自然地理學課件

1、風沙物理學研究中的主要科學問題,中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室2014-12-12,董治寶,風沙物理學 學科性質 研究意義 主要研究內容 我國的研究現(xiàn)狀 當前擬開展的研究,報告提綱,風沙物理學是研究各種風沙現(xiàn)象（風成過程）的規(guī)律和形成的物理機制及其利用與控制原理的科學,風沙物理學,風力作用下地表物質（巖石圈和土壤圈）的破壞和位移過程 形成各種風積地貌景觀,風成過程,沙紋（<1 m),沙丘（>1 m， km),

2、沙海（10 km， 100km),風力作用下地表物質（巖石圈和土壤圈）的破壞和位移過程 形成各種風蝕地貌景觀,風成過程,風棱石,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,包括地表風蝕、風成物質輸移和沉積三

3、個相互聯(lián)系的子過程,風成過程,風成過程,風積過程,輸移過程,風蝕過程,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,,,,,,,,,,,,,,,,,,風沙物理學總體上來講是介于沙漠科學與物理學之間的一門邊緣科學，具有兩個明顯特點，即多學科性和兼有基礎研究和應用基礎研究。,學科性質,風是除流水外，塑造地球景觀的第二流體 地質歷史時期就存在（黃土堆積、古風成沙） 影響范圍廣（全球、中國、外星

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

5、地表沖撞過程中的能量傳輸與轉換過程與規(guī)律。5）沙粒運動學理論的數(shù)學表達式，以及數(shù)學方程(組)的求解途徑。6）風沙顆粒運動的數(shù)值模擬。,風沙顆粒運動學,風沙顆粒運動學,近地層氣流的性質,近地層氣流的性質,顆粒附近氣流湍流程度對風沙運動具有明顯的影響,,,,近地層氣流的性質,,風沙顆粒運動學,近地層氣流的性質,空氣動力學粗糙度,水力學粗糙度,近地層氣流的性質,近地層氣流的性質,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,風沙顆粒起動學說,1、風壓起動說 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,風沙顆粒起動學

7、說,,● 在風沙流運動過程中，運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。,風沙顆粒起動學說,,● 運用概率論知識，研究了躍移沙粒在上升階段下降階段發(fā)生碰撞的概率，以及在整個躍移過程發(fā)生碰撞的概率隨風速的變化情況。,顆粒空中碰撞概率,風沙顆粒起動學說,,運動顆粒的空中碰撞的概率模型,,,風沙顆粒起動學說,,顆粒上升段碰撞概率,風沙顆粒起動學說,,顆粒下降段碰撞概率,風沙顆粒起動學說,,整個躍移階段碰撞概率,風沙顆粒起動學

8、說,,考慮初速度分布時的碰撞概率,風沙顆粒起動學說,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）不同風力及沙物質條件下風沙流固體流量結構、濃度分布、速度場以及能量結構特征及其數(shù)學模型。 2）風沙流的侵蝕能力。 3）風沙流的濃度、固體流量結構與單顆粒運動參數(shù)間

9、的關聯(lián)。 4）風沙流輸沙量與各種影響因子之間的關系及輸沙模型。,風沙流,風沙流結構：流沙表面的風沙流結構,qh=aexp(-h/b),風沙流結構: 戈壁床面風沙流結構q =a+bexp (-0.5((h-c)/d)2),大 氣邊界 層,風沙邊界層,風沙邊界層,1）風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沙流運動的關系。2）不同類型固定床面風速廓線特征及其空氣動力學特征參數(shù)及其

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

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

12、、風況的關系。6）風沙地貌空間組合規(guī)律及其風動力環(huán)境的關系。7）沙漠活動性的判定。8）風沙地貌形成與演變的動力學模型與數(shù)值模擬。,風沙地貌動力學,沙塵釋放與傳輸,風成過程研究的主要領域,沙塵釋放過程與機理。 確定躍移層與懸移層之間的過渡關系。 沙塵流量結構。 輸移和沉積過程。,1）土壤風蝕因子。2）土壤風蝕氣候指數(shù)與可蝕性指數(shù)。3）土壤風蝕預報模型。,土壤風蝕,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

13、沙流結構與蝕積規(guī)律，揭示其阻沙固沙原理。2）通過模擬實驗與野外觀測，探討防沙工程體系的最佳模式。,風沙控制原理,20世紀50-60年代：引進與觀測積累。 20世紀70年代開始實驗研究。 20世紀80年代開始深入微觀領域，沙漠化研究帶動了土壤風蝕研究。 20世紀90年代開始，沙塵暴研究越來越受關注。 21世紀以來，圍繞沙漠化和沙塵暴從不同的學科進行研究。,我國的研究現(xiàn)狀,研究簡史,參與研究的主要學科,地質地理：野外觀測、實驗室模

14、擬分析。 大氣科學：宏觀監(jiān)測、模型模擬、預報。 物理學：微觀機制的分析、推斷與數(shù)值模擬。 工程科學：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,基礎研究方面取得了長足的進展,據(jù)美國風沙科學數(shù)據(jù)庫，中國科學家在風沙科學方面的論文從20世紀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,微觀與宏觀的結合問題。 實驗、觀測資料積累與模擬研究的結合問題。 模擬實驗與野外

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

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

17、紀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沙活動。 20世紀80年代，美國NASA建立了用于模擬外星風沙環(huán)境的MARSWIT風洞 。 20世紀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”計劃“行星探測”課題。,當前需要開展的研究,前沿探索研究：行星風成過程研究,2004年勇氣號飛船發(fā)回的火星風成地貌照片,當前需要開展的研究,第一階段：必要的準備工作。進行國際合作，開展火星環(huán)境研究，提出