考虑边界层自由风速的粗糙床面跃移通量模式

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00053

摘要/Abstract

摘要：

用于粗糙床面的风沙天气预报的跃移通量模式主要考虑了床面的空气动力学粗糙度对跃移通量的影响而最近的研究表明边界层自由风速等因素也会影响跃移强度。鉴于此，根据边界层风洞测试的6组密实粗糙元和3组孔隙粗糙元覆盖床面在不同自由风速下的跃移通量，确认了前人的基于床面空气动力学粗糙度的跃移通量模式的不确定性，发现了实测的跃移通量是粗糙床面空气动力学粗糙度、边界层自由风速和调整摩阻风速（摩阻风速与起动摩阻风速的函数）的复合函数，此结果可能与粗糙床面风沙边界层属于非常应力层有关。

关键词: 跃移通量, 自由风速, 粗糙元, 起动摩阻风速, 摩阻风速

Abstract:

Two previous saltation models for roughness surface focus on effect of aerodynamic roughness length on sand transport rate， disagreement with recent investigations which find that such the factor as free wind velocity over boundary layer also affects significant saltation flux. Thus， saltation fluxes under various free velocities over 9 roughness surfaces were observed in a blown-sand wind tunnel to develop new model， including the 6 sand surfaces covered with compact roughness elements， and the 3 sand surfaces with porous elements. We find that there exists a significant gap between the observed and computed saltation fluxes by the traditional models， and that the new saltation model is better since it incorporates the ensemble effects of roughness length， free wind velocity and the modified wind friction （function of wind friction threshold velocity and wind friction velocity） on saltation. The effect of free wind velocity on saltation flux could be related with the variation of total shear stress over roughness surface with height.

Key words: saltation flux, free wind velocity, roughness element, wind friction threshold velocity, wind friction velocity

中图分类号:

U418.5+6

徐杨, 梅凡民, 朱海波. 考虑边界层自由风速的粗糙床面跃移通量模式[J]. 中国沙漠, 2024, 44(6): 79-86.

Yang Xu, Fanmin Mei, Haibo Zhu. The saltation model for roughness surface incorporating effect of free wind velocity over boundary layer[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(6): 79-86.

图/表 11

表1 密实粗糙床面的几何特征

Table 1 Geometric parameters of the roughness surfaces

编号	d/mm	h/mm	行×列	λ	AR	S_h
11	5	60	11×12	0.0396	12	0.3
12	5	60	21×12	0.0756	12	0.6
13	5	60	41×12	0.1476	12	1.2
14	5	60	41×25	0.3075	12	1.2
26	40	20	21×5	0.0840	0.5	0.2
28	40	40	21×5	0.1680	1	0.4

表2 孔隙粗糙元覆盖床面的几何参数

Table 2 Geometric parameters of the roughness surfaces with porous elements

编号	h_s/mm	D_s/mm	n_s	H/mm	D_k/mm	N_s/(n·m^-2)	λ	P
36	50	2	17	50	40	1 780	0.1780	0.15
37	50	2	9	50	40	945	0.0945	0.55
38	50	2	5	50	30	525	0.0525	0.75

图1 基于对数正态分布模式的试验沙样的粒度分布特征

Fig.1 Probability of the sand particle size distributions for this wind erosion experiment based on two- population log normal model

图2 孔隙粗糙元孔隙度计算示意图（hs-孔隙粗糙元的高度，ds-孔隙粗糙元的直径， H-虚拟的密实粗糙元高度，Dk-虚拟的密实粗糙元直径）

Fig.2 Schematic illustration for porous elements （hs-porous elements' height， ds-diameter of individual element， H-height of modelled compact element， Dk-diameter of modelled compact element）

图3 风洞试验场景

Fig.3 The specific details for this wind tunnel experiment

图4 Marticorena模式计算的裸沙和粗糙床面的跃移通量Fhc与风洞观测跃移通量Fho的比较（（A）与（B）对应粗糙床面的编号与表2、3相同）

Fig.4 Comparisons between saltation fluxes computed by Marticorena model and the observed fluxes in this wind experiment （NO. of the roughness beds in （A） and （B） can be seen in Tables 2 and 3）

图5 Alfaro模式计算的裸沙和粗糙床面的跃移通量Fhc与风洞观测跃移通量Fho的比较（（A）与（B）对应粗糙床面的编号与表2、3相同）

Fig.5 Comparisons between saltation fluxes computed by Alfaro model and the observed fluxes in this wind experiment （NO. of the roughness beds in （A） and （B） can be seen in Tables 2 and 3）

图6 不同自由风速Uf 下观测的无量纲跃移通量NFh随粗糙床面的侧影盖度λ（A）和空气动力学粗糙度Z0（B）的变化趋势

Fig.6 Drops of normalized saltation fluxes NFh over various roughness beds under various wind free velocities with the increased roughness element density （A）， and with the aerodynamic roughness lengths （B） respectively.

