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摘 要 在风沙边界层诸多参数中，空气动力学粗糙度是一个非常重要的参数，本文主要针对空气动力学概念的来源进行分析，通过对不同空气空力学粗糙度的计算方法进行介绍，对其分类进行研究，最后对不同下垫面空气动力学粗糙度进行介绍。
关键词 空气动力学；粗糙度；物理；实践意义
中图分类号O4 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）123-0111-02
现代流体学中，空气动力学粗糙度是一个重要物理理论基础，是地表和大气之间的相互作用下，在某一高度上风速为零的物理表示，能够反映风沙活动及风速对地表产生的一系列影响，同时也是作为流体力学和大气边界层研究中的一个重要内容，因此对空气动力学粗糙度的研究，在大气科学、风沙科学及流体力学研究中具有重要的地位。现阶段，空气空力学粗糙度已经大范围应用与不同地表类型的空气动力学性质研究中。因此，对其物理与实践意义的理解，有助于推动空气动力学粗糙度的研究。
1空气动力学粗糙度的由来
粗糙度来源于古典水力学研究，1854年，Darcy采用多跟不同直径和不同材料的圆管进行了水流试验，根据实验步骤及结果建立了摩阻损失方程，如下：
式中，表示处摩阻损失；为管长；为管径；为流体速度；为重力加速度； 为摩阻系数。上述试验结果说明摩阻系数随着流体雷诺数与管壁粗糙度的影响而变化。Prandtl则根据相关试验建立适合与粗糙和光滑管径的速度分布方程：
或
式中，为高度为处的速度；为地表高度；为轴线风速；为摩擦速度； 为常数，通过试验确定。从上述试验可以，=8.5。所以，在充分粗糙的条件下有：
或
式中，表示冯卡曼常数，我0.4。通过风洞试验对风沙流进行研究中，重点研究沙粒与气流之间的相互作用。没有沙粒运动的时候，风速廓线遵循壁面定理，且=0.6mm，风速为0.02处为0，称为空气动力学粗糙度1/30定律。该结论已经被广泛用于风沙研究中，当然，也有写着对此提出了不同意见，在此不做赘述。
2空气动力学粗糙度的物理意义
根据空气动力学粗糙度1/30定律可知，表示地表上平均风速为零的某一个高度的空气动力学粗糙度。表示地表空气空力学特征，反映风速与风沙流对地表产生的作用，同时也是衡量大气边界属性的一个指标。Greeley等人建立了粗糙度与起动摩阻速度之间的函数关系：
式中：表示沙粒粒径；表示沙粒密度。
Bagnold的输沙率方程表示为：
式中，表示常数；表示输沙率；=0.25mm，表示标准粒径。
White的输沙率方程表示为：
除以上输沙率模型以外，其它输沙率模型中，输沙率都和起动风速有直接的关系。从以上三式可知，沙粒的起动风速直接受空气动力学粗糙度的影响，进而对输沙量产生绝对或相对的影响。由此可见，空气动力学粗糙度对沉积物运动、土地荒漠化形成、隔壁风蚀面及沙丘迁移的发育和形成都会产生直接的影响。自Bagnold建立起风沙物理学以后，在这一方面的研究速度非常快，特别是在风沙问题研究中对空气动力学原理的应用越来越多。对不同地表空气动力学粗糙度来说，需要加大研究的力度。地表障碍物与气流的相互作用通过空气动力学粗糙度、零平面位移高度及阻力系数等参数来表示。但是，在这些参数中，空气动力学粗糙度的影响程度最大，其次是阻力系数，最后是零平面位移高度。例如，在对海滩阻力空气动力学粗糙度测量结果进行分析后可知，阻力系数增加2.5～3.5倍，空气动力学粗糙度增加达到100～500倍。所以空气动力学粗糙度在各种下垫面空气动力学特征表征中被广泛应用。
3不同下垫面空气动力学粗糙度
3.1沙质地表
