摩阻风速的野外测量
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前 提来计 算摩 阻 风速 的 。两 种方 法在 测量 上是 有一
定的差别 ， 在近地表 中性层结 ， 各个高度的雷诺应力 保持 一致 ， 以涡 动 相关 法 只需 要 测 量 出距 地 面某 所 高度 的来 流风 速 和垂 向风 速 ， 据 雷 诺 时 均 的方 根
一
湍流 ， 且 动 床 面 上 的卡 门 常数 的具 有 不 稳 定 而 性 ¨ ¨， 空气 动力 学方 法 的野外广 泛应 用受 到 了 使
野外 测量 直 接 关 系 到输 沙 率 （ ） 度 量 以 及 荒 漠 量 的
化的评估与治理。 在风沙科学里 ， 常用的摩阻风速的测量方法有 涡动相关法和空气动力学方法。两种方法的相同点 都是 一种 近似 方法 ： 于壁 面 湍 流 的 粘性 底 层 和过 由 渡区的厚度都很薄 ， 都没有考虑粘性底层 和过渡 区 的 的厚度 及其 对湍 流 的影响 ， 并且 ， 都是 认 为在 湍流 发展 充分 的核 心 区 ， 因粘 性 切 应 力 趋 于零 而不 再 考 虑， 均是 以雷诺切应 力来近似等于壁面切应力这一
摘 要 ｉ 民勤地 区的沙漠边缘利 用三维超声风速仪进行 了近地表 ０ ５ １０ 在 ． ｍ、． ｍ三维 风速 的长期观测 ， 根据 涡动相关
法计算出近地表的摩阻风速。该方法在精确 测量单点 三维风速 的基 础上 ， 不需 要考虑 动床面上 的卡 门常数 的不稳 定问题 ， 实现 了近地表摩 阻风 速的无 干扰或者干扰较小的测量。测量表 明， 风向变化范 围在 ７ 。 ５ 内时 ， 无论是 在含 沙 风场 或者是净 风场 ，． ｍ处 的摩 阻风速与 １０ ０５ ． ｍ处的摩 阻在时间 序列上 大小保 持一致 ； 阻风速与 ０ ５ 摩 ． ｍ处 的风速
一
定 的 限制 。而 涡动 相 关 法 不依 靠 任 何 假 设 ， 需 不
要采 用任 何经 验关 系式 ， 需 要 在 流 场 中安 装 多个 不
・ 基金项 目： 国家重点基础 研究发展规划项 目｛０ ９ Ｂ ２ ３４ ； ２ ０ Ｃ ４ １０ ） 国家 自然科 学基金项 目（ ０７ ０ ２ 和兰州大学“ １ ８２ ８ ） 中央 高校基本科研 业务
荒漠化进程或者沙漠化进程时， 计算输 沙量通常需 要借助于长期观测的平均风速 ， 所以建立平均风速
和摩 阻风 速 的函数关 系很 有必 要 。而 目前关 于摩 阻 风 速 与 风 速 关 系 的 研 究 较 少 且 多 基 于 风 洞 实
验 ’ ” 引， 而很 少 有 野 外 测 量 。 因此 ， 阻 风 速 的 摩
第２ ７卷
第２ ３期
甘肃 科 技
Ｇ ｎ ｕ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ １ ａ ｓ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ
以２ ７ Ｄｅ ． ｃ
Ⅳ．３ ０ ２ ２ １ ０ｌ
２１ ０ １年 １ ２月
摩 阻风 速 的野 外 测 量
陶照堂
（ 兰州大学 土木工程 与力学学 院 ， 甘肃 兰 州 ７ ００ ） ３０ ０
有很 多公 式可 表示 为 摩 阻 风速 的 函数 关 系 ， 中 以 其
拜 格诺 提 出 的输 沙率 与摩 阻风 速成 三次 方 的关 系最 为 出名 。在评估 某一 地 区较 大范 围或者 较 长时 间的
