一个基于粗糙元方向比率和空气动力学粗糙度的起动摩阻风速模式

发布时间：2021-06-14 05:33

　　粉尘释放模型对风蚀粉尘气候、生态效应的评价和沙尘天气的预报有重要意义。条件试验表明,MB模式和SL模式存在高估或低估起动摩阻风速的情形,但未得到观测数据的支持。鉴于此,利用风洞实验测量了不同密度（0.0072～0.51）、方向比率（4～25）、孔隙率（0.15～0.75）的粗糙元覆盖的中粗沙床面的起动摩阻风速。结果表明:当空气动力学粗糙度大于1 mm时,MB模式存在高估（相对误差率80%～100%）起动摩阻风速而失效的情形,SL模式存在低估（相对误差率-50%～-20%）起动摩阻风速的情形。基于观测数据本文提出了一个基于粗糙元方向比率、粗糙和光滑床面空气动力学粗糙度比值及裸沙起动摩阻风速的新模式,可以模拟低、中、高密度的粗糙元覆盖床面的起动摩阻风速,模拟的误差在±0.1 m·s^-1以内。 

【文章来源】：中国沙漠. 2020,40(06)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

孔隙粗糙元的结构示意图

光滑床面的空气动力学粗糙度Z0s用中性层结下的对数风廓线方程（公式2）拟合计算，其中k为卡门常数，取0.4,U*为摩阻风速，Z0s为空气动力学粗糙度，UZ为高度为Z处的平均风速。利用风廓线仪分别测定自由风速为6、8、10、12、14、16、18、20 m·s-1情况下的风廓线，利用公式（2）拟合可得到Z0s并取平均值。同样的，粗糙床面的空气动力学粗糙度Z0也是对公式（2）拟合并取平均值。起动摩阻风速Ut*也是根据对数风廓线公式（2）拟合并取平均值[21]:评估MB模式[8-9]和SL模式[10]的相对误差率Er，采用公式（3）来表述，其中U*tm为模拟的起动摩阻风速，U*t0为风洞实验观测的起动摩阻风速。

当Z0从0.02 mm增加到26.5 mm时，Ut*约从0.30 m·s-1以对数函数形式增加到1.45 m·s-1（图3），但Ut*明显的分散性意味着床面的某些结构参数可能对其有着重要的影响。鉴于粗糙元密度、高度对气流的阻滞效应可以通过Z0来表征[21]，而粗糙元间距与起动摩阻风速成负相关关系，则意味着方向比率可能是造成摩阻风速数据分散性的主要原因。在相近的或相同的AR情况下，Ut*与Z0具有更高的相关系数，则意味着方向比率对起动摩阻风速有重要的影响（图4）。当AR从0.25增加到8时，Ut*均随着Z0以对数函数Ut*=a ln Z0+b增加，且经验系数a、b因AR的不同而有轻微的变化（图4A）。

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3229168