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为了进一步认识植被等粗糙元结构特征(侧影盖度、方向比率、高度/间距比和孔隙度)及空气动力学粗糙度对沙质床面风沙输运的影响,本文在风沙环境风洞中通过观测以圆柱木棍、塑料管和细铁丝代表的不同形状和结构的粗糙床面的风速廓线和跃移通量,研究侧影盖度、方向比率、高度/间距比和孔隙度对粗糙床面的空气动力学粗糙度、起动摩阻风速和跃移通量的影响,主要研究结论如下:
虽然影响植被平均空气动力学粗糙度的主要因素为粗糙元高度和侧影盖度,但方向比率和孔隙度对这些因素对空气动力学粗糙度的影响起到显著地修饰作用。15%孔隙度比密实粗糙元的空气动力学粗糙度大40%;当粗糙元孔隙度增加到55%和75%时,空气动力学粗糙度比密实粗糙元大约降低了40%-60%左右,植被孔隙度对空气动力学粗糙度的影响是显著的。
在侧影盖度相近或植被高度与间距相等情况下,方向比率在16-20之间细高粗糙元的起动摩阻风速比粗矮粗糙元大0.1-0.3 m·s-1,也比方向比率稍低细高粗糙远大0.1-0.2 m·s-1。丛状粗糙元与高度和方向比率较大的细高粗糙元的起动摩阻风速接近,而粗矮粗糙元床面起动摩阻风速比细高粗糙元和丛状粗糙元低。
植被覆盖床面起动摩阻风速随着植被孔隙度增加而呈现下降趋势,高孔隙度(75%)和低孔隙度(15%)的植被覆盖床面,其起动摩阻风速都比密实粗糙元大10%-60%,说明植被孔隙度对跃移起动的影响不仅在于对平均应力分配关系的影响,还可能涉及到对湍流应力脉动的影响。
风洞实验观测和半经验模式模拟结果差异明显,只有在Z0<1 mm细高粗糙元覆盖床面,Marticorena模式模拟结果才可能和实测数据接近,其他情况下模式预测结果就会失效。Alfaro模式预测结果远远比实测数据低。
归一化跃移通量(NSF)随着侧影盖度和空气动力学粗糙度增加而呈负指数衰减趋势,且下降幅度随着风洞中心线风速增大而减小。归一化跃移通量随侧影盖度及以负指数形式衰减的特征可以概括为如下模式:
植被覆盖床面归一化跃移通量随植被孔隙度增加而以指数函数形式递增,中等和高孔隙度情况下过一化跃移通量比低孔隙度粗糙元归一化跃移通量提高了10-35%。植被覆盖床面归一化跃移通量随植被孔隙度递增趋势与起动摩阻风速随孔隙度变化不完全一致,暗示植被孔隙度对跃移通量的影响不仅在于通过吸收风动量而提高起动摩阻风速,而且还通过植被机械拦截作用影响跃移过程。
在Z0<1mm Marticrena模式预测的植被覆盖床面的跃移通量比风洞观测大20-80%,而在Z0>1mm,该模式预测数值仅是风洞观测1/4-1/2,而Alfaro模式预测数值明显比风洞观测值高,其中Z0<1mm模式预报比风洞观测数据高40-80%,Z0>1mm模式预报比风洞观测数据高一个数量级。相比较而言,Marticrena模式的可靠性更高一些。鉴于跃移过程复杂性,目前模式在用于大尺度模拟跃移通量和粉尘释放通量的误差是可以接受的。