风向对半固定沙垄表面风速影响——以古尔班通古特沙漠为例

利用DETI可移动测风系统对古尔班通古特沙漠半固定沙垄表面风速进行实地观测,获取了主要风季不同风向条件下沙垄表面7个典型部位距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm 5个高度的风速系列数据,系统研究风向对半固定沙垄表面坡面风速及风速廓线的影响。结果表明,迎风坡的气流加速和背风坡的风速降低现象在实际观测中得到证实,但受风向的影响甚大。垄顶风速放大率随入射角的增大呈指数关系递增,而背风坡风速占垄顶风速的比率则随入射角的增大呈线性关系递减。大角度入射气流速度变化主要受控于沙垄形态,小角度入射气流速度变化主要受控于地表植被状况。无论气流以何种角度入射,距沙垄表面20 cm高度气流的加速均较其他高度缓和。沙垄底部和坡中下部的风速廓线变化趋势基本一致,且呈较好的对数拟合关系;两坡中上部和垄顶部的对数拟合方程相关系数偏小;受回旋涡流的影响,风速廓线在背风坡上部有明显偏折,初步断定涡流中心在距地表40 cm左右的高度。     

沙漠绿洲过渡带典型下垫面风速脉动特征——以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲为例

以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲西部沙漠-绿洲过渡带为研究区,选择植被盖度 < 5%裸沙样地、植被盖度10%～15%柽柳样地和植被盖度20%～25%骆驼刺样地,利用可移动梯度风测量系统,获取了系统性天气过程中距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm高度的风速及200 cm高度的风向系列数据,对3个样地平均风速、风速脉动和风向脉动进行分析和研究。结果表明:(1)植被的存在大幅度消弱了平均风速,随着植物密度的增加平均风速逐渐降低,风速廓线显示平均风速发生明显降低的转折高度与植被冠层的平均高度相对应。(2)3个样地脉动风速均近似服从高斯分布,可见植被的存在并未改变风速脉动分布规律。各样地风速脉动强度均随指示风速的增大而增大,随距离地表高度的降低而下降。风速脉动相对值总体上呈现随植物密度增大而增大的趋势,植物群落结构的差异增加了相对风速脉动垂直分布的复杂性。(3)风向脉动幅度以裸沙样地最小、柽柳样地次之、骆驼刺样地最大,即随植物密度增加而增大。同一样地内风向脉动值不随指示风速的变化而发生明显变化。     

大风天气老哈河下游迎风侧谷坡的风速脉动特征

基于春季大风天气野外实地风速观测数据,从平均风速、风速脉动、风速脉动强度3个方面对老哈河下游迎风侧谷坡坡脚和坡顶的风速脉动特征进行了分析.结果表明:(1)在距地表0.50 m高度以上,坡脚和坡顶风速在时间序列上波动各自具有均一性;(2)风速脉动幅度随着距地表高度的增加而逐渐加大,其最大值超过4.00 m·s^-1.坡脚和坡顶的风速脉动频率各自具有一致性,但脉动频率不稳定;(3)风速脉动强度基本一致,随高度增加而逐渐增大.在0.50 m高度以上,风速脉动相对值(阵性度)基本稳定,但坡顶的阵性因谷坡的干扰而相对减弱.     

塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄的流场和上覆沙丘组合及动态特征

复合沙垄是最大的沙丘地貌类型之一，表现为简单沙丘类型的垂直叠加和水平连接，在沙垄的高大地形影响下，沙垄不同部位形成不同的风沙环境特征。以塔克拉玛干沙漠腹地/复合沙垄为例，通过野外实地观测研究其流场和上覆沙丘组合特征。研究结果表明，复合沙垄的流场可分为沙垄迎风坡气流加速区、沙垄背风坡气流转向减速区、垄间粗沙平地气流风速风向恢复区和气流风速稳定区。受沙垄流场和地形的控制，沙垄上覆新月形沙丘链，垄间地分有简单新月形沙丘、沙堆、沙片、侵蚀地、简单线形沙丘。上覆沙丘分布特征表现为：垄间地上覆新月形沙丘疏密度较小，沙垄迎风坡和沙垄背风坡上覆新月形沙丘疏密度较大，而且超过1，说明沙垄迎背风坡上覆沙丘有叠置现象。沙垄上覆沙丘高度自沙垄迎风坡底部到顶部增高，背风坡上覆沙丘高度自沙垄顶部到背风坡底部减小，上覆沙丘在自身形态、地形和流场的共同影响下，存在相对运动，表现为分布进一步集中，因此沙垄有增高的趋势。     

