不同数据源下毛乌素沙地风况及输沙势特征

风是干旱、半干旱区风蚀风积地貌发育的动力基础,我们通常使用风速资料探讨区域风况,但选取不同的风速资料研究同一区域风况时结果存在差异。以毛乌素沙地为例,分别选取中国气象数据网（CMDC）的日最大风速及风向与美国国家气候数据中心（NCDC）的日8个定时观测风速及风向,对比分析起沙风特征。结果表明：（1）毛乌素沙地平均起沙风速相差较小,但起沙风频率明显在CMDC数据源中较高;（2）毛乌素沙地年起沙风向均以WNW、W和NW为主,但年起沙风次风向、不同区域夏季和秋季起沙风次风向组成均在CMDC数据源中较复杂,且起沙风主次风向频率均在CMDC数据源中较高;（3）毛乌素沙地整体均属于低风能环境,中等风向变率,锐双峰或宽单峰风况,但以最大风速计算的年输沙势约是以定时观测风速计算结果的3.3倍。基于两套数据源定量对比分析毛乌素沙地风况及输沙势,这对区域风况研究是一种新的尝试,以期提高对不同数据源提供的风速差异的认识,为今后不同区域的起沙风分析提供一定的参考。     

通天河七渡口风沙环境特征及沙害防治

通天河七渡口位于长江上游楚玛尔河和通天河交汇处，属于长江的水源涵养区和补给区，近年来该地区草场在风力侵蚀作用下出现沙漠化趋势。为控制沙化草地的进一步蔓延，我们在通天河七渡口进行了风沙环境观测，并开展了机械和植物固沙试验。结果表明：通天河七渡口年平均风速为1.95 m·s^-1，最大风速20.63 m·s^-1，主起沙风向为偏西风（包括W、WSW、WNW），次起沙风向为东北风（包括NNE、NE），年输沙势为93.06 VU，年合成输沙方向为107.54°，年总输沙量为3 007.30 g·cm^-1。经过两年的机械和植物固沙试验，沙障内形成了稳定的蚀积凹曲面，使沙层表面得到固定，有效控制了沙丘移动。随着沙障内人工植被的逐渐生长，试验区内地表微环境逐渐得到改善：（1）土壤颗粒变细，沙样粒径组分中粉沙和黏土增多，沙障内未种草地和沙障内人工种草地粉沙和黏土含量分别是流沙地的6.4倍和9.1倍；（2）表土有机质增多，流沙地、沙障内未种草地、沙障内人工种草地表土有机质含量分别为0.91、1.48、2.02 g·kg^-1；（3）沙层表面形成土壤结皮，土壤硬度增强，流沙地、沙障内未种草地、沙障内人工种草地土壤硬度分别为0.52、1.25、2.12 kPa。     

榆林沙区踏郎、花棒飞机播种的适宜播期

播期的选择,主要取决于大气降水与起沙风的密切配合,以培植抗风蚀的壮苗。在5月,东南风与西北风交替出现较多,有利于种子覆沙。6月开始,起沙风的频率明显下降,不利于种子覆沙。20毫米左右的连续降水对覆沙种子发芽出苗极为有利,主要集中在6月中旬以后。然而,7月上、中旬降水后长出的植株,仍具有较强的抗风蚀性;7月下旬降水后长出的植株,抗风蚀性大大减弱。因此,根据以上分析,提出踏郎、花棒的飞播日期从5月上旬到6月上旬,尤以5月中、下旬为宜。     

浑善达克沙地黄柳活沙障防风固沙效益的研究

通过研究浑善达克沙地流动沙地上黄柳活沙障的防风固沙效益,对设置3 a后的不同类型的活沙障进行测定和分析,得出如下结论:沙障设置3 a后,沙地趋于固定,障内植物种类明显增多;设置黄柳活沙障的区域内下垫面粗糙度显著增大,风速明显减弱,而且黄柳网格沙障降低风速的能力较带状沙障强,其顺序为:4 m×4 m黄柳网格沙障>6 m×6 m黄柳网格沙障>间距4 m的黄柳带状沙障>间距6 m的黄柳带状沙障﹥流沙;当旷野平均风速为7.86 m·s-1时,只有流沙和间距6 m的黄柳带状沙障起沙,其他几类活沙障内均不起沙。     

