沙漠边缘时空演化过程跨尺度模型及其仿真研究

The expansion of the edge of desert is the results of the migration of large number of sand dune under the action of wind field,it is a general enviroment disaster which threat to pepole's production and life.The recognition to it will contribute to the prediction of expansion of desert and the design of desertification control projects.Therefore, The project intends to establish a trans-scale model of the expansion of the edge of desert based on the microscopic movement of the sand particles, and predict the expansion of the edge of the desert relying on the computer of the hundreds of thousands of processor cores. Specific studies include: The reconstruction of three-dimensional dune field morphology in the edge of the desert and the determination of surface properties, such as vegetation cover and the laying of anti-desertification measures; Analysis of annual variation of wind speed and direction on the edge of the desert, and spatial distribution of sand particles; Establish a quantitative relationship between wind-blown sand flux and the roughness elements, and gives the law of bulk transportation of sand particles which consider the influence of roughness element, thus eastablash a trans-scale model of the expansion of the edge of deset, and achieve the write of parallel program relying on the the computer of the hundreds of thousands of processor cores; Discuss the characterization expansion of the edge of desert. On this basis, we can achieve the quantitative prediction to the expansion of the edge of the desert, and predict the control effect of the desertification control projects.

沙漠边缘扩展是大量沙丘在风场作用下向绿洲移动的结果，也是危害人们生产生活的较为普遍的环境灾害，对其深刻认识有助于沙漠扩展速度的预测和防沙治沙工程的设计。为此，本项目拟建立一个考虑沙粒微观运动的沙漠边缘扩展过程跨尺度模型，并依托数十万处理器核的计算机对沙漠边缘扩展速度进行预测。具体的研究包括：沙漠边缘沙丘场形貌三维重构和地表性质（植被盖度和防沙治沙措施的铺设）确定；分析沙漠边缘全年风速和风向的变化规律以及沙粒粒径的空间分布；建立起输沙率与粗糙元间的定量关系，并给出考虑粗糙元影响的沙粒群体的运动规律，从而，建立沙漠边缘扩展过程跨尺度模型，从而依托数十万处理器核的计算机实现程序的编写；探讨沙漠边缘扩展速度表征。在此基础上，实现对沙漠边缘扩展过程的定量模拟，以准确的预测沙漠扩展速度和防沙治沙工程的防治效果。

沙漠边缘扩展是大量沙丘在风场作用下向绿洲移动的结果，也是危害人们生产生活的较为普遍的环境灾害，对其深刻认识有助于沙漠扩展速度的预测和防沙治沙工程的设计。为此，本项目拟建立一个考虑沙粒微观运动的沙漠边缘扩展过程跨尺度模型，并依托数十万处理器核的计算机对沙漠边缘扩展速度进行预测。具体的研究包括：沙漠边缘沙丘场形貌重构和地表性质（植被盖度和防沙治沙措施的铺设）确定；分析沙漠边缘风速和风向的变化规律以及沙粒粒径的空间分布；建立起输沙率与粗糙元间的定量关系，并给出考虑粗糙元影响的沙粒群体的运动规律，从而，建立沙漠边缘扩展过程跨尺度模型，从而依托数十万处理器核的计算机实现程序的编写；探讨沙漠边缘扩展速度表征。在此基础上，实现对沙漠边缘扩展过程的定量模拟，以准确的预测沙漠扩展速度。得到的主要结果有：1）通过改进PIV风洞实验方案和数据后处理方法，获得了近地表沙粒的运动信息。进一步的给出了考虑风速和沙粒粒径影响的风沙流中起跳和冲击参数表征；2）开展了大气表面层高雷诺数壁湍流流动野外观测，揭示了壁湍流性质随雷诺数的变化规律；3）提出了一个不依赖于经验表征的风沙流演化模型，预测结果与实验结果很好的吻合。并基于该模型揭示了火星风沙流起跳和冲击参数与地球的差异，并给出了统一的表征方程，与此同时，还给出了输沙率、平均跃移长度和高度等统计量的统一表征；4）应用CSCDUNE模型对不同风速和粒径情况下沙丘场演化过程进行了模拟，基于计算结果给出了更加普适的沙丘移动速度表征，和风速等因素对沙丘间合并、衍生和孤立波行为的影响规律；5）将CSCDUNE模型扩展到荒漠绿洲过渡带沙漠扩展速度、过渡放牧造成的草场内部沙漠化演化过程和草方格沙障对沙漠扩展速度的影响研究。由此提出一些有价值的方案为防沙治沙工程提供重要的依据。本项目的主要意义体现在如下几个方面：1）深入了人们对风沙流性质的认识；2）新的风沙流模型使得对于其他星球，如火星，的研究成为可能；3）对于沙丘场的研究能够使得人们对沙漠的发展给予更准确的预测；4）沙漠扩展速度方面的研究能够知道防沙治沙措施的优化设计。