自然地理學(xué)課件

1、風(fēng)沙物理學(xué)研究中的主要科學(xué)問題,中國科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2014-12-12,董治寶,風(fēng)沙物理學(xué) 學(xué)科性質(zhì) 研究意義 主要研究內(nèi)容 我國的研究現(xiàn)狀 當(dāng)前擬開展的研究,報(bào)告提綱,風(fēng)沙物理學(xué)是研究各種風(fēng)沙現(xiàn)象（風(fēng)成過程）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),風(fēng)沙物理學(xué),風(fēng)力作用下地表物質(zhì)（巖石圈和土壤圈）的破壞和位移過程 形成各種風(fēng)積地貌景觀,風(fēng)成過程,沙紋（<1 m),沙丘（>1 m， km),

2、沙海（10 km， 100km),風(fēng)力作用下地表物質(zhì)（巖石圈和土壤圈）的破壞和位移過程 形成各種風(fēng)蝕地貌景觀,風(fēng)成過程,風(fēng)棱石,雅丹地貌,羽毛狀沙丘(庫姆塔格沙漠),塔干沙漠的橫向沙丘(塔里木河下游),巴丹吉林沙漠的高大沙山,雅丹地貌（柴達(dá)木盆地）,雅丹地貌（哈密）,雅丹地貌（敦煌）,沙塵暴形成與輸送,甘肅敦煌，2003,美國Big Spring，1997,甘肅金昌，1993,沙塵暴形成與輸送,包括地表風(fēng)蝕、風(fēng)成物質(zhì)輸移和沉積三

3、個(gè)相互聯(lián)系的子過程,風(fēng)成過程,風(fēng)成過程,風(fēng)積過程,輸移過程,風(fēng)蝕過程,吹 蝕,磨 蝕,沙 粒輸 移,床面形態(tài)變化,床面形態(tài)固定,沙 粒沉 積,,,,,,,,,,,,,,,,,,風(fēng)沙物理學(xué)總體上來講是介于沙漠科學(xué)與物理學(xué)之間的一門邊緣科學(xué)，具有兩個(gè)明顯特點(diǎn)，即多學(xué)科性和兼有基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。,學(xué)科性質(zhì),風(fēng)是除流水外，塑造地球景觀的第二流體 地質(zhì)歷史時(shí)期就存在（黃土堆積、古風(fēng)成沙） 影響范圍廣（全球、中國、外星

4、） 與人類生存的關(guān)系密切,風(fēng)沙物理研究的意義,中國1/3以上的面積,火星、金星、土衛(wèi)六,風(fēng)沙物理研究的意義,風(fēng)沙顆粒運(yùn)動學(xué) 風(fēng)沙流 風(fēng)沙邊界層 風(fēng)沙地貌動力學(xué) 土壤風(fēng)蝕 風(fēng)沙控制原理,風(fēng)沙物理研究的主要內(nèi)容,1）風(fēng)沙顆粒的起動條件、受力分析及其影響因子。2）風(fēng)沙顆粒運(yùn)動形式及其動態(tài)追蹤。3）風(fēng)沙顆粒運(yùn)動的起跳角、速度、加速度、沖擊角等運(yùn)動參數(shù)及運(yùn)移長度、高度等運(yùn)動軌跡參數(shù)及其影響因素。4）運(yùn)動沙粒間、運(yùn)動沙粒與

5、地表沖撞過程中的能量傳輸與轉(zhuǎn)換過程與規(guī)律。5）沙粒運(yùn)動學(xué)理論的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以及數(shù)學(xué)方程(組)的求解途徑。6）風(fēng)沙顆粒運(yùn)動的數(shù)值模擬。,風(fēng)沙顆粒運(yùn)動學(xué),風(fēng)沙顆粒運(yùn)動學(xué),近地層氣流的性質(zhì),近地層氣流的性質(zhì),顆粒附近氣流湍流程度對風(fēng)沙運(yùn)動具有明顯的影響,,,,近地層氣流的性質(zhì),,風(fēng)沙顆粒運(yùn)動學(xué),近地層氣流的性質(zhì),空氣動力學(xué)粗糙度,水力學(xué)粗糙度,近地層氣流的性質(zhì),近地層氣流的性質(zhì),作用在顆粒上的力,作用在顆粒上的力,1、慣性力 6、

6、附加質(zhì)量力 2、重力 7、巴賽特(Basset)力 3、浮力 8、馬格努斯(Magnus)升力 4、氣動阻力 9、薩夫曼(Saffman)升力 5、壓力梯度力 10、靜電力,風(fēng)沙顆粒起動學(xué)說,1、風(fēng)壓起動說 6、湍流起動說 2、升力起動說 7、斜面飛升說 3、沖擊起動說 8、負(fù)壓起動說 4、壓差起動說 9、渦旋起動說 5、振動起動說 10、猝發(fā)起動說,風(fēng)沙顆粒起動學(xué)

