塔克拉玛干沙漠东南缘沙尘暴过程中近地表沙尘水平通量观测研究

沙漠是重要的沙尘源区,沙漠地区近地表水平输送的沙尘物质通量及其随高度的变化是沙尘输送过程的重要特征。在塔克拉玛干沙漠东南缘若羌平坦沙地的风沙观测场,利用BSNE集沙仪对沙尘暴天气过程中近地表2 m内不同高度沙尘物质的水平输送进行了观测,对其随高度变化特征进行了分析,并对近地表水平运动的沙尘通量进行了计算。结果表明:观测点沙尘物质的水平通量随高度的增加而减小,与高度的关系可用幂函数表示;约66%的沙尘在地表50 cm高度以内传输;80%的沙尘在地表100 cm高度以内传输;观测点2009—2010年12次沙尘暴天气过程,通过0～2 m高度的单宽总输沙量为3 627.9 kg·m-1,PM80、PM50的输送量分别为1 430.4 kg·m-1、216.2 kg·m-1。     

以计算流体动力学模型（CFD）模拟的戈壁地表风沙两相流运动特征

尘暴过程中沙砾质戈壁地表的风沙两相流运动,一直是风沙物理学关注的问题。但由于技术限制,野外观测及风洞实验难以捕捉大规模颗粒运动。为此,本文通过构建流体-颗粒碰撞互馈模型进行三维场域数值模拟,分析了不同砾石盖度下尘暴来流中的风沙两相流运动规律。结果表明：基于三维场流体-颗粒碰撞互馈模型修正后的求解结果能够较为准确地模拟戈壁地表风沙两相流运动过程。(1)不同来流尘暴过程,风相速度均会随砾石盖度的增大而减小,并在砾石盖度大于40%的戈壁近地表形成拜格诺焦点。相较于风相,沙相降速不明显。此外,距砾石床面4 cm以上,风沙两相速度基本保持一致。(2)当尘暴速度大于10 m·s^-1时,在距地1.5～2.1 m高度形成风沙两相流速度交点,交点上下表现为“风快沙慢”及“风慢沙快”现象。(3)尘暴过程中近地表沙尘浓度沿均值线呈“脉动”规律,表现为地表粉尘沉降与再释放循环过程,同时砾石盖度大小会直接影响沙尘沉积分布,当盖度大于40%时能够有效抑制沙尘释放。     

莫高窟顶戈壁偏东风作用下输沙率变化的观测研究

通过一次沙尘暴天气过程对莫高窟顶不同观测点戈壁风沙流结构和输沙率的时空变化特征进行了系统同步观测。观测表明,偏东风条件下,当风速为10 m·s-1时,水平观测方向上存在一个各点输沙率平衡的阶段,即崖顶戈壁至鸣沙山边缘戈壁各观测点的输沙率相当;当风速大于10 m·s-1时,戈壁地表以风蚀搬运作用为主,出现了戈壁向鸣沙山的长距离风沙搬运;当风速小于10 m·s-1时,戈壁沙物质的长距离搬运作用不明显。不同风况及沙源条件下,风沙流结构和输沙特征会发生显著变化。借鉴Lattau输沙率方程,运用风速和输沙率推算各观测点输沙率的时空变化,计算结果表明,在风速为10 m·s-1左右时,窟顶戈壁带的输送效率约为60%。     

盐池地区沙尘暴期间风沙运动若干特征研究

通过沙尘暴期间的实际观测资料,对宁夏盐池地区沙尘暴期间风蚀起沙的几个相关特性进行了研究。结果表明：当地10 m高度的临界起沙速度为5.0 m·s-1,临界摩擦速度为0.32 m·s-1;采用凌裕泉提出的“最大可能输沙量”计算方法,得出盐池地区沙尘暴期间的输沙量为12.42 kg·m-1;当地沙尘气溶胶粒子传输距离为1.4×10⁵~1.4×10⁶ km。     

兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质垂直分布特性

跃移质作为风沙流的主体,其近地表垂直分布规律是风沙物理学的重要研究内容,对防沙工程具有重要的指导意义。受研究条件与观测仪器限制,戈壁特别是极端大风区近地表风沙流结构特性研究较为薄弱。利用多梯度风蚀传感器与阶梯式集沙仪对兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质的垂直分布特性进行了观测研究。结果表明：兰新高铁烟墩风区戈壁沙粒发生跃移运动的2 m高临界风速达12 m·s^-1;戈壁近地表风沙流具有明显的阵性特征,沙粒跃移发生的时间比例在50%以下,与平均风速成正相关关系,与风速脉动强度无显著相关关系;2 m高阵风7级风速下,戈壁跃移沙粒主要集中于地表50 cm范围内,近地表风沙流结构呈"象鼻效应",跃移质最大质量通量出现在地表2.5~5 cm高度处,沙粒最大跃移高度可达2 m,且沙粒跃移高度随2 m高风速的增加呈指数规律递增。因此,兰新高铁烟墩风区2 m高阻沙栅栏不足以完全阻截戈壁风沙流,是造成烟墩风区兰新高铁轨道积沙的重要原因之一。     

额济纳旗典型地表沙尘释放潜力及沙尘天气频发成因

额济纳旗位于极端干旱的内陆河下游，绿洲退化严重，沙尘天气频发，已成为内蒙古西部主要沙尘源区。为揭示该区域沙尘频繁成因，对区域4种典型地表（富沙砾戈壁、富沙戈壁、绿洲退化地、绿洲）沉积物组分、风蚀强度、沙尘释放强度、多年平均月沙尘日数及大风日数等进行了综合分析。结果表明：以风沙活动为主要特征的绿洲退化地，粉沙黏土组分含量高，PM₁₀沙尘释放强度大（0.2796 kg·d^-1·m^-2），为研究区强沙尘释放地表；富沙及富沙砾戈壁地表，风蚀强度大，但粉沙黏土组分含量低，PM₁₀沙尘释放强度较大（0.1267 kg·d^-1·m^-2，0.0672 kg·d^-1·m^-2）；尽管绿洲地表粉沙黏土组分含量高，但由于植被、水分等因素的制约，其PM₁₀沙尘释放强度最小（0.0240 kg·d^-1·m^-2）。额济纳旗绿洲被大面积强沙尘释放源（绿洲退化地和戈壁）包围，局地沙尘内循环过程中粉尘颗粒的富积，为当地高频沙尘天气提供了丰富的尘源，这是额济纳旗沙尘天气频发的主要原因。     

塔克拉玛干沙漠塔中地区春夏季风蚀起沙研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的观测资料,对塔中地区春夏季地表土壤风蚀起沙的临界摩擦速度及其变化特征和起沙风速进行了分析研究,并计算了2008年4月19日和7月19日两次沙尘暴天气过程沙漠地表的风蚀起沙量。结果表明:塔中地区春夏季地表起沙的临界摩擦速度为0.26 m·s-1;2 m高度的临界起沙风速约为4.1 m·s-1;两次沙尘暴过程的顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量的平均值分别为17.44×10-4 kg·m-1·s-1 、13.8×10-8 kg·m-2·s-1、164.69×10-4 kg·m-1·s-1和799.77×10-8 kg·m-2·s-1;沙尘通量的变化与风速及摩擦速度的变化具有一致性。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴和地表沙物质粒度特征北大核心CSCD

围绕塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴及沙尘暴前后地表沙物质的粒度特征,对塔中地区的沙尘样品开展了粒度参数计算、粒度组分分离和函数模型拟合分析。结果表明:(1)表沙样品的平均粒径为143μm,细沙和极细沙含量占87.02%;沙尘暴过后表沙样品的平均粒径为97μm,极细沙和细沙含量占79.44%。(2)沙尘暴样品的平均粒径为82μm,粉沙和极细沙含量占80.89%。(3)沙尘暴过后表沙样品的平均粒径减小46μm,黏粒、粉沙和极细沙含量增加,表明沙尘暴携带的大量细粒物质对表沙的粒度特征有重要影响。(4)沙尘暴样品粒度随高度的变化主要受控于风速,风速阈值7.7~8.4 m·s^(-1),不同高度平均粒径与平均风速的函数关系,在三维空间中采用二阶多项式曲面模型能够很好地拟合。     

