沙粒启动机制的理论分析

从理论上对沙粒的初始启动与垂直抬升作了理论分析。结果指出,沙粒脱离地面的位置顺序是沙平面上凸拐点处、斜面上外突较大的地方、极大值点、水平面、极小值点以及凹槽的拐点处;提出了沙丘的平化运动、缩移运动与持相运动;气动力起沙的条件是:小粒径沙粒、大风、涡度场(与水平风同符号)、不稳定(层结不稳定与切变不稳定)以及粘性流;冲击起沙的条件是:大粒径沙粒、小风、涡度场(宜与水平风反符号)、稳定大气以及湍流;最后提出了沙尘暴启动的交替循环机制。     

区域气候模式对中国沙尘天气气候特征的模拟研究

现有的沙尘天气数值预报模式多选用中尺度天气模式单向耦合起沙模式的方式,不适合用来模拟沙尘气溶胶的长距离输送过程,也无法研究沙尘气溶胶辐射效应对气象场的反馈及气候变化的影响。利用一个耦合沙尘模式的高分辨率区域气候模式,模拟了2001年中国北方沙尘天气爆发的时空分布特征。模拟结果与站点观测结果对比发现,模式能够较好地模拟出中国北方主要的沙尘源地分布及沙尘天气爆发的季节变率。分析不同粒径沙尘颗粒的垂直分布特征发现,沙源地表土壤粒子特征、地形对起沙颗粒的大小都有影响;直径超过5 μm的大粒子是北方沙尘天气的主要成分,而影响长江以南的沙尘天气主要以1 μm以下的小粒子为主。对沙尘传输路径的模拟结果和实况观测发现,来自于不同沙源的沙尘天气其影响的范围有显著差异,模式能够较好地模拟出中国主要沙尘传输路径。     

蒙古气旋天气过程中的沙尘传输特征

基于沙尘数值预报模式针对不同区域地面起沙的敏感性试验结果,分析讨论了蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘传输的特点及形成原因。结果表明：蒙古气旋沙尘暴过程的沙尘传输表现为:沙源区纬度越高,沙尘向东传输越强,纬度越低,向南传输越强;同时,高度越高,沙尘向东传输越强,高度越低,向南传输越强。其形成原因是萨彦岭山地背风坡效应、青藏高原东北侧地形强迫绕流等自然地理因素和蒙古气旋的动力、热力结构共同造成的,具有一定程度的普遍性。     

腾格里沙漠西部和西南部风能环境与风沙地貌

腾格里沙漠西部和西南部的沙漠边缘地区位于石羊河流域的下游地区,该地区生态环境脆弱,成为近年来备受关注的区域之一。利用自动气象站2009年年度风况资料和Google Earth影像,对该地区的风能环境与风沙地貌进行讨论,为评价区域风沙活动强度,风沙地貌形态特征提供依据。研究表明,腾格里沙漠西部和西南部的风况、风能环境呈自北向南逐渐变化的趋势,年平均风速西部最大,中部次之,南部最小;起沙风风向在北部以西北风和东北风为主,中部以西北风和东南风为主,而南部以西北风为主,东南风很少。研究区的北部为高风能环境,中部和南部为低风能环境。研究区的沙丘类型主要为格状沙丘,在沙漠边缘的部分地区为新月形沙丘链,南部为植被线形沙垄,其主要是由地形作用形成的,沙垄之间为新月形沙丘链。风能环境、沙源和植被共同影响沙丘的形态参数,研究区中部的风能比南部大,沙源比南部多,植被比南部少,因此,格状沙丘主梁之间的间距要比南部新月形沙垄的间距大。格状沙丘的走向近似相同,均在205°~225°之间。研究区南部有范围较大的植被线形沙垄,其间距在0.8～2.0 km之间,平均间距为1.37 km;走向为近似南北（164°～176°之间）。     

敦煌-格尔木铁路沿线风动力环境特征

敦煌-格尔木铁路沿线地形复杂、起沙因素多变、沙源丰富，沙害问题日益严重。目前对其风沙活动规律还未有研究，不利于防沙工作的开展。为此，通过对自北向南的5个观测点（S1、S2、S3、S4、S5）风速和风向的观测、计算和分析，利用平均风速、起沙风况及输沙势对敦格铁路沿线的风动力环境特征进行研究。结果表明：S5、S4和S3的风况对铁路风沙灾害防治意义较大。S5年平均风速、起沙风频率和输沙势最大，春季风沙活动最为强烈，且风向单一、风力强劲，风沙运动方向基本与铁路垂直，沙粒易在铁路附近堆积。S4夏季风沙活动最为强烈；S3春季风沙活动最为强烈，且风向单一，S4和S3的风沙运动方向与铁路夹角小于90°，附近沙源广阔，铁路易受风沙侵蚀，阻碍交通运营。     