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。     

塔克拉玛干沙漠腹地垄间地上覆沙丘形态的空间变化特征及其成因

垄间地是塔克拉玛干沙漠中的一种典型下垫面,发育有众多尺度小、形态简单的沙丘,而这些沙丘的分布及其形态的空间变化和成因,至今研究较少。基于Google Earth影像和实地观测,研究了塔克拉玛干沙漠腹地垄间地上覆沙丘在主导风向上的分布格局和形态特征,并分析了其成因。结果表明:(1)垄间地分布有沙片、新月形沙丘、新月形沙丘链和线性沙丘,但新月形沙丘分布最广泛、数量最多,沙丘数量次之,在整个垄间地都有分布,新月形沙丘链集中分布在沙垄背风坡脚,而线性沙丘则主要分布在沙垄迎风坡脚;(2)垄间地上覆沙丘具有明显的空间分布格局,沿主风向,沙丘密度和覆盖度呈上风向下风向中部,而新月形沙丘的长度、宽度、底面积、两翼开展度等形态示量参数,从沙垄落沙坡脚到垄间地中部偏迎风坡各参数呈现不同程度下降,沙丘呈逆向演变,随着靠近沙垄迎风坡脚各参数逐渐增大,沙丘又转为正向发育;(3)沙丘的空间分布和形态差异源于地表风动力和沙源供给的空间分异。沙垄背风坡脚风动力相对较弱,沙源丰富,沙丘密度高,新月形沙丘形态发育成熟度高;沙垄背风坡脚到垄间地近迎风坡脚,气流摆脱沙垄风影影响,风速逐渐增大,地表粗沙覆盖,沙源供给相对减少,沙丘物质收支失衡,形态趋于逆向演变;从垄间到沙垄迎风坡脚,受沙垄阻挡,风速降低,地表沙物质相对较细,地表沙源供给相对较充足,沙丘物质收支状况改善,沙丘形态有所恢复。     

两种典型高等级公路路基断面风沙过程的风洞模拟

高等级公路路基中央构筑物不同，对路基断面风沙输移-堆积过程产生的影响不同。选取两种典型高等级公路路基，对其风沙输移-堆积过程进行了风洞模拟试验。结果表明：当路基模型高度为4 cm（路基模型与实际路基比例为1∶100）时，随着风速增大，防眩板路基背风侧积沙范围增大较为明显；在相同风速条件下，防眩网路基两侧积沙范围较大，对应的工程防护范围也应较大。当路基模型高度为8 cm时，防眩网路基路面积沙较多，背风侧积沙范围较大。路基越高，相应的工程防护范围应设置的较大一些，并加强对路基迎风坡的维护。建议在两种高等级路基背风侧5H（H为路基高度）以外范围增设风沙防护设施，尤其是防眩网路基，防止沙粒堆积被反向气流携带上路，影响交通安全。防眩板路基背风坡沙物质积累较多，为了防止背风坡积沙变成二次沙源危害道路行车安全，防眩板路基背风侧也需重点防护。在主风向单一的沙漠地区，高等级公路路基中央隔离带的防眩设施宜选择防眩板。     

古尔班通古特沙漠南部风沙土粒度分布的空间异质性

系统采集古尔班通古特沙漠南部典型地段纵向沙垄和垄间地浅层风沙土(0～30 cm)样184件,运用常规粒度分析和地统计分析方法研究了古尔班通古特沙漠南部沙垄不同部位风沙土粒度组成、分布特征及空间变异。结果显示:风沙土机械组成的优势粒级是细沙和极细沙,不同地貌部位粒级组成差异明显。粘土和粉沙的含量为垄间地高于沙垄,背风坡高于迎风坡和垄顶。极细沙和细沙的含量是迎风坡最高,垄顶最低。中沙、粗沙和极粗沙的含量则是垄间地低于沙垄,垄顶最高。风沙土粗物质粒径φ1和平均粒径Mz从垄间地→背风坡→迎风坡→垄顶均由细变粗,分选系数σ则由差变好。同时,φ1、Mz和σ具有中等-强空间自相关性,其空间相关范围(变程)大小顺序为φ1<σ相似文献   

