| 题名 | 沙尘暴的气象条件分析及风蚀沙尘通量的数值模拟研究 |
| 作者 | 李万元 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-05-09 |
| 授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 授予地点 | 寒区旱区环境与工程研究所 |
| 导师 | 吕世华 |
| 关键词 | 春季沙尘暴 气象要素的影响方式和强度 沙尘暴发生可能性指数 沙尘暴发生判据 沙尘暴频次的多要素线性拟合 风蚀起沙（尘）模式 风蚀影响因子 地表沙流通量和尘粒释放率 跃动沙流层质量通量垂直结构 跃动沙流层相似模型 跃动沙流特征和平均高度 沙粒跃离地表的初速度 空气对跃升沙粒的垂直作用力 |
| 其他题名 | Statistical Analysis on Meteorological Conditions for Dust Storms and Numerical Simulations of Aeolian Sand Saltation Flux and Dust Emission Rate |
| 学位专业 | 大气物理学与大气环境 |
| 中文摘要 | 鉴于气象条件对沙尘暴发生与否具有决定性的作用，且沙尘暴的危害主要源于风蚀地表的沙尘释放率和由此所致近地表跃动沙流层的质量通量垂直分布结构，本论文主要围绕以下三个方面对我国的沙尘暴进行了分析研究：1）沙尘暴发生的气象条件；2）沙尘暴发生时风蚀地表的沙尘释放率；3）近地表形成的跃动沙流层的质量通量垂直分布结构。 1）沙尘暴发生的气象条件 本论文首先（第二章）利用1954－2005年间甘肃省60个测站18个气象要素和沙尘暴的春季日资料，就这些要素对甘肃省沙尘暴的影响方式和影响强度进行了详细分析，揭示了平均和最低气压、平均和最小相对湿度、平均水汽压、日照时数、平均气温以及20－08时降水量是沙尘暴的负影响因子；平均和最大风速、小型和大型蒸发量、以及20－08时和20－20时的降水量均为沙尘暴的正影响因子；而最高气压、最高和最低气温对沙尘暴的影响方式具有明显的区域性差异。各要素对沙尘暴影响强度的区域性差异十分明显；就全省平均而言，最大和平均风速、最大风速风向、日照时数以及蒸发量的影响强度最大，各时段日降水量的影响强度最小。 然后（第三章）利用相同资料，详细分析了甘肃省在1954－2005年间各个要素处于不同大小等级时沙尘暴的发生概率，并以此为基础，建立了能够有效表征和判断某日沙尘暴发生可能性的综合性气象指数（论文中将之称为可能性指数），通过对可能性指数进行相关的统计、分析，最终给出判断沙尘暴在某日能否发生的定量化判据，检验结果证实，该判据有很好的可行性和判断力，这样就为预报沙尘暴和填补历史记录提供了一条准确而实用的途径。利用在沙尘暴日与各要素相联系的平均沙尘暴发生概率，可比较分析18个要素在沙尘暴事件中的平均贡献，结果表明，要素对沙尘暴的影响强度越大，其对沙尘暴事件的贡献也越大；就甘肃省而言，最大和平均风速、最大风速风向、日照时数、蒸发量、平均和最小相对湿度、最低气压以及平均水汽压对沙尘暴事件的平均贡献最大。 某月沙尘暴频次的异常可归因于该月气象要素的异常，为了能够直接利用气象资料推断出春季月份沙尘暴的可能发生频次，本论文还（第四章）利用18个气象要素（与以上要素有所不同）的月标准化资料对我国西北和华北地区97个测站的标准化春季沙尘暴频次进行了线性拟合，结果表明：要素与沙尘暴频次的相关程度越高，其对后者的拟合效果就越好，且多要素协同拟合的效果一般要优于单要素拟合；协同拟合的沙尘暴频次一般略低于实际频次，若将在级别上与实际相符的拟合沙尘暴频次看作是足够准确的，则全区约有33％的站点其拟合准确率不低于50％，1953-2005年间约有39.6％的年份其拟合准确的覆盖面不小于50％，对所有年份和所有站点而言，约45.6％的拟合沙尘暴频率是准确的，且仅就沙尘暴发生频率较高的年份而言，该百分比甚至更高；线性拟合方程前的系数可有效表征要素影响沙尘暴频次的方式和强度，且由此所得的结论与前人和第二章的相关结论一致。 