兰州大学黄宁教授团队以产学研用服务西部生态安全与国家战略——追风逐沙到火星

近期，兰州大学土木工程与力学学院教授黄宁受邀担任天问三号任务火星沙尘暴专题工作组专家，备受关注。

从风沙肆虐的西北戈壁到海拔4700米的雪域高原，从新能源安全到遥远神秘的火星……三十余年来，黄宁团队始终以基础研究破解国际难题，以成果转化服务国家重大战略，走出了一条扎根西部、服务国家的产学研用之路。

一场黑风暴，开启风沙电研究

20世纪90年代，甘肃金昌爆发特大黑风暴，损失高达7.25亿元。正准备攻读博士的黄宁，被导师郑晓静问了一个问题：“你愿意把理论知识和现实结合起来，做风沙电相关研究吗？”

长期以来，风沙防治大多靠经验、靠试探，防护成本高、效果差，甚至经常诱发新隐患。当时，国内外对沙尘暴中风沙电现象的研究几乎一片空白。但见识过黑风暴威力的黄宁没有犹豫：“作为一个西北人，我想为家乡做点什么。”

这一干，就是三十多年。

“基础研究没有捷径，只能脚踏实地监测。”为了摸清风沙的“脾气”，他带着团队把观测站建在风沙肆虐的沙漠深处。从民勤到敦煌、金塔、金昌，数十个观测站点、亿万级实测数据，一步步夯实研究的基础。

在此基础上，团队研发出复杂地形地貌与大气环境下风沙运动多物理量高频同步实时观测技术，以及考虑大气湍流风场—沙粒相互耦合与多尺度多物理过程的数值仿真技术，首次实现真实环境下风沙、风吹雪条带流的数值模拟，进而提出典型风沙灾害防治工程的优化设计与综合体系构建技术，彻底改变了“凭经验治沙”的传统模式。

目前，这些成果已广泛服务于多个行业。从河西走廊到塔克拉玛干沙漠，从和若铁路到兰新铁路、新疆乌尉高速公路沙漠段和G22公路等重大工程，为交通基础设施和沙漠化防治提供了科学支撑。

近五年，黄宁团队主持国家级、省部级及产学研合作项目10余项，方向覆盖风沙灾害、积雪水资源、火星环境力学、新能源灾害防控等领域。

聚焦生态民生，破解行业痛点

在风沙治理领域站稳脚跟后，黄宁的脚步并没有停下。

一次，国家自然科学基金委黑河流域重大研究计划的专家找到他——项目执行一年后发现，要搞懂祁连山的生态水文，绕不开积雪分布这个核心难题，而国内能把风吹雪机理研究透彻的团队少之又少。

“风沙和风吹雪，力学原理是相通的。”黄宁接下了这个挑战，开启了第二个科研赛道——高寒山区积雪水资源研究。

积雪监测长期是国际难题。遥感范围广但精度低，地面观测精度高却只是单点数据，两者结果甚至相差一倍以上。“要解决这个问题，就得往高原上去。”于是，黄宁带领团队在祁连山、青藏高原纳木错等地建起了风吹雪综合观测站，最高的观测站海拔超过4700米。

克服高原缺氧、极端低温等重重困难，团队积累了海量的一手数据，开发出“风—温度—湿度—颗粒”多场耦合的动力学模拟方法，大幅提升了积雪分布预测准确率，解决了这一全球性的难题。

随着“双碳”目标推进，沙戈荒大型风电光伏基地建设加速，黄宁发现了新的行业痛点：光伏板迎风侧被风沙掏蚀出深坑，支架基座裸露，板后堆满黄沙；风机叶片被风沙长期击打，发电效率下降，寿命缩短……

传统的治沙思路解决不了新能源基地的新问题。2024年，黄宁牵头成立甘肃省新能源与生态环境协同创新行业技术中心，团队与三峡集团、甘肃电投等企业深度合作，落地多个新能源基地风沙防控项目，建成覆盖环境要素最多的新能源基地风沙监测系统，破解了这一行业痛点。

沙研上火星，揭开核心谜题

2022年底，我国“祝融号”火星车因沙尘累积导致发电不足，未能按计划唤醒。相关单位找到了黄宁团队，寻求解决办法。

火星大气密度仅为地球的百分之一，按常理吹不起沙，可火星沙尘暴却能席卷整个星球、持续数月。这也是星际探测的长期谜题。

凭借数十年风沙两相流研究的积累，团队跳出“有风才能起沙”的传统思维，提出全新机制：火星昼夜温差极大，土壤中大量干冰受热后瞬间升华喷发，给沙粒提供额外升力，哪怕风速很低，也能掀起大规模沙尘暴。

团队在低压风洞中模拟火星环境，用光源照射含干冰的沙床。当镜头清晰捕捉到干冰升华带动沙粒喷射的瞬间，实验室一片欢呼——猜想被验证了。

紧接着，黄宁又瞄准另一块“硬骨头”——火星近地表风场反演。目前，投放到火星的观测站寥寥无几，零星的数据如同杯水车薪。多年前一场国际会议上，有法国学者问他：能否用地球沙波纹方法反演火星风场？

“地球上的规律不能直接照搬，但力学的底层逻辑是相通的。”团队结合火星环境参数搭建低压风洞实验平台，通过上万次数值模拟，建立三维沙波纹数值模拟方法，完整复现火星沙粒运动与沙波纹演化全过程，摸清了沙波纹特征与风场的定量对应关系。

团队用这套方法对美国国家航空航天局火星轨道器拍摄的维多利亚陨石坑影像进行风场反演，成功得出风速、主导风向数据。如今，已获取大量典型区域沙波纹的数据。今年年初，黄宁受邀在天问三号任务科学与应用会议上作了报告。

扎根西部，初心如磐。“我们将继续深耕产学研用一体化创新，为建设美丽中国、实现高水平科技自立自强贡献力量。”黄宁表示。

中国教育报-中国教育新闻网记者 尹晓军 通讯员 白婉月 魏渊博 5月27日电

作者：尹晓军 白婉月 魏渊博