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。     

丘间低地不同部位风沙流结构特征

为了研究丘间低地不同部位风沙流结构特征,摸清风沙运动规律,为丘间低地风沙治理提供理论依据,使用阶梯式集沙仪对丘间低地风沙流进行了观测。结果表明,丘间低地不同部位风沙流结构存在明显差异,输沙率随沙源距离的增加而减小,风速越大,差异越明显,沙源丰富度和地形是造成差异的主要原因。在0~80 cm范围内,输沙量与风速呈指数函数关系,输沙率与高度呈幂函数关系。丘间低地风沙流结构特征值λ在沙源不同距离处均大于1,而且随着风速的增加,λ逐渐增加,风沙流趋向于更加不饱和状态。从近沙源处开始往后,λ基本呈增加趋势。     

塔克拉玛干沙漠腹地垄间地上覆沙丘形态的空间变化特征及其成因

垄间地是塔克拉玛干沙漠中的一种典型下垫面,发育有众多尺度小、形态简单的沙丘,而这些沙丘的分布及其形态的空间变化和成因,至今研究较少。基于Google Earth影像和实地观测,研究了塔克拉玛干沙漠腹地垄间地上覆沙丘在主导风向上的分布格局和形态特征,并分析了其成因。结果表明:(1)垄间地分布有沙片、新月形沙丘、新月形沙丘链和线性沙丘,但新月形沙丘分布最广泛、数量最多,沙丘数量次之,在整个垄间地都有分布,新月形沙丘链集中分布在沙垄背风坡脚,而线性沙丘则主要分布在沙垄迎风坡脚;(2)垄间地上覆沙丘具有明显的空间分布格局,沿主风向,沙丘密度和覆盖度呈上风向下风向中部,而新月形沙丘的长度、宽度、底面积、两翼开展度等形态示量参数,从沙垄落沙坡脚到垄间地中部偏迎风坡各参数呈现不同程度下降,沙丘呈逆向演变,随着靠近沙垄迎风坡脚各参数逐渐增大,沙丘又转为正向发育;(3)沙丘的空间分布和形态差异源于地表风动力和沙源供给的空间分异。沙垄背风坡脚风动力相对较弱,沙源丰富,沙丘密度高,新月形沙丘形态发育成熟度高;沙垄背风坡脚到垄间地近迎风坡脚,气流摆脱沙垄风影影响,风速逐渐增大,地表粗沙覆盖,沙源供给相对减少,沙丘物质收支失衡,形态趋于逆向演变;从垄间到沙垄迎风坡脚,受沙垄阻挡,风速降低,地表沙物质相对较细,地表沙源供给相对较充足,沙丘物质收支状况改善,沙丘形态有所恢复。     

回涡沙丘的形态特征与表面物质组成

在沙丘分类系统中,回涡沙丘是一种重要的有障沙丘形态,系运移风沙流在障碍物前遇阻堆积而成。野外测量表明,回涡沙丘具有与新月形沙丘相似的外观,其迎风坡坡度一般在2°～18°之间,背风坡坡度较陡为21°～31°。回涡沙丘高度及其与障碍物距离受障碍物高度的控制,障碍物越高则回涡沙丘也越高,沙丘离障碍物也越远,沙丘高度、沙丘与障碍物距离分别与障碍物高度线性相关。粒度特征反映了局地沙源特征,粗细颗粒均可在风力作用下形成障前堆积形态。同一地区回涡沙丘与新月形沙丘表面物质的粒度参数对比表明,由于障碍物前回旋涡流的影响,回涡沙丘表面物质经历了更为强烈的风力分选过程,物质组成更细,分选更好,更趋于正偏和窄峰态。     

腾格里沙漠沙丘沉积物粒度特征及其空间差异

沉积物粒度特征对于研究物源、衡量搬运能量具有重要意义。分析了腾格里沙漠45个沙丘顶部样品的粒度特征,并计算了30 a输沙势。结果表明：（1）沙丘沙以细沙（71%）和中沙（20%）为主,平均粒径2.38 Φ,分选系数0.40 Φ;平均粒径与分选系数、偏度呈良好的线性关系。（2）分选为“极好”和“好”的样品整体分布在沙漠中部和西南部,前者概率累计曲线趋于近对称、中等峰态,为二段式,后者趋于正偏、中等或尖窄峰态,为三段式;而沙漠边缘分选较差,概率累计曲线为多段式。（3）盛行起沙风为西北风。西北和东北部属中风能环境,风况属单峰型和复杂型;南部和东南部分别属低、中风能环境,均双峰型风况。研究区沙丘沙源应以下伏河湖相沉积物就地起沙为主。沙漠边缘河湖相沉积物应该为中部区沙丘沙提供了物源,西南部沙丘沙可能源自石羊河下游的冲洪积物,风力分选作用较长,边缘沙丘沙则应来源于该区河湖相沉积物就地起沙,风力分选不充分。粒度参数空间分布特征与沙丘类型和规模之间存在一定的耦合关系。     

