沙质草地碟形风蚀坑形态气流相互作用

 呼伦贝尔沙质草地碟形风蚀坑长轴走向呈WNW-ESE。野外观测结果表明,风向与碟形风蚀坑长轴走向关系决定了风蚀坑内部的气流模式,右斜交与垂直气流促使风蚀坑横向扩展与深挖,平行与左斜交气流有利于侵蚀区内部沙物质的向外输送并导致风蚀坑沿长轴向延伸。右斜交及垂向气流在碟形坑南缘产生顺时针向的垂直轴涡流,而平行与左斜交向气流在西北缘产生逆时针向的垂直轴涡流。沿长轴向,气流进入风蚀坑边缘发生分离减速,在风蚀坑底部重新附着,沿出风段坡面开始加速上升至坑后沙丘顶部,在坑后沙丘背风坡气流发生扩散减速。在横断面或弧形断面气流以单增或单减的形式存在。观测期间风蚀坑总体上以堆积作用为主,区域风能大小决定了蚀积作用强弱,而输沙方向与风蚀坑长轴向夹角决定蚀积空间分布格局。     

台特玛湖干涸湖盆两种典型风蚀坑的三维流场特征及对风蚀的影响

台特玛湖干涸湖盆区风蚀沙漠化快速发展,发育了以新月形沙丘和风蚀坑（主要为槽状坑和碟状坑）为主的风沙地貌。风蚀坑的发育不仅受来流风影响,还与坑内三维流场有关。基于风洞实验和计算机流体力学（Computational fluid dynamics, CFD）数值模拟,对风蚀坑三维流场进行了探究。结果表明：（1） 从入风侧到出风侧,槽状风蚀坑和碟状风蚀坑底面的风速均呈减速—加速—减速—加速的变化模式,上口所在水平面的风速变化呈加速—减速—加速变化模式,上口气流压强也相应地发生变化,槽状风蚀坑和碟状风蚀坑整体呈低压—高压—低压变化模式,其中槽状坑变化更为明显。（2） 两种形状风蚀坑对气流均具有一定的吸附效应,使坑外一定范围的风沙流被吸入坑内,聚集能量和风沙流,加剧风蚀坑风蚀发育。（3） 风蚀坑加剧了地表侵蚀,侵蚀程度与风蚀坑尺度有关,风蚀坑尺度越大,对地表侵蚀越强。本文直观展示了两种典型风蚀坑中的三维速度、压力、风沙流流向分布,揭示了风蚀坑的风沙流吸附机制,研究结果可加深对风蚀坑形态动力学的理解,也可为内陆干涸湖盆沙漠化防治提供理论指导。     

柽柳灌丛沙堆及丘间地蚀积分布随背景植被变化的风洞实验

以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带广泛分布的柽柳灌丛沙堆及丘间地植物为原型,依据风沙运动相似理论,制作背景植被盖度依次为0%、4%、10%、16%和26%五组灌丛沙堆模型,在风洞中进行蚀积变化规律模拟实验。结果表明：柽柳灌丛沙堆及丘间地蚀积分布可划分为6个区域,依次为沙堆前积沙区、沙堆迎风坡风蚀区、沙堆两侧风蚀区、沙堆背风侧涡流积沙区、沙堆后尾流积沙区和不受沙堆影响区。随着指示风速增大,沙堆前积沙区和尾流积沙区范围缩小而沙堆两侧风蚀区面积明显增大。随着背景植被盖度的增大,沙堆前积沙区和尾流积沙区范围增大而沙堆两侧风蚀区范围明显减小。灌丛沙堆及丘间地整体风蚀面积比、风蚀率、各分区蚀积强度均呈指数规律递减。背景植被盖度为0%时,灌丛沙堆影响区风蚀率明显高于不受沙堆影响区,说明裸露地表条件下灌丛沙堆的存在会加剧地表风蚀;当背景植被盖度为4%~16%时,灌丛沙堆影响区风蚀率均低于不受沙堆影响区,可见丘间地植被存在可使灌丛沙堆起到一定的防风阻沙作用。当背景植被盖度>16%时,柽柳灌丛沙堆及丘间地整体蚀积强度和风蚀率变化趋于平稳。据此认为维持不低于16%的背景植被覆盖,是沙漠-绿洲过渡带柽柳灌丛沙堆科学保育的关键。     

