新月形沙丘表面氣流和風沙流結構變異

《新月形沙丘表面氣流和風沙流結構變異》是依託北京師範大學，由程宏擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新月形沙丘表面氣流和風沙流結構變異
• 依託單位：北京師範大學
• 項目負責人：程宏
• 項目類別：面上項目

項目摘要

運用風沙地貌學、風沙物理學、多相流體力學等相關科學的理論與方法，以野外實地觀測和風洞模擬實驗相結合為研究手段，充分利用熱膜風速儀、圖像測速系統以及三維超聲風向風速儀等現代高精密測試技術，測定新月形沙丘表面風沙流中氣流平均速度和湍流度、沙粒運動速度以及輸沙率等物理量，闡明沙丘表面不同部位氣流場和沙塵物質垂向分布及其變化規律，建立沙丘形態、表面氣流場和區域氣流之間的定量關係，揭示沙丘背風側次生氣流的發生機制、強度及其對表面氣流的影響。在此基礎上，分析沙丘坡面上風速垂向變異情形下的沙粒受力和起動機制，研究沙丘表面不同部位沙粒運動過程，構建沙丘表面氣流場與躍移層沙粒垂向濃度、沙粒粒徑的定量關係，闡明沙丘表面風沙流結構變異機理，為新月形沙丘發育機理研究提供理論和數據支持。

結題摘要

沙丘表面氣流是區域氣流和沙丘形態相互作用的產物，控制沙丘表面沙粒運動、蝕積過程，以及沙丘形狀、發育過程和內部沉積構造。沙丘表面氣流和各種沙粒運動輸沙量及其相互作用是揭示沙丘形態變化和動力學過程的關鍵。由此可見，地形、氣流場和沙粒運動三者之間相互影響，並在沙丘一級的空間尺度上形成了一個相對獨立的系統。本項目在風沙地貌學、風沙物理學等相關科學的理論與方法支持下，結合多期遙感影像、野外實地觀測與風洞模擬實驗，對沙丘形態參數、氣流場、沙粒運動參數與輸沙量、蝕積和沙粒粒度分異等方面展開了詳細的研究。沙丘參數之間的相關性與遷移過程中的不確定性，取決於氣流場、沙粒形狀、大小和比重以及下墊面狀況，毛烏素沙漠沙丘寬度與背風坡水平長度顯著相關，而塔克拉瑪乾沙漠沙丘背風坡長度和沙丘兩翼的長度與沙丘均具有明顯的相關性，其餘形態參數間相關性較弱。沙丘風速加速率隨沿迎風坡減小，在垂向上可分為兩個階段，且其劃分與其表面氣流內邊界層和外邊界層的界限一致；內邊界層，空氣動力學粗糙度受地表狀況影響強烈，其結果較為複雜；在外邊界層，空氣動力學粗糙度相近；沙丘表面湍流強度與自由流速的大小無關，與沙丘表面平均氣流速度的關係可以視為湍流的能量消耗與釋放的過程；沙丘表面氣流在垂向上存在明顯的分異，100cm以上氣流場等值線屬於同一個形態，越貼近沙丘表面，氣流場等值線越複雜。沙丘表面90%以上的沙粒運動發生在近地表10cm以內，沿迎風坡增大；背風側順風向和逆風向均有沙粒運動，前者隨與背風坡的距離增大而增大，後者剛好相反，而且背風坡坡角前者遠小於後者；迎風坡和丘頂風沙流垂向分布遵循指數函式，背風坡具有明顯的分段現象（10cm以下遵循指數函式，其上遵循冪函式）。本項目上述及其其他研究成果，為揭示沙丘形成演化過程提供理論基礎。