表3 公式（5）和公式（6）中经验系数随自由风速 Uf 的变化趋势

Table 3 Variations of the empirical parameters in the equations （5） and （6） with the increased wind free velocity

U_f /（m·s^-1）	m	n	m'	n'
12	0.5970	20.4860	0.3040	0.5462
14	0.7965	17.1600	0.5026	0.4917
16	0.7792	14.9250	0.5090	0.4194
18	0.7372	13.0810	0.5042	0.3654
20	0.6573	12.3100	0.4587	0.3431

图7 不同自由风速Uf下观测的γ随粗糙床面的侧影盖度λ （A）和空气动力学粗糙度Z0（B）的变化趋势

Fig.7 Decreases of γ values under various wind free velocities with the increased roughness element density （A）， and with the aerodynamic roughness lengths （B） respectively

表4 公式（9）和公式（10）中经验系数随自由风速 Uf 的变化趋势

Table 4 Variations of the empirical parameters in the equations （9） and （10） with the increased wind free velocity

U_f/（m·s^-1）	χ	ω	$χ'$	$ω'$
12	32.7260	33.2530	12.1940	0.9082
14	132.6300	28.5800	56.0490	0.7766
16	120.2500	23.8010	66.2490	0.6844
18	114.7000	20.4810	70.1790	0.5957
20	137.7100	19.5640	81.4900	0.5518

表4 公式（9）和公式（10）中经验系数随自由风速 Uf 的变化趋势

Table 4 Variations of the empirical parameters in the equations （9） and （10） with the increased wind free velocity

U_f/（m·s^-1）	χ	ω	$χ'$	$ω'$
12	32.7260	33.2530	12.1940	0.9082
14	132.6300	28.5800	56.0490	0.7766
16	120.2500	23.8010	66.2490	0.6844
18	114.7000	20.4810	70.1790	0.5957
20	137.7100	19.5640	81.4900	0.5518

