敦煌莫高窟顶几种典型床面蚀积量变化过程的初步观测

通过对莫高窟窟顶自然和人工床面的风蚀、输导及堆积沙量变化的野外监测,初步观测结果表明：在偏西风作用下,自然状况下的戈壁床面阻截了来自鸣沙山40％的沙量,其余60%的沙量进入窟区;而偏东风又可将偏西风、偏南风作用下沉积于窟顶90％的沙量吹回到鸣沙山边缘。床面阻、输性质与沙源供给状况密切相关。沙源丰富时,风沙流以较饱和形式输送,易形成输沙床面性质;沙源匮乏时,风沙流多以不饱和形式输送,形成阻沙-输沙床面性质。砾石直径较大（＞4 cm）的床面主要呈现堆积性质,对偏西的风沙流阻滞功效比较明显,每100 m阻沙率可达45％;偏东风作用下,每100 m阻沙率可达19％; 而砾石直径较小（1 cm）的床面,主要以风沙输沙功能为主,是一个非堆积搬运床面。     

复杂风况条件下戈壁输沙量变化规律的研究

 戈壁输沙量与输沙势的定量关系一直是风沙地貌及风沙工程的关键科学问题之一。对莫高窟顶戈壁输沙量的长期监测（2008年5月至2009年4月）结果表明,窟顶戈壁输沙势为129VU,窟顶北侧的总输沙量约905 kg·m-1左右。其中,偏东风输沙量达500 kg·m-1,偏西风输沙量达320 kg·m-1。当风速大于11 m·s-1时,戈壁风沙发生长距离的输送,偏西风可将265 kg·m-1的沙量输送到窟区,偏东风可将410 kg·m-1的沙量吹回到鸣沙山。根据本区偏东风强盛,且偏东风戈壁输沙量大于偏西风输沙量的特点,提出了以固为主,输导结合的莫高窟风沙防治的主导思路。认为在窟顶构建一个既能阻截沙物质,又能对阻截的沙物质进行输导的人工戈壁床面是完全可行的。     

塔克拉玛干沙漠风蚀起沙观测研究——试验介绍与观测结果初报

介绍了中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所在塔克拉玛干沙漠开展的风蚀起沙观测试验。对观测试验所获观测资料进行了初步分析,获得了一些有关塔克拉玛干沙漠风沙运动的特征。主要结果为,下垫面状况影响风沙流结构,塔中、若羌0~100 cm高程风沙流结构完全符合指数分布,肖塘则上部偏离指数分布;3地0~100 cm高程风沙流分别有72.4％、47.3%、62.6%的输沙量分布在0~30 cm高程内;3地风沙流输沙的粒径以细沙、极细沙、粉沙为主,其中极细沙可占到输沙量的43.8%~75.5%;风沙流中贴地层风速廓线受风沙相互作用的影响,不再符合对数分布,更加符合幂函数u=azb分布,拟合系数均大于0.93;沙尘撞击颗粒数与2 m高度风速变化趋势一致,塔中、肖塘、若羌3地的临界摩擦速度分别为0.25 m·s-1,0.27 m·s-1,0.21 m·s-1。     

敦煌莫高窟顶灌木林带防护效应研究

风洞模拟实验和野外观测结果表明,平均林带高H=1 5m,疏透度β=50%的两条灌木林带周围的气流场分为7个能量区。在贴地层,有林带前的拐角绕流阻滞减速区,林带中的灌丛阻挡湍流衰减区,林带后的回流涡旋减速及速度恢复区,林带远方的气流附体加速区。在林带上部,有林带间的阻滞减速区和林带后的涡旋减速区,在林带顶后部有集流加速区。风沙流在阻滞、涡旋回流减速区沉积,而在加速区则会产生风蚀,在林带顶上下层气流交换加强。在低速时林带阻沙能力较强,当风速为10m·s-1时,有林带的输沙量可减少一个量级,即阻滞90%的风沙流;在中高风速时(风速为15m·s-1及以上),林带对风沙流的阻滞作用明显减弱,只阻滞20%。     