7、說,,● 在風(fēng)沙流運(yùn)動過程中，運(yùn)動顆粒的空中碰撞是十分頻繁的，而對地表的沖擊作用是很小的。,風(fēng)沙顆粒起動學(xué)說,,● 運(yùn)用概率論知識，研究了躍移沙粒在上升階段下降階段發(fā)生碰撞的概率，以及在整個(gè)躍移過程發(fā)生碰撞的概率隨風(fēng)速的變化情況。,顆?？罩信鲎哺怕?風(fēng)沙顆粒起動學(xué)說,,運(yùn)動顆粒的空中碰撞的概率模型,,,風(fēng)沙顆粒起動學(xué)說,,顆粒上升段碰撞概率,風(fēng)沙顆粒起動學(xué)說,,顆粒下降段碰撞概率,風(fēng)沙顆粒起動學(xué)說,,整個(gè)躍移階段碰撞概率,風(fēng)沙顆粒起動學(xué)

8、說,,考慮初速度分布時(shí)的碰撞概率,風(fēng)沙顆粒起動學(xué)說,影響顆粒起動的因素,影響顆粒起動的因素,顆粒形狀、顆粒級配（分選性）、顆粒間的膠結(jié)作用和外在的地表坡度與不可蝕粗糙因子等,影響顆粒起動的因素,影響顆粒起動的因素,土壤含水率對顆粒起動的影響,土壤含水率對顆粒起動的影響,1）不同風(fēng)力及沙物質(zhì)條件下風(fēng)沙流固體流量結(jié)構(gòu)、濃度分布、速度場以及能量結(jié)構(gòu)特征及其數(shù)學(xué)模型。 2）風(fēng)沙流的侵蝕能力。 3）風(fēng)沙流的濃度、固體流量結(jié)構(gòu)與單顆粒運(yùn)動參數(shù)間

9、的關(guān)聯(lián)。 4）風(fēng)沙流輸沙量與各種影響因子之間的關(guān)系及輸沙模型。,風(fēng)沙流,風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)：流沙表面的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu),qh=aexp(-h/b),風(fēng)沙流結(jié)構(gòu): 戈壁床面風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)q =a+bexp (-0.5((h-c)/d)2),大 氣邊界 層,風(fēng)沙邊界層,風(fēng)沙邊界層,1）風(fēng)沙邊界層厚度的確定、位移厚度、動能損失厚度、動量損失厚度及其與風(fēng)沙流運(yùn)動的關(guān)系。2）不同類型固定床面風(fēng)速廓線特征及其空氣動力學(xué)特征參數(shù)及其

10、與床面粗糙元幾何特征的關(guān)系。3）風(fēng)沙流中顆粒相對氣相的阻力及其空間變化規(guī)律。,風(fēng)沙邊界層,4）風(fēng)沙流中的剪切作用、粒載切應(yīng)力、氣載切應(yīng)力的變化規(guī)律，及其與風(fēng)沙流運(yùn)動的關(guān)系。5）風(fēng)沙流中風(fēng)速分布規(guī)律、風(fēng)速廓線表達(dá)式、空氣動力學(xué)特參數(shù)的確定與變化規(guī)律及其與風(fēng)沙流運(yùn)動的關(guān)系。6）風(fēng)速廓線與風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的耦合研究，建立和求解風(fēng)沙兩相流體動力學(xué)方程組。7）風(fēng)沙互饋過程的數(shù)值模擬。,風(fēng)沙邊界層,風(fēng)與沙的相互作用與反饋,● 風(fēng)沙流中的風(fēng)速廓線,

11、● 風(fēng)沙流運(yùn)動導(dǎo)致氣流剪切力的變化,● 風(fēng)沙運(yùn)動對氣流產(chǎn)生的阻力,● 風(fēng)與沙的相互作用與反饋的數(shù)值模擬,● 風(fēng)沙流中風(fēng)速廓線的數(shù)值模擬結(jié)果,,,風(fēng)沙地貌動力學(xué),1）不同類型風(fēng)沙地貌形成與發(fā)育的風(fēng)動力環(huán)境。2）不同類型風(fēng)沙地貌所形成的二次流的流場特征以及二次流在風(fēng)沙地貌形成與演化中的作用。3）風(fēng)沙地貌不同部位蝕積特征以及風(fēng)沙地貌表面的蝕積規(guī)律。4）不同尺度風(fēng)沙地貌動力學(xué)過程之間的關(guān)聯(lián)。,風(fēng)沙地貌動力學(xué),5）沙丘移動規(guī)律及其與沙丘形態(tài)

