塔克拉玛干沙漠腹地一次风蚀起沙观测试验

风蚀起沙对生态环境、人类健康及社会经济等具有很大的负面效应。利用美国Sensit公司生产的H11-LIN型风蚀传感器及贴地层风速梯度探测仪,对塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区一次风蚀起沙过程进行了监测。结果表明：（1）风蚀起沙与微气象是一个互相影响互相制约的变化过程;（2）在此次观测试验过程中,我们观测到的最小起沙风速为6.0 m/s左右,同时发现起沙风速是一个变化的值,随着时间的延续呈现逐步增大的趋势,最小的起沙风速出现在风蚀开始发生的时候;（3）近地表风速廓线受沙粒运动影响明显,随着起沙量的增加,风速随高度变化的幅度增大,此时的风速廓线已不再遵循对数分布规律;（4）利用风蚀传感器测得塔中地区沙粒的临界起动摩擦速度为0.25 m/s,该值与经验公式估算的0.24 m/s非常接近,表明风蚀传感器在塔中地区具有较好的适用性;夏季塔中地区地表土壤湿度对风蚀起沙的阻碍作用可以忽略不计。 ?     

塔克拉玛干沙漠腹地风蚀起沙特征观测研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站2009-2018年的地面观测资料,细致解析塔中地区的风蚀起沙特征,所得结论如下：(1) 临界起沙风速表现出明显的季节变化特征,夏季＞春季＞秋季＞冬季, 塔中地区的临界起沙风速介于4.47-4.92 m/s,日最大值出现09:00-10:00时。(2) 春夏季是沙尘的多发季节。春、夏季,沙尘水平通量的平均值分别为2638.9 kg/m和3298.9 kg/m,起沙持续时间的平均值分别为291.5 h和336.7 h。(3) 风蚀起沙事件更容易发生在白天, 沙尘水平通的最大值出现在10:00-11:00,起沙持续时间的最大值出现在10:00-13:00。(4)风蚀起沙事件在春季主要集中在偏东方向,在夏季主要集中在偏北方向上。     

阿拉山口1957—2007年气候变化特征

根据塔中气象站1996－2008年的气象数据分析、野外观测试验及理论计算,对塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区近10a来的风沙环境特征进行了初步分析,结果表明：塔中地区地表沙源平均粒径约为2.88φ（136μm）,属于细砂、极细砂;年平均风速均在2.5m·s-1以下,近10a来呈整体下降趋势,风速的月变化呈单峰分布,最大值出现在6—7月,风向与起沙风向以偏东风为主;2m高度的起沙风速约为4.1 m·s-1;年浮尘、扬沙日数呈波动式上升趋势,年沙尘暴日数呈缓慢下降趋势;年风蚀气候因子平均为28.3。     

1996—2008年塔中地区的风沙环境特征

对塔中气象站1996—2008年气象数据分析和野外观测试验及理论计算,结果表明:塔中地区地表沙源平均粒径约为2.88φ(136μm),属于细砂、极细砂;年平均风速均在2.5 m·s-1以下,近10年来整体呈下降趋势,风速的年变化呈单峰分布,最大值出现在6—7月,风向与起沙风向以偏东风为主;2 m高度的起沙风速约为4.1 m·s-1;年浮尘、扬沙日数呈波动式上升趋势,年沙尘暴日数呈缓慢下降趋势;年风蚀气候因子平均为28.3。     