利用遥感综合分析西风引导气流与地形对沙尘运移路径的影响

沙尘暴的发生受大气环流、地表状况、降雨的影响，还受到局部地区地形的影响。一次规模较大的沙尘暴过程，沙尘可以从蒙古国和我国西部沙源地输送到我国东部、韩国、日本乃至夏威夷、美国西海岸。中日亚洲沙尘暴ADEC项目对亚洲沙尘暴的起沙、传输和降落的运行机制已经作了深入的研究，并建立了亚洲沙尘暴的数值模拟系统。本文以影响北京地区的沙尘暴事件为例，利用遥感技术，综合DEM地形数据和地面实测数据分析西风引导气流和地形对沙尘运移路径影响，将MODIs影像数据和DEM地形数据以及地面观测站点实测数据相结合，进行综合分析，结果表明在一次沙尘暴过程中，沙尘在运移过程中的运移路径明显地受到西风引导气流、沙尘粒子自然沉降规律以及局部地形的影响，要预防(减少)北京地区的沙尘暴仅仅作好北京地区的生态环境建设是不够的，加强北京周边地区，尤其是张家口地区、官厅水库库区及库区周围地区的生态环境建设尤为重要。     

一次沙尘暴过程TSP质量浓度的连续观测和分析

采用大流量大气采集器对2001年4月6~7日特强沙尘暴期间内蒙古阿拉善左旗、包头、呼和浩特、四子王旗、集宁、化德、二连浩特、苏尼特右旗等地大气中TSP浓度进行了连续观测并结合天气资料进行了分析。结果表明,此次沙尘暴过程中,TSP浓度的绝对值大,变化幅度也大,最小值为1.896 mg·m-3,最大值为52.153 mg·m-3,平均值为13.399 mg·m-3。各地TSP浓度变化的时序反映了沙尘暴的影响范围和移动状况的变化,TSP浓度绝对值的变化反映了沙尘暴强度的变化,从开始的较小值逐渐增至最大值,最后再回落到较低水平。内蒙古西部沙尘暴主要源于蒙古国的远距离输送,局地起沙对中部沙尘暴形成具有重要贡献。本次过程TSP浓度最大值达到空气污染程度最为严重的城市冬季TSP浓度极值的10~50倍,表明沙尘天气导致的空气污染远大于一切人为排放源造成的污染。     

浑善达克沙地春季沙尘暴期间沙尘启动及传输特性研究

沙尘暴是一种强烈的风蚀过程,同时又加剧了荒漠化进程。沙尘气溶胶的生态环境及气候效应已成为国际社会关注的焦点问题。采用“IMGRASS”春季野外实验期间在内蒙古浑善达克沙地东南部的桑根达来观测点得到的沙尘气溶胶的粒谱,计算了该沙地10 m高度的沙粒启动速度,并估算了该沙地沙尘气溶胶的传输距离。     

积雪覆盖度对沙尘暴的影响分析

采用遥感监测内蒙古中西部地区积雪覆盖度数据以及地面气象观测站1961—2005年沙尘天气观测资料,以沙尘暴、扬沙发生日数为定量指标,分析了内蒙古中西部地区积雪覆盖度与沙尘暴、扬沙发生日数的关系。研究结果表明,在内蒙古中西部地区,积雪覆盖度与沙尘天气的发生有负相关关系,但地表积雪覆盖对沙尘暴的抑制作用要小于对扬沙的抑制作用,这种负相关关系在1—3月较11—12月更为显著。积雪覆盖度决定了积雪的影响范围,而积雪日数则决定了这种影响持续的时间,综合考虑这两种因素,构建了积雪指数用以反映积雪的这种空间和时间的共同作用。积雪指数能较好地反映积雪日数与积雪覆盖度对沙尘天气的综合作用。     

柴达木盆地北部风速对尘暴事件降尘的影响

通过系统监测柴达木盆地北部冷湖地区的月降尘通量以及尘暴事件降尘量,发现该地区月降尘通量变化在0.57×103～18.12×103 μg·cm–2·month–1之间,并且与月极大风速（Vextr）具有较好的正相关性（r2=0.60, n=23）;该区年内主要粉尘堆积时段为春季和初夏;尘暴事件发生期间的降尘量不仅与尘暴持续期间10 min平均风速具有良好的正相关关系（r2=0.60, n=16）,而且降尘量与10 min风速变化幅度有关:强劲稳定的风力条件在监测地点产生较少的降尘量,强劲且变率较大的风力条件产生较多的降尘量。监测结果显示,风速的变化对粉尘的释放、输送和沉降有重要的影响,有助于理解地质记录所揭示的冰期-间冰期不同的大气粉尘沉降速率。     

