【三足鼎立·转化赋能】力学笃行 研以致用：黄宁教授团队以产学研用服务西部生态安全与国家战略

风沙肆虐的西北戈壁、海拔超4700米的雪域高原、遥远神秘的地外行星火星，都留下了兰州大学土木工程与力学学院黄宁教授及其团队的科研足迹。三十余载扎根西部深耕不辍，从风沙治理到雪水资源，从新能源安全到深空探测，他们以基础研究破解国际难题，以成果转化服务国家重大战略，走出了一条特色鲜明的产学研用之路，用实际行动践行着“把论文写在祖国大地上，把科研成果用到国家最急需处”，彰显了兰大人“自强不息、独树一帜”的使命担当。

黄宁团队在祁连山积雪观测站合影

扎根基础研究：锚定国际前沿，破解生态灾害核心机理

上世纪90年代，甘肃金昌暴发特大黑风暴，灾害所到之处触目惊心，造成损失达7.25亿元。而后来温家宝总理“绝不能让民勤成为第二个罗布泊”的郑重嘱托，成为了每一个西北科研人的牵挂。

1997年，即将开启博士研究生阶段的黄宁，被导师郑晓静问了一个问题：“你本科是数学系毕业、硕士学的是流体力学，那你愿不愿意把理论知识和现实结合起来，和我做风沙电相关研究？”

彼时，导师郑晓静提到的风沙运动，涉及非线性、随机性、多场耦合、多尺度等科学共性问题，以及湍流与颗粒流等国际前沿科学问题，同时也是国际流体力学界公认的最具挑战性的难题之一，而当时，国内乃至国际上对沙尘暴中的风沙电现象研究，几乎是一片空白。

见识过上世纪90年代甘肃金昌黑风暴威力的黄宁决心投身于此。“作为一个西北人，我就想为家乡做点什么。”

这也成了黄宁踏入风沙两相流现象研究的起点。黄宁心里清楚，这个选题有多难，就有多迫切。长期以来，国内外的风沙防治大多靠经验、靠试探，常常出现防护成本高、低估风沙强度、误判输沙方向的问题，甚至很多措施不仅没防住沙，反而诱发了新的隐患。“根源就是没把风沙怎么起来、怎么运动、怎么沉积的机理搞透。”

为了真正摸清风沙的“脾气”，黄宁带着团队一头扎进了沙漠腹地。他们并没有在实验室空等数据，而是把观测站点建在了风沙最为肆虐的民勤沙漠里。

基础研究没有捷径，只能脚踏实地监测。从此，西北戈壁荒漠里，多了一支常年扎营的队伍。团队成员们足迹遍布民勤、敦煌、金塔、金昌等地，建立起数十个观测站点，获取到的实测数据数以亿万计。

功夫不负有心人，团队在扎实的数据基础上，研发出了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，首次实现了真实环境下风沙、风吹雪条带流的数值模拟，将复杂地形与气象条件下风沙运动的真实图景在软件中精准地还原出来，进而提出了典型风沙灾害防治工程的优化设计与综合体系构建技术，彻底改变了风沙灾害防治“凭经验、靠试探”的传统模式。

目前，团队的技术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，再到后来的敦格铁路、临哈铁路、鄂上铁路、新疆乌尉高速公路沙漠段和G22公路等工程，他们的成果为风沙灾害防治工程提供了理论支撑和优化技术方案，助力了西部地区沙漠化防治与交通基础设施建设。

和若铁路绿色走廊

基础研究的深度，也决定着技术应用的高度。近五年，黄宁团队主持国家自然科学基金重点项目、国家国防科技工业局专项、生态环境部及地方产学研合作项目10余项，获批科研经费约2500万元，研究方向覆盖风沙灾害、积雪水资源、火星环境力学、新能源灾害防控等领域。

凭借扎实的基础研究和成果的广泛应用，黄宁和团队在风沙灾害防治领域取得了一系列成果，相关理论与方法被评价为“同领域国际领先水平”，推动了我国在风沙环境力学领域的研究，提升了我国在该领域的国际影响力。

黄宁常说：“产生‘卡脖子’技术问题的深层次原因，是科学原理没弄清。基础研究是产学研用的根，只有把核心机理研究透彻，才能在不同场景下给出科学、高效、低成本的解决方案。”也正是这份对基础研究的坚守，让他与团队始终走在工程应用的前沿，为成果转化筑牢最坚实的科学根基。

攻坚两域赛道：聚焦生态民生，破解科研转化核心瓶颈

在风沙治理领域站稳脚跟后，黄宁的脚步并没有停下。

一次偶然的机会，负责国家自然科学基金委黑河流域重大研究计划的专家找到了他。彼时，该研究计划在执行了一年后发现，要搞懂祁连山的生态水文，绕不开积雪分布这个核心难题，可国内乃至国际能把风吹雪运动机理搞透的团队少之又少。

在祁连山、纳木错以及天山开展了综合性的风吹雪及其升华特性的野外观测研究

黄宁说：“风沙和风吹雪，都是颗粒在湍流里的运动，力学原理是相通的。”就是这一句话，黄宁开启了自己科研生涯的第二个赛道——高寒山区积雪水资源研究。

积雪监测长期是国际难题，此前国内外常用的检测手段分为两种，但各有优劣：遥感范围广但精度低，易受云层地形干扰；地面观测精度高却只是单点数据，在空间异质性很强的高寒山区难以代表整片区域，导致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。

