草地近地表风速脉动及其与平均风速、摩阻风速的关系

[目的] 研究草地近地表脉动风速与平均风速、摩阻风速之间的关系,揭示草地风速脉动规律。[方法] 利用三维超声风速仪对天然草地近地表风速进行连续观测。[结果] 草地近地表风速存在明显的脉动特性,脉动强度与平均风速之间呈显著线性正相关。湍流度在较小风速下分布非常分散,随平均风速的增大而趋于集中,在2~14 m/s风速范围内概率分布峰值对应的湍流度为0.23。摩阻风速与瞬时风速之间缺乏相关性;1 s时距下摩阻风速与平均风速呈显著线性正相关,但风速脉动导致摩阻风速计算结果波动仍非常明显;1 min时距下摩阻风速波动范围降低至10%以下,摩阻风速与平均风速线性相关性极为显著。[结论] 风速脉动对摩阻风速的计算有很大影响,采用1 s或1 min时距的平均风速,可有效降低这一影响。     

秸秆覆盖对农田土壤风蚀及细颗粒物释放的影响

为了确定保护性耕作措施对北京周边农田土壤风蚀及颗粒物释放的影响,通过风洞模拟试验,对比不同风速和不同覆盖度下农田土壤风蚀速率及TSP、PM_(10)、PM_(2.5)、PM_1的释放差异,并分析了4种细颗粒物在风蚀物中的占比。结果表明:(1)当风速12 m/s时,秸秆覆盖度达到20%能显著降低风蚀速率,当风速16 m/s时,秸秆覆盖度需达到40%才能达到理想的防风蚀效果。(2)TSP、PM_(10)、PM_(2.5)、PM_1 4种细颗粒物的释放量与风速呈正指数函数关系,与覆盖度呈负指数函数关系;随风速的增加,4种细颗粒物的释放能力为AB1B2B3B4B5,当覆盖度10%或60%时,细颗粒物的释放量随风速增大差异逐渐减小;覆盖度达60%以上时,细颗粒物的释放量基本达到稳定值。(3)TSP、PM_(10)、PM_(2.5)、PM_1 4种细颗粒物在风蚀物中的占比随风速的增加而降低,当覆盖度60%时占比接近稳定。     

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。     

乌兰布和沙漠东北缘近地层风速和降尘量特征

选择乌兰布和沙漠东北缘荒漠-绿洲过渡带和绿洲为定位监测点,基于磴口生态站近地层(0~50 m)风沙监测塔2013年全年的风速和降尘数据,分析了沙漠东北缘近地层风沙时空变化规律。研究结果如下:1)过渡带和绿洲内近地层的风速均随着高度增加而增大,风速廓线特征可用幂函数表示;过渡带风速显著高于绿洲内风速。2)过渡带和绿洲内近地层沙尘水平通量和降尘量均随着高度增加而减少,其分布特征遵循幂函数关系;过渡带沙尘水平通量显著高于绿洲内,说明绿洲防护体系对沙尘具有明显的削弱作用;过渡带沙尘水平通量与降尘量之间为线性关系,而绿洲内二者之间为指数函数关系。3)在春、夏、秋、冬季,过渡带和绿洲内近地层沙尘水平通量和降尘量均随着高度增加而减小;春季是沙尘水平通量和降尘量集中的季节,其次为夏季,秋季和冬季相对较低;一年四季中,过渡带沙尘水平通量和降尘量均高于绿洲内。     

草原干涸湖床地表粒度特征及其对沙尘释放的影响

[目的]为探究干涸湖盆典型地表风蚀过程及盐碱尘暴形成的机理。[方法]以锡林郭勒盟阿巴嘎旗查干淖尔干涸盐湖为研究对象,从湖心到湖岸根据盐湖地表的动态演化过程选择4种典型地表(结皮地表、破碎地表、活化地表和沙化地表),分析从湖心到湖岸近地表土壤粒度分布特征、风速廓线及输沙规律等。[结果](1)从湖心向湖岸延伸,地表0—2 cm沉积物颗粒粒配整体呈逐渐变粗的趋势,且以黏粒和粉粒为主;(2)干涸盐湖从湖心到湖岸风速整体呈降低趋势,不同地表的风速廓线基本符合Karman的速度对数分布规律,且拟合效果较好(R²>0.90);(3)破碎地表的输沙量最大,约为结皮地表的50倍,且由于有限沙尘供应,导致结皮地表的输沙率随高度变化呈现线性规律(R²=0.80),其他3种地表的输沙率随高度变化呈现指数函数形式(R²>0.97);(4)在近地表0～50 cm高度内,风沙流中携带的沙粒平均粒径为2～8μm,属于粉粒,分选性较差,偏度以负偏为主,峰态以中等和尖窄为主。[结论]整体来看,破碎地表上的风蚀作用最强,结皮地表上的风蚀作用最弱。...     

环青海湖地区草地近地层气象要素变化特征

利用青海湖北岸海北牧业气象试验站2006年5月-12月观测的天然草地近地面层气象要素梯度资料，分析了该地区近地层温度、湿度和风速的日变化规律及其廓线特征。结果表明：青海湖北岸草地近地层0．3—10．0m高度范围内温度、相对湿度和风速都呈现出明显的以24h为周期的日变化规律；各层温度最高和最低时的位相随高度增加而滞后，相对湿度和风速最大与最小时的位相随高度增加而提前；14时温度随高度的增加而降低，20时的温度随高度增加先增后降，温度廓线在4．0m高度存在一拐点，随后逐渐进入逆温状态，至8时逆温程度达到最大；不论白天还是夜间，相对湿度随高度的增加而减小；风速随高度的增加而增大。     

