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    国家杰出青年科学基金获得者郑晓静 坚守西部二十载 风沙科研结硕果

    日期 2007-11-26   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

      本文提要:风蚀是我国北方干旱区最活跃的一种陆表过程。目前我国遭受风蚀的土地面积已超过水蚀面积,达191万平方公里,而且风蚀程度相比十年前也在加重。风沙灾害已经成为关系我国社会、经济可持续发展的重大环境问题之一。首届“中国青年科技奖”(1988)的获奖者、兰州大学力学系的郑晓静教授,坚守西部二十载,在“国家杰出青年科学基金”(1997)和国家自然科学基金重点项目等的资助下,主动结合国家需求,针对风沙环境中的一系列关键科学问题开展研究工作,实现了对风场-沙粒运动-风沙流电场-热扩散等多因素耦合作用下的风沙流发展过程以及尘卷现象等的理论预测,有效解决了沙尘暴对无线电波的衰减影响等基础问题,取得了一系列重要进展。

      风蚀是我国北方干旱区最活跃的一种陆表过程。随着全球变化和人类活动的加剧,发生在我国绿洲-荒漠过渡带的风沙运动一直在导致土地(农田)退化和风沙灾害等一系列生态环境问题。目前我国遭受风蚀的土地面积已超过水蚀面积,达191万平方公里,而且风蚀程度相比十年前也在加重[1]。如:位于腾格里和巴丹吉林沙漠之间的楔形绿洲--甘肃民勤地区,近年来,由于严重的土壤风蚀,导致绿洲面积迅速减小,地下水位急剧降低,两大沙漠呈现在此汇交的趋势。与此同时,频发的沙尘天气(包括沙尘暴)不仅影响空气质量,还严重影响交通、通讯、基础设施以及环境。如:2007年2月28日乌鲁木齐至阿克苏的5807次旅客列车因沙尘暴袭击发生的脱轨翻车、2006年4月17日北京地区一夜间降尘达数十万吨等。风沙灾害已经成为关系我国社会、经济可持续发展的重大环境问题之一。

      我国政府高度重视对风沙灾害的治理和研究,如:温家宝总理近年来针对甘肃民勤地区的风蚀和风沙灾害问题就先后做了12次批示,其中“不能让民勤成为第二个罗布泊”和“要让我们这一代人看到民勤的变化”正成为当地政府和民众的共同决心,也是我国科研工作者的重要选题来源。

      深入认识风沙运动发生和发展的过程和规律,不仅有助于对荒漠化和风沙灾害进行更加客观、准确地预测和预报,而且也是风沙灾害工程防治措施科学、有效设计的基础。风沙动力系统是一种具有诸多复杂性特征的、受到多物理场耦合作用的复杂系统,其中所包含的诸如跨尺度、多场耦合、随机性、非线性和尺度效应等科学问题也是科学前沿所关注的共性和热点课题。

      兰州大学力学系的郑晓静教授,在“国家杰出青年科学基金”(1997)和国家自然科学基金重点项目的资助下,立足西部,主动结合国家需求,针对风沙环境中的一系列关键科学问题开展研究工作。她和她的课题组在与地球科学的深入交叉和融合的过程中,通过发挥学科交叉的优势,取得一系列重要进展:

      1、通过对风沙流中的沙粒带电和由此产生的风沙电场的风洞实验研究,定量揭示出了风沙流中沙粒所带的电荷量和风沙电场随高度、沙粒粒径以及来流风速等参数的变化规律,发现沙粒受到的静电力对风沙流的形成和发展均有明显影响;

      2、根据对风沙流所开展的风洞实验,提出了由风沙流输沙率的风洞测量结果拟合得到单宽输沙率实验值的处理程序和拟合公式,有效提高了这一重要物理量的实验值精度,为检验存在较大差异的多达50余种理论预测公式的有效性提供了依据,并给出已有著名经验公式的适用范围;

      3、针对实验不能完全直接测量近地层风沙流的沙粒起跳初速度的困难,从力学唯象理论出发,提出一确定沙粒起跳初速度分布函数粒-床的随机碰撞模型,给出了沙粒起跳初速度(包括旋转角速度)的分布函数—风沙运动跨尺度模型中的重要物理量,不仅弥补了现有实验测量的局限性,而且还为“磨蚀”现象的分析提供了理论依据;