2）沙尘暴发生时风蚀地表的沙尘释放率 本论文首先（第五章）对Shao（2001）风蚀起沙（尘）模型中涉及的各重要影响因子进行了敏感性试验，结果表明：跃动沙粒的粒径范围随风力的增大而加宽，但随土壤水分和植被覆盖度的增加而变窄；尘粒释放率和沙流通量随风力、地表条件的变化一般同相，均随摩擦速度的增大而增大，随植被覆盖度、土壤水分、土壤拖曳系数以及弹性压力垂直分量的增大而减小；地表土壤的有效粒度分布决定着地表沙流通量及尘粒释放的粒度分布特征；通常情况下沙土不易起尘，粉黏土容易起尘，且所起尘粒会被传输到下游很远处；聚合粒子的破碎是粉黏土和沙壤土释放尘粒的关键机制，但对沙土而言，该机制一般可忽略。 中国西北和华北地区是亚洲沙尘事件的主要源地。本论文还（第六章）应用一些典型的风蚀起沙和起尘模型，对该地区易受风沙侵害的10类主要土壤的潜在沙尘释放率进行了估算和对比，结果表明：栗钙土的潜在尘粒释放主要集中在1-5µm的粒径范围内，灰棕漠土和棕漠土的主要集中于<1µm的范围，黄绵土、淡栗钙土、黑土、黑垆土、褐土、棕钙土和灰漠土可能释放的尘粒主要集中在10-50µm之间；在相同风蚀条件下，10类土壤表面的沙流通量由大到小可排列为，淡栗钙土、棕漠土、灰棕漠土、棕钙土、栗钙土、灰漠土、褐土、黑土、黑垆土和黄绵土，与其尘粒释放率的大小顺序并不相同，后者为：棕钙土、栗钙土、棕漠土、灰棕漠土、灰漠土、淡栗钙土、黑垆土、褐土、黑土和黄绵土；分布于新疆的棕钙土、栗钙土、棕漠土、灰棕漠土和灰漠土具有最大的潜在尘粒释放率，这是新疆成为沙尘事件频发区的重要原因。 3）近地表形成的跃动沙流层的质量通量垂直分布结构 风蚀地表上跃动沙流层的垂直质量通量结构与沙丘的形成直接相关，也与沙流的危害程度密不可分。由Shao（2005）建立的跃动沙流层相似模型能够很好地模拟出裸露、干燥、疏松、单一沙地地表上跃动沙流层的质量通量垂直分布廓线，Liu et al.（2006）也针对该类地表上形成的跃动沙流层作过一系列风洞试验，试验结果为相似模型的检验和修正提供了实践依据。本论文（第七章）即是基于试验数据和模拟结果的对比分析，结合相似模型中参数的物理意义和前人的相关定量表征方法，着重对模型中的两个重要参量（沙粒跃离地表的平均初速度和地表粗糙度）分别进行了修正，从而有效改进了相似模型对跃动沙流层质量通量垂直分布廓线的模拟能力。然后利用改进后的模型着重对地表沙流通量、跃动沙流层的特征高度和平均高度等表征跃动沙流层垂直结构的重要参量进行了详细的模拟分析，揭示了摩擦速度、沙粒粒径和地表粗糙度对这些参量的影响方式及其可能物理机制。 改进后的模型不仅能够合理给出沙粒跃离地表的平均初速度，据此还可估算沙粒跃升过程中在垂直方向上所受的平均空气作用力，这两个参量能够很好地表征和确定沙粒的跃动过程，当然对跃动沙流层的垂直结构也有重要贡献，故本论文还特别剖析了摩擦速度、沙粒粒径和地表粗糙度对它们的影响方式，这些工作对研究沙粒跃动的特征轨迹、合理估算沙粒撞击地表的平均速度以及空气对沙粒跃动过程的平均作用力皆具理论和实践意义。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 155 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/21627]  |
| 专题 | 寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李万元. 沙尘暴的气象条件分析及风蚀沙尘通量的数值模拟研究[D]. 寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2008. |
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