風(fēng)揚(yáng)粉塵

前言

源于西北干旱、半干旱地區(qū)的粉塵活動(dòng)（風(fēng)揚(yáng)粉塵）是西北地區(qū)土壤風(fēng)蝕的結(jié)果，揚(yáng)塵、揚(yáng)沙和塵卷風(fēng)，乃至塵暴、強(qiáng)沙塵暴事件不時(shí)發(fā)生，對(duì)其他地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量有重要影響。認(rèn)識(shí)粉塵活動(dòng)的形成過(guò)程和機(jī)制是西部環(huán)境系統(tǒng)的演化及未來(lái)趨勢(shì)研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。能夠啟動(dòng)和搬運(yùn)地表粉塵的風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生在不同的氣象條件下，并且具有各種尺度。每年的春季或秋季，鋒面低壓過(guò)境可能是大范圍揚(yáng)沙的主要原因，粉塵經(jīng)常被冷鋒前或后的大風(fēng)揚(yáng)起，而且高空急流在粉塵搬運(yùn)中起著重要的作用。通常塵暴天氣是一個(gè)中尺度天氣過(guò)程。在非塵暴事件多發(fā)期（如夏季、秋季），大氣邊界層內(nèi)粉塵活動(dòng)也很頻繁，通常以塵卷風(fēng)的形式出現(xiàn)；塵卷風(fēng)可以在微風(fēng)，甚至無(wú)風(fēng)條件下生成，是微小尺度天氣過(guò)程。因此，風(fēng)揚(yáng)粉塵是一個(gè)復(fù)雜的粉塵活動(dòng)現(xiàn)象，而且塵卷風(fēng)、沙塵暴等大氣邊界層內(nèi)的粉塵活動(dòng)（又稱風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)）是一個(gè)非線性、多場(chǎng)耦合的氣固兩相流體力學(xué)問(wèn)題，沙粒作為分散相具有非均勻的直徑分布；地表粉塵從地面到空中經(jīng)歷了稀相和濃相復(fù)雜流動(dòng)。特別是粉塵顆粒間的不對(duì)稱摩擦起電產(chǎn)生靜電場(chǎng)，反過(guò)來(lái)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)又產(chǎn)生影響。粉塵活動(dòng)研究的核心問(wèn)題是要理解沙塵天氣、塵卷風(fēng)等形成的物理機(jī)制，并定量描述風(fēng)沙的分布、強(qiáng)度、輸送與沉降。風(fēng)沙物理學(xué)是研究各種風(fēng)沙現(xiàn)象的規(guī)律和形成的物理機(jī)制及其利用與控制原理的科學(xué)，是介于沙漠科學(xué)、物理學(xué)之間的交叉科學(xué)。國(guó)際上，一般將拜格諾（Bagnold R A）于1941年出版的The Physics of Blown Sand and Desert Dunes（《風(fēng)沙和荒漠沙丘物理學(xué)》，錢(qián)寧、林秉南譯，科學(xué)出版社，1959）作為風(fēng)沙物理學(xué)誕生的標(biāo)志。拜格諾將風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)按沙粒離開(kāi)地面的程度進(jìn)行了分類：在地表滾動(dòng)的沙粒蠕移運(yùn)動(dòng)；在近地風(fēng)沙流層內(nèi)沙粒離開(kāi)地面的躍移運(yùn)動(dòng)；離開(kāi)地面升空形成塵?；驊腋∮诳罩械膽乙七\(yùn)動(dòng)。自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)展了沙漠科學(xué)考察與治沙試驗(yàn)中的風(fēng)沙地貌研究。90年代以來(lái)，我國(guó)的科學(xué)家以“沙漠化”為對(duì)象開(kāi)展多學(xué)科綜合研究與防治實(shí)踐，圍繞風(fēng)沙活動(dòng)及其危害問(wèn)題，開(kāi)展風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、沙漠環(huán)境及其演變、沙漠化（含沙塵暴）過(guò)程及防治研究，為沙漠與沙漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境和重大工程建設(shè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，代表性著作有《實(shí)驗(yàn)風(fēng)沙物理與風(fēng)沙工程學(xué)》（劉賢萬(wàn)，科學(xué)出版社，1995）、《治沙工程學(xué)》（朱震達(dá)、趙興梁、凌裕泉等，中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1998）和《風(fēng)沙地貌與治沙工程學(xué)》（吳正等，科學(xué)出版社，2003）等。