沙尘源区AVHRR数据地表温度时序变化与沙尘干量TSP数据的对比分析——以2001年春季北方强沙尘过程为例

根据沙尘暴起沙、传输与降沉模型系统对参数的需求，中日亚洲沙尘暴项目在源区、传输区和降沉区布设了先进的仪器设备，其中沙尘干量TSP数据是主要获取的数据，同时利用气象卫星获取沙尘过程的云图和反演沙尘过程的地表物理参数。由于不同土地利用／覆盖对沙尘暴过程中起沙的贡献不一样，研究中用局地分裂窗算法反演NOAA／AVHRR热红外波段数据的地面温度参数；取得大范围的时序地面温度数据后参照1：10万土地利用／覆盖类型重采样图层选点提取地表温度，形成不同点时间序列变化曲线；最后将不同地类的地表温度时序变化曲线与观测点沙尘干量TSP时序变化曲线对比分析，发现两者具有较好的对应关系，说明沙尘暴过程地表温度变化现象与沙尘有密切的关系。结果表明，利用遥感数据反演地面温度参数可以作为沙尘预报模型的重要参数。     

内蒙古拐子湖地区风沙运动若干参数计算

 利用内蒙古拐子湖地区风沙观测场2011年3～5月的沙尘暴强化观测资料,分析计算了巴丹吉林沙漠北缘平坦沙地的地表粗糙度、临界摩擦速度、临界起沙风速等风沙运动关键参数。初步结论如下：观测期间地表粗糙度的变化范围为1.0×10-7～ 9.0×10-1cm,平均粗糙度为0.942 cm;临界摩擦速度约为0.34 m/s;2 m高度的起沙风速约为4.6 m/s。     

基于沉积物理化性质的雅鲁藏布江中游粉尘物源研究

物源是风沙研究的主要内容。雅鲁藏布江中游风沙区是西藏自治区的主要沙丘分布区和受风沙灾害影响的主要区域。但目前对该地区沙尘物源的研究甚少,从而限制了我们对该地区风沙地貌形成演化过程、防沙治沙工程合理布局和沙尘暴预报预警工作的开展。沉积物理化性质是沉积物物源判别的主要证据。为此,收集了雅鲁藏布江中游河岸、河漫滩、河漫滩沙丘、林地和山麓沙丘沉积物样品,对其进行粒度、常量元素和微量元素（<63 μm）分析,对该地区沙尘物源进行判别。结果表明：（1）不同类型地表沉积物粒度特征存在明显空间差异。沙丘沉积物以>63 μm沙为主（>91%）,而河岸和河漫滩粉沙和黏土含量与沙的含量几乎相同。（2）不同地表沉积物的常量元素相似。SiO₂含量最大,MgO含量最小;Fe₂O₃在河岸、河漫滩和林地富集,而在沙丘亏损,其他元素均为亏损。（3）不同地表微量元素差异较大,Ti、Sr和Ba总体为亏损,其他元素为富集。（4）不同地表沉积物的元素比值和风化过程相似,说明了研究区地表沉积物具有相同的物质来源。河岸和河漫滩具有形成风沙灾害的物质条件,是风沙灾害的主要物源。     

塔克拉玛干沙漠风蚀起沙观测研究——试验介绍与观测结果初报

介绍了中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所在塔克拉玛干沙漠开展的风蚀起沙观测试验。对观测试验所获观测资料进行了初步分析,获得了一些有关塔克拉玛干沙漠风沙运动的特征。主要结果为,下垫面状况影响风沙流结构,塔中、若羌0~100 cm高程风沙流结构完全符合指数分布,肖塘则上部偏离指数分布;3地0~100 cm高程风沙流分别有72.4％、47.3%、62.6%的输沙量分布在0~30 cm高程内;3地风沙流输沙的粒径以细沙、极细沙、粉沙为主,其中极细沙可占到输沙量的43.8%~75.5%;风沙流中贴地层风速廓线受风沙相互作用的影响,不再符合对数分布,更加符合幂函数u=azb分布,拟合系数均大于0.93;沙尘撞击颗粒数与2 m高度风速变化趋势一致,塔中、肖塘、若羌3地的临界摩擦速度分别为0.25 m·s-1,0.27 m·s-1,0.21 m·s-1。     