包兰铁路沙坡头段防护体系前沿栅栏沙丘形态与近地面流场

防护体系前沿阻沙栅栏不仅是维持栅栏沙丘形态、阻挡流沙进入防护带内的重要屏障,还是栅栏沙丘这一独特沙丘类型形成发育的首要条件。形态测定与流场观测表明,在沙坡头铁路防护体系前沿地带,栅栏沙丘迎风坡平均坡度大于天然沙丘,背风坡坡度小于天然沙丘,背风坡水平长度与迎风坡水平长度之比约为0.7,远大于天然沙丘（0.3）。阻沙栅栏显著影响沙丘表面流场,但栅栏缺失或沙埋后栅栏沙丘与天然沙丘表面流场结构具有很大的相似性。沙丘迎风坡剪切风速均沿坡面至丘顶呈先增大、后减小的趋势,但栅栏沙丘迎风坡脚至中上部剪切风速增长速度较快,中上部至丘顶剪切风速迅速降低而且幅度较大,这种变化对栅栏沙丘的成长具有重要意义。     

晴天和沙尘天气下沙漠绿洲过渡带近地表风速脉动特征

以敦煌黑山嘴沙漠绿洲过渡带为例,利用可移动梯度风测量系统,获取晴天和沙尘暴天气过程中沙漠绿洲过渡带近地表风速脉动特征,研究沙尘天气对近地表风速脉动影响。结果表明：无论晴天或沙尘暴,相同测点各高度层脉动风速具有很好的相关性,相邻高度脉动风速的相关性更加显著,脉动风速的波动范围与高度和风速呈正比。沿沙漠至绿洲方向,晴天环境下脉动强度先增大后减小,沙尘暴环境下脉动强度逐渐减小。沙尘暴和晴天环境下脉动风速的变化规律相近,但沙尘暴环境下风向相关性更加显著,风速脉动强度更大。风速与脉动强度呈正相关,沙尘对脉动强度产生一定抑制作用。     

反向沙丘近地层气流变化及其对沙丘形态的影响

反向沙丘形态-动力学过程是风沙地貌的重要研究内容。选择腾格里沙漠东南缘推平沙地发育的反向沙丘为研究对象,采用二维超声风速仪对沙丘表面5个位置0.25 m和0.5 m高度的气流进行野外观测。结果表明：（1）气流方向影响近地层气流特征。以沙丘脊线垂线为轴,0.25 m高度处沙丘脊线的垂线两侧风向变化不完全对称。当丘顶气流方向与脊线垂线角度差值为负时,迎风坡底部风速恢复较慢。（2）背风坡气流特征受风向控制。背风坡0.25 m与0.5 m高度气流变化规律相似,在背风坡中部发生偏转,但沙丘顶部气流方向与脊线垂线相差<10°时发生反向偏转。丘顶风向为285°—315°（左偏）时,0.25 m高度的偏转角度大于0.5 m高度的偏转角度。背风坡0.25 m与0.5 m高度处风速表现为脊线垂线两侧风速变化不一致。（3）沙丘表面气流影响沙丘形态。观测期间沙丘脊线发生明显移动,移动值为0.33 m。背风坡发生堆积,最大堆积厚度为0.44 m,迎风坡发生风蚀,最大风蚀深度为0.43 m。该研究结果证实了风在风沙地貌演化中的重要作用,为反向沙丘形态演化数值模拟提供数据支持。     

榆靖高速公路防护体系近地面流场特征

通过野外调查及风场观测,研究了在主导风向为NW-SE时,榆靖高速公路K404处上风向植被防护体系的地面流场变化特征。结果表明:（1）风速和地形存在较好的相关性。在流动沙丘和固定沙丘迎风坡,风速放大率均为正,背风坡为负,背风坡没有产生回流,风速整体减小。风速放大率计算结果表明,愈接近地面风速的变化程度越大,风速放大率绝对值与垂直高度呈指数函数关系,风速放大率的大小与沙丘类型无关。（2）接近公路的贴地面风速显著下降,现有植被防护体系能够缓解流沙危害,植被的防风效果较好。（3）流动、半固定、固定沙丘的迎风坡地表风速廓线基本符合对数律,丘顶和背风坡风速廓线偏离对数曲线,固定沙丘粗糙度高于流动沙丘。     

横向沙丘气流平均速度变化规律的风洞模拟

在沙丘动力系统中,存在沙丘形态、气流、沙粒运移三者之间复杂的相互作用。通过风洞实验的方法,针对不同形态的6组横向沙丘模型,采用粒子图像测速系统,测量了模型沙丘周围气流水平速度和垂直速度的变化规律。实验结果表明,横向沙丘迎风坡水平气流存在1.28～1.89之间的加速率,垂直气流存在上扬趋势,这二者均有随沙丘迎风坡坡度增大而增大的趋势。在横向沙丘背风坡,由于气流的分离,水平气流速度减小并出现反向,其大小约为自由风速的17％;垂直气流速度存在下沉趋势,其最大沉速出现在气流重附点附近;背风坡气流速度的变化受沙丘迎风坡坡度影响较小,受自由风速的影响较大。沙丘对气流速度的改变在近地层较为显著,随着高度的增加地形影响逐渐减小。     

