摩阻风速与平均风速的转化关系研究

针对多数研究都是以摩阻风速表征地表输沙量,而气象站风速观测通常是10 m或12 m高度的平均风速,因此在利用气象站风速观测资料来评估大范围或者某一特定区域较长时间的地表输沙量时,首先需要解决摩阻风速与平均风速的转化关系。然而,很少见到相关研究报道。借助风洞实验和2003年春天在北京郊区获得的9种不同下垫面的野外风沙观测数据,对摩阻风速与平均风速的转化关系进行了探讨,认为它们满足线性关系。     

保护性耕作农田对近地表风速阻挡效果分析

为了评价保护性耕作农田对近地表风速的阻挡效果,利用移动式风蚀风洞对保护性耕作农田相对于传统耕作农田的近地表风速阻挡效果进行了测试,对比分析了残茬覆盖对近地表的风速廓线挡风效果的影响。结果表明,不同残茬覆盖的保护性耕作农田近地表风速廓线明显区别于传统耕作农田,在距地表高度50 cm以下时,保护性耕作农田的风速低于传统耕作农田地表2.5～10倍;茬高30 cm的保护性耕作农田地表挡风效果的最好高度为距地表0.1 m,植被盖度90%时风速相对减小率可达76.32%;随着风洞中心风速的增大挡风效果逐渐增强,在12 m/s时达到最佳。     

塔克拉干沙漠腹地沙尘暴天气下风速脉动特征

利用塔克拉玛干沙漠2次沙尘暴天气条件下人工绿地近地层80 m风速观测资料,探讨近地层风速脉动特征及其与能见度、PM_(10),PM_(2.5)的关系,为进一步研究湍流情况下风蚀和风扬粉尘释放奠定基础。结果表明:(1)不同高度风速脉动值在随高度的变化上近似符合高斯分布且在时间序列上波动性均具有一致性,脉动频率不稳定,无明显周期性,相邻高度间均具有显著相关性。(2)风速脉动强度随风速增大而增强,随距离地表高度的降低呈先增大后降低的趋势。湍流度均与高度成反比关系,整体上均随着高度的降低而增大,因为地表植被的存在增大了湍流度。(3)沙尘暴过程中地面风速的大小对水平能见度,PM_(10),PM_(2.5)具有直接影响,风速脉动变化与水平能见度呈现反比关系,与PM_(10),PM_(2.5)呈现正比关系。     

塔里木盆地西南缘不同下垫面的摩阻风速和空气动力学粗糙度

[目的]分析各下垫面摩阻风速和地表空气动力学粗糙度变化特征,揭示不同下垫面的风蚀潜力大小。[方法]通过2010—2012年野外气象观测,尝试计算由流动沙漠到绿洲4个连续下垫面的摩阻风速和空气动力学粗糙度的变化并分析其变化原因,评价摩阻风速和空气动力学粗糙度其对风蚀敏感性的影响。[结果]流动沙地和半流动沙地摩阻风速(u*)和空气动力学粗糙度(z0)的年内变化不明显,固定沙地和绿洲的摩阻风速和空气动力学粗糙度年内变化呈现单调递增变化规律。摩阻风速在流动沙地、半流动沙地、固定沙地和绿洲4个下垫面分别为0.33,0.44,0.61,和0.81m/s。空气动力学粗糙度在流动沙地、半流动沙地、固定沙地和绿洲4个下垫面分别为0.39,13.58,39.51和310.8mm。[结论]流动沙地风蚀发生的潜力最大而绿洲风蚀发生的潜力最小。     

