金字塔沙丘地表气流场及其动力学过程研究

沙丘沉积构造指示及风洞实验结果表明：莫高窟顶金字塔沙丘形成于３组风向条件下（ＮＥ、ＳＷ及ＮＷ）,是链状沙丘的一种变形、分离形式。从沙丘形态特征分析,三面体金字塔沙丘及其它复杂沙丘类型（线形、格状、多面体金字塔沙丘）之间存在某种内在本质的联系。即多信风条件下产生的风向组合,通过主、副脊（梁）的不同形式发育组合过程,形成适应于地表气流的地貌形态。同时认为：沙丘沉积构造及风洞实验相结合的综合研究比以往单一过程研究更为全面、系统、深刻。     

金字塔沙丘风洞流场结构的实验研究：兼论金字塔沙丘发育模式

金字塔沙丘以其大尺度、金字塔形态和放射状伸展的沙臂为特征。本文以三面体金字塔沙丘模型的风洞流场实验为基础，结合野外观测资料，发现金字塔沙丘的流场结构，特别是背风侧剖面流场除具有一般新月形沙丘的流场结构特点外，还有特殊的“Ｅ”型流场结构，正是这种多向风信产生的复杂流场结构形成具有凹面形态的多角形金字塔沙丘。据此，作者提出了由新月形沙丘（包括其复合形态）演化为金字塔沙丘的发育模式。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴对新月形沙丘表面粒度变化的影响

以塔克拉玛干沙漠腹地的新月形沙丘为研究对象,对同一沙丘在沙尘暴作用下形态从新月形沙丘-不规则沙丘-新月形沙丘的演变过程做了观测记录,通过对不同形态沙丘表沙的粒度测量,研究沙尘暴对新月形沙丘表沙粒度的影响。结果表明：（1）新月形沙丘变形前与复原后,迎风坡中轴线处表沙的粒度变化趋势未发生变化,表现为从迎风坡脚至丘顶整体上逐渐变粗,表明风向风力相同或相近时,沙尘暴对形态相近的新月形沙丘迎风坡的粒度分布模式影响较小。（2）新月形沙丘中轴线与沙脊线处表沙均以极细沙和细沙为主,新月形沙丘原貌时,极细沙和细沙的平均占比在迎风坡与背风坡中轴线处分别为83.07%、82.81%,在左翼与右翼沙脊线处分别为84.42%、91.20%,复原为新月形沙丘后,极细沙和细沙的平均占比在迎风坡与背风坡中轴线处分别为73.18%、76.31%,在左翼与右翼沙脊线处分别为76.63%、74.0%。沙尘暴过后复原的新月形沙丘表沙分选性极好,粒径整体偏细,粒度参数一致性增强,表明沙尘暴对新月形沙丘表沙的粒度特征有重要影响。研究结果可为沙尘暴作用下新月形沙丘表沙粒度的空间分布规律研究提供重要参考价值。     

关于金字塔沙丘成因的探讨

在考察中首次发现金字塔型沙丘,初步探讨了形成这种沙丘的环境因素。     

金字塔沙丘风洞流场结构的实验研究——兼论金字塔沙丘发育模式

金字塔沙丘以其大尺度、金字塔形态和放射状伸展的沙臂为特征。本文以三面体金字塔沙丘模型的风洞流场实验为基础,结合野外观测资料,发现金字塔沙丘的流场结构,特别是背风侧剖面流场除具有一般新月形沙丘的流场结构特点外,还有特殊的"E"型流场结构,正是这种多向风信产生的复杂流场结构形成具有凹面形态的多角形金字塔沙丘。据此,作者提出了由新月形沙丘(包括其复合形态)演化为金字塔沙丘的发育模式。     

敦煌鸣沙山金字塔沙丘的形成模式研究*

选择敦煌鸣沙山地区金字塔沙丘作为研究对象,在前人研究的基础上,采用实地考察与观测资料相结合的方法,从分析金字塔沙丘形成的条件入手,通过野外流场观测及室内风洞模拟实验,建立了金字塔沙丘形成的区域动力模式。     

金字塔沙丘形成的动力条件分析

金字塔沙丘(或星状沙丘)形成的动力条件主要有三个方面:一是在非沙质床面的气流场辐合区,一般具有三个以上近似均布的主风向,各主风向的风力强度、出现频率及持续时间不尽相同,但年总输沙能力较为接近,而且月输沙能力具有明显的季节变化;二是不太充裕的沙源和高浓度不饱和风沙流;三是不同尺度地形条件的动力作用,和沙漠与戈壁下垫面的热力影响。在沙质床面,往往由于高浓度饱和或过饱和风沙流的作用,导致新月形沙丘或新月形沙丘链的变态,或重新组合成金字塔状的沙丘形态,但不可能发育为典型的金字塔沙丘。     

