3.5.1　背景和问题

粉尘释放模拟是粉尘气候效应评价和沙尘天气预报的基础。作为一种常用的粉尘释放模式,DPM模式(Alfaro ＆amp; Gomes, 2001)已经被用于模拟中国北方及亚洲地区沙尘天气(Gong, et al., 2002; Zhou, et al., 2008, 2019),并取得了较好的预报效果,但该模式在预报蒙古高原的戈壁及戈壁草原区域沙尘天气时(Zhou, et al., 2008, 2019),出现了漏报沙尘天气的现象。针对此类问题,前人通过优化地表参数化方案如更新区域沙漠分布面积等数据来减小漏报的概率(Zhou, et al., 2008, 2019)。但应该看到,沙尘天气预报的效果除与地表参数化方案及可靠性有关外,还和DPM模式的精度有关,其中起动摩阻风速模式是影响模拟精度的重要方面。

DPM模式推荐了2个用来模拟粗糙床面的起动摩阻风速U∗t的模式,其分别是MB模式(Marticorena ＆amp; Bergrametti, 1995;Marticorena, et al., 1997)和SL模式(Alfaro ＆amp;Gomes, 1995)。条件试验表明(梅凡民等, 2006),前者对粗糙床面空气动力学粗糙度Z0非常敏感,仅适合模拟Z0≤1 mm粗糙床面的U∗t;后者预测的U∗t会随着Z0的增加而缓慢地增加,似乎适合模拟更大Z0情形下的U∗t。二者的模拟结果存在明显的差异,但由于缺乏实测数据的支持,目前还难以评价它们的可靠性。

在边界层湍流和粗糙床面相互作用的过程中,湍流总动量将在粗糙元和可蚀性地表之间的分配,这被称为湍流切应力分解机理(Marshall,1971)。目前模拟湍流切应力分解的方案可分为Raupach模式(Raupach, 1992; Raupach ＆amp; Gillette, 1993)、MB模式和SL模式等。Raupach模式把起动摩阻风速比值(, U∗ts和U∗t分别代表光滑和粗糙床面的起动摩阻风速)表征为粗糙元密度、方向比率AR(粗糙元高度与直径的比值)、切应力空间分布系数和阻力系数的函数, 其被风洞实验和野外实验不断地验证和修正(Musick ＆amp; Trujillo, 1996; Wolfe ＆amp; Nickling, 1996; Wyatt ＆amp; Nickling, 1997; Crawley ＆amp; Nickling, 2002)。MB模式和SL模式是基于粗糙床面双边界层假定:粗糙元高度以上为代表整个床面气流特征的外边界层而粗糙元高度以下为代表粗糙元之间光滑床面气流特征的内边界层,且内外边界层风廓线皆服从对数律。双边界层成立需要满足很低的粗糙元密度(常以小于0.1为界,Marticorena ＆amp; Bergrametti, 1995;Marticorena, et al., 1997)和较大的粗糙元间距(常以间距与高度的比值大于3, Alfaro ＆amp; Gomes, 1995),而前人研究数据则暗示风蚀床面粗糙元密度及Z0常常会超过上述条件(Wasson ＆amp;Nanninga,1986;董治宝等,1996;Lancaster ＆amp; Baas,1998;Dong, et al., 2002; 屈建军等,2005;梅凡民等,2006;亢力强等,2020),这意味着MB模式和SL模式可能高估Z0对U∗t的影响,但缺乏直接观测数据的支持。

从Raupach模式相关研究来看(Musick ＆amp; Trujillo, 1996),粗糙元的方向比率AR和孔隙度P等因素对U∗t有显著的影响。对MB模式和SL模式而言,是否需要把AR和P的因素整合到模式中还需要进一步的研究。

综上所述,为了评价MB模式和SL模式的可靠性、拓展模式的适用范围、进一步理解粗糙元方向比率和孔隙度对起动摩阻风速的影响,本文利用风洞实验研究粗糙和光滑床面的空气动力学粗糙度、方向比率和孔隙度等因素对起动摩阻风速的影响,以发展基于粗糙元结构参数和空气动力学粗糙度的新模式。