分析建立的三维模型能否得到地表条带现象。最近，Dupont et al. [2013]利用ARPS(Advanced Regional Prediction System) 开展了风沙跃移运动中的间歇性研究，首次通过数值的方法再现了风沙流中的“Aeolian streamers”现象。通过相关性分析，他们证实了之前的想法[Baas and Sherman, 2005]，即：这些沙粒条带结构本质上是湍流涡传播过程中的足迹。然而他们的模型中并没有考虑流体起动，所以并不能说明条带是否在近壁面形成。随后，Dupont et al. [2015]利用该模型对粒径分别为 1.5 μm、6.7 μm、14.2 μm 的三种小粒径尘颗粒进行近地表粉尘悬移研究（见下图 1.3）。其结果表明，小粒径的粉尘颗粒在近地表几米高度内能够聚集，并且粒径为 1.5 μm 的粉尘颗粒体现出了较长时间内的非平稳过程，但是对更大粒径的情况及颗粒上升高度等问题没做进一步的研究。(a) (b)
图 1.3 ARPS 模拟得到的近地表跃移（Dmean=200 μm）、粉尘悬移（Dmean=1.5 μm）模拟示意图，引自 Dupont et al. [2015]。从以上的已有研究中不难发现，目前基于湍流的三维非平稳数值模型还比较少，并且这种模型中即使考虑了湍流的作用，沙尘颗粒的运动主要还是集中在近地表跃移层内。这就说明地表击溅、流场近壁猝发结构等并不是沙尘颗粒向更高处输运的主要因素。1.2.2 沙尘向上输运机理由于粒径接近 1 μm 的尘颗粒，对流场的跟随性较好，且自身的沉降速度较慢，所以能够长时间的悬浮在空中。对这类颗粒而言，并不需要特别的流场条件，通过浓度扩散就能输运到较高处。游来光等[1991]在内蒙古西部地区沙暴天气下所做的大气气溶胶飞机观测实验研究结果表明：沙暴天气下大气含尘量中 50%是由粒径大于 20 μm 的沙尘颗粒组成的，最大测量到的粒径竟然能达到 350 μm。因此，对于较大粒径的沙尘颗粒，就需要靠一些特定的流场环境才能使其向更高、
图 1.4 沙尘颗粒通过(a)地表击溅，(b)热对流引起的大涡直接携带的形式进入大气示意图，引自 Klose and Shao [2013]。3). 阵风Cheng et al. [2012]指出冷锋过后，中国北方春季的强风往往伴有扬尘。通过对沙尘暴期间大气表面层流场实时测量，他们发现冷锋过后的强风通常叠加有周期为 3-6 分钟的阵风，并且认为正是阵风的作用，沙尘颗粒才能克服下沉气流的影响，使其能够从地表到边界层以至自由大气层传输。依据测量结果，他们给出了流向风速、垂向风速、流向阵风以及垂向阵风的拟合经验公式。并且将这些公式形成的背景场作用于沙尘颗粒，进而模拟了沙尘输运。他们的研究表明：每个高度上的阵风中上升气流和下降气流都会交替出现，沙尘颗粒一旦进入上升气流中就有可能沿着某一“通道”（见下图 1.5）持续的向更高更远处输运。然而他们的观测地点北京并不是沙尘暴发生的沙源地，从他们测量的结果中的下沉气流可以推测，北京很有可能是沙尘暴传播过程中的下降阶段。因此，他们提出的阵风的观点是不是适用于沙尘暴，特别是沙源地的沙尘暴中沙尘向上输运机制，目前
本文编号：2826674
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P425.55
【部分图文】：