内蒙古半干旱区沙尘天气特征及其与地表特征的关系

利用2002-2010年朱日和气象站观测资料,结合同期归一化植被指数(NDVI),叶面积指数(LAI),植被净初级生产力(NPP)资料,分析了内蒙古半干旱区朱日和地区2002-2010年的沙尘天气特征。结果表明：朱日和地区临界起沙风速为9.4 m·s-1,2002-2010年沙尘天气频率和大于临界起沙风速频率呈波动变化,沙尘天气频率和大于临界起沙风速频率有很好相关性,超过18 m·s-1的强风极易导致沙尘天气的发生;定义标准化的沙尘天气频率（NfDO）为沙尘天气频率与大于临界起沙风速频率之比,当夏季降水量大于100 mm,夏季最大NDVI、最大LAI和最大NPP分别大于0.24、0.3 g·m-2·d-1和0.6 g·m-2·d-1（以碳计算）时,次年春季NfDO较低,沙尘天气不易发生;反之沙尘天气较易发生。对沙尘天气发生机制的分析发现,夏季有效的降水促进了植物生长,夏季降水量、最大NDVI、最大LAI和最大NPP增大,来年春天土壤不容易侵蚀,沙尘天气不易发生。     

自动连续称重式集沙仪设计及野外应用

集沙仪是定量监测风沙活动的重要工具。设计了一种自动连续称重式集沙仪,可以根据试验需要采集不同高度沙样,每分钟收集一次质量数据,实现高频连续集沙。试验结果显示,自动连续称重式集沙仪在15、30、60 cm高度的集沙量满足随高度增加呈指数减少的规律;在15 cm高度,风速与输沙通量呈指数函数关系(y=6E-05·e0.8417x,R2=0.6042),随集沙高度升高输沙通量与风速相关性减弱。自动连续称重式集沙仪与新型平口式集沙仪所测的输沙通量具有很好的一致性(y=0.8119x+0.2645,R2=0.7481)。自动连续称重式集沙仪虽然在稳固性方面需要改良,但能够很好地捕捉高度在15 cm以下沙物质的输移信息,野外应用效果良好,是一种适合野外高精度风沙活动自动监测的新型测量工具。     

北京郊区不同土地利用类型起沙起尘的特征研究

沙尘天气分沙尘暴、扬沙、浮尘三种,北京扬沙天气的沙尘源以就地起沙为主。为有效地进行北京地区的防沙治沙,在2003和2004年连续两年的春季里,对北京郊区不同土地利用类型进行了起沙起尘的实地观测,同时对各土地类型进行了土壤采样,分析了土壤的粒度特征。得到的初步结论为：京郊地区裸露地表的起沙风速为6m／s左右,不同土地利用类型起沙起尘特性有很大不同,在同等风速条件下,可起沙性从大到小分别为翻耕地、留茬地、经济林地、荒地、防护林地和草地。不同土地利用类型起沙特性不同表明,调整土地利用结构是北京防沙治沙的重要途径。     

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。     

毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征

 基于野外实地观测,研究了毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征。平坦流沙地上的风速随高度呈对数分布; 沙丘上的风速梯度在高度上的变化随植被盖度增大而增强; 相近风速下,0~60 cm高度范围内的输沙强度从大到小依次为流动沙丘丘顶＞平坦流沙地＞半流动沙丘丘顶＞裸露黄土梁地＞黄土梁翻耕地＞玉米留茬地＞半固定沙丘丘顶。同一植被盖度下,沙丘顶部输沙率随风速增加而增大,粗糙度随风速增加而减小。当风速小于起沙风速时,粗糙度随植被盖度的增加而增大; 当风速大于起沙风速时,平坦流沙地和沙丘顶部的粗糙度随风速增大有增加趋势,产生这种现象的可能原因是跃移层沙物质对气流的阻力随风速增大而增大。根据各类沙源地的起沙强度和总面积,风沙灾害防治的重点是植被盖度较小的沙地和黄土梁地。     