1960-2017年黄土高原地区风速时空变化特征

[目的]揭示黄土高原地区风速时空变化特征,为区域防灾减灾提供参考。[方法]基于黄土高原59个气象站1960—2017年逐月风速实测数据,采用线性回归、Mann-Kendall检验和滑动t检验等方法,对黄土高原地区历年及四季风速的时空变化趋势进行了研究。[结果](1) 1960—2017年黄土高原年均风速以-0.007 5 m/(s·a)速率显著下降,春季降幅最大,其次为冬、秋季,夏季降幅最小;年内月平均风速先升后降,4月风速下降最快,7月下降最慢。(2)黄土高原历年及夏、秋、冬季风速均在1980s突变减少,春季平均风速未发生突变,冬季风速突变后较突变前降幅最大,秋季最小。(3)黄土高原历年均风速、历年及四季风速变率均表现出西北高、东南低的特征,站点呈下降趋势的春季最多,夏季最少。(4) AO指数的上升、气候变暖及地表植被覆盖增加等,可能不同程度地造成黄土高原风速长期下降趋势。[结论]黄土高原区应将春季作为防风御风重点时段,将西北部地区作为重点防御地区,增强防灾减灾能力建设。     

农田休闲期垄作地形对近地表风场的影响

垄作是旱作农田常用的保护性耕作技术,而其防风抗蚀的机制尚需研究。通过野外试验,对垄脊高25cm,垄沟宽1.5m的垄作田上风向、垄间及下风向地带0～4m的风流场进行了同步观测,对不同观测位置的时均风速、空气动力学粗糙度、摩阻速度和风速脉动进行了对比分析。结果表明,土垄间和下风向近地表0～1m内时均风速比上风向平坦地表明显降低,其中高0.3m处降低幅度最大。水平方向上风速降低幅度、空气动力学粗糙度和摩阻速度均随观测点与垄作地表距离的增大而减小。受风速递增的影响,风速的绝对脉动强度随高度呈对数关系递增。风速的相对脉动强度在0～1m内随高度增大而降低,1m以上基本无变化。高0.05m处风速的相对脉动强度在水平方向上随与垄作田距离的减小而增大,其中垄间最大,时均风速相同时对地面剪切力最大。     

锡林河流域不同利用方式草地风速廓线及地表粗糙度特征分析

以锡林河流域典型草原上天然草地、围封草地和人为干扰草地3种不同利用方式的草地为研究对象,通过对区域风速廓线与地表粗糙度的测定,研究了不同利用方式草地的防风效能。试验结果表明,流域内3种不同土地利用方式的草地近地表风速总体呈现随测量点距离地表的高度增加而增加的规律,风速廓线符合指数规律和实际情况,但不同土地利用方式草地之间存在差别;围封草地地表粗糙度最大,人为干扰草地的地表粗糙度最小,表明在天然草地、围封草地和人为干扰草地中,围封草地的防风效能最好。     

双排高立式尼龙网阻沙障与草方格固沙障的优化配置及防沙效益

[目的]针对双排高立式尼龙网阻沙障与草方格固沙障联合应用,开展风洞试验研究,以优化联合沙障中尼龙网阻沙障孔隙度配置及探究各孔隙度下联合沙障的防沙效益。[方法]基于风洞模拟试验数据,开展不同孔隙度(40%,45%,55%)联合沙障,在不同风速下的风速流场、空气动力学粗糙度、摩阻风速、输沙率随高度和阻沙率方面的变化特征研究。[结果](1)相同风速下尼龙网阻沙障孔隙度40%时,联合沙障弱风区面积最大;(2)随着尼龙网阻沙障孔隙度的增大,空气动力学粗糙度和摩阻风速减小,相同风速和相同位置时,40%孔隙度下联合沙障空气动力学粗糙度和摩阻风速值最大;(3)风速增加地表输沙率也增加,联合沙障内部与背风侧输沙率随高度增加呈指数型递减,输沙主要集中在0～12 cm高度内;(4)风速大小与沙障阻沙率呈现负相关变化;阻沙率与孔隙度之间也呈负相关关系,孔隙度为40%的联合沙障具有较高阻沙率;双排高立式尼龙网阻沙措施与草方格固沙措施联合之间还存在阻沙率叠加。[结论] 40%孔隙度的双排高立式尼龙网和草方格的阻固联合可以实现较优的配置与防沙效益。     

