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1、项目名称：项目名称：风沙运动的多场耦合特性及规律的力学研究风沙运动的多场耦合特性及规律的力学研究申报奖种：申报奖种：2018 年年国家自然科学奖二等奖国家自然科学奖二等奖项目完成人：项目完成人：周又和、郑晓静、黄宁周又和、郑晓静、黄宁项目简介：项目简介：本项目属力学学科，与物理、环境等学科关联。沙漠化与沙尘暴是备受国际关注的重大环境灾害，其产生主因是大量散体沙粒在风场作用下的集群运动，即风沙运动。由于沙粒运动的随机性以及与风场湍流和与流动沙床表面间的互馈所导致的多重非线性、两相流与热对流和风沙电场的多场耦合性、沙粒碰撞地表的击溅过程与风沙流形成演化过程交织的跨尺度性，使得对风沙运动规律的认知和
2、揭示一直成为风沙物理学和沙漠化研究的难点。2005 年Science列出125 个重要科学问题中唯一与力学直接相关的 “能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的统一理论”，风沙运动研究作为这类重要科学问题的一典型对象是力学面临的新挑战。主要创新点：1）在基础性实验方面，提出了改进实验测量可靠性的新方法，开创了风沙电效应的风洞实验。提出了对风沙流单宽输沙率测量数据进行高精度处理的一种新方法，由此给出的解析公式解决了包括已有著名公式在内的 50 余种预报公式的预报值相差达 2 倍的适用问题；率先开展了风沙流中沙粒带电与风沙电场的风洞实验，揭示出沙粒所带电荷极性的尺度效应和荷质比的变化规律，并研制出
3、抗风沙干扰性强且测量精度高的风沙电场测量仪； 2）在基础性建模方面，建立了描述和表征风沙运动关键力学过程且实现定量化预测的新的理论模型。建立了预测沙粒起跳初速度分布函数这一关键统计物理量的颗粒-床面随机碰撞模型、风沙流中沙粒空中碰撞模型以及综合反映多场耦合效应的风沙流形成演化过程等的理论模型及其定量求解方法，显著改进了预测风沙运动的精准度；3）在新现象新规律揭示方面，定量给出风沙电对风沙流形成演化过程和微波通讯的重要影响和规律，丰富了对风沙电现象的认识。发现沙粒带电导致风沙流输沙率增大形成演化过程加快的影响规律、沙粒带电是导致沙尘暴中微波衰减明显加剧的重要原因、沙粒所带电荷是在其表面局部分布的
4、等特征，由此解决了已有理论预测与实测结果差异较大（甚至达 20 倍）的问题。上述工作形成了由基础性实验和基本模型建立以及高精度定量分析方法相结合的一条合理、完整、可行的研究路线，创新了两相流的理论框架和研究手段，增进了对复杂系统随机性、非线性、多场耦合和跨尺度等特性的认知。由此拓展建成的沙尘暴野外观测站实现了包含风沙电场等多物理量的同步实时测量、建立的沙丘场形成演化跨尺度模型已应用于防沙治沙工程有效性评估与优化设计，并为某型国防产品试验的“故障归零”提供了成功的咨询指导。本项目发表 SCI 收录论文 63 篇、出版专著 1 部，他引 1200 余次（含 SCI 他引 540 余次）。8 篇代表
5、作他引 590 余次，其中 SCI 他引231 次；获 9 项国家发明专利和 2 项美国发明专利；研究团队入选国家自然科学基金创新研究群体；主办 IUTAM“气候变化的极端事件动力学”研讨会等国际会议；有关工作分别被著名学者的Nature和Rep. Prog. Phys.论文评价是“出奇之少中的仅有的明显例外”、“最重要的模型”、“取得了显著进步”和“非常重要的贡献” 等。本项目于 2017 年获教育部自然科学奖一等奖。客观评价：客观评价：本项目是从力学的角度对自然界的风沙流开展基本实验观测、理论模型建立和定量分析预测的交叉性交叉性研究，研究成果除部分发表在力学期刊外，大多发表在在国际地学权威
6、期刊，如地球物理学报 (J. Geophys. Res.) 和有关颗粒物理的期刊，如Phys. Rev. E和Eur. Phys. J. E等，并得到包括一些著名学者在内的同行发表在著名期刊，如Nature和Nature physics和一些相应的专业期刊如Int. J. Pharm.、Sedimentology 、 Planet Space Sci.、Phys. Rev. Lett.、Rep. Prog. Phys.、J. Electrost.等上的文章的肯定性评价，和对本项目所建模型的大篇幅直接采用。尽管由于定量研究风沙运动的难度大、研究人员偏少，但仍有包括美国、英国、日本、以色列等国在内
7、的近百位学者正面引用了本项目工作，这些学者涉及的领域除地学外还包括化工、药学和空间科学等。由此在一定程度上反映了本项目研究引领的公认程度的广泛性。1、代表作代表作 1 1 被著名学者列为风沙物理学创始人被著名学者列为风沙物理学创始人 BagnoldBagnold（19411941）工作的后续典型进展。工作的后续典型进展。如：发表在气象学科 1 区期刊Atmos. Chem. Phys.(IF：5.114) 的文章“从 Bagnold 给出的u*3关系开始，目前有许多与摩阻风速有关的输沙率公式。Zhou 等 (2002) 讨论了其中与临界启动摩阻风速u*cr有关的经验公式” (见附件 7-6-引
8、文 5)；又如Int. J. Mod. Phys. C和Granul. Matter主编、颗粒物理著名学者、主编、颗粒物理著名学者、Max-Planck 奖获得者获得者 Herrmann 在Phys. Rev. E、 Eur. Phys. J. E 、Phys. A和Phys. Rev. Lett.的 4 4 篇篇论文也是如此，且是唯一的中国学者工作 (见附件 7-1)；而德国学者 Christopher 在New J. Phys.(IF：3.570) 除了将代表作代表作 1 1 作为与 Bagnold 的工作并列的该领域代表并列的该领域代表性工作性工作外，并强调 Zhou 等人“在风洞中利用