根据风洞试验，对于平整沙质地表而言，空气动力学粗糙度是沙粒粒径的1/30，也就是=。该结论已经给广泛接受，但是也有学者对此提出不同意见。如Zingg认为随着沙粒粒径的对数变化而变化，表示为：=；White认为=。而对于沙粒大小不同的不规则沙质地表来说，粗糙度与沙粒大小间的关系尚不明确，目前的研究结果是针对沙粒大小的不同分为以下几种情况：空气动力学完全光滑区、过渡区及完全粗糙区。
3.2植被覆盖地表
在存在植被覆盖的地表，平均风速廓线方程表示为：
式中，反应空气动力学特征的物理量为和，这两个物理量也是反映植被与大气之间能量与物质交换的主要参数。部分学者用最小二乘法对对数廓线方程进行计算，从计算结果来看，方程中、及是几个相互制约和关联的物理量。根据上式不可能同时求得三个量的准确值。近些年，不断有学者通过新的方法对这几个物理量进行计算。不管是采用何种方法，都显示受植物覆盖度、植物柔韧性及枯枝落叶层的厚度影响较大。
3.3砾石覆盖地表
地表覆盖的砾石形状及高度的差异，对风动量的吸收也是不同的，那么地表的粗糙度也存在一定的差异。对砾石粒径与空气动力学粗糙度之间的关系进行研究，有助于防沙治沙工作的开展。Dong等人通过风洞试验，对不同粒级的砾石通过多种不同覆盖度进行试验，结果显示，光滑床面的介于0.0016cm～0.0048cm之间，而有砾石覆盖的地表，增加了1.375～663倍，倍数与风速和砾石覆盖度有直接关系。
4结论
通过本文对不同下垫面的空气动力学粗糙度进行研究，对风沙科学等一系列学科中的应用具有重要的指导作用，但是仍需要进一步研究。常用的空气动力学研究方法有自身的优势，但也有不足，因此寻找一种简单、方便、有效的空气空气学粗糙度方法及测量方法，是相关学者在以后的研究中需要重点解决的问题。
参考文献
[1]高志球，卞林根，逯昌贵，陆龙骅，王金星，汪瑛.城市下垫面空气动力学参数的估算[J].应用气象学报，2012（z1）.
[2]梅凡民，张小曳，王涛.平坦沙地的空气动力学粗糙度变化及其物理意义[J].自然科学进展，2011（3）.
[3]刘静，卓慕，胡耀国.初论地表粗糙度[J].生态环境，2007（6）.
关键词 空气动力学；粗糙度；物理；实践意义
中图分类号O4 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）123-0111-02
现代流体学中，空气动力学粗糙度是一个重要物理理论基础，是地表和大气之间的相互作用下，在某一高度上风速为零的物理表示，能够反映风沙活动及风速对地表产生的一系列影响，同时也是作为流体力学和大气边界层研究中的一个重要内容，因此对空气动力学粗糙度的研究，在大气科学、风沙科学及流体力学研究中具有重要的地位。现阶段，空气空力学粗糙度已经大范围应用与不同地表类型的空气动力学性质研究中。因此，对其物理与实践意义的理解，有助于推动空气动力学粗糙度的研究。
1空气动力学粗糙度的由来
粗糙度来源于古典水力学研究，1854年，Darcy采用多跟不同直径和不同材料的圆管进行了水流试验，根据实验步骤及结果建立了摩阻损失方程，如下：
式中，表示处摩阻损失；为管长；为管径；为流体速度；为重力加速度； 为摩阻系数。上述试验结果说明摩阻系数随着流体雷诺数与管壁粗糙度的影响而变化。Prandtl则根据相关试验建立适合与粗糙和光滑管径的速度分布方程：
或
式中，为高度为处的速度；为地表高度；为轴线风速；为摩擦速度； 为常数，通过试验确定。从上述试验可以，=8.5。所以，在充分粗糙的条件下有：
或
式中，表示冯卡曼常数，我0.4。通过风洞试验对风沙流进行研究中，重点研究沙粒与气流之间的相互作用。没有沙粒运动的时候，风速廓线遵循壁面定理，且=0.6mm，风速为0.02处为0，称为空气动力学粗糙度1/30定律。该结论已经被广泛用于风沙研究中，当然，也有写着对此提出了不同意见，在此不做赘述。