内蒙古科尔沁沙地临界起沙阈值的范围确定

临界起沙阈值可表征地表土壤的可蚀性,是风蚀起沙研究中非常重要的物理量之一。基于微气象学方法,将沙尘浓度和垂直沙尘通量均开始增加且至少持续0.5 h所对应的摩擦速度(或风速)确定为临界起沙摩擦速度u_*t(或临界起沙风速U_t)。利用内蒙古科尔沁沙地地区2010-2013年春季大气环境综合观测资料,分析了不同沙尘天气过程(扬沙、沙尘暴和强沙尘暴)起沙阶段沙尘浓度和垂直沙尘通量随摩擦速度的演变特征,精细确定了该地区临界起沙摩擦速度(u_*t)和临界起沙风速(U_t)的范围分别为0.45±0.20和6.5±3.0 m/s,同时讨论了不同起沙判据对确定临界起沙阈值产生的影响。相比而言,采用的起沙判据尽可能地排除了沙尘输送和沉降过程的影响,适用于不同的沙尘天气类型,使沙尘粒子进入大气的起沙结果更趋于合理,其结果可为建立统一、合理的起沙判据提供参考。     

塔中一次强沙尘暴过程边界层风场变化特征

利用风廓线雷达探测资料对2010年4月19日塔中一次强沙尘暴过程中的边界层三维风场进行分析研究。沙尘暴爆发前,塔中1 000 m高度内空中风主导风向由偏东风转为偏西风;沙尘暴爆发时,地面至1 500 m高度内为偏东风。近地面风速在沙尘暴爆发初期迅速增大至18.3 m/s,中后期逐渐变小,但依然保持10 m/s左右的较大风速;300～1 000 m高度,沙尘暴爆发时段的风速小于过程前后;1 000～2 000 m高度内,沙尘暴爆发前风速达到最大,然后随时间变化呈递减趋势;3 000 m以上高空风在沙尘暴爆发期间风速可达20 m/s。沙尘暴过程中塔中上空存在明显的沙尘颗粒沉降运动,平均下沉速度为1.2 m/s。     

基于野外试验对临界起沙风速的计算解析

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的野外观测试验数据,通过STOUT建立的高斯时间分数等值方程计算不同时间步长所对应的临界起沙风速,探讨时间步长对计算临界起沙风速的影响,结果表明:(1)利用不同时间步长获取的临界起沙风速具有一定的差异,随着时间步长的缩小,临界起沙风速的获取越来越细化:当时间步长取28 d时,临界起沙风速ut为定值4.85 m·s~(-1);当时间步长取1 d时,ut平均值为4.63 m·s~(-1);当时间步长取12 h时,00:00—11:00(北京时,下同),ut平均值为4.68 m·s~(-1),12:00—23:00,ut平均值为4.58 m·s~(-1);当时间步长取6 h时,计算得到00:00—05:00、06:00—11:00、12:00—17:00和18:00—23:00各时间段的临界起沙风速平均值分别为4.46、4.74、4.50和4.36 m·s~(-1)。(2)观测期间,总沙尘水平通量为732.9 kg·m~(-1),风沙活动持续7 663 min。(3)将不同时间步长获取的临界起沙风速所对应的总沙尘水平通量、沙尘持续时间与观测值进行对比,总沙尘水平通量的计算值均明显高于观测值,时间步长取28 d时,风沙活动持续时间与观测值最接近。     

沙尘天气过程沙地下垫面沙尘通量的获取与分析研究

利用浑善达克沙地地区2004年春季沙尘暴和微气象学加强观测实验资料,计算了浑善达克沙地地区不同沙尘天气条件下湍流交换系数、湍流动量通量和感热通量、沙尘浓度通量;研究了沙尘暴过程中湍流作用、沙尘输送特征及起沙条件。结果显示:浑善达克沙地地区非沙尘天气白天近地层热力湍流作用强于动力湍流,湍流交换以感热交换为主;沙尘天气过程中,近地面层湍流动力作用明显增加,湍流动量和感热交换都对湍流输送有主要贡献,感热通量数值有不同程度的降低。较强沙尘暴天气过程中动力湍流强于热力湍流。随着沙尘天气经历起沙、平衡、沉降的演变过程,沙尘通量数值呈现由正值为主,过渡到向上和向下数值相当、向下数值比例增加。非沙尘天气、扬沙天气和沙尘暴天气过程的沙尘通量值范围分别是±5μg/(m2.s)、±30μg/(m2.s)和-200—300μg/(m2.s)之间。浑善达克沙地地区,非沙尘天气也存在一定量的沙尘输送,但数值较小。浑善达克沙地地区沙尘通量与摩擦速度的三次方成正比,为F=Cu3*。临界起沙风速和临界摩擦速度分别约为6m/s和0.4m/s。     

