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On the aeolian saltation bed shear stress and saltation roughness length

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Abstract:

The aerodynamic surface roughness length, , is an input parameter in models to calculate the bed shear stress from the geostrophic wind. The bed shear stress is a fundamental variable to link flow conditions to sediment transport and dust emission. This study examines by numerical integration of the equations of motion for grains how the cloud of grains in transport modifies the wind profile. Transport parameters as the ejection angle, the lift-off velocity of the grains and the transport rate are systematically varied and the resulting air borne bed shear stresses profile () and effective roughness length during saltation are evaluated. The results for and () are compared with the analytical model of Raupach. Our grain-scale analysis also provides valuable information about the splash function which is an important input for numerical models. Using a constant sand transport rate estimated from wind tunnel data yields different () and dependent on the mean saltation height and mean ejection angle. The higher the mean saltation height of the grains, the higher is and the lower is . Assuming proportionality of the vertical grain velocity to the shear stress above the saltation layer, as often done in numerical modelling, is shown to be inconsistent.

German
Die aerodynamische Rauhigkeitslänge z 0 ist ein Modelleingabeparameter, um aus dem geostrophischen Wind die Bodenwindschubspannung zu berechnen. Die Windschubspannung am Boden ist eine fundamentale Größe, um den Sedimenttransport und die Staubemission mit den herrschenden Strömungsverhältnissen zu verknüpfen. Diese Arbeit untersucht durch numerische Integration der Bewegungsgleichungen für Sandkörner, wie die Wolke der transportierten Sandkörner das Windprofil beeinflusst. Die Transportparameter wie der Startwinkel, die Vertikalgeschwindigkeit der startenden Sandkörner und die Transportrate werden systematisch geändert, und die daraus resultierenden windbedingten Bodenschubspannungsprofile τa (z) und effektiven Rauhigkeitslängen bei Saltation z 0s werden berechnet. Die Ergebnisse für z 0s und τa (z) wurden mit dem analytischen Modell von Raupach verglichen. Unsere Analyse der Einflussparameter liefert wertvolle Information über die in numerischen Modellen verwendete Splashfunktion (Funktion für die Vertikalgeschwindigkeit der saltierenden Sandkörner in Abhängigkeit von den Grenzschichtparametern). Eine aus Windtunneldaten abgeleitete konstante Sandtransportrate liefert unterschiedliche, von der mittleren Saltationshöhe und vom mittleren Startwinkel der Sandkörner abhängige Werte für τ a (z) und z 0s . Je höher die mittlere Saltationshöhe der Sandkörner ist, umso größer ist τ a und umso niedriger ist z 0s . Es wird gezeigt, dass die Voraussetzung der Proportionalität zwischen der Vertikalgeschwindigkeit der Sandkörner und der Schubspannung oberhalb der Saltationsschicht, wie oft in der numerischen Modellierung gehandhabt, zur Inkonsistenz führt.

Document Type: Research Article

DOI: https://doi.org/10.1127/0941-2948/2006/0126

Publication date: 2006-06-01

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