      4、针对实际风沙流的散体特性和已有两相流模型的局限性,基于跨尺度风沙流的统计耦合模式,实现了对风场-沙粒运动-风沙流电场-热扩散等多因素耦合作用下的风沙流发展过程以及尘卷现象等的理论预测;

      5、提出定量分析沙波纹和沙丘场形成和发展过程的有效方法,所得到的沙波纹和沙丘的尺度以及发展过程、移动速度以及沙丘间的相互作用行为与已有观测结果吻合良好,由此解决了现行理论研究无法定量刻画风成地貌时空尺度的问题,为进一步定量预测荒漠化的扩展趋势和科学制定防治措施提供了重要途径;

      6、通过对草方格、栅栏和地表结皮等主要工程固沙结构的力学性能研究,为其合理设计提供了理论依据。例如:由她们的理论分析给出的草方格边长和高度,与由长期工程实际经验摸索给出的尺寸吻合;她们还有效预测了沙尘暴对无线电波的衰减影响,使得长期未能解决的无线电波衰减理论预测与实测结果相差约30多倍的问题得以圆满解决。

      该课题组的研究成果除在力学和物理学界的国际期刊发表外,还有十余篇学术论文在地学界的重要期刊《Journal of Geophysical Research》发表,而以往在这一期刊上很少有我国学者独立发表有关风沙运动机理研究的文章。该期刊的审稿意见称:“这一研究处理了一个极其重要的课题,是为数不多的给出沙粒电荷与临界风速和输沙率标准方程关系有力解释的研究之一。论文具有潜在重要的贡献。”“这一论文的确包含原创性的内容。新的结果主要是跃移粒子电荷的测量与电荷对粒子运动的影响。”“这一论文是相当有趣的,并且对于陆地与行星(如:火星)表面大气层里的尘土跃移计算将是有用的。”“文章大大改进了原有观点。它给出了一个关于跃移输沙率的全面的理论研究。在处理静电力影响方面,这一理论比已有工作更透彻。”这一工作不仅得到国外同行的关注,而且还得到著名的加州理工学院空气推进实验室以及从事药物学研究的学者的引用。

      已在华中科技大学任教的郑晓静教授自1985年来到兰州大学后,一直坚持在西部从事教学和科学研究,是首届“中国青年科技奖”(1988)的获奖者。她以一名科技工作者的责任感和使命感,主动结合西部生态环境建设的国家需求,从原有的非线性板壳力学和电磁固体力学研究领域转向对风沙环境力学问题的研究,为力学学科结合国家需求和科学前沿发展需求,拓展研究领域进行了积极的尝试。在主动向地球科学等其它学科的科学家学习的过程中,她还与中科院寒区旱区环境工程研究所的学者们一道在相关“973”项目“中国北方沙漠化及其防治研究”的完成中发挥了积极作用。她所负责完成的“风沙运动的力学机理与土壤风蚀定量研究”课题被“973”项目组织的课题验收专家组评价为“提升了我国风沙运动研究的国际影响力”。

      目前,她们通过与美国农业部土壤风蚀与水土保持研究所大斯普林土壤风蚀野外观测站和甘肃省治沙所以及“甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站”的合作,将共同研制的近地面同步多点动态测量和实时数据采集系统,安置在位于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠之间的荒漠-绿洲过渡带的甘肃民勤地区,开展对不同地表、植被和土质情况的野外自然环境下风沙流(其中包括非定常风速和风向、风场的湍流结构、风沙流结构、输沙强度、风沙电场分布、荷质比、地表热扩散等可测物理量),进行近地表的全方位监测,并期望为该地区的沙漠化趋势的预测和防治提供科学依据。

      二十多年来,特别是在一度“孔雀东南飞”十分严重的时期,郑晓静教授放弃北京、上海等地高校的邀请,坚守西部并一直工作在教学和科研第一线。她不仅坚持为本科生授课,而且倾心培养高层次人才。在她的带动和精神感染下,她的一些博士研究生留在了兰州大学工作,有的出国学成后也回到了兰州大学,并有4位博士入选为教育部新世纪人才支持计划。目前,她所在的研究团队已被批准为“教育部长江学者创新团队”;由她逐步组建起的兰州大学风沙环境力学研究组,已经发展成为“西部灾害与环境力学教育部重点实验室”;她所在的学科被批准为国家重点学科。




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