平坦沙地的空气动力学粗糙度变化及其物理意义.pdf

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1、!第!"卷!第#期!$%%"年#月+$%平坦沙地的空气动力学粗糙度变化及其物理意义"梅凡民"!$!+**+!%"!:7P.]9B!=7O0C.@9!张小曳!王!涛"7中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室!兰州!+####)$7中国气象科学研究院大气边界层物理和大气化学国家重点实验室!北京"###(")+7中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室!西安!"##!%)*7[.G9@.B9/@;W3B;@63/D;@

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3、不稳定层结空气动力学粗糙度高!稳定层结的低!近中性层结介于两者之间’+种大气稳定度下跃移过程的平均空气动力学粗糙度高于无跃移过程!近中性层结无跃移过程的平均空气动力学粗糙度在"(+j"#a%-之间’野外测定的每日平均起动摩阻风速在#7")(#7$’-)

4、响到风蚀强度还需要进一步的研究7关键词!!沙地空气动力学粗糙度摩阻风速起动摩阻风速大气稳定度!!空气动力学粗糙度是流体力学和大气科学的基粗糙度的时间和空间变化理解为地表几何粗糙度的&(!)(本概念!它反映了地表特征对大气湍流的阻抗作差异!很少考虑大气稳定度对空气动力学粗糙用!是描述陆地表面动量%能量和物质交换与输送度的影响以及对风蚀的影响7重要参数之一&"!$(7空气动力学粗糙度被定义为地本文根据毛乌素沙漠的一块平坦沙地上的野外表风速为零的高度!长期以来被看作是仅与下垫面观测实验结果!分析了空气动力学粗糙度

5、随大气稳几何粗糙度有关的空气动力学常数7对沙质地表来定度%摩阻风速和跃移过程的变化特征及其物理意说!空气动力学粗糙度被看作是表土粒度分布的函义!探讨空气动力学粗糙度的变化对起动摩阻风速&+!*(影响7数!最近的野外观测和室内风洞实验表明!沙质地表的空气动力学粗糙度是与自由风速%摩阻风速&%(以及床面的跃移过程有关的变量&*!’!!(!是反!!材料和方法&%(映下垫面与地表气流相互作用特征的物理量7!"!!实验地点目前的研究中很少关注大气稳定度对空气动力实验地点位于毛乌素沙地的南部!榆林市区以学粗糙度的影响!

6、风蚀野外观测中常把空气动力学北约"#1-的在陕西省治沙研究所的长方形苗圃实!$##%&#%&$!收稿!$##%&#)&$"收修改稿!"中国博士后科学基金"$##%#+!"’+$!中国气象局大气成分观测与服务中心研究型业务成果转化和国家重点基础研究发展规划">$###*(!#+$资助项目!,&-./0#C.3-/3’(!N.J99789-783!第!"卷!第#期!$%%"年#月+$’验地!为平坦沙地!分布有稀疏的沙生植物7实验大气层结的稳定度7考虑到周围建筑物对气流的影地周围有低矮围墙!北面和东北面为平房7气

7、象观响!实际数据处理中只采集了风向在a+#’"%n的数测塔布置在沙地的南端"见图"$7为了排除地表植据"风向范围见图"$7&"$!"+(被对测定结果的影响!剔除了实验点所有植被7跃移传感器"<.0B/5J93;$可以记录起沙过程和瞬时跃移强度"每分钟一个数据$!以最小瞬时输沙强度对应的摩阻风速为瞬时起动摩阻风速!平均起动摩阻风速为一个观测日的平均值7%!结果分析%"!!空气动力学粗糙度随大气稳定度的变化虽然可以认为平坦的沙地属于相对均一的下垫图!!野外实验地仪器布置示意图面!但野外湍流观测的空气动力学粗糙度

8、还是随着风!"%!研究方法向的变化而呈现一定的变化"见图$$!这可以理解为在气象观测塔上!%个用于测定每分钟平均风地表不均一而导致下垫面的内部差异!如地表微起伏速自动风速仪分别被固定在#7*%!#7(!"7%!+和和表土微团粒粒度分布的差异!该实验地的西北部稍%-高度的金属杆上!测定实验点平均风向的风向微存在微起伏!表土微团粒粒度分布也存在一定程度仪高度为+-!*个测定相应高度每分钟的平均气温上的随机变化!同时风