2空气动力学粗糙度的物理意义
根据空气动力学粗糙度1/30定律可知，表示地表上平均风速为零的某一个高度的空气动力学粗糙度。表示地表空气空力学特征，反映风速与风沙流对地表产生的作用，同时也是衡量大气边界属性的一个指标。Greeley等人建立了粗糙度与起动摩阻速度之间的函数关系：
式中：表示沙粒粒径；表示沙粒密度。
Bagnold的输沙率方程表示为：
式中，表示常数；表示输沙率；=0.25mm，表示标准粒径。
White的输沙率方程表示为：
除以上输沙率模型以外，其它输沙率模型中，输沙率都和起动风速有直接的关系。从以上三式可知，沙粒的起动风速直接受空气动力学粗糙度的影响，进而对输沙量产生绝对或相对的影响。由此可见，空气动力学粗糙度对沉积物运动、土地荒漠化形成、隔壁风蚀面及沙丘迁移的发育和形成都会产生直接的影响。自Bagnold建立起风沙物理学以后，在这一方面的研究速度非常快，特别是在风沙问题研究中对空气动力学原理的应用越来越多。对不同地表空气动力学粗糙度来说，需要加大研究的力度。地表障碍物与气流的相互作用通过空气动力学粗糙度、零平面位移高度及阻力系数等参数来表示。但是，在这些参数中，空气动力学粗糙度的影响程度最大，其次是阻力系数，最后是零平面位移高度。例如，在对海滩阻力空气动力学粗糙度测量结果进行分析后可知，阻力系数增加2.5～3.5倍，空气动力学粗糙度增加达到100～500倍。所以空气动力学粗糙度在各种下垫面空气动力学特征表征中被广泛应用。
3不同下垫面空气动力学粗糙度
3.1沙质地表
根据风洞试验，对于平整沙质地表而言，空气动力学粗糙度是沙粒粒径的1/30，也就是=。该结论已经给广泛接受，但是也有学者对此提出不同意见。如Zingg认为随着沙粒粒径的对数变化而变化，表示为：=；White认为=。而对于沙粒大小不同的不规则沙质地表来说，粗糙度与沙粒大小间的关系尚不明确，目前的研究结果是针对沙粒大小的不同分为以下几种情况：空气动力学完全光滑区、过渡区及完全粗糙区。
3.2植被覆盖地表
在存在植被覆盖的地表，平均风速廓线方程表示为：
式中，反应空气动力学特征的物理量为和，这两个物理量也是反映植被与大气之间能量与物质交换的主要参数。部分学者用最小二乘法对对数廓线方程进行计算，从计算结果来看，方程中、及是几个相互制约和关联的物理量。根据上式不可能同时求得三个量的准确值。近些年，不断有学者通过新的方法对这几个物理量进行计算。不管是采用何种方法，都显示受植物覆盖度、植物柔韧性及枯枝落叶层的厚度影响较大。
3.3砾石覆盖地表
地表覆盖的砾石形状及高度的差异，对风动量的吸收也是不同的，那么地表的粗糙度也存在一定的差异。对砾石粒径与空气动力学粗糙度之间的关系进行研究，有助于防沙治沙工作的开展。Dong等人通过风洞试验，对不同粒级的砾石通过多种不同覆盖度进行试验，结果显示，光滑床面的介于0.0016cm～0.0048cm之间，而有砾石覆盖的地表，增加了1.375～663倍，倍数与风速和砾石覆盖度有直接关系。
4结论
通过本文对不同下垫面的空气动力学粗糙度进行研究，对风沙科学等一系列学科中的应用具有重要的指导作用，但是仍需要进一步研究。常用的空气动力学研究方法有自身的优势，但也有不足，因此寻找一种简单、方便、有效的空气空气学粗糙度方法及测量方法，是相关学者在以后的研究中需要重点解决的问题。
参考文献
[1]高志球，卞林根，逯昌贵，陆龙骅，王金星，汪瑛.城市下垫面空气动力学参数的估算[J].应用气象学报，2012（z1）.
[2]梅凡民，张小曳，王涛.平坦沙地的空气动力学粗糙度变化及其物理意义[J].自然科学进展，2011（3）.
[3]刘静，卓慕，胡耀国.初论地表粗糙度[J].生态环境，2007（6）.