戈壁风沙流结构和风速廓线特征研究

通过对戈壁地表风沙流特性的风洞模拟实验,旨在探讨戈壁地表性质是如何影响气流的紊动性,并对风沙流的结构和风沙活动层内的风速廓线产生影响,从而对野外风沙工程的设计提供理论依据。实验发现:在戈壁地表风沙活动层主要集中在距地表20cm范围内;由于沙颗粒与戈壁地表的砾石发生碰撞,浓度分布不再简单的服从对数关系递减,其极值出现的高度随风速的增加而上移,呈现"象鼻效应";不同风速下风沙活动层内同一高度含沙颗粒浓度之间存在很好的相关性。

海陆风及沿海风速廓线在风电场风速预报中的应用

为了建立沿海风功率预报系统,本文探讨了中国沿海风电场风速预报问题,并利用数值模式 RAMS 对海陆风进行了模拟研究.发现海陆风发生时,海风和陆风阶段风速廓线存在较大差异.海风阶段风速的垂直切变明显小于陆风阶段.海陆风发生时,风速会呈现有规律的变化,即海风和陆风分别有两个时段:风速增加时段和风速减少时段.在为沿海风电场提供风速预报时,当模式预报到海陆风发生时,可以利用海陆风的这种特点,使用统计方法对预报出的风速进行有效的订正.并发现即使没有海陆风发生,当风向为海洋吹向陆地时,风速随高度的垂直切变同样小于陆地吹向海洋的时段.利用统计方法根据不同风向时风速廓线的特性,把数值模式计算高度上的预报结果,精确地插值到风机涡轮高度,会很大程度上减少风速预报的误差及风功率预报环节的误差.

关于风沙流中风速廓线的进一步实验研究

总结与分析了以前学者对风沙流中风速廓线的研究成果,指出了其中的不足之处。并通过实验测出两种较典型自然沙(沙丘沙与河滩冲积沙)所形成稳定状态下风沙流中的风速廓线,提出了新的风速廓线模型。实验结果表明风沙流中的风速廓线用幂函数u=azb拟和最佳,拟合系数均大于0 95。经验证,实验结果可靠。

海面与海岸陆面风速廓线特征

利用位于江苏海岸陆地的两座测风塔以及福建海面的一座测风塔气象要素资料,分析了这两种下垫面风速、湍流等要素的日变化规律及廓线特征,探讨了这两种不同下垫面特征导致的风力特征差异。结果表明:海岸陆面日最大风速出现时间较内陆滞后,最小风速出现时间与内陆相差不大,风速日变化位相随高度滞后,日振幅随高度减小,冬季70 m高度风速日变化特征与10 m高度风速日变化特征相反,夜间大于白天,说明冬季的过渡层转换高度低于夏季;海面风速的日变化位相、日振幅等特征随高度变化很小。两种下垫面的风廓线用对数律、指数律拟合的效果相当,海岸陆面的风廓线指数呈现的规律为离岸风组大于向岸风组,冬季大于夏季;海面风廓线指数呈现的规律则是向岸风组大于离岸风组,夏季大于冬季。

中性条件下垂直风速廓线及其参数模拟分析

通过对中性条件下裸露土壤表面、均一植被覆盖表面和非均质下垫面水平风速模型的分析发现,粗糙元素的平均高度H、植被覆盖率σ和叶面积指数LAI是垂直风速廓线的最基本参数.据此,以中国科学院地理科学与资源研究所的山东禹城农业综合试验站为案例区,运用2000年小麦生长的实地监测数据、2000年3月30日的轨道号为122-34的LANDSAT-5卫星数据、NOAA-14气象卫星逐旬NDVI数据、1∶1万土地利用数据和1∶1万地形数据,模拟分析了小麦植株高度H、叶面积指数和覆盖率σ变化规律及其与植被指数NDVI的关系;建立了中性条件下禹城农业综合试验站垂直风速廓线模型,对禹城农业综合试验站2000年3月5日21:05至2000年5月24日7:05的4m、60m和1 000m高度处的逐时风速进行了模拟分析,讨论了风速的空间插值问题。