12、、風(fēng)況的關(guān)系。6）風(fēng)沙地貌空間組合規(guī)律及其風(fēng)動力環(huán)境的關(guān)系。7）沙漠活動性的判定。8）風(fēng)沙地貌形成與演變的動力學(xué)模型與數(shù)值模擬。,風(fēng)沙地貌動力學(xué),沙塵釋放與傳輸,風(fēng)成過程研究的主要領(lǐng)域,沙塵釋放過程與機(jī)理。 確定躍移層與懸移層之間的過渡關(guān)系。 沙塵流量結(jié)構(gòu)。 輸移和沉積過程。,1）土壤風(fēng)蝕因子。2）土壤風(fēng)蝕氣候指數(shù)與可蝕性指數(shù)。3）土壤風(fēng)蝕預(yù)報(bào)模型。,土壤風(fēng)蝕,1）各種固沙措施的作用原理。不同阻沙固沙工程的氣流場特征、風(fēng)

13、沙流結(jié)構(gòu)與蝕積規(guī)律，揭示其阻沙固沙原理。2）通過模擬實(shí)驗(yàn)與野外觀測，探討防沙工程體系的最佳模式。,風(fēng)沙控制原理,20世紀(jì)50-60年代：引進(jìn)與觀測積累。 20世紀(jì)70年代開始實(shí)驗(yàn)研究。 20世紀(jì)80年代開始深入微觀領(lǐng)域，沙漠化研究帶動了土壤風(fēng)蝕研究。 20世紀(jì)90年代開始，沙塵暴研究越來越受關(guān)注。 21世紀(jì)以來，圍繞沙漠化和沙塵暴從不同的學(xué)科進(jìn)行研究。,我國的研究現(xiàn)狀,研究簡史,參與研究的主要學(xué)科,地質(zhì)地理：野外觀測、實(shí)驗(yàn)室模

14、擬分析。 大氣科學(xué)：宏觀監(jiān)測、模型模擬、預(yù)報(bào)。 物理學(xué)：微觀機(jī)制的分析、推斷與數(shù)值模擬。 工程科學(xué)：控制措施。,我國的研究現(xiàn)狀,我國的研究現(xiàn)狀,取得的成就,基礎(chǔ)研究方面取得了長足的進(jìn)展,據(jù)美國風(fēng)沙科學(xué)數(shù)據(jù)庫，中國科學(xué)家在風(fēng)沙科學(xué)方面的論文從20世紀(jì)60年代占全世界的0.7%上升到25%。1997年以來大幅度增加。,我國的研究現(xiàn)狀,,存在的主要問題,微觀與宏觀的結(jié)合問題。 實(shí)驗(yàn)、觀測資料積累與模擬研究的結(jié)合問題。 模擬實(shí)驗(yàn)與野外

15、觀測的結(jié)合問題。 理論研究與應(yīng)用研究的結(jié)合問題。 不同學(xué)科的結(jié)合問題。,,當(dāng)前需要開展的研究,滿足國家需求的研究 前沿探索研究,,當(dāng)前需要開展的研究,地表風(fēng)蝕與沙塵釋放模型（滿足土地沙漠化研究和沙塵暴模擬預(yù)測）（重點(diǎn)聚焦于近地層物質(zhì)與能量的傳輸）,滿足國家需求的研究,近地層氣流——地表——沙粒間的物質(zhì)與能量交換是沙漠化和沙塵釋放的動力機(jī)制,滿足國家需求的研究,當(dāng)前需要開展的研究,前沿探索研究：行星風(fēng)成過程研究,20世紀(jì)50年代

16、行星科學(xué)家根據(jù)火星反射條痕進(jìn)行推測在火星上存在沙漠及風(fēng)沙活動的可能性。 1972-1973年，水手9號證實(shí)火星上有沙丘、雅丹、風(fēng)蝕坑和風(fēng)蝕槽谷等風(fēng)成地貌和大量的類似于地球上的黃土堆積。 20世紀(jì)70-80年代，根據(jù)海盜飛船獲得的資料，推測了火星上的風(fēng)向與強(qiáng)度。,當(dāng)前需要開展的研究,前沿探索研究：行星風(fēng)成過程研究,20世紀(jì)80年代，根據(jù)旅行者宇宙飛船提供的土衛(wèi)六的影象，科學(xué)家們推測在土衛(wèi)六上亦有可能存在沙漠和風(fēng)沙活動現(xiàn)象。 20世

17、紀(jì)80年代，根據(jù)金星上雙峰型沉積物的推斷，在金星上在亦存在著風(fēng)沙活動。 20世紀(jì)80年代，美國NASA建立了用于模擬外星風(fēng)沙環(huán)境的MARSWIT風(fēng)洞 。 20世紀(jì)90年代初期，我國開展了火星探測的必要性和可行性研究，列為“863”計(jì)劃“行星探測”課題。,當(dāng)前需要開展的研究,前沿探索研究：行星風(fēng)成過程研究,2004年勇氣號飛船發(fā)回的火星風(fēng)成地貌照片,當(dāng)前需要開展的研究,第一階段：必要的準(zhǔn)備工作。進(jìn)行國際合作，開展火星環(huán)境研究，提出