9、集沙仪和颗粒追踪的测量手段针对风沙输运问题的颗粒动力学给出了深刻的见解深刻的见解 (give insight into)” 。2、代表作代表作2 2与Schimidt等 (1998) 并列为风沙电方面最早的研究并列为风沙电方面最早的研究 (前者是风洞实验和理论模拟结合，后者仅为野外观测)。例如：由英、美、意、法、丹麦、印度等多国科学家撰写发表在Space Sci. Rev.的综述文章多处大篇幅介绍了代表作代表作2 2，如：“揭示了出乎意料的出乎意料的 (unexpected role) 沙粒带电对跃移沙粒运动轨迹影响的效应，这一效应最早最早 (first suggested by) 由Schi
10、mi等 (1998) 和郑等 (2003) 提出” ；又如“地球上对尘卷中电场的实验研究支持了支持了 (support) 由Schmidt和Zheng等人提出的提出的这一观点 (Schmidt等1998；郑等2003)” ；再如：其后续工作“Huang等 (2008) 可得到与Farrell等 (2004) 观测结果最接近最接近 (the closest fit) 的模拟结果”等。3、在NatureNature上的代表性引文2中3处引用代表作代表作2 2，如“with few notable exceptions8, surprisingly little fundamental analys
11、is has been done on how charge affects granular flow” (电荷影响风沙流的基础性分基础性分析出奇之少析出奇之少, ,仅有极少的明显例外仅有极少的明显例外88) 和“Further progress will require a concerted combination of careful measurements and simulations rarely attempted to date 8 (后续工作将需要精细测量与模拟的有机结合精细测量与模拟的有机结合, ,迄今，迄今，这种尝试这种尝试88很少很少)” (这里8为代表作代表作2
12、2)。4、与代表作代表作3 3与与4 4相关联的本项目研究组的沙粒-床面斜碰撞研究，其所获得的火星陨石坑尺度分析的定量研究受到了国际学者的高度关注。例如，M.Nishida发表于颗粒物质权威期刊Granul. Matter的论文在指出与众多研究垂直冲击颗粒床面的情况相反情况相反 (In contrast,)，有关斜冲击的研究非常有限斜冲击的研究非常有限 (have been limited in number) 之后，将本项目组的这一工作作为斜冲击的代表作予以了特别介绍。在流体力学顶级期刊Annu. Rev. Fluid Mech.中，也将这一工作列为在冲击坑形成的物理机制研究方面“最有意义的
13、工作最有意义的工作” (the most significant ones) 的4篇工作之一，其中第1篇是垂直冲击的工作，而第3、4篇的工作则均是在这一工作之后开展的、并均引用了本项目研究组这一斜碰撞的研究工作。法国学者在Phys. Rev. Lett.评价这一工作为“这这类方法有可能对类方法有可能对这一复杂过程的研究带来曙光这一复杂过程的研究带来曙光 (may shed some light on the complicated process)” 。 5、在将代表作代表作3 3与与4 4的粒的粒- -床随机碰撞研究相关联的另一研究是将床随机碰撞研究相关联的另一研究是将其推广到风沙流的沙粒空
14、中随机碰撞研究，其推广到风沙流的沙粒空中随机碰撞研究，其模型结果被国际风沙物理学研究领域知名学者Kok教授多次大篇幅正面引用大篇幅正面引用，同时也被英国牛津大学Peter Read教授等人评价为“Huang et al. (2007) 考虑空中碰撞的成果可以进一步改进对火星上风沙跃移运动(be further modified）的研究” 。美国学者Berger教授引用本项工作时指出“有学者 (Huang et al., 2007) 的研究揭示出沙粒的空中碰撞对地球系统中的风沙运动有重要的影响(play a large role)” 。法国学者Dupont在引用这一工作时指出“近期的研究显示在高
15、风速下接近床面处沙粒的空中碰撞是非常重要的” 。6、风沙物理学著名学者、美国密歇根大学Renno教授和美国知名学者Kok教授在Rep. Prog. Phys. 、 J. Geophys. Res.和Space Sci. Rev.等期刊发表的论文中多次引用了代表作代表作2 2和和6 6, 指出“正如Schmidt等 (1998) 和Zheng等 (2003) 最早最早 (as first suggested by) 提出静电力对于跃移沙粒的运动轨迹是有影响的” ， “Zheng等人 (2006) 在考虑了电场力的影响基础上对风沙跃移运动进行了详细的数值模拟详细的数值模拟 (detaileddet
16、ailed numerical simulations)，得到了与Shao and Raupach (1992) 以及Rasmussen and Mikkelsen (1998) 风洞实验值更为吻合的结果更为吻合的结果 (showed betterbetter agreement with)” ， “郑与她的合作者们建立了一个数值模型建立了一个数值模型(developed a numerical model)，可以再现沙粒跃移的本质特性本质特性 ( (essential features) ) 并首次首次 (the(the firstfirst to account for) ) 将静电力的影响考虑其中”等。7、Abdulwaheed Musa教授在Prog. Electromagn. Res.的综述文章用较长篇幅单独介绍了代表作代表作6 6给出的包括模型方法以及计算结果；并肯定