中国西北不同沙源地区起沙阈值的对比分析与研究

沙尘粒子进入大气所受到的空气动力因子和阴力因子分别用摩擦速度u,和临界摩擦速度u(?)来定量表示。临界摩擦速度是影响沙尘释放和输送的重要参数。文中利用2004年春季浑善达克沙地和2006年春季黄土高原与戈壁3种不同沙源地区开展的微气象学和沙尘暴观测资料,分析了沙尘天气过程中沙尘浓度随摩擦速度的变化关系,估算了临界起沙摩擦速度u(?),并与不同学者给出的结果进行对比。结果表明:沙尘天气过程中,临近起沙阶段,沙尘浓度较低,摩擦速度增加快,为起沙阶段提供了利的动力条件;起沙阶段,动力和热力湍流混合使得沙尘浓度迅速升高;沙尘天气减弱阶段,由于重力沉隆作用,沙尘浓度随摩擦速度近似呈线性递减关系。以空气中的沙尘浓度大于200μg/m~3作为起沙的判据条件,得到浑善达克沙地和戈壁地区的临界起沙摩擦速度分别为0.6和0.45 m/s。由于受地形及非均匀下垫面的影响,黄土高原的临界起沙摩擦速度与风向有关。西北风反映了来自西北方向毛乌素沙地的影响,u(?)为0.35 m/s,偏南风时对应观测站点南部黄土丘陵沟壑区的起沙特征,u(?)为0.7 m/s。黄土丘陵沟壑区的地表粗糙度值和土壤粒子间的相互作用力较大,从而导致了较大的临界起沙摩擦速度。不同的起沙阈值条件和风速频率分布与沙尘释放能力的不同相对应。     

浑善达克沙地起沙率和起沙量的估计

利用起沙通量模式和地面起尘半经验方案,估算了浑善达克沙地春季地表的临界起沙风速及沙尘天气期间的起沙通量,以及地面尘排放总量及其平均年增长率。计算结果表明,浑善达克沙地2001年春季地表临界起沙风速为5.61 m.s-1,沙尘天气期间平均起沙通量为4.40×10-7g.cm-2.s-1;1999年该沙区起尘量约占我国北方起尘总量的2.4%,春季起尘占全年的57%;1986年和1999年起沙总量分别为3.73×105t.a-1和4.87×105t.a-1,其平均年增长率为2.07%。     

A Field Experiment on Dust Emission by Wind Erosion in the Taklimakan Desert

Dust emission by wind erosion in surface is a serious problem in many arid regions around the world,and it is harmful to the ecological environment,human health,and social economy.To monitor the characteristics of saltation activity and to calculate the threshold wind velocity and sediment discharge under field conditions have significance on the research of dust emission by wind erosion.Therefore,a field experiment was conducted over the flat sand in the hinterland of the Taklimakan Desert.One sampling system was installed on the flat sand surface at Tazhong,consisting of a meteorological tower with a height of 2 m,a piezoelectric saltation sensor(Sensit),and a Big Spring Number Eight(BSNE) sampler station.Occurrence of saltation activity was recorded every second using the Sensit.Each BSNE station consisted of five BSNE samplers with the lowest sampler at 0.05 m and the highest sampler at 1.0 m above the soil surface.Sediment was collected from the samplers every 24 h.It is found that saltation activity was detected for only 21.5% of the hours measured,and the longest period of saltation activity occurring continuously was not longer than 5 min under the field conditions.The threshold wind velocity was variable,its minimum value was 4.9 m s 1,the maximum value was 9.2 m s 1,and the average value was 7.0 m s 1.The threshold wind velocity presented a positive linear increase during the measurement period.The observation site had a sediment discharge of 82.1 kg m 1 over a period of 24 h.Based on hourly saltation counts,hourly sediment discharge was estimated.Overall,there was no obvious linear or other functional relationship between the hourly sediment discharge and wind velocity.The results show that the changes of sediment discharge do not quite depend on wind velocity.     