风沙流中风速廓线的数值模拟与实验验证

如何描述风沙流中被风沙运动改变了的风速廓线是风沙相互作用研究中的关键问题之一。该文中将跃移风沙流视为一种颗粒拟流体,将跃移颗粒对气流产生的阻力用颗粒流的阻力系数来表达,建立了描写两场相互作用的数学模型。颗粒流的阻力系数采用了前人在液态流化床研究中得出的阻力系数表达形式,通过引入一个修正系数,使其适用于风沙流(气-固两相流)。将风沙边界层划分为跃移颗粒所产生的阻力不可忽略的内边界层和跃移颗粒阻力可以忽略但受内边界层影响的外边界层,分别建立了内边界层和外边界层的风速廓线表达式。应用所建立的数学模型,根据由风洞实验测定的跃移风沙流的浓度分布和速度分布资料,计算了跃移风沙流中的风速廓线,并与风洞实测结果进行了对比。结果表明,计算风速廓线与实测风速廓线吻合得比较好,在半对数图上均为上凸的曲线,有别于无风沙运动时的直线。跃移边界层外风速分布可较好地用对数函数来描述。对风沙流中风速廓线的进一步分析证实了风沙物理学奠基人Bagnold在其早期观测风沙流中的风速廓线时提出的"结点现象"(Bagnold结),该结点的高度随风速的增大而升高,随颗粒粒径的增大而降低。根据数值模拟和模拟实验,可以认为有风沙运动的动床剪切风速是综合反映风场与跃移层以及地表之间相互作用的物理量。

青海湖沙地人工治理沙丘的风速廓线变化特征

对青海湖湖东沙地麦草方格沙障结合沙棘实生苗的人工治理沙丘进行风速廓线及其风沙防护效益研究,结果表明,人工治理措施明显降低了沙丘各部位的近地层风速,增强了高层风速。与流动沙丘相比,垂向风速增加率的差异使人工治理沙丘不同部位的超越高度值出现"坡脚>坡中>丘顶"的规律。风速垂向气流的变异导致不同高度层的防风固沙效果不同,低层风沙防护效益显著高于中、高层。同时结合坡度,植被盖度等因子,分析了影响风速廓线的变化原因,从而为青海湖沙地人工治理效果进行评估与初步指导。

植被盖度和灌木带状配置对近地表风速廓线的影响

采用便携式风速廓线仪分别对不同植被覆盖度和灌木带状配置的退化草原进行实验研究,结果表明:地表植被盖度越大,其降风速和防风蚀效果越明显,地表盖度分别为85%、35%、20%和小于5%时,距离地表2 cm处的风速相较6 4 cm处的风速降低幅度分别为7 2.4%、6 7.1%、6 1.7%和4 4.9%;灌木带越高,对牧草带有效保护距离越宽,植株高度大于0.7m的灌草带状配置有效保护距离均大于6m。因此,提高地表植被盖度和增大灌木带高度对近地表的风速廓线有较大影响,具有显著的抗风蚀效果。

热膜式无线风速廓线仪

针对目前常用的压差式风速廓线仪测量误差大、移动不便等问题,设计了一种热膜式无线风速廓线仪,并在风蚀风洞中进行了标定。该测试系统可实现多点数据采集和无线传输,具有结构简单、性能可靠、便于携带安装、抗污染和测速范围宽等优点。结果表明,经过标定后的热膜式无线风速廓线仪标定误差在0.379 8 m/s以内,所测试的风速廓线呈指数分布,符合近地表风速垂直分布规律。