金字塔沙丘形成机制的初步观测与研究

金字塔沙丘(又称星状沙丘),对其地貌形成机理的研究,前人曾作了不少工作,但由于缺乏对金字塔沙丘地貌过程的长期定位观测研究和沙丘附近风况的长期连续观测记录,从而对地貌形成机理研究进展甚微。笔者根据金字塔沙丘的分布规律与微气候条件的观测(包括金字塔沙丘流场,沙波纹、温度层结的定位观测),初步建立了金字塔沙丘形成过程的机理。     

金字塔沙丘流场的三维数值模拟

对位于敦煌莫高窟顶部鸣沙山东麓的金字塔沙丘流场形态进行数值模拟,分析了多风向条件下沙丘的压力场和速度场变化规律。使用地面立体摄影技术获取沙丘的控制点坐标,建立了与实地沙丘等比例的三维模型,以解决二维建模不能表达3组主风向差异的问题。使用计算流体动力学（CFD）方法,采用非结构网格划分技术以适应沙丘的高度不规则地形,通过剪切压力传输模型（SST）分析计算并与以往风洞试验和数值模拟结果进行对比。模型很好地预测了沙丘底部停滞区、坡上加速区、背风坡回流区以及沙丘表面压力和风速分布等流场信息,反映了多风向条件下沙丘形态与气流的交互作用。流场中速度场的分布与压力分布直接相关。     

塔克拉玛干沙漠中部地区线形沙丘表面动力学过程

通过野外观测与室内风洞实验模拟,结合研究区气象资料统计分析,研究了塔克拉玛干沙漠中部地区线形沙丘表面动力学过程。结果表明,塔克拉玛干沙漠中部地区的线形沙丘与主风向的夹角为１２．５°,与年合成输沙方向（ＲＤＤ）的夹角为４．８°。年合成风向与主风向一致,但风向变率较大。风洞模拟实验揭示,当风向与线形沙丘的夹角较小时,沙丘背风侧均有旁侧气流存在,且随夹角增大而减弱。气流与输沙势分解结果显示,由于平行于沙丘的输沙分量显著大于垂直于沙丘的输沙分量,使线形沙丘纵向移动较快,约为１０ｍ·ａ－１。整体侧向移动不明显,但因风向变率较大,沙丘基座以上局部侧向移动频繁;平行于沙丘的气流分量大于垂直于沙丘的分量,加上背风侧旁侧气流盛行,使沙粒的总体运动方向平行于沙丘的走向方向,从而使线形沙丘在快速纵向移动的过程中保持形态基本不变。     

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。     

毛乌素沙地现代沙丘沙的粒度特征及其意义

对毛乌素沙地不同类型41个现代沙丘的沙粒度分析结果表明,流动沙丘沙主要由细沙和中沙组成,平均粒径为2.17 Φ;固定-半固定沙丘沙的主要粒级是细沙和极细沙,平均粒径为3.09 Φ。流动沙丘沙平均粒径整体自西北到东南减小,而分选性总体表现为中等-较好,无明显空间变化规律。概率累计曲线和粒度特征参数散点图表明,毛乌素沙地沙丘沙以跃移搬运方式为主,存在着就地起沙和就地堆积的可能。平均粒径和分选性空间变化规律的差异,是在频繁强烈的风沙活动环境下物源和大气环流共同作用的结果。     

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%。     

海岸沙丘近表层粒度对台风的响应

根据“麦德姆”强台风登陆前后福建平潭岛海岸前丘、爬坡沙丘、横向沙丘和海岸沙席等海岸沙丘近表层的粒度数据,分析了台风登陆前后典型海岸沙丘近表层粒径组成与粒度参数的变化,初步总结了海岸沙丘近表层粒度对台风的响应特征。整体而言,平潭岛海岸沙丘在“麦德姆”登陆前后近表层的粒度变化较小,对台风的响应变化不大且基本无等级性的差别,但海岸沙丘不同类型及不同部位的响应程度并不一致,主要是由海岸沙丘沙与海滩沙粒度的相近性及台风过程中大风的非选择性风蚀所致,同时也受到不同类型沙丘的形态和规模等的影响。     

回涡沙丘的形态特征与表面物质组成

在沙丘分类系统中,回涡沙丘是一种重要的有障沙丘形态,系运移风沙流在障碍物前遇阻堆积而成。野外测量表明,回涡沙丘具有与新月形沙丘相似的外观,其迎风坡坡度一般在2°～18°之间,背风坡坡度较陡为21°～31°。回涡沙丘高度及其与障碍物距离受障碍物高度的控制,障碍物越高则回涡沙丘也越高,沙丘离障碍物也越远,沙丘高度、沙丘与障碍物距离分别与障碍物高度线性相关。粒度特征反映了局地沙源特征,粗细颗粒均可在风力作用下形成障前堆积形态。同一地区回涡沙丘与新月形沙丘表面物质的粒度参数对比表明,由于障碍物前回旋涡流的影响,回涡沙丘表面物质经历了更为强烈的风力分选过程,物质组成更细,分选更好,更趋于正偏和窄峰态。     

