西北地区风蚀起沙（尘）的计算与数值模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 申彦波 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2005 |
| 授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 导师 | 沈志宝 |
| 关键词 | 西北地区 风蚀起沙（尘） 戈壁沙漠 绿洲农田 草方格 数值模拟 |
| 其他题名 | Calculations and Numerical Simulations of Sand and Dust Emissions by Wind Erosion in Northwest China |
| 中文摘要 | 我国西北地区是亚洲内陆沙尘产生的重要源地之一，因其地表的风蚀起沙（尘）而导致的浮尘、扬沙和沙尘暴等各种强度不同的沙尘天气是影响我国北方，尤其是西北各省（区）的一种主要自然灾害，它的频繁爆发直接影响着人类的生存环境，危害极大。本论文在综合前人有关风蚀起沙（尘）的物理机制、计算方案以及影响因子的基础上，结合ADEC在敦煌的观测资料，讨论了不同影响因子对风蚀起沙（尘．）的影响程度，分析了不同下垫面，包括戈壁沙漠、耕作前后的农田以及草方格沙障等的风蚀起沙（尘）量，将大气中尺度模式MM5和Shao（2001）的风蚀起沙（尘）方案相结合建立了州个适合于我国西北地区的风蚀起沙（尘）布的数值预报模式，并对2002年的两次沙尘暴过程进行了模拟试验。主要的研究内容和结果如下：（1）论述了地表土壤中沙尘微粒运动的基本形式及其排放的物理机制，综合了有关顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量的计算方案，并对Owen方程和Shao（2001）的风蚀起沙（尘）方程进行了较详细的推导；考虑了影响风蚀起沙（尘）的三个主要因子-土壤类型、摩擦速度和临界摩擦速度，并给出了各因子的确定方法。（2）未耕作的绿洲农田处于板结状态，地表几乎没有可蚀微粒，耕作之后的农田中沙粒的质量百分含量约为33％，小于戈壁沙漠地表（约51％），尘粒的质量百分含量约为44%，远大于戈壁沙漠地表（约7%）；未耕作农田的临界摩擦速度在0.50ms~(-1)以上，很难发生风蚀起沙（尘），耕作之后的农田的临界摩擦速度减小到约0.20ms~(-1)，风蚀起沙（尘）变得非常容易，戈壁沙漠的临界摩擦速度约为0.24ms~(-1)，其风蚀起沙（尘）比未耕作农田容易而比己耕作农田难；在2002年4月13日的沙尘暴天气过程中，戈壁沙漠地表顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量平均值的数量级分别为10~(-4)kgm~(-1)s~(-1)和10~(10)kgm~(-2)s~(-1)。已耕作农田的尘粒排放量是戈壁沙漠的几百甚至上千倍，这充分说明了翻耕作用对于绿洲农田风蚀起尘的巨大影胭咆它使得翻耕之后的裸露农田成为比戈壁沙漠更重要的尘源区。③草方格沙障通过增大地表沙粒起动的临界摩擦速度从而起到固沙作用。本文应用风蚀起沙、（尘）理论研究草方格沙障固沙的物理机制，发现其固沙效应与其规格直接相关，要达到既完全固沙又不造成浪费的最佳效果，草方格沙障的露头高度和边长之间存在着一定的线性关系，这种线性关系受摩擦速度的影响，直线的斜率，即近似的露头高度和边长之比随摩擦速度的增大而增大。（4）将大气中尺度模式MM5和Shao（2001）的风蚀起沙（尘）方案相结合，建立了一个风蚀起沙（尘）的数值预报模式。通过与观测资料的对比分析发现，哪5对摩擦速度、植被覆盖度和近地面相对湿度的模拟基本令人满意，对地表土壤水分含量的模拟与观测结果差异较大，所提供的土壤类型在一部分地区与实际比较一致，但在有的地区差异较大。为此，本论文订正了模式原有的土壤类型，增加了戈壁地表，并假定该地表不可蚀；用近地面相对湿度影响因子代替地表土壤水分对风蚀起沙（尘）的影响；考虑了空气密度随时空的变化对风蚀起沙（尘）量的影响。通过这三个方面的订正或改进，模式对于风蚀起沙（尘）时空分布特征的模拟有了较大的改善。（5）从2002年3月18-22日的强沙尘暴天气过程和4月13-17日的沙尘暴天气过程的模拟结果看，两次过程中的沙尘排放在模拟区域内均很明显地呈现出西弱东强的空间分布特征。95°E以西，主要是在塔里木盆地周围才有较分散的沙尘排放，且其强度较低，因此该区域在两次沙尘天气过程中均只是弱尘源区，这与有关观测资料相一致；100°E以东的区域，沙尘排放的范围在两次过程中都非常广，且其强度也较高，这与有关观测资料所反映出的现象比较一致，同时该区域的风向主要为西风或偏西风，这使得脱离地表悬浮于大气中的尘粒很容易向东或偏东方向输送，造成影响范围很大的沙尘天气·因此·该区域应是这两次沙尘天气的主要尘源区；在40°N以南90°E-100°E之间的区，模拟的沙尘微粒的排放率也始终很高垂直尘粒通量的高值中心甚至达到了10~(-1)kgm~(-2)s~(-1)以上，但由于模拟结果与能见度的观测结桌在两次过程中都不完全一致，所以可能是一个虚假的尘源区，究其原因，一方面是由于MM5在该区域模拟的摩擦速度偏大，经常超过1.0ms~(-1)，另一方面,也可能是由于MMS对该区域的地表和土壤分类与实际情况不相符。（6）从模拟的影响因子看，3月18-22日的强沙尘暴天气过程中沙尘排放的空间变化和粥弓分布主要受摩擦速度的影响，其次才是近地面相对湿度和临界摩擦速今而在4月13-17日的沙尘暴天气过程中由于在中国北方伴随了一次降水过程导致近地面相对湿度的时空变化较大，从而对沙尘微粒排放的空间变化和强弱分布影响也非常大，近地面相对湿度和摩擦速度共同成为影响此次沙尘暴天气的主要因子，其次才是临界摩擦速度；另外，从与有关观测资料的对比分析可以看出，模式对于强沙尘暴天气过程的模拟效果要好于一般的沙尘暴天气过程。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 193 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/22043]  |
| 专题 | 寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 申彦波. 西北地区风蚀起沙（尘）的计算与数值模拟[D]. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2005. |
入库方式： OAI收割
来源：寒区旱区环境与工程研究所
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