呼伦贝尔沙质草原碟形风蚀坑表面气流及其意义

呼伦贝尔沙质草原风蚀坑发育于宽单峰中能风况环境,是该区主要风沙地貌类型。对碟形坑表面气流的观测结果显示,气流进入风蚀坑后,在入风口扩散,风速开始降低至坑底达到最低;在坑后缘出风口汇集形成急流,风速剧增至坑后积沙顶部风速达到最高值。风蚀坑后缘在风沙流的磨蚀作用下后退,风蚀坑顺风向扩展,同时此处较大的剪切风速和输沙率使大量来自坑内的沙物质沉积到坑后草地上呈扇状蔓延。呼伦贝尔沙质草原风蚀坑在来自西北、西和西南方向风的交替作用下,向东南、东和东北方向扩展而生成。随着风蚀坑深度和水平尺度的增加,最终可能沿强风能方向或合成输沙方向扩展成为大型的槽形坑。     

共和盆地高寒草原风蚀坑表层沉积物粒度特征及动力学意义

风蚀坑是高寒地区草原沙漠化的起点,气流对坑内沙物质的侵蚀、搬运和堆积为沙漠化进程提供了重要的物源。以共和盆地龙羊峡水库上游黄河阶地高寒草原上不同发育阶段的风蚀坑为研究对象,通过分析表层沉积物的粒度组成特征,比较风蚀坑表层沉积物粒度组成随坑体形态和地貌部位的变化趋势,探讨风蚀坑内沉积物的粒度分异在其形成演化过程中的动力学意义。结果表明：风蚀坑表面沉积物来源主要是古风沙沉积物。尽管研究区风蚀坑空间尺度相差很大,但因为动力学过程的相似性,沉积物粒度变化依然在宏观尺度上表现出了一致性。随着风蚀坑面积扩大,在积沙区迎风坡的中下部以及坑底部位粗沙、极粗沙成分显著增多。与此同时,沉积物分选性变差,表层沉积物分布模式由单峰态渐趋向多峰,粒度参数变幅明显增大。受盆地内盛行风以及坡向影响,风蚀坑两侧侵蚀壁受侵蚀程度差异明显,东北壁受到了更强的风力掏蚀且分选性更好。沉积物粒度分析作为风沙地貌学的基础性工作,也为高寒草原风蚀坑的发育演变、空气动力学过程等后续研究提供了基础参数。     

呼伦贝尔沙质源区铅同位素分布特征及其示踪意义的初步研究

呼伦贝尔沙质草原风蚀坑发育于宽单峰中能风况环境,是该区主要风沙地貌类型.对碟形坑表面气流的观测结果显示,气流进入风蚀坑后,在入风口扩散,风速开始降低至坑底达到最低;在坑后缘出风口汇集形成急流,风速剧增至坑后积沙顶部风速达到最高值.风蚀坑后缘在风沙流的磨蚀作用下后退,风蚀坑顺风向扩展,同时此处较大的剪切风速和输沙率使大量来自坑内的沙物质沉积到坑后草地上呈扇状蔓延.呼伦贝尔沙质草原风蚀坑在来自西北、西和西南方向风的交替作用下,向东南、东和东北方向扩展而生成.随着风蚀坑深度和水平尺度的增加,最终可能沿强风能方向或合成输沙方向扩展成为大型的槽形坑.     

浑善达克沙地东南缘固定沙丘风蚀坑动态变化

浑善达克沙地沙漠化主要以风蚀坑发育导致的固定沙丘活化为表现形式。利用2010、2013、2016年3期高分辨率卫星影像数据及地面调查数据,借助ArcGIS软件,采用目视解译方法,分析探讨了风蚀坑形态变化及其与气候要素和人类活动之间的关系。根据风蚀坑在固定沙丘发育部位及几何形状,可分为碟形、碗形、槽形、簸箕形和不规则形。2010—2016年,各类风蚀坑变化形式以扩展和新生为主,风蚀坑总面积及数量趋于增加,2010—2013年坑体面积增长了6.74 hm²,新生11个;2013—2016年面积增加了4.89 hm²,新生7个。在人类活动干扰减小的背景下,风蚀坑的发展主要受气候要素变化的影响,其中风速及输沙势的减小对风蚀坑而言,只是起到了减缓作用。风蚀坑形态本身也是其主要影响因素。     

