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

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00080

摘要/Abstract

摘要：

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。

关键词: 粉尘释放, 起动摩阻风速, 方向比率, 空气动力学粗糙度, 风洞实验

Abstract:

Improvement in modeling dust emission is very important for predictions of sand-dust storms and climatic and ecological effects of soil-derived dust events. It has not been validated since overestimation from one classical scheme for modeling saltation threshold over roughness surfaces and underestimation from another scheme were found in terms of condition analysis. As a result， wind friction threshold velocities over find-medium sand surfaces with roughness elements with various aspect ratios （0.25-25）， densities （0.0072-0.51）， and porosities （0.15-0.75） were measured in a wind tunnel. It indicates that overestimation （the relative error around 80%-100%） and incorrectness from one scheme and underestimation （the relative error from -50% to -20%） from another scheme will occur as roughness length more than 1 mm. An improved scheme for modeling saltation threshold is proposed here， dependent on aspect ratio of individual element， the ratio of overall aerodynamic roughness to erodible roughness. The new scheme can be applied to predicate wind friction velocity over beds with sparse， medium and dense roughness elements， having very low relative error around $±$ 0.1 m·s^-1.

Key words: dust emission, wind friction threshold velocity, aspect ratio, aerodynamic roughness length, wind tunnel experiment

中图分类号:

X169

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图/表 8

图1 孔隙粗糙元的结构示意图

Fig. 1 The sketch of an individual porous element

表1 对数正态分布模式模拟的沙样统计参数

Table 1 Statistical parameters of sand samples simulated by log-normal distribution model

统计参数	对数正态分布群体1	对数正态分布群体2
组合比例/ %	16	84
中值粒径/μm	168	317
标准偏差	1.15	1.11

图2 风洞跃移起动观测实景（1-摄像头, 2-胶带纸，3-皮托管）

Fig.2 A picture of observation on saltation threshold (1- small camera, 2- sticky tape, 3- Pitot tubes)

图3 风洞实验测量的粗糙床面的空气动力学粗糙度Z0和起动摩阻风速Ut*

Fig.3 The observed relationship between wind friction threshold velocity and aerodynamic roughness length in the wind tunnel experiment

图4 不同方向比率AR下起动摩阻风速Ut*与空气动力学粗糙度Z0的关系

Fig.4 The relationship between wind friction threshold velocity and aerodynamic roughness length under different aspect ratios compared to outputs from the MB model and the SL model

图5 MB模式和SL模式的相对误差率Er

Fig.5 The relative errors of MB model and SL model

图6 不同方向比率下起动摩阻风速比值与空气动力学粗糙度比值的关系

Fig. 6 The relationship between wind friction threshold velocity ratio and aerodynamic roughness length ratio under different aspect ratios

图7 公式（3）中经验系数a'和b'随方向比率AR的变化

Fig. 7 The variations of a' and b' of the formula (3) with the aspect ratios

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