CN108170937B - 自然风沙冲蚀环境建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于环境试验领域，提供了一种自然风沙冲蚀环境建模技术，包括：获取气候状态风向和风速资料；基于区域气候‑沙尘耦合模式RegCM4‑Dust，获取沙尘混合比模拟资料；计算沙尘浓度；计算风沙冲蚀通量；计算风向与研究对象的夹角，即风沙冲蚀角度。沙尘冲蚀通量和风沙冲蚀角度构成所建自然风沙冲蚀环境。本发明提供的自然风沙冲蚀环境建模技术使用数值模拟方法获取沙尘浓度数据，避免布设观测仪器，约了设备、维护、人力等大量成本，节省了观测时间，通过与实验室沙尘试验对比，可用于考核和评价材料对自然风沙冲蚀环境的适应性和耐久性，并可为抗风沙冲蚀材料设计、应用和防护提供仿真环境支撑，填补了自然风沙冲蚀环境建模仿真技术的空白。
Description
技术领域
本发明属于环境试验领域，涉及一种自然风沙冲蚀环境的建模技术。
背景技术
我国西北地区是沙尘活动高发区域，其中高风沙环境不仅对空气质量具有重要威胁，对材料的腐蚀磨损失效行为也非常严重，导致耐久性和安全性下降，并造成材料损失和设备破坏，直接影响到各种金属、机械、车辆等的使用寿命，给国民经济造成了巨大损失。沙漠地区的尘土包括砂土、浮土等，其中砂土颗粒较大，在高风速带动下，对暴露在外的各种材料产生冲击破坏作用。浮土比砂土更细更黏，主要成分是高硬度的石英和斜长石，以及方解石、绿泥石、云母等。浮土地带各种材料周围空气的含尘浓度极大，距地面越高空气含尘浓度越小而尘土中细尘所占比例越大，对车辆和工程机械的磨损更为严重。
不同风沙流速和角度对材料的破坏作用不同。例如，对于涂层，研究表明，涂层冲蚀失重量随着风沙流冲蚀速度的增大而显著增加，随着冲蚀下沙量的增加而增加，其在低角度冲蚀下的冲蚀失重量要大于高角度下的冲蚀失重量。目前，有关自然风沙环境的研究主要集中在单独的风场分布研究或单独的沙尘环境研究，将二者结合在一起对自然环境中风沙冲蚀环境的建模技术尚不多见。在环境试验领域，实验室中常用的气流挟沙喷射等方法建立的风沙环境，也仅用于研究对材料的冲蚀磨损机理等，无法真实地反映自然环境下风沙环境对材料的冲蚀行为。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明的目的是，采用观测资料和数值模拟相结合技术，提供一种自然风沙冲蚀环境建模技术，旨在解决自然风沙冲蚀环境建模问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：自然风沙冲蚀环境建模技术，包括如下步骤：
步骤一，获取气候状态风向和风速资料：首先获取目标地区地面逐时观测资料，并对资料进行质量控制，包括极值检查、要素场一致性检查、连续性检查等，剔除缺测和不合理数据，选定最终可用资料样本；利用均值对风场资料进行统计分析，获取该地区气候状态风向和风速分布；
气候状态风向的计算为
其中，Fj为第j个风向出现的频率(1≤j≤K)，
为间隔角度
划分的风向个数，Nj为该风向出现次数，N为包括静风(风速为0)在内的所有风向出现总次数；
气候状态风速的计算为
其中，
为第j个风向的平均风速，Vi j为该风向第i个样本的风速，1≤i≤Nj；
步骤二，获取沙尘混合比资料：在Linux操作系统下安装意大利国际理论物理中心研发的区域气候-沙尘耦合模式RegCM4-Dust，包括安装运行模式所需pgi、openmpi、netcdf等库函数并设置环境变量，采用./configure命令确认模式安装环境，以及采用make all命令建立模式运行环境；获取地面静态资料和模式驱动场资料，为模式提供初始和侧边界条件，地面静态资料包括地形、地表植被类型和土壤类型，模式驱动场资料包括海表温度资料、大气和陆表温度资料；设置regcm.in文件参数，包括模拟时段、三维格点数、模拟区域、地面静态数据参数、缓冲区、物理参数化方案，以及模拟沙尘环境需要的化学模块参数，包括是否考虑气溶胶反馈、干/湿移除、气溶胶类型、水可溶性、干沉降速率、粒径尺寸等；运行RegCM4-Dust模式，包括依次运行地形模块terrain、初始和侧边界模块icbc和模式主模块regcm；运行后处理模块postproc，获取月平均沙尘混合比资料；