风蚀坑形态-动力学研究进展

风蚀坑是沙质海岸、湖岸及干旱、半干旱区沙质草原地区受风蚀作用形成的洼地。受风蚀坑地形的影响,坑内气流的风速、风向发生了变化,通过输沙过程的局部差异改变了风蚀坑的蚀积格局,并对风蚀坑形态进行改造。而形态的变化又反作用于近地表气流,由此产生风蚀坑形态-动力学的响应与反馈。总结并扼要评述国内外近年来风蚀坑形态-动力学及其发育演化方面的研究进展,分析现有研究的不足,以期对今后此类研究提供借鉴。     

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。     

呼伦贝尔沙质草原风蚀坑形态发育模式分析

 野外调查测量呼伦贝尔沙质草原风蚀坑分布和形态参数,根据不同发展阶段的风蚀坑形态特征的差异、形态参数间相关关系和拟合结果分析了风蚀坑的形态演变和发育、成因、规律。发现不同发展阶段风蚀坑形态参数之间的控制关系和扩展模式不同,各形态参数之间具有较好的幂函数关系。对于风蚀坑的侵蚀坑而言,坑长增长速度最快,其后依次是坑宽和坑深,坑后积沙体具有类似规律。风蚀坑坑后积沙的3个形态参数,受侵蚀坑3个参数的联合控制,但受坑深的控制最为显著。风蚀坑出现的起始形态、地形特征、植被、气流场、气候条件、人类活动的扰动等对其形态和发育具有重要影响,并且形态和发育反作用于植被、气流等,形成形态与气流、植被之间的响应与反馈。     

柽柳灌丛沙堆三维流场随背景植被变化的风洞实验

以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带广泛分布的柽柳灌丛沙堆及丘间地植物为原型,依据风沙运动相似理论,制作5组背景植被盖度灌丛沙堆模型,在风洞中进行风流场变化规律模拟实验。结果表明:柽柳沙堆三维流场结构可划分为6个区域,即沙堆前减速区、沙堆迎风坡加速区、沙堆两侧急流区、沙堆背风侧强涡流区、沙堆后尾流恢复区和沙堆上空混合加速区。灌丛沙堆对流场结构影响范围为沙堆前10H到沙堆后14H区段,旁侧影响宽度不超过沙堆宽度的3/4,垂直方向上主要影响灌丛沙堆总高度相对应的下方区域,最大不超过灌丛沙堆总高度的2倍。风速变化不构成对流场结构的影响,但背景植被变化对流场结构影响明显。随着植被盖度增大,沙堆前减速区和沙堆后尾流恢复区范围扩大,两侧急流区和背风侧涡流区范围缩小。背景植被的出现明显降低了其所在高度层的风速,柽柳沙堆各分区地表加速率均随背景植被盖度呈指数规律下降,当植被盖度在16%时加速率变化趋于平缓。从维护绿洲安全的角度出发,根据风沙动力学原理可将16%视为灌丛沙堆科学保育中可能的临界背景植被覆盖值。     

半隐蔽式草方格沙障凹曲面形成的流场解析及沉积表征

利用野外风沙观测、沉积物粒度分析和等比例实体草方格风洞流场模拟,解析了草方格沙障内部凹曲面形成的风沙流场过程。草方格分别作为疏透沙障和地表粗糙元对贴地层和近地层风沙流具有不同的影响：床面蚀、积分布和方格中心凹曲面的形成发展,以及沉积物粒度变化,取决于草带之间的贴地层流场分布格局以及草带对风沙流中固体物质的截留;近地层风力普遍受到草方格粗糙元的削弱,促进了沙面稳定。高风速下输沙率垂向分布的“象鼻”结构,体现了草方格对促使风沙流结构变异、形成和维持草方格凹曲面的重要性。沙丘不同部位草方格沉积物粒度分布模式不同,显示沙丘部位也是影响草方格内部流场的一个因素,以迎风坡中部最有利于方格内凹曲面的形成。     

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...     