巴丹吉林沙漠北缘沙尘天气过程中近地面气象要素变化及风沙流结构分析

提要：利用2013年春季在巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区的沙尘暴加强观测资料,对比分析该地区典型流动沙面晴天、扬沙和沙尘暴三种天气背景下各气象要素的变化特征及差异,同时对沙尘暴过程中近地层风沙活动特征进行分析。结果表明,随风速增加沙尘天气强度逐步提升且沙尘天气来临前风速、风向均表现出明显的调整现象,此后爆发过程中风速、风向相对稳定。随沙尘天气强度的增加气温逐渐减小且沙尘天气过程中地面呈利于沙尘起动的暖干状态,同时地面气压不断升高。悬浮的沙尘会导致拐子湖流动沙地各层地温有减小趋势,但减小程度相对较弱,使沙尘天气下各层地温仍保持良好的梯度变化和正弦型日变化趋势。拐子湖流沙地春季起沙风速为6.5m/s,输沙通量垂直分布状况在20cm左右具有明显的分段现象。地表100cm内总输沙量的50%和90%分别集中在地表20cm和56cm高度以内。观测期间整个5月地表0～100cm高度内的输沙通量为420.96kg/m。     

沙尘天气下输沙率的野外观测与分析

2014年7月—2014年8月借助风速仪、微梯度集沙仪,通过野外监测系统获取的试验数据,对塔中地区2014年7月—2014年8月沙尘天气过程中贴地层输沙率进行分析,得出:0～85 mm高度内,随着风速的增大,35～85 mm无论是绝对的输沙量还是相对的输沙量都减少。0～85 mm高度内,各层输沙率最大值均出现在风速为8 m·s-1左右,波动较为显著;最小值出现在6.5 m·s-1左右,波动不明显;沙尘天气中,输沙率最大值出现在5～15 mm高度,最小值出现在35～85 mm高度。扬沙天气中,风速9.2 m·s-1时,输沙率最大值在0～5 mm处。沙尘暴天气,拐点风速为7.5 m·s-1,7.5 m·s-1时,输沙率增加不显著,7.5 m·s-1时,输沙率增加显著。通过微梯度集沙仪获得的上述试验数据是风沙工程设计的一个极重要工程参数,具有重要的实践意义。     

基于逐时数据的南疆沙尘天气精细化特征研究

利用2006—2019年南疆地区55个国家站的逐日观测和自动站小时数据资料,研究沙尘发生的精细化特征及沙尘暴起沙风速指标阈值。结果表明：南疆沙尘中心位于塔里木盆地中部至其南缘的民丰和且末一线,表现为中部多,东部西部少的分布特点,浮尘和沙尘暴的中心在民丰,而扬沙中心在塔中站;沙尘天气季节差异明显,秋、冬季沙尘最少,以浮尘为主,春、夏季是沙尘天气的高发季节,浮尘日与扬沙日数接近,约为沙尘暴的2倍,沙尘暴、扬沙的季节差异比浮尘天气更为明显;沙尘日变化呈白天多于夜间,下午多于上午的分布特点,18—20时是南疆地区出现沙尘暴、扬沙天气的高频时段;扬沙和沙尘暴的平均持续时间短,一般不超过3 h,巴州东南部平均持续时间最长;南疆不同地区沙尘天气发生的最小风速差异较大,存在区域性规律,而极大风速分布呈东部大于西部,北部大于南部,塔里木盆地中部和南部最小,春季的极大风速平均值大于夏季,差值较小的地区在和田地区,春季的极大风速离散度也较夏季大,各站极大风速的最小值范围在1.6—9.8 m·s^-1之间。     