内蒙古草原近地层垂直风速廓线的观测研究

利用中国国家气候中心2009-2010年在内蒙古锡林浩特开展的100 m铁塔大气湍流观测数据,分析了不同稳定度条件下的垂直风廓线变化特征,并在局地相似理论基础上建立了垂直风廓线表达式。结果表明:(1)内蒙古草原近地层大气中,不稳定层结和稳定层结条件发生的概率远高于中性和弱不稳定、弱稳定层结的发生概率。(2)稳定层结时,大气特性在垂直方向上变化较明显,需要按照不同的高度层分别研究其风速的变化规律。根据内蒙古锡林浩特草原大气湍流观测资料得到,稳定层结时的无因次风速梯度随稳定度ξ的变化关系可以表达为1+β_mξ,其中β_m的取值与距地面高度有关:30 m高度及以下,β_m取4.3-5.4;高度在(30 m,50 m],β_m取2.9-3.4;50 m及以上高度,β_m取2.0-2.9。

非均一地形近地层风速廓线特点及粗糙度的研究

在中性大气层结条件下,利用35 m铁塔上五层不同高度处的有效风速,分析得到了非均一地形近地面层风速廓线特点及由粗糙元所决定的粗糙度。结果表明:(1)近地面层风速廓线一般符合对数风速廓线模式,其相关系数均大于0.985,标准偏差为0.04左右;(2)粗糙度的值为1.25 m。但由于外界流体运动状态改变可引起粗糙度出现起伏,其变化范围较大,一般在0.038～4.903 m,与风速之间的相关系数为-0.953。

城市建筑群对低层大气风速廓线影响的统计分析

用统计平均方法,分析了天津市250m气象塔1988年冬季和夏季的逐时风速廓线观测资料。结果表明,冬季两种不同性质下垫面上近地层的平均风速廓线统计特征存在着显著性差异。这种差异能够反映出城市建筑群对低层大气风廓线影响的局地气候特征。然而夏季的结果却反映出与冬季不同的统计规律。

风速廓线形式对HDPE板高立式沙障风沙流场的差异性研究

以格库铁路路基风沙防护为背景,在不同来流风速廓线形式下对不同孔隙率(30%、40%、50%)HDPE板栅栏进行数值模拟,对比分析风速廓线形式对栅栏周围流场及积沙分布的影响,并通过风洞试验进行验证,得出数值模拟中适合现场的风速廓线形式。结果表明:对数流形式时,栅栏周围加速区范围扩大,且存在明显的回流区,均匀流形式时,栅栏周围加速区范围较小,回流区相对不明显。对数流和均匀流形式下,在栅栏障后20H处,分别为30%和50%孔隙率HDPE板栅栏防护作用最优。对数流形式下,孔隙率为30%时,积沙主要分布在迎风侧,孔隙率为50%时,积沙主要分布在背风侧;均匀流形式下,积沙主要分布在背风侧。对比风洞试验结果,对数流模拟结果较均匀流结果更切合现场实际。

中性温度层结时森林郁闭度与林冠上风速廓线的关系

该文利用风洞实验及野外实测资料，用逼近方法求出中性温度层结时不同郁闭度林分林冠以上风速廓线特征．结果表明，风速廓线参数（零平面位移ｄ、林冠表面粗糙度Ｚ０、动力速度Ｕ）随郁闭度Ｃ的变化而改变，ｄ随Ｃ的增大而增大，二者关系可由对数函数表示：ｄ＝（Ｈ／ａ）ｌｎ（Ｃ／Ｃ０）．Ｚ０和Ｕ的变化特征比较相似，在Ｃ＝０２附近有最大值，Ｃ再增大或减小。