湿沙的风蚀起动风速实验研究

在土壤风蚀研究中 ,Bagnold建立的干沙子的起动风速与沙粒粒径关系的表达式已被广泛接受。然而 ,沙子含水率是影响沙粒起动风速的重要因子 ,因为沙子在湿润状态下 ,水分子与沙粒颗粒之间的拉张力增加了颗粒间的内聚力。通过风洞模拟实验研究了各种粒径的沙子在湿润状态下的起动风速。实验结果表明 ,湿沙的起动摩阻速度与干沙的起动摩阻速度之比——相对起动摩阻速度能更好地反映沙子含水率对起动风速的影响。建立了湿沙子的起动风速与沙粒粒径和沙子含水率的关系式     

库布齐沙漠新材料沙障的风速廓线特征

[目的]在库布齐沙漠杭锦旗独贵塔拉工业区测试HDPE网和植物纤维网新材料沙障防沙技术,为工程沙障对比优选提供理论支持。[方法]采用Met One 014A/024A型8通道风速风向仪(CR200X数采仪),观测沙障内20,80,150和200cm这4个高度的1min平均风速,对比分析不同材料、规格、高度的方格沙障及前沿高立式阻沙栅栏影响下的风速廓线特征。[结果](1)几种不同规格和高度的HDPE网和植物纤维网方格沙障及前沿高立式阻沙栅栏,都能显著降低近地表风速,具有良好的防风固沙效应。(2)方格沙障中心风速垂直变化幅度和变化规律,仅与沙障平面规格和外露高度密切相关,与试验材料基本无关;相同平面规格的方格沙障,外露高度越大,降风效果越显著;相同外露高度的方格沙障,小规格沙障的降风效果较为显著。(3)沙障防风固沙效益对比,需要充分考虑地貌部位、坡向、坡度、地表状况等的影响,对比观测未实施防沙措施的裸沙区对应地貌部位的输沙强度、风沙流场等因素,以便准确获取工程沙障效益参数。[结论]库布齐沙漠采用的新材料工程沙障措施具有显著的降风效应,在库布齐沙区的生态治理领域具有良好的推广前景。     

流动沙丘不同部位风蚀积沙特征研究

[目的]探究和利用流动沙丘各部位的风蚀积沙规律,为提升固沙技术措施提供依据。[方法]在典型新月型沙丘上设置3台光电子式积雪深度测定仪观测流动沙丘不同部位的风蚀和积沙规律。[结果]在特定风速下落沙坡随着起沙风速变化其积沙深度由1cm逐渐增加到12cm,并在起沙风速下降时形成一个强烈的积沙过程;迎风坡在起沙风速时处于最大的风蚀状态,并随风速变化形成一个由强风蚀到弱风蚀的转变过程;沙丘顶部在临近起沙风速时处于风蚀过程,并随起沙风速的逐渐增加又处于积沙过程。此外,流动沙丘迎风坡在12月至翌年5月间净风蚀深度月均值约为29.85cm;落沙坡在12月至翌6月间积沙深度月均值净增加139.5cm;而沙丘顶部在3—11月为风蚀发生期,平均风蚀深度变化值为27.3cm,12月至翌年3月为积沙发生期,平均积沙深度变化值为29.47cm。[结论]风速对流动沙丘不同部位风蚀积沙特征变化具有重要影响,而且不同部位风蚀积沙程度存在明显差异。     