参考文献 21

1	Alfaro S C， Gomes L.Modeling mineral aerosol production by wind erosion：emission intensities and aerosol size distribution in source areas［J］.Journal of Geophysics Research，2001，106（D16）：18075-18084.
2	Alfaro S C， Gomes L.Improving the large-modeling of the saltation fluxes of soils particles in the presence of nonerodible elements［J］.Journal of Geophysics Research，1995，100（D8）：16357-16366.
3	Marticorena B， Bergametti G.Modeling the atmospheric dust cycle.Part 1：design of a soil-derived dust emission scheme［J］.Journal of Geophysics Research，1995，100（D8）：16415-16430.
4	Marticorena B， Bergametti G， Aumont B，et al.Modeling the atmospheric dust cycle：2.simulation of Saharan dust sources［J］.Journal of Geophysics Research，1997，102（D4）：4387-4404.
5	Zhou C H， Gui H L， Hu J K，et al.Detection of new dust sources in Central/East Asia and their impact on simulations of severe sand and dust storm［J］.Journal of Geophysics Research，2019，124（17/18）：10232-10247.
6	梅凡民，王姗，唐丽萱，等.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［J］.中国沙漠，2020，40（6）：98-104.
7	Marshall J K.Drag measurements in roughness arrays of varying densities and distribution［J］.Agriculture Meteorology，1971，8：269-292.
8	Raupach M R， Gillette D A， Leys J F.The effect of roughness elements on wind erosion threshold［J］.Journal of Geophysics Research，1993，98（D2）：3023-3029.
9	Crawley D M， Nickling W G.Drag partition for regularly-arrayed rough surfaces［J］.Boundary-Layer Meteorology，2003，107：445-468.
10	Gillies J A， Nickling W G， King J.Shear stress partitioning in large patches of roughness in the atmospheric inertial sublayer［J］.Boundary-Layer Meteorology，2007，122（2）：367-396.
11	Walter B， Gromke C， Lehning M.Shear-stress partitioning in live plant canopies and modifications to Raupach's model［J］.Boundary-Layer Meteorology，2012，144（2）：217-241.
12	Webb N P， Okin G S， Brown S.The effect of roughness elements on wind erosion：the importance of surface shear stress distribution［J］.Journal of Geophysics Research，2014，119（10）：6066-6084.
13	Walter B， Voegeli C， Horender S.Estimating sediment mass fluxes on surfaces sheltered by live vegetation［J］.Boundary Layer Meteorology，2017，163：273-286.
14	Kang L Q， Zhang J J， Yang Z C，et al.Experimental investigation on shear-stress partitioning for flexible plants with approximately zero basal-to-frontal area ratio in a wind tunnel［J］.Boundary-Layer Meteorology，2018，169：251-273.
15	Cheng H， Liu C C， Zou X Y，et al.Wind erosion rate for vegetated soil cover：a prediction model based on surface shear strength［J］.Catena，2020，187：104398.
16	Zou X Y， Li H R， Kang L Q，et al.Soil wind erosion rate on rough surfaces：a dynamical model derived from an invariant pattern of the shear-stress probability density function of the soil surface［J］.Catena，2022，219：106633.
17	Brown S， Nickling W G， Gillies J A.A wind tunnel examination of shear stress partitioning for an assortment of surface roughness distributions［J］.Journal of Geophysics Research，2008，113（F2）：1-13.
18	张萌，亢力强，王晓美.交错和矩形布置对树状植被地表剪应力和输沙率的影［J］.中国沙漠，2024，44（1）：50-60.
19	Dong Z B， Liu X P， Wang X M.Aerodynamic roughness of gravel surfaces［J］.Geomorphology，2002，43（1/2）：17-31.
20	梅凡民，张宁宁，席媛，等.粗糙床面风廓线统一对数区的空气动力学粗糙度及其空间变异特征［J］.中国沙漠，2018，38（4）：1-10.
21	Lancaster N， Baas A.Influence of vegetation cover on sand transport by wind：field studies at Owens Lake，California［J］.Earth Surface Processes and Landforms，1998，23（1）：69-82.

[1]	王彬, 韩庆杰, 刘冰, 孙向波, 赵星莹, 刘燕, 王永军. 湿沙表面风蚀的动力过程与风干效应[J]. 中国沙漠, 2024, 44(5): 225-235.
[2]	梅凡民, 杨倩文, 李旺, 苏进. 风沙跃移解析模型的建模思路及存在问题[J]. 中国沙漠, 2024, 44(4): 14-23.
[3]	王仁德, 安晨宇, 苑依笑, 张春来, 李庆, 查慧敏, 常春平, 郭中领. 不同时间尺度下农田土壤风蚀可蚀性的变化[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 202-209.
[4]	梅凡民, 王姗, 唐丽萱, 苏进. 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[J]. 中国沙漠, 2020, 40(6): 98-104.
[5]	梅凡民, 张宁宁, 席媛, 刘秀秀. 粗糙床面风廓线统一对数区的空气动力学粗糙度及其空间变异特征[J]. 中国沙漠, 2018, 38(3): 445-454.
[6]	高咏晴, 亢力强, 张军杰, 邹学勇, 张春来, 程宏. 风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线特征比较[J]. 中国沙漠, 2017, 37(1): 48-56.
[7]	梅凡民1,2, 蒋缠文1, 江姗姗1, 王涛2. 粗糙元几何参数的交互作用对床面空气动力学粗糙度的影响[J]. 中国沙漠, 2012, 32(6): 1534-1541.
[8]	唐艳;刘连友;屈志强;胡霞;郭兰兰;吕艳丽;曹恒武;贾振杰;杨岩岩. 植物阻沙能力研究进展[J]. 中国沙漠, 2011, 31(1): 43-48.
[9]	梅凡民;江姗姗;王涛. 粗糙床面风廓线的转折特征及其物理意义[J]. 中国沙漠, 2010, 30(2): 217-227.
[10]	张正偲;赵爱国;董治宝;李宏. 藻类结皮自然恢复后抗风蚀特性研究[J]. 中国沙漠, 2007, 27(4): 558-562.