高原上开展研究，物质条件和研究保障都存在不少困难，但黄宁始终坚持，他带着团队，克服了高原缺氧、极端低温、后勤保障困难等重重阻碍，积累了海量的一手观测数据，开发出“风-温度-湿度-颗粒”多场耦合的动力学模拟方法，用点面结合的观测数据驱动模型，大幅提升了积雪分布的预测准确率，解决了这个全球性的难题。

团队关于风吹雪升华的研究被国际学者称为“解决了一个全球性未解决的问题”。有加拿大的学者给他发来邮件，希望将这套模式用于北极积雪研究。而黄宁基于研究成果提交的祁连山生态保护、黄河流域雪水资源保护两项政策建议，也得到了时任甘肃省委省政府主要领导的批示肯定。

黄宁团队一行走访英国南极调查局

随着“双碳”目标推进，沙戈荒大型风电光伏基地建设提速，细心的黄宁发现了新的行业痛点。

2024年，在三峡能源武威新能源基地，黄宁看到光伏板迎风侧被风沙掏蚀出深坑，支架基座裸露，板后堆满了黄沙。内蒙古库布齐沙漠、新疆若羌等地的光伏电站同样如此。在风电场中，风机叶片被风沙长期击打磨损，发电效率下降，寿命缩短。

在当时，光伏板、风机及其基础结构对周边三维风场的扰动特性、不同基础型式以及排列方式对风沙过程影响的差异尚不清楚，成为制约防护设计的瓶颈问题。

“因此传统的治沙思路，解决不了新能源基地建设的新问题。”黄宁带着团队，再次开启了攻关。在学校主要领导的大力支持下，他们与三峡集团、国网经济技术研究院有限公司、甘肃电投、华润电力等企业深度合作，落地了多个新能源基地风沙防控项目，建成了针对新能源基地、涵盖环境要素最多的监测系统。

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，为西部沙戈荒新能源基地的安全发展，打造了专属的“兰大方案”。

追逐浩瀚深空：锚定国家战略，破解火星风沙核心谜题

随着研究的开展，这支与风沙打了三十余年交道的团队，完成了一场更具突破性的跨越——把风沙研究的版图，从地球拓展到了火星。

2022年底，本进入休眠模式、且原计划于当年12月前后恢复工作的我国“祝融号”火星车，因火星沙尘累积导致发电不足，最后未能唤醒。而火星的沙尘暴一直是星际探测的谜题：火星大气稀薄，密度仅地球的百分之一，按常理吹不起沙，可火星沙尘暴却能席卷整个星球、持续数月之久。相关单位找到黄宁团队，寻求解决办法。

黄宁深知，这是国家深空探测必须迈过的坎。凭借数十年在风沙两相流领域研究的积累，团队跳出了“有风才能起沙”的传统思维，大胆提出了一个全新的机制：火星昼夜温差极大，土壤里含有大量干冰，太阳照射后，地表与地下形成巨大的温差和压力差，干冰会瞬间升华喷发，给沙粒提供了额外的升力，哪怕风速很低，也能掀起大规模的沙尘暴。

为了验证这个猜想，团队在火星低压环境风洞模拟火星的低气压、极端温差环境，用模拟光源照射含干冰的沙床。当镜头里清晰捕捉到干冰升华带动沙粒喷射的瞬间，实验室里响起了一片欢呼——他们猜对了！随后，团队用理论模型和数值仿真技术复现了这一过程，完美解释了火星低气压环境下强沙尘暴的形成原因。

火星风应力起沙实验装置之一

与此同时，黄宁又盯上了火星探测里另一块更难啃的“硬骨头”——火星近地表风场反演。

火星的地表环境太过极端，人类能投放到火星上的观测站寥寥无几，即便是美国NASA的火星车，也只能测量到着陆点这一个单点的风场数据。面对广袤的火星地表，这些零星的数据如同杯水车薪，就在整个行业都一筹莫展的时候，黄宁从自己深耕了三十年的地球风沙研究里，找到了破局的思路。

多年前一场国际风沙大会上，黄宁做完报告后，一位法国学者问他：能否用地球沙波纹方法反演火星风场？回国后不久，南京天文台也发来同样的询问。火星低重力、低气压、干冰升华的特殊环境，让沙波纹的形成规律与地球截然不同。“地球上的规律不能直接照搬，但力学的底层逻辑是相通的。”黄宁带着团队，开启了又一场从零到一的攻关。

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，创新性建立了三维沙波纹数值模拟方法，完整复现了火星沙粒运动与沙波纹演化的全过程，最终摸清了火星环境下沙波纹特征与风场的定量对应关系，形成了一套通过遥感影像沙波纹推演火星近地表风场的完整方法。

团队用这套方法，对NASA火星轨道器拍摄的维多利亚陨石坑影像做了风场反演，最终得出了风速、主导风向数据。如今，团队已获取了大量典型区域沙波纹的数据。

2026年初，黄宁受邀在天问三号任务科学与应用会议上作报告，相关成果得到了任务总设计师以及相关部门的高度肯定。近期，黄宁又受邀担任了天问三号任务火星沙尘暴专题工作组的专家。

三十余载风雨兼程，三十余载初心如磐。从黄土高原到戈壁沙漠，从祁连山脉到火星深空，黄宁团队始终以国家需求为导向，以基础研究为根基，以工程应用为目标，深耕产学研用一体化创新，在数个领域取得一系列成果。在未来，他们将继续坚守科研报国初心，深耕产学研用，为建设美丽中国、实现高水平科技自立自强持续贡献兰大力量。

编辑：王文乐

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