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Validating a dust production model by field experiment in Mu Us Desert, China

Chinese Science Bulletin 2006年第7期51卷 878-884页

作者： mei fanmin J. Rajot S. Alfaro L. Gomes ZHANG Xiaoye WANG Tao Key Laboratory of Desert and Desertification Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute Chinese Academy of Sciences Lanzhou 730000 China State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology Institute of Earth Environment Chinese Academy of Sciences Xi'an 710075 China Department of Environmental Science and Technology Xi'an University of Engineering and Technology Xi'an 710048 China Center of Monitoring and Forecasting of Chemical Components of Atmosphere State Key Laboratory of Atmospheric Chemistry Institute of National Meteorology Research Beijing 100081 China Laboratoire lnteruniversitaire des Systemes Atmospheriques Universite de Paris 12 Paris 94010 France

Field experiments of dust production have been seldom performed in Chinese deserts that are identified as one of main dust sources in the world, and such an experiment to validate a dust production model (DPM) has not been made in China until now. Saltation flux, dust emission flux, surface features and meteorological parameters (U*, Z0, Ri, etc.) were investigated in Mu Us Desert of China to verify the DPM model and accumulate dust emission data during the spring of 2002. It indicates that observed saltation fluxes from 0.07 to 8.00 g·m?1·s?1 are in good agreement with the ones predicted by the DPM model when the constant of the saltation flux equation is tuned to about 2.61, which corresponds to wind fric- tion velocities from 0.26 to 0.35 m·s?1. Unfortunately, during three local dust emission events, the observed dust fluxes are from 1 to 3 μg· m?2· s?1, lower than the modeled ones, implying that the model needs to be improved further under lower wind velocity. In comparison with data from a sandy soil with physical crust and a loam soil, saltation fluxes of the loose sandy soil in Mu Us Desert are obviously higher, which suggests that deserts and sandy land with desertification are major dust sources in northern China.

关键词：沙漠尘埃模拟野外试验

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Vertical distribution of soil moisture and surface sandy soil wind erosion for different types of sand dune on the southeastern margin of the Mu Us Sandy Land,China

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Research in Cold and Arid Regions 2015年第6期7卷 675-686页

作者： ChaoFeng Fu JingBo Zhao fanmin mei TianJie Shao Jun Zuo Key Laboratory of Western Mineral Resources and Geological Engineering Ministry of Education of China&Chang'an University College of Tourism and Environment Science Shaanxi Normal University Environmental and Chemical Engineering College Xi'an Polytechnic University

Soil moisture is a critical state affecting a variety of land surface and subsurface processes. We report investigation results of the factors controlling vertical variation of soil moisture and sand transport rate of three types of dunes on the south- eastern margin of the Mu Us Sandy Land. Samples were taken from holes drilled to a depth of 4 m at different topographic sites on the dunes, and were analyzed for soil moisture, grain-size distribution and surface sediment discharge. The results show that：（1） The average soil moisture varies in different types of dunes, with the following sequences ordered from highest to lowest： in the shrubs-covered dunes and the trees-covered dunes the sequence is from inter-dunes lowland to windward slope to leeward slope. The average moisture in the bare-migratory sand dunes is sequenced from inter-dunes lowland to leeward slope to windward slope. （2） Vegetation form and surface coverage affect the range of soil moisture of different types of dunes in the same topographic position. The coefficient of variation of soil moisture for shrubs-covered dunes is higher than that of other types of dune. （3） The effect of shrubs on dune soil moisture is explained in terms of the greater ability of shrubs to trap fine-grained atmospheric dust and hold moisture. （4） The estimated sand transport rates over sand dunes with sparse shrubs are less than those over bare-migratory dunes or sand dunes with sparse trees, indicating that shrubs are more effective in inhibiting wind erosion in the sandy land area.

关键词： soil moisture surface sandy soil wind erosion vegetation form micro-geomorphology sand dunes deserti-fication control

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一种改进的高浓度风沙图像的动态灰度阈值分割算法

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力学学报 2018年第3期50卷 699-707页

作者：梅凡民雒遂陈金广西安工程大学环境与化学工程学院西安710048 西安工程大学计算机科学学院西安710048

风沙跃移是塑造干旱区地貌的最主要的动力,其伴生的粉尘的释放、输送和沉降不但严重地影响了大气环境质量,也引起了全球气候系统和海洋系统的变化.单个沙粒轨迹形成是理解粒-床碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要纽带.高浓度风沙图像... 详细信息

