复杂地形积雪分布及其演化的大涡模拟研究

摘要

雪是地球上最为活跃的自然要素之一，是组成极地冰盖和高山冰川的重要物质来源。积雪的时空分布和演变深刻影响着全球的水文循环，生态系统，气候演化以及其他自然过程。复杂地形的积雪具有空间分布不均匀和演变迅速的特征。在一个较短的时间尺度内，降雪的不均匀沉积和风吹雪过程是导致积雪不均匀分布及其时空演变的最主要过程。对于复杂地形的降雪沉降，湍流风场对雪粒运动轨迹的影响作为导致降雪不均匀分布的一种机制一直没有被有效的考虑；而对于风吹雪过程，已有研究很少考虑湍流边界层内的风吹雪过程和输运特征，并且复杂地形的风吹雪定量预测有待进一步研究。而这对于实际野外风吹雪过程的理解和复杂地形积雪分布的精确预测是必不可少的。
　　为此，本文以非静力可压缩流体大涡模拟模型（Advanced Regional Prediction System中尺度大涡模拟模式）为基础，通过改进模型的空间离散精度并引入Lagrangian动态亚格子模型，较好模拟了复杂地形湍流边界层的流动特征。同时引入拉格朗日粒子追踪方法追踪雪粒的运动轨迹，并将考升华效应的雪粒与流场进行有效耦合，建立了一个可以考虑固体物质相变过程的三维湍流边界层风-雪两相流模型。主要开展了以下工作：
　　首先，建立了一个基于颗粒轨迹追踪的沉降模型。流场通过大涡模拟方法获得，并首次通过拉格朗日粒子追踪方法追踪雪粒在湍流边界层内的运动过程从而直接获得降雪颗粒在地形周围的沉积情况，通过风洞实验验证了模型的有效性并探讨了不同因素对地形性不均匀沉降的影响。发现降雪颗粒受到湍流风场的驱动而复杂运动，并且受到的影响随着粒径的增大而减小；降雪在地形周围的沉积情况强烈依赖于风速和地形特征，相同的降雪强度条件下，地形上的沉积总量随着地形高度和风速的增加而增大；最大沉积位置通常位于山顶附近，并且随着风速的增大从背风坡向迎风坡漂移。
　　其次，基于雪粒-风场-温度-湿度相互耦合的三维风雪两相流模型对湍流边界层的风吹雪过程进行了模拟。借助充分发展的湍流边界层，通过拉格朗日粒子追踪模型计算颗粒的三维运动轨迹并考虑雪粒的升华效应和空中碰撞机制，再现了与自然现象一致的风雪流条带结构。模拟结果表明，风雪流条带是空中跃移雪粒在高速旋转的涡的吸入效应作用下形成的一种局部颗粒浓度汇集的自组织现象；地表雪粒的空间不均匀流体起动并不影响风雪流条带的形成，但是粒-床相互作用过程很大程度上决定了风雪流条带的形状。通常，风雪流条带的特征长度和宽度分别约为0.5m和0.16m，并且不随风速的变化而变化；与典型的风沙流条带相比，风雪流条带的宽度略小，并且风雪流条带转化为更为复杂的条带类型需要更大的风速。
　　再次，基于理论分析建立了一个复杂地形的风吹雪模型。首先，通过模拟不同风速下湍流边界层的风吹雪过程提炼出了风吹雪输运强度与摩阻风速的关系。鉴于现有积雪分布预测模型中大都仅采用平坦地表的风吹雪模型预测积雪的重新分布，基于理论分析，建立了坡面上雪粒临界起动风速与平坦地表情形下的关系，并修正了风吹雪发生频率模型和平坦地表的风吹雪通量公式，建立了一个可用于计算复杂地形侵蚀与沉积的风吹雪模型。发现相对于平坦地表，迎风坡的雪粒的起动更加困难，从而导致相同风速下的风吹雪通量更小，而背风坡则恰恰相反；相同地形角度下，背风坡上风吹雪过程受到的影响要远大于迎风坡。
　　最后，将复杂地形的风吹雪模型与降雪沉降模型结合起来，建立了一个可用于预测复杂地形积雪分布及其演变的积雪分布预测模式。降雪颗粒仍然采用拉格朗日粒子追踪方法进行追踪，直接得到雪粒的沉积位置，在此过程中，基于复杂地形风吹雪模型预测局部积雪的再分布，从而获得复杂地形的空间积雪分布和随时间的演化过程；同时，模型考虑了吹雪颗粒和降雪颗粒对风场的反作用力，发现由于风吹雪过程对局部风速十分敏感，雪粒与风场的耦合效应对于积雪分布的精确预测至关重要；不同风速下的降雪沉积结果表明，在实际复杂地形的相互影响下，很难找到一种统一的降雪沉积模式来描述复杂地形的降雪沉积规律，而基于典型颗粒轨迹追踪的方法可以直接有效的获得任意地形的降雪沉积情况。
　　总之，本文借助可压缩流体大涡模拟方法和动态亚格子闭合模型获得复杂地形的湍流大气边界层流动，通过拉格朗日粒子追踪方法追踪雪粒在流场中的运动过程，引入复杂地形的风吹雪模型，并且考虑了雪粒与风场的耦合作用，建立了一个复杂地形积雪分布预测模式。与已有的积雪分布预测模式相比，本模型能够通过追踪典型雪粒的运动轨迹直接获得复杂地形的降雪沉积特征，大大提高了模型的空间分辨率，同时有效考虑了地形角度对于风吹雪过程的影响，提高了模型对于复杂地形积雪分布的预测精度。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2关键科学问题

1.3国内外研究现状

1.4存在的问题及本文主要工作

第二章 ARPS大涡模拟模型的改进与验证

2.1 ARPS大涡模拟控制方程

2.2 ARPS大涡模拟模型的改进

2.3 程序验证

2.4本章小结

第三章 复杂地形降雪沉积规律研究

3.1、基于拉格朗日粒子追踪的沉降模型

3.2、沉降模型的风洞实验验证

3.3、不同地形的降雪沉积特征

3.5、本章小结

第四章 湍流边界层三维风吹雪的数值仿真

4.1风吹雪动力学过程的控制方程

4.2模型验证

4.3湍流边界层的风吹雪特征

4.4 风吹雪升华

4.5本章小结

第五章 复杂地形积雪分布研究

5.1复杂地形风吹雪模型

5.2复杂地形积雪分布预测模型

5.3模型验证

5.4 复杂地形积雪分布预测

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1本文主要结论

6.2本文展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