河西走廊最近一次强沙尘暴的调查分析

1996年5月29~31日在甘肃河西走廊又出现了一次强沙尘暴天气。从这次强沙尘暴和1993年"5·5"强沙尘暴的比较分析可知,春季在河西走廊周围易形成以沙漠为中心的高温低压区,与西西伯利亚向东南方向移动的高压冷气流形成明显的气压梯度,这就是大风的动力源。大风前期,在气温、压温比等方面有明显的预兆,由此可进行强沙尘暴的预测预报。     

影响中国西北及青藏高原沙尘天气变化的因子分析

利用1948—2006年的NCEP(2.5°×2.5°)月平均再分析资料,分析了影响西北及青藏高原沙尘天气变化的动力、热力因子。结果表明:①200 hPa副热带西风急流是影响沙尘天气的动力因子,高层天气系统的季节性变化,导致了其位置及强弱的季节性变化,从而导致了高原南部扬沙、沙尘暴季节性南北移动;急流的动力结构使局地环流得以形成,局地环流的下沉支流使得高空动量下传,使地面风速增大,从而使扬沙和沙尘暴发生。②浮尘和扬沙、沙尘暴天气成因有所不同,地表温度等热力因素对浮尘天气有直接影响;而急流等动力因子则影响浮尘天气的频率,对发生范围影响较小;动力因子是扬沙、沙尘暴发生的直接原因;500 hPa锋生函数大值带的季节性南北移动也是扬沙、沙尘暴南北季节性变化的重要原因。③500 hPa水汽输送带的边缘是扬沙和沙尘暴容易发生的区域。④地表湿度是沙尘天气发生的一个因子,当地表较干时,沙尘天气发生频率增加,而当地表湿度增大时,沙尘天气发生的频率减小。     

新疆春夏季大气降尘分析

  在新疆沙尘暴主要发生区布设了22个大气降尘观测点,对2007年春夏季大气降尘总量进行监测。分析表明:南疆大气降尘总量远高于北疆,塔里木盆地的高值中心位于盆地偏南部;将大气降尘与气象要素进行相关分析,表明大气降尘与降水量呈负相关关系,大气降尘与沙尘天气发生日数存在正相关关系。     

2021年“3·15”沙尘暴沙尘来源核素示踪研究

沙尘暴对大气环境和人类健康造成严重影响,查明沙尘来源对防沙治沙具有重要意义。选择中国北方7地2021年“3·15”沙尘暴期间降尘样品,分析粒度组成和核素（²³⁵U、²³²Th、²²⁶Ra、¹³⁷Cs）含量差异。结果表明：西宁、兰州、西安、北京、济南和临沂6地降尘以粉粒为主,核素含量特征表明降尘是远距离搬运的风尘沉积或吹蚀起的附近黄土。除中卫和西安外,其余5地沙尘的¹³⁷Cs比活度远高于农耕地,低于植被覆盖度高的草地,沙尘的主要来源应不是农耕地,而是覆盖度低的侵蚀草地。西安沙尘的¹³⁷Cs比活度与农耕地相近,农耕地可能是沙尘的主要来源。中卫沙尘粒度粗,¹³⁷Cs比活度极低,沙尘来源于毗邻的腾格里沙漠。     

塔里木盆地一次东灌型沙尘暴环流动力结构分析

利用NCEP再分析资料和常规地面观测资料,对2006年4月10日塔里木盆地发生的一次东灌型沙尘暴,从气候背景、环流形势、螺旋度场、锋生次级环流、温度平流等方面进行分析,揭示了此类沙尘暴强盛期的环流动力结构。结果表明：①里咸海脊、乌拉尔脊、新地岛脊同位向叠加,西西伯利亚横槽转竖南下,引导泰米尔半岛强冷空气爆发直插新疆,东灌进入南疆盆地,造成大范围沙尘暴天气;②西西伯利亚地面冷高压爆发性南下并强烈发展是造成此次沙尘天气的根本原因;③盆地前期的干暖形势为沙尘暴的产生提供了有利的热力条件;④沙尘暴区上空螺旋度垂直分布为低层正值、高层负值,构成低空强辐合、高空强辐散的上升运动区,揭示强旋转上升运动是大范围沙尘暴发生的动力条件;⑤高空急流入口区次级环流下沉支导致高层动量下传 ,促使对流层中低层风力加大,冷锋南压,驱动沙尘天气的发生。