粗糙床面风廓线的转折特征及其物理意义

为了进一步认识粗糙床面空气动力学粗糙度的物理意义,理解空气动力学粗糙度对动量传递和跃移起动的影响机制,从风洞试验测定的粗糙床面风廓线转折特征入手,分析了粗糙床面的空气动力学性质并提出了内边界层动量传递及近壁区沙粒起动的可能机制。结果表明,细高粗糙元（方向比率在4~20之间）和孔隙粗糙元（孔隙度在0.15~0.75）风廓线呈现4个转折段,对应的湍流垂直分层为近壁区-尾涡层（Z≤0.15H~0.5H）、内边界层-尾涡层过渡层（0.15H≤Z≤0.75H）、内边界层（0.3H~0.75H≤Z≤1.2H~6H）和内边界层与外边界层过渡层等。粗矮粗糙元（粗糙元的方向比率在0.4~1.25之间）风廓线存在几个转折段,对应气流垂直分层为近壁区-尾涡层（Z≤1H~1.5H）和内边界层（1H~1.5H≤Z≤7H~35H）等。细高粗糙元和孔隙粗糙元覆盖21组床面（侧影盖度在0.007~0.50,粗糙元的高度在10~100 mm）的内边界层内空气动力学粗糙度在0.07~30.74 mm之间,比内边界层以上或以下过渡层的空气动力学粗糙度高几个数量级到数倍;内边界层摩阻风速的0.50~1.66 m\5s-1之间,是内边界层以下过渡层的1.5~10倍、内边界层以上过渡层的摩阻风速的1.1~2.8倍。内边界层的空气动力学粗糙度和摩阻风速分别代表了粗糙床面对气流阻力特征和湍流切应力。内边界层以下过渡层湍流切应力与粗糙元之间光滑地表所受切应力关系不大,而近壁层切应力与光滑地表所受切应力直接相关。近壁层猝发过程上抛运动和内边界层湍流猝发过程下扫运动耦合关系是内边界层的一部分动量传递到近壁区并导致沙粒起动的可能机制。     

风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线特征比较

为进一步认识风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线特征的异同,在风洞中分别对风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线进行了测量,风速采集时间间隔缩短至0.01s,分析了风沙流和净风场中瞬时水平风速、瞬时摩阻风速和瞬时空气动力学粗糙度的变化特征。结果表明：相同来流条件下,风沙流中水平风速脉动强度高于净风场,风沙流中瞬时摩阻风速、瞬时空气动力学粗糙度以及它们的脉动幅度均大于净风场;风沙流和净风场中瞬时摩阻风速概率密度分布均可以表示为正态分布,但其正态分布的特征值却存在一定差别;净风场中瞬时空气动力学粗糙度的概率密度分布表现出单调递减分布,而风沙流中瞬时空气动力学粗糙度的概率密度分布呈现出单峰分布。因此,在相同主流风速下风沙流和净风场中瞬时水平风速廓线特征有明显差别。     

固定沙质床面的空气动力学粗糙度

通过固定沙质床面的空气动力学粗糙度z₀的风洞实验研究,结果表明,z₀与沙粒粒径的关系为:z₀=a₁+b₁D²ln(D),并非Bagnold的1/30定律,也不是其他研究者的z₀与沙粒粒径D的固定关系。Bagnold的1/30定律仅对有限风速情况和非常狭窄的颗粒粒径范围有效。风也是影响空气动力学粗糙度的活跃因子。z₀与沙粒粒径,z₀与摩阻速度,z₀与摩阻雷诺数之间的关系都与风速有关。类似于水利学粗糙度,将空气动力学粗糙度划分为空气动力学完全光滑区、过渡区和完全粗糙区三个区域。     

农田休闲期不同保护性耕作措施的防风效应研究

保护性耕作是旱作农田土壤风蚀防治的必要措施\.通过野外试验,对深松、浅耕、翻耕覆盖、免耕油菜低茬和高茬、免耕小麦低茬和高茬等7种保护性耕作措施和传统翻耕、草地两种对照下0～4 m的风流场进行了观测,对各种下垫面上空气动力学粗糙度、摩阻速度、风速绝对脉动强度和相对脉动强度进行对比分析。结果显示,不同保护性耕作措施降低风的侵蚀力,防治土壤风蚀的机制不同。留茬主要通过增加地表空气动力学粗糙度和摩阻速度,利用作物残茬和秸秆等粗糙元分解风对地表的剪切应力,降低风蚀强度。而深松、浅耕、翻耕覆盖等措施在增加地表粗糙度和摩阻速度上效果不如留茬,但近地表0\^05 m处风速脉动较弱,相同风速下对地表的剪切应力较小,土壤风蚀速率降低。此外,作物残茬、秸秆和牧草等粗糙元的高度、密度及直立性均对下垫面的空气动力学粗糙度、摩阻速度及风速脉动有一定影响。     