风沙流输沙通量垂向分布研究 ——以塔克拉玛干沙漠南缘流沙地表风沙流观测为例

 于2010年4—6月在塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲外缘流沙地进行风速、风向和输沙量同步观测,利用观测到的28组数据对输沙通量的垂向分布进行研究。结果表明,在4.5～8 m·s-1的风速区间内,总输沙率随风速增长速率较慢,大于8  m·s-1时增长迅速。在较小风速时,4个高度层(1 cm、3 cm、9 cm和19 cm)的输沙比率变化不明显,当风速大于6.6 m·s-1时,1 cm和19 cm高度输沙比率的调整较为明显,前者减小而后者增加,中间两层(3 cm、9 cm)则维持一定波动。不同的蚀积条件对于输沙通量的垂向分布具有一定的影响,平均跃移高度则在一定程度上反映了地表沙粒的吹蚀和堆积过程。在4种常见的描述输沙通量垂向分布的模型中,Zingg的修正幂函数具有最好的拟合程度,但反映的风沙流信息最少,简单幂函数的参数包涵了最为丰富的风沙流信息但拟合程度最差,指数函数同时具有较好的拟合程度和参数意义,Fryrear的幂函数则与指数函数恰恰相反。在沙物质以极细沙为主的塔克拉玛干沙漠南缘,指数函数较之简单幂函数能更好地描述该区域输沙通量的垂向分布,验证并补充了风洞实验的结果。综合比较认为,指数函数能更好地描述塔克拉玛干沙漠南缘输沙通量的垂向分布。     

库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面风沙流结构变异

对库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面气流和输沙率的野外观测和分析结果表明,沙丘表面约90%的风沙输移集中在距沙面0.10 m高度范围内,输沙率随高度递减的形式在沙丘各部位因风速、下垫面状况和坡面形态不同而发生变异。沙丘迎风坡坡脚因出露坚硬、含砾石地表,颗粒跃移高度大,风沙流上层相对输沙率大;迎风坡沙粒沿坡向上运动,颗粒跃移高度减小,风沙流中近地表相对输沙率大;沙丘背风坡沙粒沿坡向下运动,加之来自丘顶变型跃移物质的影响,风沙流上层相对输沙率较大;脊线受迎风坡各个断面地形差异的影响,各观测点间风沙流结构差异显著。风沙流结构在迎风坡和丘顶均遵循指数递减规律(Q=aexp(-z/b)),其中,指数函数拟合中系数a与输沙率具有良好的幂函数关系,随风速增加而增加,但二者关系较弱;b与二者无相关性。背风坡风沙流结构具有明显的分段现象,以0.10 m高度为界,下层符合指数函数,上层符合幂函数。     

黑河中游荒漠绿洲过渡带典型灌丛植物防风固沙效应北大核心CSCD

为探究黑河中游荒漠绿洲过渡带典型灌丛植物防风固沙效应,通过野外调查观测,定量分析了固沙植物梭梭(Haloxylonam modendron)、泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)、沙拐枣(Calligonum mongolicum)对风沙流流量及风沙流结构的影响规律,并应用空气动力学原理分析了影响机制。结果表明:固沙植物防风效果表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺,且在迎风面和背风面差异显著,梭梭与其他灌丛植物相比防风效果更加显著,风速降幅可达到62.9%,有效防护距离最大;梭梭、泡泡刺、沙拐枣的阻沙效率分别为60.7%、51.0%、46.3%,且各灌丛植物在相同风速下输沙率随高度呈阶梯式递减;灌丛植物输沙率与风速符合指数函数或多项式函数关系,风速超过7.0 m·s-1时输沙率增加速度最为剧烈。梭梭的阻风效果优于泡泡刺和沙拐枣,但其近地表防风蚀效果一般,泡泡刺因为低矮密集的植株结构表现出较好的防风蚀性,但有效防护距离最小,且在高度较大时防风效果较差。     

古尔班通古特沙漠腹地半固定沙垄顶部风沙运动规律

利用DETI可移动测风系统,结合多向集沙、阶梯式积沙和总体沙面活动强度观测,系统研究了古尔班通古特沙漠腹地半固定沙垄表面风沙运动规律。结果表明:沙漠腹地沙垄两坡和垄间多被植被与生物结皮覆盖,地表处于稳定状态,地表输沙主要集中于垄顶部至两坡上部。系统性天气条件下,气流以净风状态在迎风坡持续加速,至垄顶迎风侧边缘流速增至最大并开始起沙,风沙流越过垄顶后受植被阻挡和回旋涡流的双重影响,在垄顶背风侧上部急剧减速并发生沙物质沉积,此后气流速度又逐渐恢复。起沙风由沙垄两侧交替入射,不断将沙物质从垄顶一侧搬运到另一侧。流动带两侧沙面活动剧烈,流动带中部作为过沙床面,蚀积变化低于两侧。垄顶输沙量沿垂线方向呈指数分布,输沙率、各高度层输沙量以及沙物质输移高度都随着风速的增大而增大。垄顶部距地表6 cm和10 cm以内的输沙量分别占总输沙量的80%和90%。垄顶输沙势与实测输沙量之间具有良好的相关性,初步推测1VU的输沙风能在垄顶1 m的过沙宽度上可以产生25 kg的输沙。     

