1、风沙物理学研究中的主要科学问题,中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室2014-12-12,董治宝,风沙物理学 学科性质 研究意义 主要研究内容 我国的研究现状 当前拟开展的研究,报告提纲,风沙物理学是研究各种风沙现象（风成过程）的规律和形成的物理机制及其利用与控制原理的科学,风沙物理学,风力作用下地表物质（岩石圈和土壤圈）的破坏和位移过程 形成各种风积地貌景观,风成过程,沙纹（1 m， km),沙海（10 km， 100km),风力作用下地表物质（岩石圈和土壤圈）的破坏和位移过程 形成各种风蚀地貌景观,风成过程,风棱石,雅丹地貌,羽毛状沙丘(库姆塔格沙漠),塔干沙漠的横向沙丘(塔里木河下游),巴丹
2、吉林沙漠的高大沙山,雅丹地貌（柴达木盆地）,雅丹地貌（哈密）,雅丹地貌（敦煌）,沙尘暴形成与输送,甘肃敦煌，2003,美国Big Spring，1997,甘肃金昌，1993,沙尘暴形成与输送,包括地表风蚀、风成物质输移和沉积三个相互联系的子过程,风成过程,风成过程,风积过程,输移过程,风蚀过程,吹 蚀,磨 蚀,沙 粒输 移,床面形态变化,床面形态固定,沙 粒沉 积,风沙物理学总体上来讲是介于沙漠科学与物理学之间的一门边缘科学，具有两个明显特点，即多学科性和兼有基础研究和应用基础研究。,学科性质,风是除流水外，塑造地球景观的第二流体 地质历史时期就存在（黄土堆积、古风成沙） 影响范围广（全球、中
3、国、外星） 与人类生存的关系密切,风沙物理研究的意义,中国1/3以上的面积,火星、金星、土卫六,风沙物理研究的意义,风沙颗粒运动学 风沙流 风沙边界层 风沙地貌动力学 土壤风蚀 风沙控制原理,风沙物理研究的主要内容,1）风沙颗粒的起动条件、受力分析及其影响因子。2）风沙颗粒运动形式及其动态追踪。3）风沙颗粒运动的起跳角、速度、加速度、冲击角等运动参数及运移长度、高度等运动轨迹参数及其影响因素。4）运动沙粒间、运动沙粒与地表冲撞过程中的能量传输与转换过程与规律。5）沙粒运动学理论的数学表达式，以及数学方程(组)的求解途径。6）风沙颗粒运动的数值模拟。,风沙颗粒运动学,风沙颗粒运动学,近地层气流的
4、性质,近地层气流的性质,颗粒附近气流湍流程度对风沙运动具有明显的影响,近地层气流的性质,风沙颗粒运动学,近地层气流的性质,空气动力学粗糙度,水力学粗糙度,近地层气流的性质,近地层气流的性质,作用在颗粒上的力,作用在颗粒上的力,1、惯性力 6、附加质量力 2、重力 7、巴赛特(Basset)力 3、浮力 8、马格努斯(Magnus)升力 4、气动阻力 9、萨夫曼(Saffman)升力 5、压力梯度力 10、静电力,风沙颗粒起动学说,1、风压起动说 6、湍流起动说 2、升力起动说 7、斜面飞升说 3、冲击起动说 8、负压起动说 4、压差起动说 9、涡旋起动说 5、振动起动说 10、猝发起动说,风沙
5、颗粒起动学说, 在风沙流运动过程中，运动颗粒的空中碰撞是十分频繁的，而对地表的冲击作用是很小的。,风沙颗粒起动学说, 运用概率论知识，研究了跃移沙粒在上升阶段下降阶段发生碰撞的概率，以及在整个跃移过程发生碰撞的概率随风速的变化情况。,颗粒空中碰撞概率,风沙颗粒起动学说,运动颗粒的空中碰撞的概率模型,风沙颗粒起动学说,颗粒上升段碰撞概率,风沙颗粒起动学说,颗粒下降段碰撞概率,风沙颗粒起动学说,整个跃移阶段碰撞概率,风沙颗粒起动学说,考虑初速度分布时的碰撞概率,风沙颗粒起动学说,影响颗粒起动的因素,影响颗粒起动的因素,颗粒形状、颗粒级配（分选性）、颗粒间的胶结作用和外在的地表坡度与不可蚀粗糙因子等
6、,影响颗粒起动的因素,影响颗粒起动的因素,土壤含水率对颗粒起动的影响,土壤含水率对颗粒起动的影响,1）不同风力及沙物质条件下风沙流固体流量结构、浓度分布、速度场以及能量结构特征及其数学模型。 2）风沙流的侵蚀能力。 3）风沙流的浓度、固体流量结构与单颗粒运动参数间的关联。 4）风沙流输沙量与各种影响因子之间的关系及输沙模型。,风沙流,风沙流结构：流沙表面的风沙流结构,qh=aexp(-h/b),风沙流结构: 戈壁床面风沙流结构q =a+bexp (-0.5(h-c)/d)2),大 气边界 层,风沙边界层,风沙边界层,1）风沙边界层厚度的确定、位移厚度、动能损失厚度、动量损失厚度及其与风沙流运动
