Original paper

On the aeolian saltation bed shear stress and saltation roughness length

Schönfeldt, Hans-Jürgen

Meteorologische Zeitschrift Vol. 15 No. 3 (2006), p. 307 - 315

published: Jul 10, 2006

DOI: 10.1127/0941-2948/2006/0126

BibTeX file

ArtNo. ESP025011503007, Price: 29.00 €

Download preview PDF Buy as PDF

Abstract

The aerodynamic surface roughness length, z0, 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 τa(z) and effective roughness length z0sduring saltation are evaluated. The results for z0s and τa(z) 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 τa(z) and z0s dependent on the mean saltation height and mean ejection angle. The higher the mean saltation height of the grains, the higher is τa and the lower is z0s. 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.

Kurzfassung

Die aerodynamische Rauhigkeitslänge z0 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 z0s werden berechnet. Die Ergebnisse für z0s 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 τa(z) und z0s. Je höher die mittlere Saltationshöhe der Sandkörner ist, umso größer ist τa und umso niedriger ist z0s. 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.