柴达木盆地风能环境特征北大核心CSCD

通过对柴达木盆地不同风沙地貌区风速与风向的长期观测,探讨了盆地内的风能环境特征及其对风沙地貌发育的影响。结果表明:(1)盆地内各区域年平均风速、起沙风平均风速和起沙风频率的变化趋势较一致。在风蚀地貌中,长垄状雅丹区年平均风速、起沙风平均风速和起沙风频率均为最高;而沙丘地貌区中,察尔汗线形沙丘区最高。(2)长垄状雅丹区为单峰型起沙风,主要来自NNW和NW方向;而其他雅丹区起沙风均为双峰型,均存在一个主风向和一个次风向。祁曼塔格山前沙丘区起沙风以WNW和NW方向为主,线形沙丘区偏W方向起沙风占比较高。(3)除犬牙状/圆锥状雅丹区是锐双峰风况外,其余雅丹区均为单峰风况。长垄状雅丹区属高风能环境,方山状雅丹区为中等风能环境,其余雅丹区为低风能环境。线形沙丘区皆为宽单峰风况,而祁曼塔格山前沙丘区为钝双峰风况。除察尔汗线形沙丘区为中等风能环境外,其余沙丘区为低风能环境。(4)自盆地西北部向东南部,输沙势、合成输沙势逐渐降低,合成输沙方向由NNW向WNW方向转变,风向变率由低向中等转变。     

Wind tunnel investigation of the influence of surface moisture content on the entrainment and erosion of beach sand by wind using sands from tropical humid coastal southern China

Wind erosion has major impacts on dune growth, desertification, and architecture on sea coasts. The deflation threshold shear velocity is a crucial parameter in predicting erosion, and surface moisture greatly affects this threshold and thus sand stability. Wind tunnel studies have shown that reduced moisture contents decrease entrainment thresholds and increase wind erosion, but field and wind tunnel test data is lacking for tropical humid coastal areas. In this study, we investigated the influence of surface moisture contents (at 1 mm depth) on sand entrainment and erosion using tropical humid coastal sands from southern China. Shear velocities were deduced from velocity profiles above the sand. The threshold shear velocity increased linearly with increasing ln100M (M, gravimetric moisture content). The increase was steepest below a moisture content of 0.0124 (i.e., at M_1.5, the moisture content in the sand at a matric potential of − 1.5 MPa). We compared several popular models that predict threshold shear velocity of moisture sediment, and found substantial differences between their predicted results. At a surface moisture content of 0.0124, the predicted increase in the wet threshold shear velocity compared with the dry threshold shear velocity ranged from 34% to 195%. The empirical model of Chepil and Selah simulated the data well for M < 0.0062 (i.e., 0.5M_1.5), whereas Belly's empirical model simulated the data best for M > 0.0062. Wind erosion modulus increased with increasing effective wind velocity following a power function with a positive exponent at all moisture contents, but decreased with increasing surface moisture content following a power function with a negative exponent. When wind speed and moisture content varied simultaneously, wind erosion modulus was proportional to the 0.73 power of effective wind velocity, but inversely proportional to the 1.48 power of M. The increase in resistance to erosion at low moisture contents probably results from cohesive forces in the water films surrounding the sand particles. At a moisture content near M_1.5, wind erosion ceases nearly for all wind velocities that we tested.     

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。     

不均匀沙起动理论及戈壁风蚀层形成动力学

定义了不均匀沙有别于均匀沙的起动概念, 得出了不均匀沙中各粒径沙具有不同的流体起动风速, 且不等于对应粒径均匀沙流体起动风速的结论, 具体表现为: 不均匀沙中小粒径沙的流体起动风速大于相同粒径均匀沙的流体起动风速, 而其中大粒径沙的流体起动风速又小于相同粒径均匀沙的流体起动风速。然后应用不均匀沙起动风速理论, 讨论了戈壁风蚀层与环境风力之间动态平衡的建立过程。     

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。     

海滩养护影响下的海岸风沙堆积——以福建平潭岛龙凤头海滩养护工程为例

海滩养护工程实施后,在保护海岸抵御侵蚀的同时往往还产生其他的环境问题。尤其在强风区海岸,海滩养护造成了滩面环境的改变,使滩面风沙搬运和沉积特征都发生了显著变化。对福建平潭岛龙凤头海滩养护工程实施前后的风沙沉积对比研究表明,养护后海滩的干滩宽度、滩面沉积物粒径、表层湿度、海滩高程等环境要素变化对滩面风沙搬运与沉积过程都产生了重要的影响。主要结论为:(1)养护海滩干滩滩肩高程的提高增加了滩面风速,增大了滩面风沙输沙率;(2)养护海滩干滩宽度的增加既扩大了风区长度也为风沙搬运提供了充足的物源,且不受潮汐过程影响,提供了持续的风沙物源供给,增加了风沙作用时间;(3)养护海滩剖面形态的变化使得海滩滩面沉积物含水率减小,降低风沙起动风速,增强了滩面风沙搬运。     