不同沙源供给条件下砾石床面的风沙流结构与蚀积量变化风洞实验研究

通过对不同沙源供给条件下各种砾石床面的风沙流结构、床面风蚀及堆积沙量变化的风洞实验,结果表明,风沙流结构是判断戈壁风沙流饱和与不饱和的一个重要途径,不同的戈壁风沙流结构对床面输、阻沙特性具有不同的指示意义。近地表0～6 cm高度内的风沙流结构决定了床面的输、阻性质,而6 cm以上的风沙流结构反映了风力对沙物质的输送状况。沙源供给的丰富与否,决定了风沙流的饱和程度,以及风沙流在砾石床面产生的蚀积状况。同等风速条件下,饱和风沙流的输沙率是非饱和风沙流输沙率的2～8倍。在饱和风沙流情形下,床面过程总体以积沙为主,且随风力的增强,床面积沙量急剧增加。在不饱和风沙流情形下,砾石床面总体以风蚀和输送沙物质过程为主,风沙流结构在0～2 cm高度内反映出砾石床面具有明显的阻沙功能,在2～5 cm高度上出现最大输沙值。     

塔克拉玛干沙漠荒漠过渡带春季风沙活动特征——以肖塘为例

 通过对沙尘暴强化观测试验期间风速、跃移颗粒数、输沙量等资料的统计与计算,对塔克拉玛干沙漠北缘荒漠过渡带肖塘地区春季风沙活动进行了研究。结果表明,肖塘地区春季2 m高度1 s时距的起沙风速为4.9～5.0 m·s-1,1 min时距的起沙风速为4.4 m·s-1;起沙风速随着风速等级的增加,出现的频率相应减少,主要集中在4.4～8.4 m·s-1 之间;输沙势、输沙量的方位分布与起沙风相似,以ENE、E和ESE 3个方位为主,观测期间（1个月）总输沙势为80.8 VU,合成输沙势为13.7 VU,合成输沙势方向为241°;最大可能输沙总量为1 921.8 kg·m-1,合成输沙量为286.8 kg·m-1,合成输沙方向为235°,与输沙势的合成方向一致。     

莫高窟窟顶风况及输沙势研究

以1998—2001年莫高窟窟顶自动气象观测站记录的风资料为基础,通过对风况的统计和输沙势的计算,从风沙环境特征阐明了研究区主要受西北、东北和偏南三组风向共同作用。三组风况出现频率明显不同,其输沙势有一定差异。研究区风向变率指数较小,风况复杂,属于中风能环境。通过对风况的分析及输沙势的理论计算,以期对莫高窟的风沙危害防治提供科学理论依据。最后通过对莫高窟2001年输沙势（量）的对比计算,指出了现有输沙势公式存在的局限与不足。     

库姆塔格沙漠羽毛状沙垄风沙活动强度特征

以库姆塔格沙漠腹地的羽毛状沙垄为床面,通过风季实地观测与分析,研究了羽毛状沙垄的近地面风况、粒度特征及风沙流结构等。结果表明:羽毛状沙垄近地面风况具有明显的季节性,冬季盛行东风,其他季节盛行东北风;全年平均风速5.94 m·s-1,大于起沙风频率占总量的46.76%;新月形沙垄粒度变化在1.22～1.86之间,分选较好,垄间沙埂粒度变化在1.35～2.11之间,风选属于中偏差;随着风速的增大,地面以上0—2 cm高度层所含沙量有明显减少的趋势,2—20 cm所含沙量有增加的趋势,0—20 cm所含沙量占总输沙量的92.28%以上;在地面以上0—40 cm高度内,输沙率同2 m高处1 min平均风速为幂函数关系,不同性质的地表对输沙率有较大的影响;羽毛状沙垄的风速变化表现为新月形沙垄和垄间沙埂不同部位气流的增速和减速,风向变化表现为同风场下沙垄与沙埂风向夹角的存在。     