库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面风速与输沙率的变异

以库布齐沙漠南缘典型抛物线形沙丘为研究对象,选取3个沙丘前端活动区的纵断面和一个贯穿两翼及翼间平地的横断面,同步观测各个断面的风速与输沙率,讨论抛物线形沙丘表面形态-动力学过程。结果显示,沙丘前端活动区3个纵断面的风速和输沙率遵循一般变化规律,即沿迎风坡上升逐渐增加,至丘顶及附近达到最大,并在背风侧降低;二者在3个纵断面上的变化趋势一致,但具体变化形式不同,沙丘表面动力与输沙过程存在较大的空间异质性。沙丘两翼具有纵向沙丘的动力学性质,翼体两侧风速和输沙率具有对称性。该沙丘沙源匮缺,前端活动区主要依靠两翼内侧侵蚀提供沙源。受沙丘形状和植被等因素影响,坡脚及坡下部风速与输沙率之间没有相关性,因此简单的风速放大率和输沙率变化程度无法准确揭示该类型沙丘表面复杂的形态-动力学关系。     

农田休闲期不同保护性耕作措施的防风效应研究

保护性耕作是旱作农田土壤风蚀防治的必要措施\.通过野外试验,对深松、浅耕、翻耕覆盖、免耕油菜低茬和高茬、免耕小麦低茬和高茬等7种保护性耕作措施和传统翻耕、草地两种对照下0～4 m的风流场进行了观测,对各种下垫面上空气动力学粗糙度、摩阻速度、风速绝对脉动强度和相对脉动强度进行对比分析。结果显示,不同保护性耕作措施降低风的侵蚀力,防治土壤风蚀的机制不同。留茬主要通过增加地表空气动力学粗糙度和摩阻速度,利用作物残茬和秸秆等粗糙元分解风对地表的剪切应力,降低风蚀强度。而深松、浅耕、翻耕覆盖等措施在增加地表粗糙度和摩阻速度上效果不如留茬,但近地表0\^05 m处风速脉动较弱,相同风速下对地表的剪切应力较小,土壤风蚀速率降低。此外,作物残茬、秸秆和牧草等粗糙元的高度、密度及直立性均对下垫面的空气动力学粗糙度、摩阻速度及风速脉动有一定影响。     

科尔沁沙地沙丘生境单元凋落物运移特征

通过测定科尔沁沙地沙丘生境单元凋落物的运移量,分析了沙丘类型和生境变化对凋落物运移的影响,并探讨了是否可以通过凋落物运移量的变化来判断营养物质的迁移。结果表明:科尔沁沙地沙丘凋落物的运移过程主要发生在非生长季,呈明显的单峰型季节波动。凋落物运移量在不同沙丘的丘间地、迎风坡、丘顶和背风坡均表现出明显的空间差异性,丘顶的凋落物运移量最大,迎风坡次之,丘间地和背风坡相对较小。凋落物运移量有随距地表高度增加而下降的趋势,距地表高度为0~25 cm时,凋落物运移量最大,显著高于25~50、50~75、75~100 cm 3个高度区间。凋落物运移量与风速在流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘均呈显著的二次曲线正相关,显示风速是影响凋落物运移量动态变化的重要因素。     

广西跨海大桥桥位区风场特征实测分析

为了全面准确地掌握广西跨海大桥的风环境和风特性参数,2012 年在桥位区设立了一座高度为 55 m 的测风塔,安装了梯度风和超声风观测仪器对其近地风场环境进行了连续 1 a 的现场观测,分析大桥桥位区实测的平均风场特征和湍流脉动风场特征,并推算了桥位区设计风速,结果表明：1）桥位区平均风速垂直变化曲线符合幂指数规律,大风状况时的风切变指数为 0.062,平均风速上半年＞下半年,累年平均和秋、冬、春季主导风向较稳定且均为偏北风;2）在台风“启德”过程观测到的风攻角基本不超过规范用于抗风性能检验规定的±3°范围,脉动风湍流表现为均匀平稳的湍流变化过程,三维方向的湍流强度变化趋势基本一致、湍流积分尺度随时间的变化不大,湍流功率谱在惯性副区内基本符合 Kolmogrove 谱-5/3 律;3）大桥桥面高度处的设计风速 50 a 一遇为 39.7 m/s,100 a 一遇为 42.7 m/s。