內(nèi)容概要

本書(shū)結(jié)合西北干旱、半干旱地區(qū)的地表特征，將粉塵活動(dòng)過(guò)程作為近地層湍流及氣固兩相流行為來(lái)研究，介紹了植被層湍流的大渦模擬方法及數(shù)值模擬，以揭示大氣湍流對(duì)植被層的熱/動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制，闡述了氣固兩相流數(shù)學(xué)模型及塵卷風(fēng)的揚(yáng)沙過(guò)程模擬，提出了風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的顆粒動(dòng)力學(xué)離子溫差轉(zhuǎn)移機(jī)制及相應(yīng)的風(fēng)-沙-電的耦合力學(xué)模型，為理解大氣邊界層內(nèi)的粉塵活動(dòng)過(guò)程研究提供了新的角度。相比于氣象學(xué)研究方法，本書(shū)在微小尺度上，介紹了近地層植被層空氣流場(chǎng)、沙粒與流場(chǎng)的相互作用以及沙粒靜電起電機(jī)制等方面的數(shù)學(xué)建模及模擬，研究了風(fēng)揚(yáng)粉塵氣固兩相流的數(shù)學(xué)模型及多相流體力學(xué)理論。    本書(shū)可供從事干旱、半干旱地區(qū)的風(fēng)沙研究，城市大氣環(huán)境研究的風(fēng)沙物理學(xué)、地理科學(xué)、大氣科學(xué)等方面的科技工作者，以及高等院校有關(guān)專業(yè)師生參考，也可供從事計(jì)算流體力學(xué)和多相流研究的科技工作者參考。