数值模拟气流特征和砾石几何参数对床面空气动力学粗糙度的影响

本文应用流体计算软件FLUENT6.3,采用非结构化网格划分技术模拟了气流特征和砾石几何参数对床面空气动力学粗糙度的影响。结果表明：空气动力学粗糙度（z₀）与风速（u）、摩阻速度（u_*）之间存在定量关系：z₀=a exp（bu/u_*）。砾石高度对空气动力学粗糙度的影响显著优于砾石直径,空气动力学粗糙度随砾石密度的变化比较复杂,先增加后减小。FLUENT在模拟风洞砾石床面动力学过程中的成功应用,是我们在研究方法上的一次有益尝试。     

植被覆盖地表空气动力学粗糙度与零平面位移高度的模拟分析

 空气动力学粗糙度、零平面位移高度是植被覆盖地表的两个重要的空气动力学特征参数,利用数值计算的方法,运用Matlab软件编程,对内蒙古四子王旗草地地表的空气动学粗糙度、零平面位移高度进行模拟计算、绘图及分析。得到了在8种植被密度和6种植被高度情况下摩阻速度、空气动学粗糙度、零平面位移高度与风速的关系,并与野外实验数据进行对比分析,发现模拟值可以很好的反映空气动力学参数的性质。进而分别得到了包括植被密度的风速与摩阻速度、空气动学粗糙度的关系式和包括植被高度的风速与摩阻速度、空气动学粗糙度的关系式,这有助于进一步研究该地区草地风沙运动机理,以及床面与近地层气流相互作用的力学性质。     

戈壁风蚀面与植被覆盖面地表性质粗糙度长度的确定

以Monin-Obukhov相似性理论为基础, 利用量纲分析法分别推导出不同层结稳定度下确定戈壁风蚀面与植被覆盖面空气动力学参数的物理模型, 并利用该模型研究了粗糙度长度与粗糙元性质, 流经近地层流体特征以及大气层结稳定度之间的关系。得出以下结论: 戈壁风蚀面上空气动力学粗糙度长度与砾石粒径、高度、覆盖度、自由风速、摩擦速度以及大气层结稳定度有关; 植被覆盖面空气动力学粗糙度长度取决于植被类型、植被高度、覆盖度、零平面位移高度、自由风速、摩擦速度以及大气层结稳定度。     

民勤绿洲边缘荒漠植被滴灌恢复试验研究

应用滴灌技术对民勤绿洲边缘退化植被梭梭、白刺进行灌溉恢复试验研究。结果表明:(1)滴灌条件下,退化植被梭梭、白刺生长良好,可使梭梭新稍增长1.3~1.5倍,新梢数目增多1.1~1.2倍,新梢生物量增加1.5~1.8倍;使白刺冠幅增大1.9~2.8倍,叶片数增多1.6~2.2倍,叶生物量增大2.8~6.5倍。(2)滴灌植物梭梭、白刺光合生理作用强。相对免灌对照,梭梭在100 m³.hm^-2和150 m³.hm^-2的灌溉定额下光合速率(CO2)提高1.30 μmol.m^-2.s^-1和3.42 μmol.m^-2.s^-1,白刺在200 m³.hm^-2和300 m³.hm^-2的灌溉定额下光合速率提高0.76 μmol.m^-2.s^-1和1.35 μmol.m^-2.s^-1,滴灌植被光合速率随灌溉量的增加而增大。(3)灌溉林地土壤水分状况得到较大的改善,在0~250 cm土壤层次内,梭梭林地水分为3\^07%~3\^34％,相对对照林地提高了1.0~1.3百分点;白刺林地水分为2.76%~4.43％,相对对照提高了0.7~2.3百分点。     