关法运用的测量仪器一般比较复杂精细昂贵， 对风 速 要有 快速 高频 的响应 。而空气 动力 学 方法 则是 引 入普 朗特 的混合 长 度 理论 假 设 ， 到 雷诺 应 力 和 平 得 均风速的关系。根据实验观察和量纲分析， 普朗特 提出固壁附近混合长度与离固壁的距离成正 比的经 验公式 ， 并引入 了卡 门常数这一实验参数¨ 得到 ， 充分发展的稳态湍流中近壁面的对数律公式。因此 根 据空 气 动力学 方 法计算摩 阻风速则 需要 测 量两 个 或 两个 以上高度 处 的来 流 风速 ， 了准 确 测 量 摩 阻 为 风速 ， 通常需要布置更多仪器 ， 测量不 同的高度的风 速， 如程宏等人在测量种植用地 、 林地 和杂草地的摩 阻风速时测量了 ８ 个不同高度的风速¨ 按照对数 引， 廓线计算出摩阻风速， 即认为是该地表的摩阻风速 。 空 气动 力学 方法 对 仪 器 的要 求 相 对 较 低 ， 只 适 用 但 于对数 廓 线存 在 的稳态 湍流 。 由于 采 用 空气 动 力 学方 法 测 量摩 阻 风 速 ， 要 需 布置多个测量风速 的仪器 ， 固定 和安装 的操作都 比 较复杂， 特别是在野外风沙环境中风速多为非稳态
具 有很好的线性关系 ， 为评估某 民勤地 区荒漠化进程及其 治理提供 了参考 。
关键 词 ： 工程力学 ； 摩阻风速 ； 荒漠化 ； 涡动相关法
中 图 分 类 号 ： ３３ ３ ０ ５ ．
在 风 沙科学 的研 究 中 ， 沙 率 （ ） 输 量 是直 接 表 征
法计算 出雷诺应力ｕ 结合摩阻风速 的定义 【 计 引， ｌ 算出该高度 的摩阻风速 ， 从而认 为是该地表 的摩阻 风速， 涡动相关法计算雷诺应力 的方法不仅适用于
稳态 湍 流 ， 而且 也适 用 于非 稳 态 的 湍 流 。但 涡 动 相
地表风蚀和荒漠化 的主要参数 ， 也是制定 防沙治沙 工程措施的重要依据 。目前国内外许多学者通过野
外试验 、 风洞实验和数值模拟的方法定量 的研究了 输沙率 ， 出了数十个理论和经验公式 － ］ 提 ｌ 。其 中 ｏ
费专项基金” 重点项 目（ ｕｂ（ ２ ０ Ｉ ｌＩ ｚ ｙ一 ０ ９—１ １ ｏ ６ ）
第２ Hale Waihona Puke Baidu期
陶照堂 ： 阻风速 的野 外测 量 摩
６ ７
风速仪 测量 风速 。随着 涡动 相关技 术 的发展 及测 量
量某 高 度 的来 流 风 速 “和垂 向风 速 １， ． 然后 根据 雷 ０ 诺 时均 法 ， 出这两个 方 向的脉 动 速度 Ｍ、 ， 求 计 算 出雷诺 应力 ， 由于壁 面 湍 流 的粘 性 底 层 和 过渡 区 的厚 度都 很薄 ， 没有 考 虑粘 性 底 层 和 过 渡 区 的 的厚
定的差别 ， 在近地表 中性层结 ， 各个高度的雷诺应力 保持 一致 ， 以涡 动 相关 法 只需 要 测 量 出距 地 面某 所 高度 的来 流风 速 和垂 向风 速 ， 据 雷 诺 时 均 的方 根
一
湍流 ， 且 动 床 面 上 的卡 门 常数 的具 有 不 稳 定 而 性 ¨ ¨， 空气 动力 学方 法 的野外广 泛应 用受 到 了 使
野外 测量 直 接 关 系 到输 沙 率 （ ） 度 量 以 及 荒 漠 量 的
化的评估与治理。 在风沙科学里 ， 常用的摩阻风速的测量方法有 涡动相关法和空气动力学方法。两种方法的相同点 都是 一种 近似 方法 ： 于壁 面 湍 流 的 粘性 底 层 和过 由 渡区的厚度都很薄 ， 都没有考虑粘性底层 和过渡 区 的 的厚度 及其 对湍 流 的影响 ， 并且 ， 都是 认 为在 湍流 发展 充分 的核 心 区 ， 因粘 性 切 应 力 趋 于零 而不 再 考 虑， 均是 以雷诺切应 力来近似等于壁面切应力这一
摘 要 ｉ 民勤地 区的沙漠边缘利 用三维超声风速仪进行 了近地表 ０ ５ １０ 在 ． ｍ、． ｍ三维 风速 的长期观测 ， 根据 涡动相关
法计算出近地表的摩阻风速。该方法在精确 测量单点 三维风速 的基 础上 ， 不需 要考虑 动床面上 的卡 门常数 的不稳 定问题 ， 实现 了近地表摩 阻风 速的无 干扰或者干扰较小的测量。测量表 明， 风向变化范 围在 ７ 。 ５ 内时 ， 无论是 在含 沙 风场 或者是净 风场 ，． ｍ处 的摩 阻风速与 １０ ０５ ． ｍ处的摩 阻在时间 序列上 大小保 持一致 ； 阻风速与 ０ ５ 摩 ． ｍ处 的风速
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要采 用任 何经 验关 系式 ， 需 要 在 流 场 中安 装 多个 不