热敏式近地表无线风速廓线仪研究

针对常用风速廓线仪线路连接复杂、体积和功耗大、测量精度与自动化程度低且无法实现数据的实时记录与处理,致使研究退化草地近地表风速变化规律、地表粗糙度及其抗风蚀能力等诸多困难等问题,基于热敏电阻和无线传感网络技术,设计了具有体积小、功耗低、测量精度高的热敏式风速传感器和具有自动风向识别与无线数据传输功能的近地表风速廓线仪,实现了环境温度、湿度、大气压力、近地表风速等数据的自动采集、无线传输和实时处理等功能。试验表明:该风速廓线仪的旋转启动风速为3.7 m/s,风速测量范围为0~16 m/s,精度不低于0.3 m/s,最大响应时间为3 s,一次充电可连续工作7 h以上,能够准确反映近地表风速随高度的变化规律,风速廓线的指数拟合度在0.9以上;软件系统可实现对最多6个风速廓线测点的循环自动采集与处理,在射频功率最大、空中传输速率为2.4 kb/s时,35字节的数据包有效传输距离不低于500 m,6个节点完成一次数据传输所需时间不超过10 s。该系统具有功耗低、使用方便、操作简单、自动数据采集等优点,能够满足近地表风速变化规律的研究需要。

内蒙古典型沙尘天气过程中风速廓线及PM_(10)的变化特征

利用2005年1月至2006年4月朱日和地区20m气象塔的风速及PM10沙尘质量浓度资料,分析典型沙尘天气过程(沙尘暴、扬沙、浮尘)中近地层风速廓线及PM10的演变特征。结果表明,沙尘暴、扬沙发生发展过程中风速较大,梯度变化明显;浮尘天气风速相对较小,整个过程随时间均呈现出递增态势。沙尘天气结束后比开始前的风速均有所减小。沙尘暴期间PM10平均浓度在5436.38～10000μg/m3,扬沙天气发生过程中平均PM10质量浓度为1799.49～4006.06μg/m3,浮尘过程中PM10的平均质量浓度为1765.53μg/m3。

便携式近地表风速廓线仪的研制

土壤风蚀是我国北方干旱、半干旱以及部分半湿润地区土地退化的主要原因之一,风是引起土壤风蚀的最直接动力,对土壤风蚀的研究需要测量大气边界层近地表的风速廓线。为此,针对现有的风速廓线仪在野外测试中存在的缺陷和不足,研制出了针对土壤风蚀测试的便携式近地表风速廓线仪。该廓线仪采用了抗风沙的楔形热膜风速传感器,采用低功耗的无线网络数据传输方案。经过风洞校准和野外的测试试验,证明研制的风速廓线仪携带方便、抗风沙能力强,能够精确地测量近地表的风速廓线。

全边界层风速廓线规律

应用实测风速廓线资料,进行多元回归分析,得到了中性、稳定和不稳定条件下的全边界层风速分布对数～多项式律和指数律.这些风速廓线规律给出了估算平原地区全边界层风速铅直分布的简便方法。

South Pole温度风速廓线的统计分析

利用2008年South Pole的探空资料,通过大气温度和风速廓线,确定了South Pole地区冬季(6,7,8月)和夏季(12,1,2月)的大气边界层结构、边界层和对流层顶的高度。对近地面的温度、水汽压、风速和风向进行了统计分析。结果表明,South Pole大气边界层大多时候为稳定型,但在夏季也存在不稳定的情况,尤其在1月份较多;夏季夜晚的边界层平均高度为389 m,比白天的304 m大,冬季夜晚的边界层平均高度为591 m,大于夏季夜晚;夏季白天对流层顶平均高度比夜晚略大,分别为6172 m和5770m。South Pole高层大气理查森数的倒数基本都小于4,发生湍流的可能性很小。

锡林河流域不同利用方式草地风速廓线及地表粗糙度特征分析

以锡林河流域典型草原上天然草地、围封草地和人为干扰草地3种不同利用方式的草地为研究对象,通过对区域风速廓线与地表粗糙度的测定,研究了不同利用方式草地的防风效能。试验结果表明,流域内3种不同土地利用方式的草地近地表风速总体呈现随测量点距离地表的高度增加而增加的规律,风速廓线符合指数规律和实际情况,但不同土地利用方式草地之间存在差别;围封草地地表粗糙度最大,人为干扰草地的地表粗糙度最小,表明在天然草地、围封草地和人为干扰草地中,围封草地的防风效能最好。