雅鲁藏布江中游平坦流沙地表空气动力学特征北大核心CSCD

近地层空气动力学过程及特征是影响风沙运动过程及强度的重要因素,受地表粗糙元特征和空气密度等多种因子的影响,是风沙科学研究的重要内容。雅鲁藏布江中游是青藏高原风沙活动最频繁的地区之一,但对其流沙地表空气动力学过程的研究较为薄弱。基于日喀则宽谷和山南宽谷的野外实测风速资料,对流沙地表的风速廓线、空气动力学粗糙度(z_(0))和摩阻风速(u_(*))进行分析,旨在为高海拔风沙运动过程、机理提供理论依据,同时为该地区风沙灾害的防治提供思路。结果表明:(1)空气密度为0.84±0.02 kg·m^(-3)时,流沙地表的风速廓线满足对数函数关系。高海拔地区风速廓线平均截距和斜率大于低海拔地区,说明由海拔引起的空气密度影响近地层气流运动。(2)雅鲁藏布江中游摩阻风速随风速增大而线性增大(R^(2)>0.75),但二者的拟合系数大于前人的研究结果,进一步说明空气密度影响近地层气流运动。(3)u_(*)和z_(0)满足指数模型z_(0)=b_(1)exp(u_(*)/b_(2))+b_(3)。(4)相似均质下垫面条件下,u_(*)和z_(0)与气温、湿度和海拔呈显著正相关,气温的影响最大。     

海滩湿润沙面起动摩阻风速的风洞实验

风蚀是一种重要的地貌过程和地质灾害,它影响海岸沙丘的增长,加速土地沙漠化并危害沿岸建筑。沙面湿度强烈影响沙粒的临界起动风速和沙面稳定性,因此,也是影响风蚀过程的一个重要因子。本项风洞实验使用华南热带湿润海岸的海滩沙,研究了表面湿度（1 mm 深）对海滩沙风蚀起动的影响,建立了一个新的预测热带湿润海滩湿沙起动摩阻风速的模型,该模型指明给定粒径下,湿沙的起动摩阻风速随ln100 M（M,重量湿度）线性增加。初步评价了7个预测湿沙起动摩阻风速的模型。实验结果表明,各模型的预测结果间存在着很大差异。在0.0124(M1.5)的湿度下,不同模型预测的湿沙起动摩阻风速比观测的干沙起动摩阻风速大了34%~195%。在湿度小于0.0062(0.5 M1.5)时,Chepil 和Saleh的理论模型和实验数据很吻合;在湿度大于0.0062(0.5 M1.5)时,Belly的实验模型和实验数据更趋一致。     

微生物结皮对两种一年生植物种子萌发和出苗的影响

在温室中对两种一年生植物的种子在微生物结皮和流沙对照上的萌发和出苗状况进行了实验.结果表明:在湿润和干燥状况下,苔藓结皮和藻结皮对种子萌发和出苗状况的影响,完整的和破坏的苔藓结皮和藻结皮对种子萌发和出苗状况的影响,总的来说雾冰藜(Bassia dasyphlla)在完整的苔藓结皮和破坏的两种结皮中出苗率均较高.完整致密的藻结皮能阻止雾冰藜的根接触土壤从而对其出苗设置了物理屏障.小种子植物小画眉草(Eragrostics poaeoides)因其种子较大,种子植物有相对大的土壤接触面积和具有特殊的结构须根,从而较容易克服结皮造成的物理屏障,穿透完整致密的结皮层而到达土壤.在破坏的微生物结皮中小画眉的出苗率略有降低.水分处理仅对雾冰藜的出苗有显著影响.在湿润处理下雾冰藜的出苗率要高于在干燥处理下的.因此,自然状况下年降雨量和分配状况的差异可能会影响这两种植物每年幼苗出苗率的差异,进而会影响到这两个种群在人工固沙区分布格局的差异.     

土壤微生物结皮对两种一年生植物幼苗存活和生长的影响

在温室实验和野外调查中,分析了两种一年生草本植物小画眉草(Eragrostics poaeoides)和雾冰藜(Bassia dasyphylla)的幼苗在苔藓结皮、藻结皮和流沙上的存活和生长状况。两种植物的幼苗存活率均表现出在苔藓结皮上最高而在流沙基质中最低。两种植物幼苗存活率与土壤表层水分含量呈正相关关系。与小画眉草相比较,雾冰藜的幼苗在萌发后根生长较为迅速,在3种土壤类型中和干湿两种水分处理下,雾冰藜较小画眉草均具有较高的幼苗存活率。在干燥处理下,生长在有结皮土壤中的两种植物的植株干重大约是生长在无结皮土壤中植株的5倍。增加水分能降低植株幼苗的死亡率,促进植株生长;增加水分也能在一定程度上减弱因土壤基质差异对幼苗存活和幼苗生长的影响。因此,在自然状况下年降雨量的多少和分配状况的差异可能会影响这两种植物每年幼苗存活率和生长状况的差异,进而会影响到这两个种群在人工固沙区盖度和分布格局的差异性。     

