大气表面层中不同植被地表粗糙度的湍流性质分析
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摘要
对于半干旱、干旱地表的沙尘自然环境,植被对于抑制风蚀和土壤流失起着重要作用,而对大气表面层下不同植被覆盖的近地面流场性质分析更是可以直观揭示不同植被粗糙对流场的影响。本文基于在沙床地表,低矮植被地表和中等盖度植被地表三种不同粗糙情形的垂向5m以下速度梯度的测量,可以得到具有高度梯度的近地面流场三维速度信息。并且发现在植被覆盖地表导致粗糙度变化极大情形下,对于传统的风速廓线形式已经不能很好地来表征这一情形,于是引进了带粗糙因子a的改进形式,u_z=(1+α)u_*/kln(z-a)/z_0与粗糙度的大小有关。湍流雷诺应力象限分解中的上抛下扫结构对于沉积输运过程是一个关键的影响因素(Best and Kostaschuk,2002),利用象限分解进而发现在不同粗糙度下的上抛和下扫比率在不同高度处有着明显的区别。粉尘在输运过程中对流场风速有着很好的跟随性,而大尺度结构和超大尺度结构又占了至少50%的流向湍动能,通过对流场流向速度的预乘谱分解,粗糙度的增加不仅使得流向主结构的尺度减小,还使得主结构对应的能量在减小,特别地,使得了大尺度结构占流向湍动能的比例也减小。粗糙度对流场性质的影响,不仅仅体现在近地面处的平均速度衰减,还对垂向和流向的尺度结构削弱起着重要作用,所以不同植被地表粗糙影响下的流场性质变化对于我们理解沙尘输运过程尤为重要。
引文