旷野风速对林网内风速分布及防风效能的影响

为了揭示旷野风速对农田林网内风速分布及防风效能的影响,通过空间多点实地观测,利用传统统计分析、Surfer软件、地统计学等方法对3种风速(5.4,7.2和10.3m/s)条件下的林网内风速分布及防风效能进行了分析。结果表明,3种旷野风速下主林带的背风面均形成一个较大范围的降风区;3种旷野风速下林网平均降低风速效能为26.1,23.3和25.7%,平均有效防护面积比为50.8%,41.7%和47.7%,林网的总体防护效能在风速为5.4m/s时为最大,风速为7.2m/s时为最小;3种不同旷野风速下林网风速空间变异函数均可以较好地拟合为球状模型,3种旷野风速下网格内风速块金值与基台值的比值较小,均小于25%,林网内风速均具有强烈的空间自相关性。旷野风速对林网内风速分布及防风效能的影响比较复杂,并不是单一的随着风速的增大而增大或减小,受林带结构及疏透度的影响较大。     

不同农垦地下垫面对风蚀起沙风速的影响分析

以新疆塔里木盆地垦区为例,研究不同地表粗糙度下垫面对风蚀起沙的临界摩擦速度和起沙风速的影响。根据Shao的方法计算不同下垫面起沙风速,结果表明:塔里木盆地垦区所选的小麦、棉花、红枣这3种地类2m高度临界摩擦速度(u*t)分别为棉花地0.40m/s,红枣地0.43m/s,小麦地1.85m/s;2m高度临界起沙风速(ut)分别为棉花地5.3m/s,红枣地5.7m/s,小麦地7.5m/s,小麦地较其他2种地类更具有抵抗风蚀的作用。     

锡林郭勒草地景观系统土壤容重空间变异及其与风蚀的关系

[目的]探究锡林郭勒草地在景观尺度上土壤容重空间分布规律及其与风蚀的关系,为有效进行草原风蚀防治提供理论参考。[方法]对锡林郭勒草原不同地形和土地利用条件下土壤容重的空间变异性进行调查分析,主要采用环刀法、吸管法、TOC法测定土壤容重、机械组成和有机碳含量。[结果]锡林郭勒草原土壤容重呈现中等空间变异性;容重随地形变化在轻牧区表现为:迎风坡背风坡平地,而在中牧和重牧区的变化与之相反,且海拔与容重呈负相关性;在同样地形条件下,不同土地利用容重变化规律为:重牧区耕地中牧区轻牧区禁牧区。[结论]研究区土地利用类型是影响容重最主要的因素。容重与风蚀速率呈现明显的负相关性,容重可作为评估本区域风蚀发生与影响强度的一个重要参考指标。     

黄河乌兰布和沙漠段沿岸不同高度典型沙丘风沙特征

为探究乌兰布和沙漠沿黄段典型沙丘的风速流场与风沙运移特征,以3座不同高度的典型沙丘为研究对象,对沙丘不同部位5个高度的风速流场、风速廓线、风速加速率及输沙量进行了测定。结果表明:(1)风速从沙丘迎风坡脚至背风坡坡脚呈现先增大后减小再增大的"S"型趋势,沙丘顶部风速最大,背风坡中部最小。(2)沙丘各部位风速的垂直变化与高度的对数值呈V=aln(z)+b线性变化规律,风速廓线斜率a由沙丘顶部向迎风坡脚与背风坡脚逐渐增大。不同高度沙丘的摩阻流速与粗糙度变化趋势不一。(3)沙丘发育尺度对沙丘迎风坡风速加速率影响明显,其沙丘发育尺度越大,对气流的反馈作用越强,迎风坡低层20cm风速加速率明显高于高层风速加速率;(4)沙丘不同部位0~100cm的输沙率随高度呈幂函数规律递减,输沙量主要集中在0~10cm内,但不均匀,大部分集中在0~4cm,且在距地高度约4~5cm处是相对输沙量不随高程变化的不变层。     