步骤三，计算沙尘浓度，具体为：
其中，Cdust为沙尘浓度，Trac为模式输出沙尘混合比，Ts为模式输出地面热力学温度，ps为模式输出地面气压，R为干空气常数，R＝287J/(K·kg)；
步骤四，计算风沙冲蚀通量，具体为：
其中：mj为第j个风向风沙冲蚀通量；
步骤五，计算风向与冲蚀对象的夹角，即风沙冲蚀角度，具体为：
当冲蚀对象呈东南-西北方向放置时，则
当冲蚀对象呈东北-西南方向放置时，则
其中：θ为冲蚀角度(单位：°)，α为冲蚀对象放置方向与东西方向夹角(单位：°，0≤α≤90)，β为风向(单位：°，0≤β＜360)。
沙尘冲蚀通量和风沙冲蚀角度构成所建自然风沙冲蚀环境。
本发明提供的自然风沙冲蚀环境建模技术，具有以下有益效果：
(1)填补了自然风沙冲蚀环境建模技术的空白；
(2)使用数值模拟方法获取沙尘浓度数据，避免布设观测仪器，节约了设备、维护、人力等大量成本，节省了观测时间；
(3)通过与实验室沙尘试验对比，可用于考核和评价材料对自然风沙冲蚀环境的适应性和耐久性；
(4)可为抗风沙冲蚀材料设计、应用和防护提供仿真环境支撑。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
图1为兰州除静风外的风向频率图(单位：％)；
图2为兰州不同风向的平均风速图(单位：m/s)；
图3为兰州月平均沙尘浓度(单位：μg/m3)；
图4为兰州风沙冲蚀通量(单位：μg/(m2·s))。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。
步骤一，获取气候状态风向和风速资料。以兰州地区为例，从美国国家海洋和大气管理局(NOAA)获取1990-2009年地面逐3小时风向和风速观测资料，采用极值检查、要素场一致性检查、连续性检查等方法对资料进行质量控制，剔除缺测和不合理数据；按照风向间隔10°，利用公式(1)进行统计，其中静风(风速为0)出现频率为59.3％，其他风向出现频率见图1，利用公式(2)计算的平均风速见图2。
步骤二，获取沙尘混合比资料
(1)在Linux操作系统(RHEL(Red Hat Enterprise Linux)x86_64 V6.3版本)下安装意大利国际理论物理中心研发的区域气候-沙尘耦合模式RegCM4.1-Dust：
安装库函数及版本号分别为pgi V10.2、openmpi V1.4.3、netcdf V4.0.1，并设置环境变量；
采用./configure命令确认模式安装环境，包括安装目录、Bin目录、是否采用并行模式、是否安装BAND选项、是否安装CLM选项、编译器类型选择等；
采用make all命令建立模式运行环境，包括地形模块terrain、初始和侧边界模块icbc、模式主模块regcm和后处理模块postproc。
(2)获取地面静态资料和模式驱动场资料，其中地面静态资料采用全球陆地覆盖特征(GLCC)数据库，海温资料为NCEPReynolds周平均海温，大气和陆表温度资料为2.5°×2.5°NCEP再分析资料。
(3)设置regcm.in文件参数，模拟时段为1989年3月1日至2010年2月28日，其中第一年(1989年3月-1990年2月)作为模式的spin-up时间不作分析，模拟区域中心位于(112°E，37.5°N)，格点水平分辨率为60km，东西向148个格点，南北向96个格点，模式垂直方向分18层，模式顶气压为50hPa，时间积分步长200s，缓冲区为12圈，物理参数化方案分别采用BATSle陆面方案、指数松弛侧边界方案、Holtslag行星边界层方案、混合对流方案、显式水汽方案和Zeng海洋通量方案，化学模块参数考虑气溶胶及其气候反馈(idirect＝2)、粒径尺寸包括0.01～1.0μm、1.0～2.5μm、2.5～5.0μm和5.0～20.0μm。