沙区光伏阵列对近地层风沙输移的干扰效应

沙漠地区建设光伏阵列后,地表吹蚀和堆积过程引起的地貌变化不仅严重威胁到了光伏组件固定结构的稳定,而且间接加速损耗了电板发电功率。为探究沙区光伏阵列扰动下近地层风沙输移特征,在库布齐沙漠中段的200MW光伏电站腹地区域,通过同步测定光伏阵列腹地电板不同部位(板间、板前和板后)和上风向无光伏设施覆盖的流动沙地近地层输沙率,同时利用HOBO小型移动气象站记录观测期风速和风向信息,分析不同风速风向条件下光伏阵列整体阻沙率、局部不同部位风沙流结构及通量模型。结果显示:光伏阵列与风向夹角在–12.30°～82.19°范围内,光伏阵列阻沙率为35.34%～93.02%,当夹角超过45°时,光伏阵列平均阻沙率可达84.63%;随光伏阵列与风向之间夹角增大,板间和板后位置风沙输移高度有向上层移动的趋势,而板前位置则更加贴近地表;双参数指数函数可以较好地模拟光伏阵列内不同部位近地层30cm高度范围内输沙率随高度的变化规律。研究结果有助于认识沙漠地区建设光伏阵列后近地层风沙输移规律,可为科学制定次生风沙危害防治技术方案提供依据与参考。     

喀斯特坡耕地及其浅层孔(裂)隙土壤侵蚀响应试验研究

通过模拟喀斯特坡耕地地貌特征和喀斯特地下孔(裂)隙构造,采用人工模拟降雨试验,研究不同降雨强度、不同坡度、不同地下孔(裂)隙度及降雨历时条件下地表及地下的土壤侵蚀响应。结果表明,(1)地表径流与降雨强度、坡度的变化呈极显著正相关关系,与地下孔(裂)隙度的变化呈显著负相关关系;地下孔(裂)隙流与坡度、降雨强度的变化呈极显著负相关关系,与地下孔(裂)隙度的变化呈极显著正相关关系。(2)地下孔(裂)隙流流量、累积产沙量均随雨强的增大呈先增大后减小的变化规律。(3)总体上,地表径流随坡度的增大呈增大趋势,地下孔(裂)隙流随坡度的增大呈减小趋势;地表累积推移质和悬移质流失量随坡度的增大总体呈增大趋势,地下孔(裂)隙流的累积悬移质流失量随坡度的增大总体呈减小趋势。(4)地表产流、产沙随地下孔(裂)隙度增大而减小,而地下产流产沙则相反。(5)降雨强度、坡度和地下孔(裂)隙度等因子对地表径流及地下径流的影响程度依次是坡度降雨强度地下孔(裂)隙度。     

库布齐沙漠含水率对风沙运动影响的风洞模拟

采用室内分析和风洞模拟试验的方法,研究了不同风速下库布齐沙漠沙丘沙含水率对粗糙度、风速廓线和风沙流结构变化的影响。根据风洞实际动力情况,确定试验进口风速为6,8,10,12,14,16m/s;除干沙外,人工配制了含水率为0.25%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%6组不同湿度的沙样,分别开展了风洞模拟试验。结果表明,地表粗糙度随着风速的增加而增大,但随湿度的增加整体呈减小趋势;试验所包含的湿度范围内,其风速廓线均随高度呈对数分布,随风速的增大,风速廓线的对数规律越好,风速梯度逐渐减小;湿度越大输沙率随风速增加的绝对量变小,但相对量有所增加;随着湿度的增加输沙率呈整体下降趋势;不同湿度输沙率都出现随高度增加而减少的趋势,当湿度达到2.5%时,不管任何高度风蚀过程几乎停止;干沙输沙量80%集中于近地表5cm内,但随着湿度增加,5cm以上输沙率所占比重呈增加趋势,当湿度介于0.25%~1.5%时,地表5~8cm之间输沙量占总输沙率的30%以上。说明在地表含水率较高的库布齐沙漠,采用格状沙障等增加地表粗糙度的机械防沙措施能收到比西部沙漠和戈壁地区更为理想的效果,而且采用固沙措施的高度也应高于干沙地区。     

乌兰布和沙漠典型沿黄段格状沙障防风固沙效应

[目的] 探究乌兰布和沙漠典型沿黄段机械沙障的固沙效果,为沙区沿黄段的沙障合理配置及应用提供理论支撑和科学参考。 [方法] 以2 m×2 m规格的纱网沙障、聚乳酸(PLA)沙障、麦草沙障为研究对象,通过测定格状沙障近地表10,20,50,100和200 cm处的风速,同步收集近地表0—50 cm处的风蚀物颗粒,对3种格状沙障在形成稳定障面后的防风固沙效应进行研究。 [结果] ①纱网沙障、PLA沙障和麦草沙障均有效降低了近地表风速,尤以距地表10 cm高度处最为明显。在10.32 m/s风速下,其防风效能分别达到了49.73%,39.92%和38.33%。 ②PLA沙障的风速廓线呈现S形曲线特征,3种沙障的粗糙度均较裸沙丘有较大提升。 ③与裸沙丘相比,3种沙障降低了近地表10 cm处风的扰动度。 ④纱网沙障、PLA沙障和麦草沙障的输沙率随高度均呈指数关系,固沙效应分别为94.37%,44.80%和53.16%。3种沙障相较于裸沙丘有效抬升了沙粒的平均跃移高度,纱网沙障提升为对照的5.35倍。 [结论] 结合乌兰布和沙漠沿黄段风沙活动程度及材料获取度,沿岸向流动沙丘垂向上依次为麦草沙障固沙、PLA沙障固沙促生、纱网沙障防风固沙优化配置,可以实现3种格状沙障防风固沙效益的最大发挥。