科尔沁沙地奈曼旗近5年来风况及合成输沙势

应用奈曼沙漠化研究站1998-2002年的气象资料, 统计分析了奈曼旗近5a来的风况特征和输沙势。结果表明: ①研究区3~5月起沙风发生频数最高, 占全年起沙风的38%~58%; 平均风速和最大风速值最大, 分别为6.0~7.5m·s^-1和9.5~16.9m·s^-1。该风况特征与地表冻融、裸露、干旱疏松相耦合, 形成了区内的风沙活动期。②在风沙活动期内, 风环境基本为锐双峰风况, 西北风居主导地位, 频数占54%; 南风和西南风次之, 频数占38%。③在风沙活动期内, 研究区属于高风能环境, 合成输沙势RDP为66.3VU(风速以m·s^-1为单位), 合成输沙方向RDD为ESE113°。     

新月形沙丘表面100cm高度内风沙流输沙量垂直分布函数分段拟合

为研究新月形沙丘表面不同层位风沙流输沙量的垂直分布函数,实测了塔克拉玛干沙漠腹地典型新月形沙丘表面100 cm高度内(以1 cm分隔)的输沙量。分段拟合分析表明:新月形沙丘迎风坡脚输沙量垂直分布规律不完全服从指数函数,出现与戈壁风沙流结构特征相似的"象鼻效应",在0~3 cm区间内输沙量逐渐增大,3cm以上输沙量随高度呈指数函数衰减;沙丘顶部0~10 cm区间输沙量随高度呈指数函数衰减,10 cm以上呈二次函数衰减;沙丘左翼端输沙量随高度呈幂函数分布,沙丘右翼端0~20 cm内以指数函数衰减,20 cm以上呈三次函数衰减;沙丘背风坡脚风沙流输沙量在0~60 cm和60 cm以上分别呈不同形式的三次函数分布。     

不同下垫面对风沙流特性影响的风洞模拟研究

通过对戈壁、草方格和流沙地表风沙流特性的风洞模拟实验,探讨不同性质下垫面对风沙流结构和风沙活动层风速廓线的影响,从而为野外工程防沙的优化设计及其应用提供理论依据。实验结果表明：戈壁地表风沙活动层主要集中在距地表20cm高度范围内;由于沙颗粒与戈壁地表的砾石发生碰撞．输沙率随高度的分布不再简单的遵循对数关系,其极值出现的高度随风速的增加而上移。由于草方格构成的下垫面复杂多变,其对风沙流结构与风沙活动层风速廓线的影响很难确定。但对于特定的下垫面,在不同风速下．同一高度层含沙量具有很大的相关性。     

几种典型戈壁床面风沙流特性比较

通过不同材料覆盖的戈壁床面风沙流特性风洞模拟实验,发现对于棱角状砾石戈壁床面,地表动力学粗糙度随风速的增加而增加;而卵石床面,地表动力学粗糙度随风速的增加呈减小趋势。戈壁床面风速随高度的分布同样满足对数规律,棱角状砾石床面对风速的减弱程度相对于卵石床面更趋于显著。沙粒与戈壁床面棱角状砾石发生碰撞时其起跳高度增大,引起含沙量随高度分布不再满足流沙地表的指数衰减规律,而呈“象鼻效应”,出现拐点。戈壁地表输沙率与风速服从幂函数关系,但其幂指数远大于流沙地表。输沙率与风速之间幂函数关系中幂指数的取值主要受控于地表粒度组成。     

Overall efficiency of a V-shaped nylon net fence in preventing sand damage to the Mogao Grottoes

A V-shaped nylon net fence installed in 1990 on top of the Mogao Grottoes is shown to be effectively resisting aeolian sand damage to the grottoes. The structure guides and causes deposition of sand from westerly wind (the primary hard wind), but to some extent hinders the inverse function of easterly wind carrying sand away from the grottoes toward Mount Mingsha. The gobi side by the fence experiences higher wind speed, so that on which are easily formed undercutting pits, and the deposited sands on it generally form double-peak structures due to abundant sand sources. If the earth surface characteristics in gobi areas by both sides of the fence are quite varied, the erosion and deposition features of the accumulating sand section are similar in different seasons; however, if the earth surface characteristics are similar, the features become irregular in different seasons. Sand depositions with long slope feet are formed along the south and north sides of V-shaped nylon net fence. Disrupted by strong westerly wind and northwesterly wind, sand accumulations by north of the fence are in form of single peaks. Although the operation duration of the V-shaped nylon net fence has exceeded its design life (10 years), our observations indicate that it is still effective in reducing wind-driven sand damages to the Mogao Grottoes, so it should not be withdrawn.