塔克拉玛干沙漠肖塘地区空气动力学粗糙度分析

利用塔克拉玛干沙漠北部肖塘地区梯度自动站2007年1月1日至2007年5月31日的观测数据,计算出该区域中性条件下粗糙度范围是1.00×10-11~1.65×10-3 m,平均粗糙度为6.05×10-5 m,接近沙粒粒径的1/30,与平坦沙面粗糙度相似。摩擦速度的范围是0.14~2.33 m·s-1,平均值1.24 m·s-1。粗糙度随下垫面性质变化明显,与稳定度呈正相关,与风速呈负相关,摩擦速度随粗糙度增大而减小。     

粗糙床面风廓线统一对数区的空气动力学粗糙度及其空间变异特征

为了进一步理解粗糙床面阻力效应,减小空气动力学粗糙度测试中的不确定性,依据风沙风洞测试的3类粗糙元（细高粗糙元、孔隙粗糙元和粗矮粗糙元）覆盖的39个粗糙床面在不同自由风速下的风廓线数据,提出了风廓线统一对数区的概念并得出以下结论：粗糙床面风廓线统一对数区范围约在0.1～0.3 h至边界层顶部,空气动力学粗糙度是变应力层内床面对气流阻力效应的垂向平均;在统一对数区内拟合的空气动力学粗糙度的垂向变异分为先增后减型（概率为71%）、减小型（20%）和增加型（9%）等类型,而采用统一对数区的空气动力学粗糙度可以避免垂向变异带来的不确定性;统一对数区的无量纲空气动力学粗糙度随粗糙元密度以幂函数形式增加的特征,进一步表明该指标能更好地表征粗糙床面对气流阻力效应;尾涡流风廓线统一对数区的空气动力学粗糙度约为街流区1~5倍,表明街流区风廓线统一对数区的空气动力学粗糙度是模拟跃移起动更合适的参数。     

Field determination for roughness length above the different non-erodible surfaces

Non-erodible elements, for its disturbance to the near-surface airflow, have been widely used in arid and semi-arid regions to protect the surface from wind erosion. Roughness length was usually used to evaluate the protection effect of non-erodible elements from wind erosion. In this study, the wind profiles above five types of non-erodible surfaces including gravel, wheat straw checkerboard barriers, cotton stem checkerboard barriers, shrubs, and herbs were measured and analyzed. The wind velocities above these surfaces increased with height approximately in logarithmic functions. The roughness length of different non-erodible surfaces was calculated by the functions of wind profiles. The results reveal that:(1) Roughness length increased with wind velocity in given wind velocity ranges. (2) On vegetative surfaces, wind did not effectively bend the stems. The threshold wind velocity for bending the stems of Achnatherum splendens was 4 m/s, 10 m/s for Agropyron cristatum, and for Artemisia ordosica, no obvious bending of stems even for wind velocity reaching 12 m/s. (3) Correlation analysis results show that the vegetation''s coverage and frontal area affect the roughness length more significantly than the other parameters. (4) The protective results of these non-erodible elements were evaluated. The checkerboard sand barriers made of cotton stem could provide more effective protection than that made of wheat straw. In the same coverage conditions, vegetation could provide more effective protection from wind erosion than gravel, and the blending of different non-erodible elements especially the combination of blending of vegeation and checkerboard sand barriers could provide more effective protection to the surface.     