書(shū)籍目錄

序前言第1章  緒論  1.1  風(fēng)揚(yáng)粉塵的形式及分類    1.1.1  沙塵天氣    1.1.2  塵卷風(fēng)  1.2  粉塵活動(dòng)的沙粒荷電及靜電場(chǎng)  1.3  風(fēng)揚(yáng)粉塵研究概述    1.3.1  沙塵天氣中尺度模擬    1.3.2  風(fēng)沙物理學(xué)    1.3.3  塵卷風(fēng)的觀測(cè)與數(shù)值模擬  1.4  風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)研究亟待解決的相關(guān)問(wèn)題    1.4.1  粉塵活動(dòng)過(guò)程的氣固兩相流    1.4.2  近地層大氣湍流的模擬    1.4.3  沙塵天氣數(shù)值預(yù)報(bào)的沙塵通量參數(shù)化    1.4.4  沙塵天氣及粉塵活動(dòng)過(guò)程研究的一些科學(xué)問(wèn)題  1.5  本書(shū)的結(jié)構(gòu)與指導(dǎo)思想  參考文獻(xiàn)第2章  風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)物理機(jī)制與風(fēng)沙流  2.1  風(fēng)沙地貌及植被層粗糙度  2.2  風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的天氣及熱力條件    2.2.1  黑風(fēng)暴和塵卷風(fēng)的一種動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制    2.2.2  大范圍揚(yáng)塵/揚(yáng)沙的大氣動(dòng)力機(jī)制  2.3  粉塵的啟動(dòng)、搬運(yùn)與沉積    2.3.1  沙粒的懸移運(yùn)動(dòng)    2.3.2  沙粒的起動(dòng)    2.3.3  沙粒的躍移及風(fēng)沙流    2.3.4  風(fēng)沙流的靜電場(chǎng)    2.3.5  粉塵沉積  2.4  結(jié)語(yǔ)  參考文獻(xiàn)第3章  風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)氣固兩相流基礎(chǔ)  3.1  沙粒及沙粒群的幾何性質(zhì)    3.1.1  單顆粒的基本幾何特征    3.1.2  顆粒群的粒度分布與平均當(dāng)量直徑  3.2  氣固兩相流的數(shù)學(xué)模型    3.2.1  兩相流基本數(shù)理模型    3.2.2  雙流體模型通用控制方程組    3.2.3  氣固兩相層流運(yùn)動(dòng)控制方程組    3.2.4  氣固兩相湍流運(yùn)動(dòng)控制方程組  3.3  風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的氣固兩相分層流動(dòng)模型  3.4  結(jié)語(yǔ)  參考文獻(xiàn)第4章  大渦模擬數(shù)學(xué)模型及方程組  4.1  大渦模擬方法在大氣邊界層的應(yīng)用  4.2  Navier-Stokes(N-S)方程組  4.3  大渦模擬的數(shù)學(xué)模型    4.3.1  大渦模擬的湍流理論基礎(chǔ)    4.3.2  大渦模擬的基本方法    4.3.3  大渦模擬控制方程組及封閉    4.3.4  常見(jiàn)亞格子模式    4.3.5  大渦模擬的極限性質(zhì)    4.3.6  常見(jiàn)亞格子模式的比較  4.4  亞格子脈動(dòng)有效特征尺度及其改進(jìn)亞格子模式    4.4.1  亞格子脈動(dòng)特征尺度    4.4.2  亞格子脈動(dòng)有效特征尺度    4.4.3  改進(jìn)sagaut混合尺度模式    4.4.4  算例  4.5  分區(qū)并行計(jì)算    4.5.1  并行平臺(tái)    4.5.2  分區(qū)并行算法的實(shí)現(xiàn)和內(nèi)邊界處理  4.6  結(jié)語(yǔ)  參考文獻(xiàn)第5章  近地層大氣湍流的大渦模擬  5.1  近地層大氣湍流研究概述  5.2  近地層中性層結(jié)的數(shù)值模擬    5.2.1  中性近地層湍流的經(jīng)典理論    5.2.2  中性近地層湍流的大渦模擬  5.3  植被層參數(shù)化模式    5.3.1  Belcher下墊面粗糙單元阻力源項(xiàng)模式    5.3.2  Shaw植被層源項(xiàng)模式    5.3.3  Massman植被層模式    5.3.4  Ayotte植被層模式    5.3.5  幾種植被層模式的比較  5.4  均勻植被層湍流的模擬    5.4.1  植被湍流模擬數(shù)學(xué)模型    5.4.2  平均風(fēng)速廓線    5.4.3  亞格子脈動(dòng)的特征尺度修正系數(shù)    5.4.4  植被層的湍流統(tǒng)計(jì)量    5.4.5  均勻植被層的零位移厚度  5.5  條帶狀均勻植被層湍流的模擬    5.5.1  條帶狀均勻植被層的結(jié)構(gòu)及參數(shù)    5.5.2  計(jì)算區(qū)域、初始條件和邊界條件    5.5.3  平均流向風(fēng)速    5.5.4  風(fēng)速等值線    5.5.5  條帶狀均勻植被層的湍流統(tǒng)計(jì)量    5.5.6  