Wind tunnel modeling and measurements of the flux of wind-blown sand

This paper presents a way to empirically fit experimental data for the horizontal flux of various sizes of wind-blown dry sand using data from wind tunnel experiments. We measured vertical wind profiles to derive threshold shear velocity and estimated shear velocity and the flux of sand mass as a function of the height for nine different grain sizes. We propose a fitting model based on the experimental data and a least-squares method and derive an explicit form of sand flux as a function of height and shear velocity for these grain sizes. We also obtained an explicit form of the empirical equation for the measurement of sand transport per unit width and unit time by integrating the empirical equation as a function of height. Finally, we compared the effectiveness of Bagnold's equation, Kawamura's expression and Lettau and Lettau's equation, for predicting sand transport with the results of our empirical equation. The results show that the transport predicted by all of the equations were always lower than the measured results from the empirical equation for all grain sizes and shear velocities. However, the empirical equation matched Bagnold's equation, Kawamura's equation, and Lettau and Lettau's equation if the coefficients in these equations were adjusted instead of using their original coefficients. The empirical equation for sand transport in the present study contradicts previous conclusions generated by Bagnold's equation, which predict that for a given wind drag, the transport of a coarse sand is greater than that of a fine sand.     

沙粒起动风速的影响因素研究

通过对风场中沙床表面沙粒的受力分析,建立了坡面沙粒起动风速的理论公式,并将计算结果与已有实验研究结果进行了比较,结果表明,给出的理论计算公式是正确的。在此基础上,详细讨论了坡角、风向角、荷质比、电场力以及空气上升力对坡面沙粒起动风速的影响。其结果是：坡角一定时,沙粒的起动风速随风向角的增大而增大;风向一定时,背风坡沙粒的起动风速随坡角的增大而变小;弱电场中电场力对沙粒起动风速几乎没有影响,强电场中随着沙粒荷质比的增大,起动风速明显减小;空气上升力明显使沙粒起动风速减小。     

艾比湖干涸湖底不同地表类型风蚀强度及粉尘输移通量的风洞试验研究

以新疆准格尔盆地西部艾比湖干涸湖底及相关邻近地区7种不同形态的原状土为研究对象,通过风洞模拟试验,揭示干涸湖底不同地表类型的风蚀强度和沙/盐尘低空输送通量。结果表明：粉状盐漠和含盐量较低的淤泥-粘土混合物临界启动风速最低,硬质盐壳的临界启动风速最大;大于16 m·s-1的大风是造成艾比湖干涸湖底风蚀的主要动力,7种地表类型中湖相沉积物、风积物、粉状盐漠的风蚀率最大,是风蚀尘暴的主要尘源;风蚀过程中颗粒的初始运动主要集中在0~10 cm高度范围内,以近地面跃移为主,风积物、湖相沉积物和粉状盐漠的输移通量最大。     

不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率定量模拟

通过风洞实验,利用称重传感器自动记录风蚀观测样方重量变化过程,对供沙条件下不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率进行了定量模拟研究。结果表明:砾石覆盖度是影响戈壁风蚀速率的关键因子,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加按指数规律递减。各实验风速下,砾石覆盖度>50%时,戈壁床面风蚀速率随砾石覆盖度增加而减小量有限,甚至无风蚀发生;而盖度从10%到50%时,风蚀速率显著减小。因此,两种实验粒径砾石(3 cm与4 cm)至少在50%盖度时才能达到较好的风蚀防治效果。戈壁风蚀防护机理主要是砾石覆盖度的增加增大了砾石间沙粒的临界起动剪切风速,而且减少了作用在砾石间可蚀地表的剪切压。与沙质对照床面相比,10%~90%砾石盖度戈壁床面沙粒临界起动剪切风速增大了0.8~3.4倍,只有0.5％~28%的剪切压作用在砾石间可蚀地表。     

沙坡头地区风况与流沙运动

宁夏沙坡头地区的气象观测现存的资料已有十三年, 本文对该地区多年来的风向、风速的年、季、月变化状况进行分析, 特别对近几年来起沙风风信状况的观测资料作了详细的分析, 以了解本地区风沙运动的季节性特点和风沙运动与下垫面季节变化的关系, 为铁路沙害的防治提供基本资料。