风沙跃移是塑造干旱区地貌的最主要的动力,其伴生的粉尘的释放、输送和沉降不但严重地影响了大气环境质量,也引起了全球气候系统和海洋系统的变化.单个沙粒轨迹形成是理解粒-床碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要纽带.高浓度风沙图像处理算法是深入理解沙粒轨迹形成机制的关键技术.为了实现对高浓度风沙图像精细处理,本文提出了不依赖于经验参数的动态灰度阈值分割算法,它包括背景模板去噪、绿光通道灰度化处理、图像微分、灰度方差阈值目标检测和最大类间方差灰度阈值分割等,其中背景模板去噪和灰度方差阈值目标检测等是新算法的主要亮点.高浓度风沙图像分割实验显示,扣减背景模板去除了条纹状和斑点状的稳定噪声;图像微分和灰度方差阈值目标检测显著地提高了暗沙粒识别的数量并有效地去除了随机噪声;改进算法的沙粒有效识别个数(人机判读坐标一致的沙粒数目)、查全率(计算机提取沙粒数目与人工判读的实际沙粒数比值)和查准率(有效沙粒数目与实际沙粒数目的比值)分别为461,71%和86%,显著地高于传统算法对应的85,13%和82%,这表明新算法对高浓度风沙图像的分割效果良好.避免单粒子分割和表观重叠问题是进一步完善高浓度风沙图像的分割算法的可能途径.

关键词：风沙图像分割动态灰度阈值类间方差查全率查准率

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高速影像中风沙颗粒灰度和表观粒径的变化特征及对多假设追踪算法的意义

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中国沙漠 2019年第3期39卷 7-16页

作者：梅凡民张梦莲西安工程大学环境与化学工程学院

沙粒轨迹形成过程是理解风沙两相流输运力学机制的关键问题。多假设追踪算法通过融合追踪目标的多个信息特征和建立后验概率控制的动态递归算法来实现对目标的准确追踪,其精度可能优于传统的基于位置信息的轨迹追踪算法。基于多假设追... 详细信息

沙粒轨迹形成过程是理解风沙两相流输运力学机制的关键问题。多假设追踪算法通过融合追踪目标的多个信息特征和建立后验概率控制的动态递归算法来实现对目标的准确追踪,其精度可能优于传统的基于位置信息的轨迹追踪算法。基于多假设追踪算法的需要,以沙粒灰度和表观粒径(沙粒在影像上显现的大小)为对象,通过分析沙粒在轨迹形成过程中灰度和表观粒径的辨识度及稳定性来揭示它们作为多假设轨迹算法的特征参数的可能性和可靠性。结果表明:沙粒灰阶25~255,具有多峰分布的特征,表明不同沙粒灰度具有很好的区分度;80%~85%的沙粒在入射、反弹过程及粒-床碰撞后,灰度差在1倍标准偏差之内,表明大多数沙粒的灰度具有相对的稳定性;沙粒的表观粒径分布于77~1 001μm,表明表观粒径具有较好的区分度;97%~100%的沙粒在入射、反弹过程中、77%的沙粒在粒-床碰撞后,表观粒径差均是稳定的(77~154μm);仅有15%~23%的沙粒发生了显著的侧向运动或自旋,表明多数沙粒的灰度和表观粒径的稳定性不受侧向运动或自旋的影响;灰度和表观粒径可以作为多假设追踪算法的重要辨识参数。

关键词：高速影像风沙颗粒灰度表观粒径多假设追踪算法

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考虑边界层自由风速的粗糙床面跃移通量模式

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中国沙漠 2024年第6期44卷 79-86页

作者：徐杨梅凡民朱海波西安工程大学环境与化学工程学院陕西西安710048 杨凌职业技术学院陕西杨凌712100

用于粗糙床面的风沙天气预报的跃移通量模式主要考虑了床面的空气动力学粗糙度对跃移通量的影响而最近的研究表明边界层自由风速等因素也会影响跃移强度。鉴于此,根据边界层风洞测试的6组密实粗糙元和3组孔隙粗糙元覆盖床面在不同自由... 详细信息

用于粗糙床面的风沙天气预报的跃移通量模式主要考虑了床面的空气动力学粗糙度对跃移通量的影响而最近的研究表明边界层自由风速等因素也会影响跃移强度。鉴于此,根据边界层风洞测试的6组密实粗糙元和3组孔隙粗糙元覆盖床面在不同自由风速下的跃移通量,确认了前人的基于床面空气动力学粗糙度的跃移通量模式的不确定性,发现了实测的跃移通量是粗糙床面空气动力学粗糙度、边界层自由风速和调整摩阻风速(摩阻风速与起动摩阻风速的函数)的复合函数,此结果可能与粗糙床面风沙边界层属于非常应力层有关。