・ 基金项 目： 国家重点基础 研究发展规划项 目｛０ ９ Ｂ ２ ３４ ； ２ ０ Ｃ ４ １０ ） 国家 自然科 学基金项 目（ ０７ ０ ２ 和兰州大学“ １ ８２ ８ ） 中央 高校基本科研 业务
荒漠化进程或者沙漠化进程时， 计算输 沙量通常需 要借助于长期观测的平均风速 ， 所以建立平均风速
和摩 阻风 速 的函数关 系很 有必 要 。而 目前关 于摩 阻 风 速 与 风 速 关 系 的 研 究 较 少 且 多 基 于 风 洞 实
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第２ ７卷
第２ ３期
甘肃 科 技
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Ⅳ．３ ０ ２ ２ １ ０ｌ
２１ ０ １年 １ ２月
摩 阻风 速 的野 外 测 量
陶照堂
（ 兰州大学 土木工程 与力学学 院 ， 甘肃 兰 州 ７ ００ ） ３０ ０
有很 多公 式可 表示 为 摩 阻 风速 的 函数 关 系 ， 中 以 其
拜 格诺 提 出 的输 沙率 与摩 阻风 速成 三次 方 的关 系最 为 出名 。在评估 某一 地 区较 大范 围或者 较 长时 间的
关法运用的测量仪器一般比较复杂精细昂贵， 对风 速 要有 快速 高频 的响应 。而空气 动力 学 方法 则是 引 入普 朗特 的混合 长 度 理论 假 设 ， 到 雷诺 应 力 和 平 得 均风速的关系。根据实验观察和量纲分析， 普朗特 提出固壁附近混合长度与离固壁的距离成正 比的经 验公式 ， 并引入 了卡 门常数这一实验参数¨ 得到 ， 充分发展的稳态湍流中近壁面的对数律公式。因此 根 据空 气 动力学 方 法计算摩 阻风速则 需要 测 量两 个 或 两个 以上高度 处 的来 流 风速 ， 了准 确 测 量 摩 阻 为 风速 ， 通常需要布置更多仪器 ， 测量不 同的高度的风 速， 如程宏等人在测量种植用地 、 林地 和杂草地的摩 阻风速时测量了 ８ 个不同高度的风速¨ 按照对数 引， 廓线计算出摩阻风速， 即认为是该地表的摩阻风速 。 空 气动 力学 方法 对 仪 器 的要 求 相 对 较 低 ， 只 适 用 但 于对数 廓 线存 在 的稳态 湍流 。 由于 采 用 空气 动 力 学方 法 测 量摩 阻 风 速 ， 要 需 布置多个测量风速 的仪器 ， 固定 和安装 的操作都 比 较复杂， 特别是在野外风沙环境中风速多为非稳态
具 有很好的线性关系 ， 为评估某 民勤地 区荒漠化进程及其 治理提供 了参考 。
关键 词 ： 工程力学 ； 摩阻风速 ； 荒漠化 ； 涡动相关法
中 图 分 类 号 ： ３３ ３ ０ ５ ．
在 风 沙科学 的研 究 中 ， 沙 率 （ ） 输 量 是直 接 表 征
法计算 出雷诺应力ｕ 结合摩阻风速 的定义 【 计 引， ｌ 算出该高度 的摩阻风速 ， 从而认 为是该地表 的摩阻 风速， 涡动相关法计算雷诺应力 的方法不仅适用于
稳态 湍 流 ， 而且 也适 用 于非 稳 态 的 湍 流 。但 涡 动 相
地表风蚀和荒漠化 的主要参数 ， 也是制定 防沙治沙 工程措施的重要依据 。目前国内外许多学者通过野
外试验 、 风洞实验和数值模拟的方法定量 的研究了 输沙率 ， 出了数十个理论和经验公式 － ］ 提 ｌ 。其 中 ｏ
费专项基金” 重点项 目（ ｕｂ（ ２ ０ Ｉ ｌＩ ｚ ｙ一 ０ ９—１ １ ｏ ６ ）
第２ Hale Waihona Puke Baidu期
陶照堂 ： 阻风速 的野 外测 量 摩
６ ７
风速仪 测量 风速 。随着 涡动 相关技 术 的发展 及测 量
量某 高 度 的来 流 风 速 “和垂 向风 速 １， ． 然后 根据 雷 ０ 诺 时均 法 ， 出这两个 方 向的脉 动 速度 Ｍ、 ， 求 计 算 出雷诺 应力 ， 由于壁 面 湍 流 的粘 性 底 层 和 过渡 区 的厚 度都 很薄 ， 没有 考 虑粘 性 底 层 和 过 渡 区 的 的厚