敦煌莫高窟大气可吸入颗粒物的化学元素特征

利用电感耦合等离子体质谱仪测定了敦煌莫高窟洞窟内外大气可吸入颗粒物中27种元素的质量浓度。结果表明:典型地壳元素Na、Mg、Al、K、Ca、Fe占测定元素总质量浓度的96%以上。通过洞窟内外PM2.5与PM10-2.5中元素质量浓度对比发现,Li、Na、Mg、K、Ca、Co、Ni、Zn、Sr、Cs、Ba、U等元素主要存在于PM10-2.5中。沙尘天气时,洞窟外环境中的Co、Ga、As、Cs、Ba元素质量浓度降低,表明沙尘过程对这些元素有稀释作用。富集因子分析显示,洞窟内外可吸入颗粒物中B、Na、Ca、Mn、Cu、Zn、As、Sr、Tl、Pb、Bi、U的EF值均大于10,表明人类活动产生的污染物对以上元素的富集起主要作用。富含Ca、Mn、Cu、Zn、As、Pb等元素的矿物颜料在洞窟壁画制作中被大量使用,其对区域环境大气可吸入颗粒物微量元素的富集也有一定的贡献作用。游客数量与洞窟内外元素Bi浓度存在较显著的线性关系,表明环境中的Bi元素浓度变化受游客活动影响。本研究首次对莫高窟大气可吸入颗粒物中元素含量进行了监测和分析,研究成果为石窟文物及其赋存环境中可吸入颗粒物污染的治理及控制提供了科学...     

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.     

偏西风作用下敦煌月牙泉金字塔沙山顶部风沙流初步观测研究

金字塔沙山丘体高大,形态复杂,坡面风沙动力过程实地观测困难,至今尚无坡面风沙流野外观测数据。通过新研制自动集沙仪,对偏西风作用下敦煌月牙泉北侧金字塔沙山顶部风沙流进行了实时观测,共观测8组近地表51.4 cm高度内输沙数据,各观测时段中2 m高度平均风速7.46～14.15 m·s^-1,各组观测时长18~95 min。结果表明：偏西风纵向气流作用下金字塔沙山风沙流结构与平坦地表一致,即输沙量随高度增加呈单一的指数规律递减,且风沙流主要在近地表30 cm高度内输移。风沙流结构特征值λ以大于1为主,且随风速增大而增大,表明金字塔沙山坡面过程主要表现为风蚀过程。偏西风作用下金字塔沙山风沙流中沙粒以细沙为主,平均粒径随高度增加而减小;沙山迎风坡沙粒从坡脚到沙脊线逐渐粗化,风蚀作用增强,细沙从而随风沙流搬运至沙山顶,对金字塔沙山多以细沙为主的格局形成起重要作用。     

莫高窟PM10浓度与气象要素的关系

采用2018年敦煌莫高窟第16窟窟内与窟区PM₁₀浓度及气象数据,分析PM₁₀时空分布特征及其影响因素。结果表明：（1）两处监测点PM₁₀浓度主要分布在50 μg·m^-3以下,受重污染天气影响较小;春、冬、秋、夏季依次降低,窟区PM₁₀浓度在春、冬季高于窟内,夏、秋季反之。（2）PM₁₀浓度3月最高,9月最低,5—9月窟内月均值高于窟区。PM₁₀污染日数窟内5月最多,而窟区3、5月较多。（3）PM₁₀浓度日变化曲线在春季和秋季呈“双峰”型,夏季和冬季呈“单峰”型。（4）在半封闭环境的洞窟内,沙尘暴发生前后,PM₁₀浓度达到极值及恢复至原来水平的时间均滞后于窟区。（5）在不同季节PM₁₀浓度与气温、风速和降水呈负相关。除秋季外,PM₁₀浓度与相对湿度、气压呈正相关。（6）窟区全年主风向为ESE,在冬春两季,此风向PM₁₀浓度最高,PM₁₀主要来自三危山前的戈壁滩、干涸的大泉河河道以及窟前裸露的地表积尘。     

新疆喀拉库姆沙漠新月形沙丘不同部位粒度特征

对新疆叶尔羌河流域绿洲边缘喀拉库姆沙漠高度在3～12 m的新月形沙丘进行了粒度分析。结果表明:表层和下层沉积物均以细砂和极细砂为主,二者含量达82%以上。表层沉积物较下层稍粗,平均粒径分别为2.09 Φ和2.16 Φ。下层沉积物较表层分选性好,σ均值分别为0.48和0.62。表层和下层沉积物偏度均为正偏,SK均值分别为0.21和0.24。峰态均为尖窄,Kg均值分别为1.18和1.11。表层和下层沉积物平均粒径均表现为丘顶最粗,背风坡坡脚最细,由两侧坡脚至丘顶平均粒径变粗,平均粒径与其他粒度特征参数之间均存在良好的相关性。分析表明,喀拉库姆沙漠沙丘沉积物粒度特征除受物源这一背景制约外,还与区域构造、沙漠地貌、植被、气候和较为复杂的风沙动力学过程等众多因素有关。