(4)依次运行地形模块terrain、初始和侧边界模块icbc和模式主模块regcm，得到初始模拟结果。
(5)运行后处理模块postproc，得到月平均沙尘混合比资料。
步骤三，利用公式(3)计算沙尘浓度，得到兰州1990年3月至2009年2月1～12月月平均沙尘浓度，见图3，并进一步得到1990-2009年平均沙尘浓度为69.35μg/m3。
步骤四，利用公式(4)，结合步骤一结果，计算得到兰州地区风沙冲蚀通量见图4。
步骤五，计算风向与材料的夹角，即风沙冲蚀角度，假设材料呈东南-西北方向放置，与东西方向夹角为25°，结合步骤一风向间隔(10°)，利用公式(5)计算得到风沙冲蚀角度为
Claims (1)
1.自然风沙冲蚀环境建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，获取气候状态风向和风速资料：首先获取目标地区地面逐时观测资料，并对资料进行质量控制，包括极值检查、要素场一致性检查、连续性检查等，剔除缺测和不合理数据，选定最终可用资料样本；利用均值对风场资料进行统计分析，获取该地区气候状态风向和风速分布；
气候状态风向的计算为
其中，Fj为第j个风向出现的频率(1≤j≤K)，
为间隔角度
划分的风向个数，Nj为该风向出现次数，N为包括静风(风速为0)在内的所有风向出现总次数；
气候状态风速的计算为
其中，
为第j个风向的平均风速，
为该风向第i个样本的风速，1≤i≤Nj；
步骤二，获取沙尘混合比资料：在Linux操作系统下安装区域气候-沙尘耦合模式RegCM4-Dust，包括安装运行模式所需pgi、openmpi、netcdf等库函数并设置环境变量，采用./configure命令确认模式安装环境，以及采用make all命令建立模式运行环境；获取地面静态资料和模式驱动场资料，为模式提供初始和侧边界条件，地面静态资料包括地形、地表植被类型和土壤类型，模式驱动场资料包括海表温度资料、大气和陆表温度资料；设置regcm.in文件参数，包括模拟时段、三维格点数、模拟区域、地面静态数据参数、缓冲区、物理参数化方案，以及模拟沙尘环境需要的化学模块参数，包括是否考虑气溶胶反馈、干/湿移除、气溶胶类型、水可溶性、干沉降速率、粒径尺寸等；运行RegCM4-Dust模式，包括依次运行地形模块terrain、初始和侧边界模块icbc和模式主模块regcm；运行后处理模块postproc，获取月平均沙尘混合比资料；
步骤三，计算沙尘浓度，具体为：
其中，Cdust为沙尘浓度，Trac为模式输出沙尘混合比，Ts为模式输出地面热力学温度，ps为模式输出地面气压，R为干空气常数，R＝287J/(K·kg)；
步骤四，计算风沙冲蚀通量，具体为：
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步骤五，计算风向与冲蚀对象的夹角，即风沙冲蚀角度，具体为：
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沙尘冲蚀通量和风沙冲蚀角度构成所建自然风沙冲蚀环境。
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Publications (2)
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| "Impact of desert dust on the east Asian summer monsoon";宿兴涛等;《热带气象学报（英文版）》;20160229;page252-264 * |
| "RegCm4模式对云南及周边地区干旱化趋势的预估";王美丽等;《高原气象》;20150630;第34卷(第3期);第707-714页 * |
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