关键词：跃移通量自由风速粗糙元起动摩阻风速摩阻风速

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一个基于粗糙元方向比率和空气动力学粗糙度的起动摩阻风速模式

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中国沙漠 2020年第6期40卷 98-104页

作者：梅凡民王姗唐丽萱苏进西安工程大学环境与化学工程学院陕西西安710048 西安工程大学理学院陕西西安710048

粉尘释放模型对风蚀粉尘气候、生态效应的评价和沙尘天气的预报有重要意义。条件试验表明,MB模式和SL模式存在高估或低估起动摩阻风速的情形,但未得到观测数据的支持。鉴于此,利用风洞实验测量了不同密度(0.0072~0.51)、方向比率(4~25)... 详细信息

粉尘释放模型对风蚀粉尘气候、生态效应的评价和沙尘天气的预报有重要意义。条件试验表明,MB模式和SL模式存在高估或低估起动摩阻风速的情形,但未得到观测数据的支持。鉴于此,利用风洞实验测量了不同密度(0.0072~0.51)、方向比率(4~25)、孔隙率(0.15~0.75)的粗糙元覆盖的中粗沙床面的起动摩阻风速。结果表明:当空气动力学粗糙度大于1 mm时,MB模式存在高估(相对误差率80%~100%)起动摩阻风速而失效的情形,SL模式存在低估(相对误差率-50%^-20%)起动摩阻风速的情形。基于观测数据本文提出了一个基于粗糙元方向比率、粗糙和光滑床面空气动力学粗糙度比值及裸沙起动摩阻风速的新模式,可以模拟低、中、高密度的粗糙元覆盖床面的起动摩阻风速,模拟的误差在±0.1 m·s-1以内。

关键词：粉尘释放起动摩阻风速方向比率空气动力学粗糙度风洞实验

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风沙跃移解析模型的建模思路及存在问题

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中国沙漠 2024年第4期44卷 14-23页

作者：梅凡民杨倩文李旺苏进西安工程大学环境与化学工程学院陕西西安710048 西安工程大学理学院陕西西安710048

以Bagnold模型、S?rensen模型和P?htz-Kok-Herrmann模型(PKH模型)为样本,分析了跃移通量解析模型的发展趋势、建模思路及存在问题。与Bagnold模型不同,Owen类模型的建模包括风廓线方程与颗粒群运动学特征方程的参数化求解等环节。S?ren... 详细信息

以Bagnold模型、S?rensen模型和P?htz-Kok-Herrmann模型(PKH模型)为样本,分析了跃移通量解析模型的发展趋势、建模思路及存在问题。与Bagnold模型不同,Owen类模型的建模包括风廓线方程与颗粒群运动学特征方程的参数化求解等环节。S?rensen模型以反映气固耦合过程的跃移轨迹方程的参数化求解为主要的建模策略。PKH模型分别以气流动量传递方程、能量传递方程及风廓线方程的参数化求解为建模策略,在表观粗糙度、粒载切应力垂直衰减廓线及冲击起动的定量表达等方面取得了重要的进展。改进跃移观测的准确度、进一步理解跃移通量变化的峰值现象、充分考虑多尺度湍流对跃移通量的影响等,是发展解析模型的潜在途径。

关键词：跃移通量风沙颗粒建模思路表观粗糙度粒载切应力

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Characterization of MASDs of surface soils in north China and its influence on estimating dust emission

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Chinese Science Bulletin 2004年第20期49卷 2169-2176页

作者： mei fanmin1,2, ZHANG Xiaoye1, LU Huayu1, SHEN Zhenxing1 & WANG Yaqiang1 1. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xian 710075, China 2. Xian University of Engineering Science and Technology, Xian 710048, China State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology Institute of Earth Environment Chinese Academy of Sciences Xi’an China Xi’an University of Engineering Science and Technology Xi’an China