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。     

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。     

Variable vegetation cover and episodic sand movement on longitudinal desert sand dunes

Longitudinal (linear) sand dunes of the Simpson and Strzelecki dunefields in eastern central Australia present a paradox. Low levels of activity today stand in contrast to luminescence dating which has repeatedly shown deep deposits of sand on dune crests dating to within the late Holocene. In order to investigate the nature of dune activity in the Simpson–Strzelecki dunefield, vegetation and sand mobility were investigated by detailed vegetation survey and measurement of rippled area and loose sand depth of dunes at three sites along a climatic gradient. The response of both vegetation and sand movement to inter-annual climate variability was examined by repeat surveys of two sites in drought and non-drought conditions. Projected plant cover and plant + crust cover were found to have inverse linear relationships with rippled area and the area of deep loose sand. No relationship was found between these measures of sand movement and the plant frontal area index. A negative exponential relationship between equivalent mobile sand depth on dune surfaces and both vascular plant cover and vascular + crust cover was also found. There is no simple threshold of vegetation cover below which sand transport begins. Dunes with low perennial plant cover may form small dunes with slip faces leading to a positive feedback inhibiting ephemeral plant growth in wet years and accelerating sand transport rates. The linear dunefields are largely within the zone in which plant cover is sufficient to enforce low sand transport rates, and in which there is a strong response of vegetation and sand transport to inter-annual variation in rainfall. Both ephemeral plants (mostly forbs) and crust were found to respond rapidly to large (> 20 mm/month) rainfall events. On millennial time-scales, the level of dune activity is controlled by vegetation cover and probably not by fluctuations of wind strength. Land use or extreme, decadal time-scale, drought may destabilise dunes by removing perennial plant cover, accelerating wind erosion.     

Interactions Between Airflow and Valley Topography with Implications for Aeolian Sediment Transport

The local topography of a landscape can have a profound influence on airflow characteristics and cause modifications to broader synoptic scale winds. This paper reports the results of a preliminary field study examining the effects of a valley on wind velocity and direction. Anemometers and wind vanes were used to measure airflow characteristics upwind, within and downwind of a 20 m deep and 175 m wide dry valley in the central Namib desert. The field data indicate an upwind region of flow acceleration, a minimum in flow velocity in the center of the valley, flow acceleration toward a maximum at the downwind valley edge and subsequent deceleration toward starting velocities downwind of this edge. The development of a flow separation region at the leading edge of the valley and the range of flow distortion are affected by the incident angle of the approaching wind to the axis of the valley. A conceptual model indicating the potential implications of these findings for aeolian sediment transport processes in the vicinity of dryland valleys is presented.     

Variations of horizontal and vertical velocities over two-dimensional transverse dunes: A wind tunnel simulation of the effect of windward slope

The changes in wind velocity induced by dune topography have an important significance in dune dynamics. In this paper, the horizontal and vertical velocities over six transverse dune models were measured non-intrusively by means of Particle Image Velocimetry in a wind tunnel. The windward slope angle and the free-stream wind velocity both affected the horizontal and vertical velocity components. On the windward side, the acceleration of horizontal velocity depended mainly on the windward slope angle and the height above the dune surface, but was also affected by the free-stream wind velocity. The speed-up ratio increased with increasing slope angle but decreased with increasing height. The ascending vertical velocities also increased with increasing slope angle and free-stream wind velocity. The maximum values moved upper along the dune when the windward angle became steeper. In the leeward sides, the horizontal velocity decreased and reversed because of airflow separation; the maximum reverse velocity in the separation cell was about 17% of the free-stream wind velocity. Behind the dune crest, the airflow moves downwards, and its maximum downward velocity is found near the flow reattachment point. Finally, we discussed the significance of these velocity variations for sediment transport and dune dynamics.     

黄河上游玛曲地区风沙地貌的类型及其分布

 玛曲草原是著名的高原牧场,也是黄河上游重要的水源涵养地,通过卫星影像分析和实地观测数据,对其风沙地貌进行分类,以期为沙化草地治理提供参考。玛曲沙化草地的风沙地貌可分为4级17类。横向沙丘(新月形沙丘)主要分布在河岸和黄河的一级或二级阶地上,单个的新月形沙丘最大高度可达12 m, 64%的新月形沙丘迎风坡走向与当地起沙风向一致。分布在古河道或古三角洲的流动和半流动纵向沙丘(沙垄)高度小于3 m,51%的沙垄走向与当地起沙风向相同。低山上的沙垄和沙片出现在山顶或其阳坡,地形过渡带形成风蚀坎。风蚀洼地与固定和半固定沙地伴生,60%左右的风蚀洼地横切面为不规则椭圆和马蹄形;其深度与长轴呈正比例函数关系。古(现代)沉积物提供了丰富的沙源,大风、冻融、土层的岩性差异、脆弱的植被、人类过渡干扰和微地形促成了玛曲草地沙化和风沙地貌分异。通过对风沙地貌分类、分析,提出了以保护草皮免受破坏,为防止玛曲草地沙化的主要措施。