兰州大学研究团队独立提出并实现沙尘暴电结构反演重构,为揭开沙尘暴内部结构神秘面纱提供有效先导性途径

日期: 2020-10-13 阅读: 来源: 关键词:

风沙运动是人类社会共同面临的一项重大自然灾害,而沙尘暴是其最为严重的灾害现象,其主要特征为在小时量级的时间尺度内高浓度的沙尘物质输运所导致的环境破坏力度大、影响范围广。为了认知沙尘暴的发生发展过程并给出沙尘暴物质输运的有效评估,大量研究人员投入到了对沙尘暴的观测研究中,以期了解沙尘暴的内部结构特征。然而,在能见度不足百米的强沙尘暴情形下,目前所有的观测手段均不能穿透沙尘暴的厚度,进而严重制约着对沙尘暴内部结构的有效认知。由于沙尘暴中的大量沙尘与大气湍流的相互作用,其力学过程的理论描述一直缺乏。这正如《Annu. Rev. Fluid Mech.》2010年的论文中所指出“湍流和多相流是流体力学中最具挑战性的两个问题……当两者联合起来则成为更加难以对付的挑战。湍流的存在使流相本身具有随机的本质,而扩散相的随机分布使这种随机性更加复杂。由于扩散相的存在,湍流多相流的实验和数值模拟都要比单相流来的复杂得多。”

沙粒带电及其产生的电场是伴随风沙运动的一种自然现象,在沙尘暴中更甚。事实上,风沙运动的颗粒带电现象广泛存在于工业生产和自然界中(包括外太空),其对颗粒的起动、团聚行为和输运过程以及无线通讯等均产生严重影响。沙尘暴作为一种极高雷诺数和分散体系的气-沙两相流,其产生的电场强度可达30-100 kV/m。虽然早在1913年剑桥大学圣约翰学院著名学者W. A. Douglas Rudge就在《Nature》期刊上报道了沙尘暴中电场的存在,但是研究人员一直没有好的手段去有效获取沙尘暴内部的沙尘带电及其电场的大空间精细结构。由于沙尘暴内一点处观测到的电场强度是由其周围全部带电体所产生,兰州大学土木工程与力学学院张欢副教授、周又和教授研究团队从电场强度随电荷密度变化的库伦定律出发,基于兰州大学力学学科在甘肃民勤的干涸青土湖建立的沙尘暴野外观测阵列所观测的多物理场(风场、电场、粉尘浓度、环境温湿度)的三维实时同步观测数据,提出了一种优化反演重构沙尘暴三维电结构分布特征的理论框架和数值方法。在对该反演重构方法的鲁棒性、稳定性和可靠性进行数值检验和实验验证后,由安装在观测站阵列不同空间位置的19个电场强度分量探头所观测到的时序结果,在对包围观察站的3场强沙尘暴在流向2000米、展向1000米、离地高300米的全厚度空域分割成960万个单元后,由这一反演重构方法成功地实现了电荷密度与电场强度的三维分布结构的定量再现,揭示出正、负电荷密度相间的马赛克分布特征(如见图1)为沙尘暴内的湍流导致沙尘分层所致,由此得到了三维电场强度的非均匀分布特征等(如见图2),进而为未来沙尘暴内部的物质输运及其湍流结构特征的有效揭示提供了新的开端。

沙尘暴中电荷密度的3D结构

沙尘暴中电场的3D结构

近日,该研究结果以“Reconstructing the electrical structure of dust storms from locally observed electric field data”为题在Nature Communications上发表。兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室为论文第一完成单位。张欢副教授为论文第一作者,周又和教授为论文通讯作者。该研究由兰州大学研究团队独立提出并实现了沙尘暴电结构反演重构,为揭开沙尘暴内部结构的神秘面纱提供了有效的先导性途径。该研究得到了国家自然科学基金、中国科协第三届青年人才托举工程和中央高校基本科研业务费等项目的资助。

该论文研究起源于通讯作者周又和教授的早期提议。第一作者张欢在郑晓静院士指导下于2016年12月获博士学位,2017年入选中国科协“青年托举人才计划”。在中国力学学会常务理事会上,理事长杨卫院士提议周又和教授作为其合作导师。在周又和教授的建议与具体指导下,张欢将这一极具挑战性的研究课题列入其托举计划的研究内容。经过2年多的不懈努力,于2019年底取得突破性成果并撰写论文,于2020年2月投送到《Nature Communications》后很快就收到了肯定性的评审意见,如“The paper is related to the mutual effect of dust dynamics on particle charging that is a topic of interest for a wide community with applications in several fields of investigation”、“The paper presents model results aiming to elucidate the complex electrical structure of dust storms. This is an important contribution that presents a significant progress in the field”、“The paper is very lucid, clear and well organized”、“This is absolutely a novel and highly interesting result”等。

通讯作者简介:

周又和,兰州大学土木工程与力学学院教授,国家杰出青年基金获得者,教育部长江学者特聘教授,国家级教学名师奖获得者,国家自然科学基金委创新研究群体负责人,主导兰州大学力学固体力学入选国家重点学科、获批力学博士后科研流动站与力学一级学科博士点并任负责人。主要从事研究领域:(1)板壳非线性力学;(2)电磁固体力学和智能结构控制;(3)风沙环境力学;(4)多场耦合非线性力学及高性能计算等。已发表学术论文400余篇(其中SCI收录300余篇),获国家科学技术学术著作基金资助由科学出版社出版《电磁固体结构力学》学术专著,独立编著《理论力学》教材由高等教育出版社出版,以唯一作者的英文专著《Wavelet Numerical Method and Its Applications for Nonlinear Problems》已被Springer-Nature著名出版社接受出版,按合同将于2020年10月底交稿。完成的科研项目获国家自然科学奖二等奖2项(分别排名第一、第二)、国家科技进步奖二等奖1项(排名第七)、教育部自然科学奖一等奖2项和技术发明奖一等奖1项(均排名第一)、甘肃省科技进步奖一等奖1项和二等奖3项,发表在国际期刊的2篇论文获IEEE超导委员会“Van Duzer Prize”,1篇超导断裂力学研究论文被《JAP》列为featured封面论文。个人还获宝钢教育基金会高校优秀教师特等奖、中国科协西部开发突出贡献奖、中国教科文卫体工会全国师德标兵和全国优秀教师等。主讲的《理论力学》入选国家精品课程,主持的力学本科教学团队入选国家质量工程项目,主持的1项教学项目获国家教学成果奖二等奖;指导的2篇博士论文分别获全国优秀博士论文和提名、另1篇博士论文获首届中国力学优秀博士论文;培养出2人入选教育部长江学者特聘教授、1人入选其青年长江学者特聘教授;1人获国家自然科学基金杰出青年科学基金、1人获其优秀青年科学基金;1人入选中组部“万人计划青年拔尖人才”等。

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文:张欢
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编辑:肖超元
责任编辑:许文艳

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