地表粗糙度与剪应力分配关系研究绪论
荒漠化是当前人类面临的重大全球性的生态环境问题，困扰着人类谁会的生存和发展，地表粗糙度以及粗糙地表的剪应力分配研究是防沙治沙工程的基础性工作，具有重要的指导意义。
本文从地表粗糙度的概念推导及计算方法入手，详细介绍了剪应力分配模型，探讨了剪应力分配理论与地表粗糙度之间的联系、将地表粗糙度纳入剪应力分配模型，介绍了用剪应力分配法计算地表粗糙度的方法。
关键词：地表粗糙度，剪应力分配，粗糙元
1.1 地表粗糙度的物理意义
地表粗糙度是描述自然界物质运动——质量流、动量流、热量流等数学模型的次生产物，是一个由各种边界条件确定的常量或者变量，本质是地表对各种流体运动的阻力或单位地表长度的阻力系数。地面的粗糙特性对流经的流体产生影响，使其形成各种边界特征，深入认识这种影响对模拟以及预测流体的行为等有重要意义。在近地层中，风速受地面摩擦阻力的影响而减速，与高度的对数值成正比,满足由Prandtl混合长度理论推导出的速度对数分布率，风速廓线方程为：
Uz?u*?lnz?d z0(1.1)
其中，Uz为高z处风速；u*为摩阻风度，定义为u*??/?；?为von Karman常数，取0.4；d为零位移平面高度；z0为粗糙度。z0为标志床面粗糙度的特征长度，表示粗糙床面上风速为零的几何高度，可以用来衡量气流经过粗糙地表后动量的损失。零位移平面高度d表示气流受地表高密粗糙元影响而被迫抬升，此时风速廓线将相应发生位移，把原来裸露地面的零风速高度z0向上抬升一个位移量，d值大小与很多因素相关，首先它取决于粗糙床面上粗糙元高度，还与风速大小、大气层结和粗糙元种类有关。
本文所述内容主要为地表粗糙度的概念及计算方法、剪应力分配理论的详细
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介绍、剪应力分配理论与地表粗糙度之间的联系、将地表粗糙度纳入剪应力分配模型、用剪应力分配法计算地表粗糙度等。
1.2 地表粗糙度的研究进展
Prandtl提出边界层的概念并且把粗糙地表上的粗糙元高度作为特征长度后，经过多年的发展，粗糙度的概念已深入到多种研究之中。粗糙度研究的贡献主要在飞行器的研制、管道物料输送和自然界大气边界层的湍流输送、及沙化防治技术等研究与应用中。
粗糙度概念本质是来自于流体的黏性，即固定界面上流体的运动不仅与流体运动是以层流还是湍流的运动方式有关，而且与固定界面是光滑还是粗糙的性质有关，固定界面表面的性质直接影响粗糙度。
粗糙度定义为地表上方风速为零的高度，表征了地表与大气的相互作用——对风速的减弱以及对近地面大气运动的影响，是流体力学、大气边界层理论研究的重要参数，在风沙科学、流体力学、大气科学中占有极其重要的地位。地表粗糙度是深人研究风沙的产生机制，进行防治风蚀研究的关键参数之一，从上个世纪四十年代Bagnold建立起风沙物理学后 ，引起了广泛关注，取得了重要的研究成果，并且已被用于表征各种地表类型(如沙地、植被覆盖地表、城市区域地表)的空气动力学性质。
1.3 地表粗糙度与剪应力分配关系研究的意义
决定地表粗糙特性的最小单元为粗糙元，粗糙元对地表风蚀的抑制作用来自于两个方面：一是覆盖部分地表不受风力的直接作用；二是消耗流经粗糙地表的风动量，减少侵蚀效果。利用粗糙元的防护作用，可以在易受风蚀床面上放置不易被风力侵蚀的粗糙元如砾石、植被、草方格等，通过减小风力对地表作用的剪切力，防止地表上小颗粒的启动等，从而减小风蚀。掌握粗糙元防护作用的空气Schlichting 动力学效应，明确目前存在的问题，对风蚀防治等研究有重要的意义。于1936年提出，风对粗糙元覆盖床产生的总剪切力可分解为作用在粗糙元上的剪应力和作用在无粗糙元覆盖的裸露地表上的剪应力，即:
???r??s
(1.2)
其中?,?s,?r分别为总剪力、裸露地表剪力及粗糙元上的剪力，随着粗糙元密度的增加，?、?r增加?s减小。一旦知道了作用在地面上的剪切力，便可以预测土壤
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风蚀量等重要参数。Raupach等1992年提出了计算粗糙元表面剪切力与裸露地表剪切力的模型。该模型以两个假设为基础，得出了较完善的应力分配模型，从风洞试验中的小尺度粗糙元到野外观测的植被研究，都证实了Raupach(1992)模型的可行性，其不足之处在于适用的粗糙元密度范围较小（??0.1）。Shao&Yang(2008)将作用在粗糙床面的总剪应力分为三个部分：
???r??s??c
(1.3)
其中?r为粗糙元前后压力差产生的阻力，?s为光滑床面上的阻力，?c为粗糙元表面产生的阻力。对Raupach模型进行了改进，使之成为较广泛适用的剪应力分配理论的模型。这个理论对于理解粗糙元对颗粒运移和输送的影响效果及应用具有重要意义。
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