基于倾斜摄影技术的戈壁灌丛沙丘形态反演及其对粉尘释放研究的意义

灌丛沙丘是广泛分布于西北干旱区的风沙地貌。戈壁上发育的灌丛沙丘在戈壁沙尘释放和固沙能力方面具有重要的指示意义和应用价值。本研究采用倾斜摄影技术对戈壁上的灌丛沙丘形态特征进行观测和提取,并分析沉积物特征,计算戈壁灌丛沙丘的固沙能力,为沙尘释放研究提供依据。结果表明:(1)戈壁上发育的灌丛沙丘有明显的空间分布格局,即主要分布在干河床的两侧和地势低洼地区。(2)戈壁灌丛沙丘在形态上和其他地表灌丛沙丘类似,但沙丘的长度、宽度、底面积、体积等小得多,而且参数之间具有明显的相关关系。(3)沉积物的累积概率曲线表现为三段式,跃移组分的粒度范围(50~700 μm)明显与以往研究不同。沙丘内部和表层的粉沙和黏土含量分别为4.47%和5.24%,从而说明灌丛沙丘能够捕获戈壁上释放的粉尘物质。(4)戈壁地区单个灌丛沙丘的粉尘释放量约0.05~0.08 m³,固沙能力最大可达18.71 m³。     

复杂风况条件下戈壁输沙量变化规律的研究

 戈壁输沙量与输沙势的定量关系一直是风沙地貌及风沙工程的关键科学问题之一。对莫高窟顶戈壁输沙量的长期监测（2008年5月至2009年4月）结果表明,窟顶戈壁输沙势为129VU,窟顶北侧的总输沙量约905 kg·m-1左右。其中,偏东风输沙量达500 kg·m-1,偏西风输沙量达320 kg·m-1。当风速大于11 m·s-1时,戈壁风沙发生长距离的输送,偏西风可将265 kg·m-1的沙量输送到窟区,偏东风可将410 kg·m-1的沙量吹回到鸣沙山。根据本区偏东风强盛,且偏东风戈壁输沙量大于偏西风输沙量的特点,提出了以固为主,输导结合的莫高窟风沙防治的主导思路。认为在窟顶构建一个既能阻截沙物质,又能对阻截的沙物质进行输导的人工戈壁床面是完全可行的。     

哈尔滨沙尘沉降物物源敏感粒度组分的提取及来源分析

采用粒级-标准偏差算法对哈尔滨2006年3月10日沙尘沉降物进行了物源区敏感粒度组分的提取,获得各来源组分的粒级范围和含量,并进一步分析了不同粒级成因组分的来源.研究认为:1)19.2 μm是哈尔滨2006年沙尘天气颗粒短期悬浮和长期悬浮之界限,而152.4 μm是沙尘颗粒悬浮搬运的粒径上限.2)20 μm作为粉尘物质短期悬浮颗粒与长期悬浮颗粒之界限具有普遍性,而悬浮载荷的粒径上限则与一定的风力条件和地表状况密切相关.3)沙尘沉降物包含4个物源区组分,粒径范围分别为:<1 μm(组分1)、1～19.2 μm(组分2)、19.2～152.4 μm(组分3)和>152.4 μm(组分4).前2个组分属长期悬浮组分,其中组分1代表大气粉尘的本底值;组分2代表非本地源的远距离外源输入,可能与高空气流的搬运有关,包括甘肃和内蒙古在内的半干旱地区为哈尔滨沙尘提供了一定量的粉尘物质;组分3为短期悬浮组分,主要是区域内部沙尘天气产生,松散地表裸土是该组分的重要物源;组分4为跳跃或滚动组分,源于近源物质堆积,是就地起沙.4)哈尔滨2006年沙尘天气外源输入约占63.8%,近源和内源输入占36.2%.松散地表裸土的治理仍是哈尔滨防治沙尘天气的工作重点.     

