近地表风沙流场的数值建模与数据同化

Wind-blown sand movement is a kind of gas-solid two phase flow in atmospheric boundary layer, and is one of typical natural disasters; therefore, it is quite important for us to make a better understanding on wind-blown sand movement and for its prediction and prevention. But the existing measuring methods and numerical models can not provide enough information about the temporal and spatial distribution of wind profile and sand concentration. The objective of this proposal is to estimate the mean wind profile and sand flux by using assemble Kalman filter methods according to the measured data, such as wind velocity, sand concentration, atmospheric temperature and computational fluid dynamics models, to get the power spectral density function and standard correlation spectrum of fluctuating velocity, to investigate interaction between the air turbulent flow and sand concentration or sand flux. Finally, a quantitative model will be established to describe the flow field of wind blown sand movement and provide an improvement to existing predication schemes for the sand motion in nature.

风沙流是发生在大气边界层中的一种气固两相流，也是一种典型的自然灾害，尽可能客观、准确的描述其流动特性有助于对这类自然灾害的预报和防治。但现有的观测手段和数值模式还不能很好的提供其时空分布信息。本项目尝试采用集合卡曼滤波同化技术，将风洞实验和野外观测的有效数据，如风速、沙尘浓度、大气温湿度等，融合到最新的湍流参数化数值模式中，估算风沙流场的平均风速廓线和沙尘浓度分布，提炼其脉动风速的功率谱密度函数以及反应空间相关性的标准相关谱，探讨风沙流湍流结构和沙尘运移的相互影响，实现对风沙流的定量描述表征，为风沙灾害的预报和防治提供一种可行的理论依据。

风沙流是发生在大气边界层中的一种气固两相流，也是一种典型的自然灾害，尽可能客观、准确的描述其流动特性有助于对这类自然灾害的预报和防治。本项目采用时间序列分析法，集合卡曼滤波法，对风洞实验和野外观测的有效数据，如风速、沙尘浓度、大气温度等，进行分析和参数化，并结合经验模式分解模型，来预测风沙流场中风速时空变化和沙尘浓度分布，所得脉动风速的功率谱密度函数以及反应空间相关性的标准相关谱，与实际观测吻合良好。同时，数值模拟了离散和连续粗糙干扰因子对于风速分布零平面位移高度和空气动力学粗糙度的影响，分析了作用在地表和粗糙元上的流体形状阻力和摩擦阻力分布；探讨了用随机力的概念描述湍流脉动对沙尘运移的影响，取得了较好的效果。这对进一步研究风沙流湍流结构和沙尘运移的相互影响，实现对风沙流的定量描述表征，为风沙灾害的预报和防治提供一种可行的基础性工作。