植被结构特征和空气动力学粗糙度对沙粒跃移起动影响的实验分析

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1、西安工程大学学位论文知识产权声明本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)47学位论文作者签名：未勘辛定指导老师签名：午岔A及√El期：弦D7．；．似西安工程大学学位论文独创性声明禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文

2、是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包括本人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。学位论文作者签名：异苏旌日期：矽o7‘7．Io—1绪论1．1引言由地表风蚀而释放到大气环境中的粉尘粒子是大气气溶胶的主要成分川。粉尘气溶胶可以通过散射、反射和吸收太阳的短波辐射以及大气的长波辐射，对气候变化产生影响；同时，沙尘气溶胶作为云的凝结核影响云的物

3、理特性、辐射特性和生命周期以及雨水的形成，从而影响气候系统。沙尘气溶胶在影响全球气候变化中扮演着重要的角色∞1。另外，远距离传输的粉尘是海洋和陆地生态系统的主要营养来源，粉尘提升了海洋和陆地生态系统的生产力，对全球生物地球化学循环产生重要的影响怍1。干旱半干旱地区频发的沙尘暴，不但将大量的粉尘传输到大气环境中，对全球气候变化和生物地球化学循环长生重要的影响，而且沙尘暴也是一种灾害性天气，对当地和下游地区人民的生活和生产带来极大的危害[10-13】。悬浮的粉尘粒子降低了下游地区的空气质量[14-15】，增加了居民的健康风险【16J。同时，频发的沙尘暴使当地的土壤质量下降、沙漠化加剧和生

4、态系统退化㈣。为了能够准确评价粉尘气溶胶的气候效应，预报沙尘暴的发现和防治沙漠化，首先需要理解土壤风蚀和粉尘释放的机制‘is-rig)。前人研究表明粉尘释放机制主要是跃移沙粒的冲击作用而引起粉尘粒子的释放(sandblastingprocess)，是否发生跃移过程是判断粉尘气溶胶是否能够释放，沙尘暴是否能够发生的基本依据眇”。起动风速和起动摩阻风速或跃移起动摩阻风速是诊断跃移是否发生关键参数。它们反映了地表特征，如表土微团粒粒度分布与土壤质地、土壤水分、地表覆盖的粗糙元(如砾石、植被等)等诸多因素对沙粒起动的影响，体现了气流一颗粒一粗糙元三者之间的互馈作用机制【ex-23]。研究地表

5、特征对跃移起动的影响机制是风沙运动研究的基本科学问题。从国内外研究现状来看(见1．2)，尽管前人关于跃移起动与植被等粗糙元的结构特征和空气动力学特征作了一些研究，取得了一些重要结论，但对涉及跃移起动的两方面问题还没有搞清楚：(1)粗糙元结构特征如何影响空气动力学粗糙度，在粗糙元的孔隙率与其他结构参数(如高度、密度、高度与间距比等)等因素中，哪些是主要因素，哪些是次要因素，它们之间与空气动力学粗糙度的定量关系如何；(2)粗糙元结构特征和空气动力学粗糙度如何影响起动摩阻风速，它们谁是主要1绪论因素谁是次要因素，它们与起动摩阻风速的定量关系如何，如何改进现有模式存在问题。上述2个问题系统研

6、究，一方面有助于从理论上揭示粗糙元结构特征、空气动力学粗糙度对起动摩阻风速的影响机制以及它们之间定量关系，为全面理解跃移起动机制、应力分配机制和粗糙元一边界层气流一沙粒之间的互馈机制提供参考和依据：另一方面利用实验取得数据改进目前有关应力分配和起动摩阻风速的预报模式，为沙尘暴天气的预报和沙漠化的防治提供依据和支持。1．2研究进展1．2．1光滑地表沙粒跃移起动研究进展研究植被等粗糙元对沙粒起动的影响，首先需要知道在光滑地表情况下(无植被、砾石等粗糙元覆盖的地表称为光滑地表)沙粒起动的机制。“。从力学机制来看，气流施加于地表上颗粒的力包括前后压差和附面摩擦引起的拖曳力、竖向流速梯度产生流

7、场梯度力和颗粒沿风向顺时针转动产生的马格努斯升力等。只有当空气的动力即拖曳力和升力之和超过颗粒的重力与颗粒之间的粘聚力之和，颗粒才能开始运动瞄“。沙粒有三种基本运动形式即蠕移、跃移和悬移。沙粒跃移是风沙运动的主要方式和粉尘释放的主要动力【27J。能够使地表沙粒起动的临界风速称为起动风速。由于大气边界层内地表风速随高度变化，且某一高度的风速不能直接反映气流产生的切应力(对颗粒起动的影响shearstress)，所以，一般用摩阻风速表征跃移起动的临界条件㈣。摩