“clouds with embedded streamers”，并且认为这一现象是由湍流间歇性造成的。最早的三维风沙流模拟是由 Shao and Li [1999]开展的，他们采用了大涡模拟方法，通过 k ε 湍流模型对方程进行封闭，并考虑了拉格朗日颗粒轨迹模型、地表流体起动及地表击溅过程等，求解了三维风沙流场。他们研究的关注点在于击溅在风沙流模拟中的作用、含沙通量廓线的变化以及等效粗糙高度等方面，并没有分析建立的三维模型能否得到地表条带现象。最近，Dupont et al. [2013]利用ARPS(Advanced Regional Prediction System) 开展了风沙跃移运动中的间歇性研究，首次通过数值的方法再现了风沙流中的“Aeolian streamers”现象。通过相关性分析，他们证实了之前的想法[Baas and Sherman, 2005]，即：这些沙粒条带结构本质上是湍流涡传播过程中的足迹。然而他们的模型中并没有考虑流体起动，所以并不能说明条带是否在近壁面形成。随后，Dupont et al. [2015]利用该模型对粒径分别为 1.5 μm、6.7 μm、14.2 μm 的三种小粒径尘颗粒进行近地表粉尘悬移研究（见下图 1.3）。其结果表明，小粒径的粉尘颗粒在近地表几米高度内能够聚集，并且粒径为 1.5 μm 的粉尘颗粒体现出了较长时间内的非平稳过程，但是对更大粒径的情况及颗粒上升高度等问题没做进一步的研究。(a) (b)
图 1.3 ARPS 模拟得到的近地表跃移（Dmean=200 μm）、粉尘悬移（Dmean=1.5 μm）模拟示意图，引自 Dupont et al. [2015]。从以上的已有研究中不难发现，目前基于湍流的三维非平稳数值模型还比较少，并且这种模型中即使考虑了湍流的作用，沙尘颗粒的运动主要还是集中在近地表跃移层内。这就说明地表击溅、流场近壁猝发结构等并不是沙尘颗粒向更高处输运的主要因素。1.2.2 沙尘向上输运机理由于粒径接近 1 μm 的尘颗粒，对流场的跟随性较好，且自身的沉降速度较慢，所以能够长时间的悬浮在空中。对这类颗粒而言，并不需要特别的流场条件，通过浓度扩散就能输运到较高处。游来光等[1991]在内蒙古西部地区沙暴天气下所做的大气气溶胶飞机观测实验研究结果表明：沙暴天气下大气含尘量中 50%是由粒径大于 20 μm 的沙尘颗粒组成的，最大测量到的粒径竟然能达到 350 μm。因此，对于较大粒径的沙尘颗粒，就需要靠一些特定的流场环境才能使其向更高、
图 1.4 沙尘颗粒通过(a)地表击溅，(b)热对流引起的大涡直接携带的形式进入大气示意图，引自 Klose and Shao [2013]。3). 阵风Cheng et al. [2012]指出冷锋过后，中国北方春季的强风往往伴有扬尘。通过对沙尘暴期间大气表面层流场实时测量，他们发现冷锋过后的强风通常叠加有周期为 3-6 分钟的阵风，并且认为正是阵风的作用，沙尘颗粒才能克服下沉气流的影响，使其能够从地表到边界层以至自由大气层传输。依据测量结果，他们给出了流向风速、垂向风速、流向阵风以及垂向阵风的拟合经验公式。并且将这些公式形成的背景场作用于沙尘颗粒，进而模拟了沙尘输运。他们的研究表明：每个高度上的阵风中上升气流和下降气流都会交替出现，沙尘颗粒一旦进入上升气流中就有可能沿着某一“通道”（见下图 1.5）持续的向更高更远处输运。然而他们的观测地点北京并不是沙尘暴发生的沙源地，从他们测量的结果中的下沉气流可以推测，北京很有可能是沙尘暴传播过程中的下降阶段。因此，他们提出的阵风的观点是不是适用于沙尘暴，特别是沙源地的沙尘暴中沙尘向上输运机制，目前
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 曾庆存;胡非;程雪玲;;大气边界层阵风扬尘机理[J];气候与环境研究;2007年03期
2 游来光,马培民,陈君寒,栗柯;沙暴天气下大气中沙尘粒子空间分布特点及其微结构[J];应用气象学报;1991年01期
相关博士学位论文 前3条
1 刘洪佑;大气表面层中大尺度湍流结构的三维形态特征及表征[D];兰州大学;2017年
2 张静红;近地表的流场结构及其对沙尘输运的影响[D];兰州大学;2013年
3 薄天利;沙丘场时空演化跨尺度动力学模型及其仿真研究[D];兰州大学;2010年
本文编号：2826674
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