零位移厚度  5.6  結(jié)語(yǔ)  參考文獻(xiàn)第6章  塵卷風(fēng)的物理機(jī)制及流場(chǎng)模擬  6.1  塵卷風(fēng)形成的物理機(jī)制  6.2  塵卷風(fēng)演化的數(shù)學(xué)模型及模擬    6.2.1  引言    6.2.2  CBL尺度的大渦模擬    6.2.3  塵卷風(fēng)尺度的大渦模擬  6.3  塵卷風(fēng)尺度的準(zhǔn)靜態(tài)模型及模擬    6.3.1  塵卷風(fēng)模擬的準(zhǔn)靜態(tài)模型    6.3.2  不同地面處理方法的塵卷風(fēng)流場(chǎng)    6.3.3  不同環(huán)境參數(shù)下的塵卷風(fēng)流場(chǎng)  6.4  結(jié)語(yǔ)  參考文獻(xiàn)第7章  塵卷風(fēng)揚(yáng)塵顆粒軌道模型及模擬  7.1  顆粒相稀相的單顆粒軌道模型  7.2  顆粒碰撞與離散單元法(DEM)    7.2.1  顆粒間接觸力模型    7.2.2  DEM運(yùn)動(dòng)方程及算法    7.2.3  搜索算法及其改進(jìn)  7.3  CFD-DEM控制方程及求解  7.4  粗糙顆粒及離散單元模型的修正  7.5  顆粒傳熱離散單元法(TDEM)  7.6  塵卷風(fēng)揚(yáng)塵的模擬  7.7  結(jié)語(yǔ)  參考文獻(xiàn)第8章  風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)靜電場(chǎng)起電機(jī)制及模擬  8.1  顆粒動(dòng)力學(xué)靜電起電機(jī)制  8.2  沙粒帶電的動(dòng)力學(xué)模型  8.3  分散性沙粒系統(tǒng)的帶電過(guò)程模擬    8.3.1  數(shù)值模擬    8.3.2  相對(duì)濕度與靜電場(chǎng)變化  8.4  風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)靜電場(chǎng)模擬  8.5  結(jié)語(yǔ)  參考文獻(xiàn)第9章  沙塵天氣的中尺度模擬基礎(chǔ)  9.1  沙塵天氣中尺度模擬概述  9.2  中尺度模擬的起沙模式與參數(shù)化  9.3  沙塵天氣中尺度模擬的問(wèn)題與改進(jìn)    9.3.1  沙塵天氣中尺度模式    9.3.2  沙塵天氣的揚(yáng)塵機(jī)制  9.4  沙塵天氣中尺度模擬展望  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：1.4.2 近地層大氣湍流的模擬深刻理解各種尺度的大氣環(huán)境問(wèn)題，如沙塵暴的揚(yáng)沙過(guò)程、塵卷風(fēng)及其對(duì)大氣懸浮物的貢獻(xiàn)、污染物的擴(kuò)散、城市邊界層與熱島效應(yīng)、城市小區(qū)環(huán)境綜合評(píng)估、綠洲冷島效應(yīng)、非均勻植被層下的近地層大氣湍流等，需要對(duì)復(fù)雜下墊面近地層（near-surface layer，NSL）大氣湍流流動(dòng)特性作更深入的理解。利用各種中尺度模式，以及許多從中尺度模式延伸而來(lái)的小尺度模式，無(wú)法直接模擬植被層高度內(nèi)的風(fēng)速分布，降低了預(yù)測(cè)判斷沙塵暴以及污染物擴(kuò)散的能力。大氣的熱量和水分主要來(lái)源于下墊面，動(dòng)量主要來(lái)源于上層氣流的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)量輸送到低層以補(bǔ)償摩擦消耗的動(dòng)能，整體大致呈剪切流動(dòng)。下墊面的變化傳遞到大氣邊界層（air boundary layer，ABL）頂?shù)倪^(guò)程受旋渦的空間和時(shí)間尺度的影響。邊界層內(nèi)的平均垂直氣流很小，一般是由大尺度天氣過(guò)程的流場(chǎng)輻合、輻散引起，受下墊面影響也可產(chǎn)生較強(qiáng)的垂直氣流。影響垂直運(yùn)動(dòng)的特征稱為大氣的靜力穩(wěn)定度，或?qū)咏Y(jié)穩(wěn)定度。按大氣層結(jié)穩(wěn)定度的不同可將大氣邊界層粗略劃分為對(duì)流、中性和穩(wěn)定層結(jié)。近地層的基本特征取決于地面和大氣之間的動(dòng)力和熱力相互作用。近地層的大氣有明顯的湍流特征，湍流黏性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子黏性。由于地面阻礙空氣的垂直交換，大尺度湍流各向異性，氣象要素的垂直梯度越靠近地面越大。植被層是陸地下墊面具有普遍性、特殊性、多樣性的重要影響因素。對(duì)于中國(guó)西北干旱、半干旱地區(qū)，植被覆蓋稀疏，是一種所謂的非均勻下墊面狀態(tài)。非均勻下墊面狀態(tài)是近地層大氣湍流的一個(gè)重要影響因素。植被層本身由于植物種類、生長(zhǎng)狀態(tài)和分布不均而存在巨大差異，許多方面未被充分認(rèn)識(shí)。研究表明，均勻／非均勻植被層的存在改變了近地層大氣平均風(fēng)速的垂直分布，即使植被層的地表覆蓋率低至3％，也能使植被層高度以下的平均風(fēng)速垂直分布明顯偏離對(duì)數(shù)分布。

編輯推薦

《風(fēng)揚(yáng)粉塵:近地層湍流與氣固兩相流》是由科學(xué)出版社出版的。

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