7、的关系。2）不同类型固定床面风速廓线特征及其空气动力学特征参数及其与床面粗糙元几何特征的关系。3）风沙流中颗粒相对气相的阻力及其空间变化规律。,风沙边界层,4）风沙流中的剪切作用、粒载切应力、气载切应力的变化规律，及其与风沙流运动的关系。5）风沙流中风速分布规律、风速廓线表达式、空气动力学特参数的确定与变化规律及其与风沙流运动的关系。6）风速廓线与风沙流结构的耦合研究，建立和求解风沙两相流体动力学方程组。7）风沙互馈过程的数值模拟。,风沙边界层,风与沙的相互作用与反馈, 风沙流中的风速廓线, 风沙流运动导致气流剪切力的变化, 风沙运动对气流产生的阻力, 风与沙的相互作用与反馈的数值模拟, 风沙
8、流中风速廓线的数值模拟结果,风沙地貌动力学,1）不同类型风沙地貌形成与发育的风动力环境。2）不同类型风沙地貌所形成的二次流的流场特征以及二次流在风沙地貌形成与演化中的作用。3）风沙地貌不同部位蚀积特征以及风沙地貌表面的蚀积规律。4）不同尺度风沙地貌动力学过程之间的关联。,风沙地貌动力学,5）沙丘移动规律及其与沙丘形态、风况的关系。6）风沙地貌空间组合规律及其风动力环境的关系。7）沙漠活动性的判定。8）风沙地貌形成与演变的动力学模型与数值模拟。,风沙地貌动力学,沙尘释放与传输,风成过程研究的主要领域,沙尘释放过程与机理。 确定跃移层与悬移层之间的过渡关系。 沙尘流量结构。 输移和沉积过程。,1）
9、土壤风蚀因子。2）土壤风蚀气候指数与可蚀性指数。3）土壤风蚀预报模型。,土壤风蚀,1）各种固沙措施的作用原理。不同阻沙固沙工程的气流场特征、风沙流结构与蚀积规律，揭示其阻沙固沙原理。2）通过模拟实验与野外观测，探讨防沙工程体系的最佳模式。,风沙控制原理,20世纪50-60年代：引进与观测积累。 20世纪70年代开始实验研究。 20世纪80年代开始深入微观领域，沙漠化研究带动了土壤风蚀研究。 20世纪90年代开始，沙尘暴研究越来越受关注。 21世纪以来，围绕沙漠化和沙尘暴从不同的学科进行研究。,我国的研究现状,研究简史,参与研究的主要学科,地质地理：野外观测、实验室模拟分析。 大气科学：宏观监测
10、、模型模拟、预报。 物理学：微观机制的分析、推断与数值模拟。 工程科学：控制措施。,我国的研究现状,我国的研究现状,取得的成就,基础研究方面取得了长足的进展,据美国风沙科学数据库，中国科学家在风沙科学方面的论文从20世纪60年代占全世界的0.7%上升到25%。1997年以来大幅度增加。,我国的研究现状,存在的主要问题,微观与宏观的结合问题。 实验、观测资料积累与模拟研究的结合问题。 模拟实验与野外观测的结合问题。 理论研究与应用研究的结合问题。 不同学科的结合问题。,当前需要开展的研究,满足国家需求的研究 前沿探索研究,当前需要开展的研究,地表风蚀与沙尘释放模型（满足土地沙漠化研究和沙尘暴模拟
11、预测）（重点聚焦于近地层物质与能量的传输）,满足国家需求的研究,近地层气流地表沙粒间的物质与能量交换是沙漠化和沙尘释放的动力机制,满足国家需求的研究,当前需要开展的研究,前沿探索研究：行星风成过程研究,20世纪50年代行星科学家根据火星反射条痕进行推测在火星上存在沙漠及风沙活动的可能性。 1972-1973年，水手9号证实火星上有沙丘、雅丹、风蚀坑和风蚀槽谷等风成地貌和大量的类似于地球上的黄土堆积。 20世纪70-80年代，根据海盗飞船获得的资料，推测了火星上的风向与强度。,当前需要开展的研究,前沿探索研究：行星风成过程研究,20世纪80年代，根据旅行者宇宙飞船提供的土卫六的影象，科学家们推测
12、在土卫六上亦有可能存在沙漠和风沙活动现象。 20世纪80年代，根据金星上双峰型沉积物的推断，在金星上在亦存在着风沙活动。 20世纪80年代，美国NASA建立了用于模拟外星风沙环境的MARSWIT风洞 。 20世纪90年代初期，我国开展了火星探测的必要性和可行性研究，列为“863”计划“行星探测”课题。,当前需要开展的研究,前沿探索研究：行星风成过程研究,2004年勇气号飞船发回的火星风成地貌照片,当前需要开展的研究,第一阶段：必要的准备工作。进行国际合作，开展火星环境研究，提出先进的探测目标和项目，根据探测目标的要求，提出具体的技术方案，研究关键技术问题。 第二阶段：发射环绕火星的卫星，探测火星的环境、表面的物理化学特性。 第三阶段：发射火星软着陆登陆器，试验着陆技术，探测火星地理环境和气象条件，为在火星上建立观测站作准备。 第四阶段：建立观测站，探测火星内部结构、火星的矿物特性和气象，为以后载人火星飞行和有人观测基地的建立奠定基础。,当前需要开展的研究,前沿探索研究：行星风成过程研究,谢 谢！,