塔里木河下游不同覆盖度灌木防风固沙功能野外观测研究

 对塔里木河下游50%、25%、10%三种覆盖度灌木降低风速观测结果表明: 50%覆盖度灌木降低风速最明显，防风效能为49.21%；25%的覆盖度灌木降低风速较明显，防风效能为24.44%;10%的覆盖度灌木对风速降低有一定作用，防风效能为9.15%。在7.7 m.s-1风速下，植被覆盖度为10%、25%的沙地输沙率分别是无植被覆盖沙地的62.44%和8.37%；在10 m.s-1风速下，植被覆盖度50%的沙地仅有轻微的风蚀。根据塔里木河下游不同覆盖度植被与降低风速之间的定量关系，得出不同风速条件下的有效植被覆盖率，在研究区常见10～15 m.s-1风速条件下，要达到有效阻沙效果，植被覆盖率应在50%以上。     

腾格里沙漠沙坡头地区固沙植被对生物多样性恢复的长期影响

地处腾格里沙漠东南缘的沙坡头人工固沙植被始建于1956年,46 a来不仅确保了包兰铁路沙漠地段的畅通无阻,而且对区域生态环境的恢复产生了巨大的影响,成为我国干旱沙漠地区交通干线荒漠化防治与生态恢复的成功模式。长期定位监测结果表明:人工固沙植被建立4~5 a后,沙丘表面物理结构初步得到稳定,并由大气降尘形成的无机土壤结皮逐渐演变形成土壤微生物结皮。荒漠藻类、苔藓和地衣等隐花植物在结皮层中得到了大量的繁衍:固沙植被建立46 a后出现藻类24种;苔藓仅有5 种,少于天然固定沙丘结皮上的种类,此外,地衣也在植被区发现,这说明固定沙丘景观逐渐趋于稳定的状态;相对于流沙区,固沙植被区近地面风速降低了 40%,土壤有机质含量增加了60%,其中氮、磷、钾等荒漠生态系统主要限制养分因子及土壤理化性质得到了改善,沙丘表层成土过程明显;土壤水分循环的时空变异驱动了植被的演变,为大量的草本的侵入和定居创造了条件;此外,对鸟类、昆虫和土壤动物及荒漠动物的生存产生了积极的影响。46 a后,固沙植被区共有鸟类 28 种,昆虫 50 种,动物 23种。生物多样性的恢复使原有的相对单一的固沙植被演变成一个结构、组成和功能相对复杂的荒漠生态系统。沙坡头地区生态环境在人为促进下的恢复为我国西部生态建设提供了科学依据。     

砾石床面的空气动力学粗糙度

通过砾石床面的空气动力学粗糙度(Z₀)的风洞实验研究,结果表明,砾石床面的空气动力学粗糙度(Z₀)与砾石粒径、砾石覆盖度和自由风速有关,Bagnold的1/30定律和其它有关空气动力学粗糙度与粗糙元高度的固定比例对砾石床面都不适用。在各种一定砾石覆盖度条件下,砾石床面的Z₀随自由风速的增加而呈指数衰减。在各种一定自由风速条件下,Z₀随砾石覆盖度C的变化遵循二次曲线:Z₀=F₁+F₂C+F₃C^1.5+F₄C²,砾石覆盖度为40%~75%时,Z₀达到最大值。建立了包含自由风速和砾石覆盖度两个因子的Z₀的双因子综合模型。     

干旱区沙漠化土地逆转植被的防风固沙效益研究

使用便携式防沙风速廓线测量仪和阶梯式集沙仪测定了单个植物的阻风作用以及不同恢复阶段植被内的近地面风速、输沙量;同时调查了不同恢复阶段植被的组成、覆盖度,土壤理化性质。结果表明,油蒿、沙蒿、柠条和花棒的个体空间构型分别是:沙蒿、花棒株型为疏散丛生型;柠条株型为中间丛生型;油蒿株型为紧密丛生型;近地面0~50 cm层的阻风阻沙作用效果由强到弱依次为油蒿>沙蒿>柠条>花棒。演替更新过程中,柠条、花棒、沙蒿逐渐衰退,到顶级群落阶段已完全从群落中退出,油蒿形成单一优势种顶级群落。由于优势种群的变化,从初始阶段→发展阶段→相对稳定阶段（顶级群落阶段）的演替更新过程中,近地面粗糙度从0.003 cm、6.039 cm增加到17.726 cm;在流动沙丘2 m高度风速为6.5 m·s-1时,相对稳定阶段没有出现风蚀,发展阶段输沙量只达到1.83 g·cm-1·h-1,占到初始阶段的3.2%。在3 m高度风速相同时,发展阶段近地面风速较初始阶段降低了54.29%,沙结皮厚度达到1~3 mm,所占面积比例达到91%,已经基本实现防风固沙;相对稳定阶段近地面风速较初始阶段降低了83.68%,沙结皮厚度达到5~6 mm,所占面积比例达到98%,完全实现防风固沙。