The micro-aggregated size distribution (MASD) of surface soil is an important parameter for modelling dust emission. However, there is no dataset of MASDs of all sur-face soil types in north China. The MASDs are here pre-sented, measured by dry sieving, for typical surface soil sam-ples, including sandy soil, gravelly sand soil, gravelly loam soil, loam soil and silt loam soil, collected from sandy deserts, Gobi deserts, oases, farmlands in steppe regions and steppe areas in north China. The MASDs of various surface soil types exhibit a combination of several log-normal distribu-tions of five separated sizes with mean mass median diame-ters (MMDs) of 90, 210, 390, 600 and 980 mm, respectively, and mean standard deviations (SDs) of 1.25, 1.40, 1.25, 1.35 and 1.25 respectively. The log-normal distributions corre-spond to very fine sand, fine sand, medium sand, coarse sand and very coarse sand population. On the basis of characteri-zation of the retrieved MASDs of various surface soil types in north China, dust emission fluxes are modelled by a dust production model (DPM model). It is shown that dust emis-sion has been significantly influenced by MASDs. Fine sand and very fine sand are always associated with the highest dust emission fluxes. Emission fluxes of the medium sand, gravelly sand soil, gravelly loam soil and loam soil are lower than those of very fine sand and fine sand, but larger than those of the coarse sand. The differences in dust emission fluxes vary among the different soil types from 101 to 103 mg·m-2·s-1. Dust emission fluxes from sandy deserts and farmlands covered with sand sheets in north China rang from 101 to 104 mg·m-2·s-1 while those from Gobi deserts, farmlands and steppes with gravelly desertification range from 101 to 102 mg·m-2· s-1. The modelled results indicate that deserts and farmlands with sand are the major dust sources in north China.

关键词：华北地区 MASDs 微块状粒度分布地面土壤粉尘排放壤土大气污染气溶胶

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粗糙床面风廓线统一对数区的空气动力学粗糙度及其空间变异特征

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中国沙漠 2018年第3期38卷 445-454页

作者：梅凡民张宁宁席媛刘秀秀西安工程大学环境与化学工程学院陕西西安710048

为了进一步理解粗糙床面阻力效应,减小空气动力学粗糙度测试中的不确定性,依据风沙风洞测试的3类粗糙元(细高粗糙元、孔隙粗糙元和粗矮粗糙元)覆盖的39个粗糙床面在不同自由风速下的风廓线数据,提出了风廓线统一对数区的概念并得出以下... 详细信息

为了进一步理解粗糙床面阻力效应,减小空气动力学粗糙度测试中的不确定性,依据风沙风洞测试的3类粗糙元(细高粗糙元、孔隙粗糙元和粗矮粗糙元)覆盖的39个粗糙床面在不同自由风速下的风廓线数据,提出了风廓线统一对数区的概念并得出以下结论:粗糙床面风廓线统一对数区范围约在0.1~0.3h至边界层顶部,空气动力学粗糙度是变应力层内床面对气流阻力效应的垂向平均;在统一对数区内拟合的空气动力学粗糙度的垂向变异分为先增后减型(概率为71%)、减小型(20%)和增加型(9%)等类型,而采用统一对数区的空气动力学粗糙度可以避免垂向变异带来的不确定性;统一对数区的无量纲空气动力学粗糙度随粗糙元密度以幂函数形式增加的特征,进一步表明该指标能更好地表征粗糙床面对气流阻力效应;尾涡流风廓线统一对数区的空气动力学粗糙度约为街流区1~5倍,表明街流区风廓线统一对数区的空气动力学粗糙度是模拟跃移起动更合适的参数。

关键词：粗糙元空气动力学粗糙度统一对数区街流尾涡流跃移起动

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NaOH改性活性炭的表面特征及吸附甲醛的性能

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化工环保 2009年第4期29卷 381-384页

作者：傅成诚梅凡民周亮杨青莉西安工程大学环境与化学工程学院陕西西安710048

研究了NaOH改性活生炭(AC)的表面官能团变化特征及其吸附甲醛的性能。实验结果表明:改性AC表面的羧基、酚羟基、内酯基等官能团均与NaOH发生化学反应;质量分数为30%的NaOH溶液对AC表面的清洗作用最大,能将AC表面的杂质基本清除,此时AC... 详细信息

研究了NaOH改性活生炭(AC)的表面官能团变化特征及其吸附甲醛的性能。实验结果表明:改性AC表面的羧基、酚羟基、内酯基等官能团均与NaOH发生化学反应;质量分数为30%的NaOH溶液对AC表面的清洗作用最大,能将AC表面的杂质基本清除,此时AC表面羧基、酚羟基、内酯基和羰基浓度均达到最大;NaOH溶液质量分数为30%时,改性AC吸附甲醛的效果最好;改性AC表面酚羟基浓度的大小与改性AC吸附甲醛气体穿透时间的长短呈正比。

关键词：活性炭改性吸附甲醛官能团

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