塔中地区近地层风沙流的结构特征

[目的]分析特定高度的风沙流结构,阐明其风沙流运动规律,为防沙治沙提供理论依据。[方法]采用全方位微梯度集沙仪和风速仪,收集2014年7月至2014年8月风沙流输沙样,通过对近地层0—85mm风沙流输沙率、风速进行分析。[结果]输沙率与风速的最佳拟合关系为幂函数,相关系数为0.968 7。随风速的增大,风沙流输沙率主要集中在0—35mm,0—5和15—35mm百分含量基本呈上升的趋势,5—15和35—85mm百分含量基本呈下降的趋势。[结论]风沙流运动是一种贴近地面沙物质的搬运过程,随风速的增大,输沙量越来越集中在0—35mm范围内。因此,采取各种措施改变近地表层的风状况及风沙流结构就能有效地削弱风沙活动的强度。     

拐子湖地区沙尘天气风蚀起沙量的估算

为研究沙尘暴中心在沙尘天气下风蚀起沙量和一些参数的具体情况,以巴丹吉林沙漠拐子湖地区一次沙尘天气过程为例,通过经验公式与野外仪器观测对比分析,对拐子湖地区风蚀起沙过程的一些参数进行了分析。结果表明:摩擦速度与风速成正相关,并影响着风蚀起沙量变化;临界摩擦速度为0.36m/s;估算了平均顺风向沙尘通量和垂直沙通量分别为1.7E-02kg/(m.s)和1.38E-07kg/(m2.s),顺风向沙尘通量要远大于垂直沙通量。这些参数的得出对防风治沙有着重要的意义。     

黄泛风沙区耕地土壤风蚀影响因子的通径分析

[目的]研究黄泛风沙区影响耕地土壤风蚀量的主要因子及其相互作用关系,为土壤风蚀的防治及改善耕作措施提供依据。[方法]通过影响因子的的野外定位观测,及对风蚀数据进行收集整理,在逐步回归分析的前提下,对风蚀量主要影响因子进行通径分析。[结果]风速累计时间、作物盖度、粗糙度是影响耕地土壤风蚀的主要因素;风蚀量的直接影响因素作用大小的排序为风速累计时间粗糙度作物盖度;风蚀量间接影响因素作用大小的排序为粗糙度作物盖度风速累计时间;风蚀量决定系数排序为d_(风速累计时间·风速累计时间)d_(风速累计时间·作物盖度)d_(风速累计时间·粗糙度)d_(作物盖度·粗糙度)d_(作物盖度·作物盖度)d_(粗糙度·粗糙度);风速累计时间与作物盖度主要通过其本身直接影响风蚀量,粗糙度主要通过间接作用减少风蚀量。[结论]可适当地增加作物种植密度,提高粗糙度、作物盖度,减少风蚀危害。     

保护性耕作农田和柠条带状配置草地防风蚀效果的风洞测试

为比较分析保护性耕作农田与柠条带状配置修复退化草地的防风蚀机理和防风蚀效果,利用移动式风蚀风洞及相关配套设备对内蒙古乌兰察布寒旱区的保护性耕作农田、传统旱作农田和退化草地、柠条带状配置草地进行风蚀风洞原位测试,研究其风速廓线、输沙通量等风沙运动规律,分析保护性耕作农田、柠条带状配置草地的防风蚀情况。结果表明:保护性耕作农田、柠条带状配置修复草地的输沙通量随地表高度的变化呈"C"字形分布,有别于传统耕作农田和退化草地的输沙通量随地表高度的增加按指数规律迅速衰减;保护性耕作农田、柠条带状配置草地的防风蚀机理,主要在于保护性耕作农田的直立残茬和柠条带状配置可对近地表风速产生阻挡、分解、疏散作用,从而使近地表风速造成不同程度削弱;当风洞中心风速为11 m/s时,在距地表50 mm处保护性耕作农田相比传统耕作农田的风速降低率达86.44%,柠条带状配置草地相比退化草地的风速降低率为70.69%,近地表风速的降低是保护性耕作农田和柠条带状配置草地有效防治土壤风蚀的根本原因;保护性耕作农田和柠条带状配置草地的风沙流主要活动在距地表40 cm高度以下,占总输沙量的90%左右,而对照传统耕作农田和退化草地的风沙流则主要活动在距地表20 cm以下,占总输沙量的85%以上。