降尘过程指示的沙尘循环过程

 大气降尘过程受诸多因素的影响,如沙尘源区的性质、输送距离、降雨量等。利用甘肃省10个城市15 a间(1986—2000年)的降尘监测资料与气象资料,主要分析了沙漠戈壁区与黄土区降尘的差异及原因。结果表明：①西北干旱区的降尘量主要与沙尘事件频次有关;②沙漠戈壁区的大气降尘量大于黄土高原区;③降尘量在强沙尘源区,呈现出显著的高值中心。随着沙尘自西向东输送,降尘通量随输送距离的增加而减少。     

新月形沙丘表面100cm高度内风沙流输沙量垂直分布函数分段拟合

为研究新月形沙丘表面不同层位风沙流输沙量的垂直分布函数,实测了塔克拉玛干沙漠腹地典型新月形沙丘表面100 cm高度内(以1 cm分隔)的输沙量。分段拟合分析表明:新月形沙丘迎风坡脚输沙量垂直分布规律不完全服从指数函数,出现与戈壁风沙流结构特征相似的"象鼻效应",在0~3 cm区间内输沙量逐渐增大,3cm以上输沙量随高度呈指数函数衰减;沙丘顶部0~10 cm区间输沙量随高度呈指数函数衰减,10 cm以上呈二次函数衰减;沙丘左翼端输沙量随高度呈幂函数分布,沙丘右翼端0~20 cm内以指数函数衰减,20 cm以上呈三次函数衰减;沙丘背风坡脚风沙流输沙量在0~60 cm和60 cm以上分别呈不同形式的三次函数分布。     

中国沙尘暴分布规律及研究方法分析

在分析中国沙尘暴研究现状的基础上,对其时空分布规律、沙尘源地、移动路径、研究方法和手段进行了系统的总结。结果表明,中国沙尘暴分布与北方的沙漠、沙地、戈壁等荒漠化地区分布一致,存在4大沙尘源区。干枯的湖泊、弃荒土地、沙砾草场可能成为东北地区的主要沙源,应引起注意;沙尘暴移动路径主要有3条,分别归纳了各路径的特征;根据沙尘源区示踪方法的特点和实例,指出了适用条件和应用范围,为今后沙尘暴的研究和防治提供依据和思路。     

西北地区气溶胶的源和汇与沙尘暴研究综述

西北地区是我国沙尘暴发生次数频繁、发生强度最大的地区,近年来发生的大沙尘暴源地均位于新疆、甘肃和内蒙古的干燥沙漠或戈壁地带。由这些地区起源的沙尘既对全球气候有影响,又对全球化学物质的循环有重要意义。该地区荒漠化严重,已成为全球四大沙尘暴高发区之一的中亚沙尘暴区的重要组成部分,文中综合论述了中国西北地区沙尘气溶胶的源和汇与输运过程,概括性总结了近20多年来对西北地区沙尘暴的研究成果。     

戈壁砾石覆盖度与风蚀强度关系实验研究

戈壁表面的砾石覆盖度对风沙物质的运移有不可忽略的影响,在极端干旱区砾石覆盖是防沙治沙的重要手段。通过风洞实验模拟了阿拉善戈壁区砾石覆盖度与风蚀强度的关系。结果表明,当因地表风化作用等产生的松散颗粒物被吹蚀后,不同地点、不同样品之间风蚀强度有明显的差异,因而砾石覆盖度与风蚀强度之间的相关关系并不显著;但数据标准化后则表明,当砾石覆盖度在40%以下时,随砾石覆盖度的增加风蚀强度也有所增大。戈壁地区的风沙运动中,在砾石覆盖度小于40%条件下,不同风速下风蚀强度的变异系数是不同砾石覆盖度下的风蚀强度的变异系数的2倍左右。在极端干旱的戈壁区,影响风蚀强度的因素十分复杂,砾石覆盖度增大不仅不能控制风蚀现象的发生,反而增强气流对地表的风蚀能力,这一因素可能是阿拉善高原戈壁区成为中亚强沙尘暴主要源地的重要原因之一。