风廓线雷达对塔克拉玛干沙漠晴天边界层的探测分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站2010年8和10月边界层风廓线雷达资料,分析了沙漠晴天边界层湍流、大气温度、水平风速风向以及垂直速度的发展演变特征和日变化规律。研究表明：（1）大气折射率结构常数（C_n~2）能较好地反映晴空湍流对电磁波的后向散射能力,可以详细刻画湍流发展旺盛区域的高度、强度及其演变特征;沙漠夏季白天湍流发展剧烈,旺盛区域顶部可达4000 m高度左右。（2）RASS系统对沙漠边界层大气温度的探测具有较好的可信度,其近地边界层温度符合一般的日变化规律,昼夜温差显著,白天高温维持时间长,升温过程相对滞后于近地表气温。（3）风廓线雷达对大气风场的探测结果与地面风速风向一致,沙漠晴天主要受东风和东北风控制,风速较小,平均在2.0～6.0 m·s~（-1）范围变化。（4）沙漠腹地大气垂直速度变化符合静力平衡理论,铅直方向运动很弱,一般在-1.0～1.0 m·s~（-1）范围波动。     

山西省大雾的中尺度数值模拟

利用中尺度模式MM5（The Fifth—Generation NCAR／Penn State Mesoscale Model）对山西省2009年发生的3场典型雾个例进行了数值模拟,探讨了物理过程参数化方案对雾数值模拟的影响,确定了基于模式模拟数据的雾判别指标,为该地区大雾数值预报系统的研制提供了理论基础。结果表明,综合考虑边界层方案和辐射方案对地表温度、高空温度、2m温度及相对湿度、10m风速、雾的空间分布、雾的生消过程、雾的发展高度等要素数值模拟的影响,边界层方案选用high-resolution planetary boundary layers cheme（HIR）方案、辐射方案选用Cloud方案时,雾数值模拟的结果与实况更为一致。综合分析多个典型雾个例的模拟结果,山西省境内雾的预报指标为：20m液态水含量为0．13～0．6g·kg^（-1）,20～1500m高度大气层存在逆温层,10m风速小于4m·s^（-1）。     

南疆沙漠腹地大气边界层气象要素廓线分析

利用塔中80m观测塔梯度系统采集的2006年8月、10月和2007年1月、4月的风、温度、湿度资料,结合气象站的同步气象资料,对南疆沙漠腹地近地层四季的晴天平均风速、温度、湿度廓线分布特征进行分析。结果表明,晴天平均风速白天随高度升高增加缓慢,夜间较快,低层风速白天比夜间大,高层则白天比夜间小,春夏季风速较大;四季平均温度廓线表现为夜间辐射型、早上过渡型、白天日射型和傍晚过渡型等四种类型,早、晚过渡时间四季各有不同,日最低、最高温度出现时间四季则相差不大;冬季夜间比湿随高度升高而增大,整个80m近地层表现为逆湿状态,其他季节逆湿一般出现在0．5—1m、1～2m、32—47m、63—80m等4个层次上,各逆湿层出现的时间各季节有所差异。     

南京地面风速概率分布律的城乡差异

根据南京气象站及其周边3个乡村自动气象站2005年逐时风速资料,拟合了风速的概率分布函数,分析表明:南京城、乡地面风速的概率分布均与3参数的韦伯分布吻合度很高,风速概率密度函数(PDF)曲线形状存在明显的城乡差别,城市风速PDF曲线更加陡峻,即风速分布更为集中;在0.75~3.75 m/s,城市风速PDF值明显高于周边乡村,而在3.75 m/s和0.75 m/s范围,城市风速概率密度值则低于乡村;城市下垫面的摩擦效应削弱风速而热力效应起增强风速作用,对风速的城乡差值序列的分析发现:多数时间城市风速是小于乡村风速的,但风速小于1.90 m/s条件下,城市风速会出现大于乡村的现象;总体上摩擦效应的作用远大于热力效应;城市效应使全年平均风速下降0.43 m/s。