不同带宽的防风固沙林流场结构及防风效能风洞实验

林带宽度是防风固沙林建植时要考虑的基本参数,研究不同带宽林带的防护效果对防风固沙林配置及构建具有重要的指导意义。通过风洞模拟实验,在7、10、15 m·s^-1风速条件下,对单行一带（Ⅰ型）、三行一带（Ⅱ型）、六行一带（Ⅲ型）和九行一带（Ⅳ型）共4种带宽的林带的迎风面、带中和背风面的风速进行了测定,分析了4种林带的风速流场、风速加速率和防风效果。结果表明：（1）4种林带流场结构和垂直风速变化规律相似,沿来风向均形成了林带上方和迎风面林缘附近的小范围高风速区及其后的风影区相互组合的流场结构;依据风速垂直变化规律划分为上部变化层（高度30~60 cm,受林带的影响最小）、中间变化层（高度5~20 cm,风速受林冠遮蔽作用,影响最大,且为风影区形成层）和近床面变化层（高度1~3 cm）。（2）4种林带在垂直纵剖面上的平均风速加速率随林带宽度的增大而减小,即Ⅰ型（0.90） > Ⅱ型（0.87） > Ⅲ型（0.79） > Ⅳ型（0.78）。（3）4种林带的防风效果为Ⅰ型和Ⅱ型林带相同,Ⅲ型和Ⅳ型林带相同,后2种林带的防风效果优于前2种林带,且4种林带的防风效能均随着风速的增大而减小。     

梭梭(Haloxylon anmodendron)林带防风效果的风洞试验

梭梭(Haloxylon anmodendron)是荒漠地区重要的固沙灌木,株高、构型与防风固沙乔木具有明显差异。通过风洞模拟实验,在12 m·s~(-1)风速条件下,对3种高度和密度的梭梭林带模型的风速流场和防风效果进行了研究。结果表明:不同配置的梭梭林带模型后风速流场差异显著。1～2 cm高的梭梭林带后风速频数集中在8～8.7 m·s~(-1);4 cm高的梭梭林带后风速频数集中在7～8 m·s~(-1),平均防风效能分别为38.49%、32.29%、26.88%,有效防护距离分别为10H、7.5H、5H,优于1～2 cm高的配置类型。其中4 cm高、株行距2 cm×2 cm的林带后风速恢复迅速,最大风速大于等高度其他两种株行距的林带;高度1 cm、株行距2 cm×2 cm林带防风效果优于同高度密度稀疏的林带;2 cm高、株行距4 cm×4 cm的林带与1 cm高、株行距2 cm×2 cm的林带后的最小风速接近,表明随着梭梭林带高度的增加,林带密度优势开始减弱。因此合理的株行距有助于梭梭林带长期发挥最大防风效益。     

敦煌莫高窟顶灌木林带防护效应研究

风洞模拟实验和野外观测结果表明,平均林带高H=1 5m,疏透度β=50%的两条灌木林带周围的气流场分为7个能量区。在贴地层,有林带前的拐角绕流阻滞减速区,林带中的灌丛阻挡湍流衰减区,林带后的回流涡旋减速及速度恢复区,林带远方的气流附体加速区。在林带上部,有林带间的阻滞减速区和林带后的涡旋减速区,在林带顶后部有集流加速区。风沙流在阻滞、涡旋回流减速区沉积,而在加速区则会产生风蚀,在林带顶上下层气流交换加强。在低速时林带阻沙能力较强,当风速为10m·s-1时,有林带的输沙量可减少一个量级,即阻滞90%的风沙流;在中高风速时(风速为15m·s-1及以上),林带对风沙流的阻滞作用明显减弱,只阻滞20%。     

沙地云杉(Picea mongolica)农田防护林带不同配置模式的防风效果

沙地云杉(Picea mongolica)为常绿针叶乔木,可作为荒漠区防护林体系建设的优良植物材料,其株高和植株构型明显区别于杨树等传统的防护林树种。因此,本文通过风洞模拟实验,在8、10、15m·s-1的风速条件下,研究了沙地云杉农田防护林单林带前后的风速流场特性和防风效能。单林带采用3种配置模式,即两行等株行距(Ⅰ型)、两行"品"字型(Ⅱ型)和四行簇状"品"字型(Ⅲ型),基于垂直风速流场对3种模式进行了比较。结果表明:(1)3种配置模式沙地云杉防护林带前后垂直高度上的风速流场分布特征有很大区别,相同配置模式的流场分布特征相似,随着风速的增大,风速流场的等值线变得更加密集。(2)3种配置模式防护林带前后垂直高度的风速加速率依次为Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型。(3)林带后20 H范围内1~20cm高度上防风效能依次为Ⅲ型(47.2%)Ⅱ型(37.3%)Ⅰ型(16.2%)。研究结果可为沙地云杉防护林配置理论研究奠定基础,为沙地云杉在农田防护林建设中的实际应用提供依据。     

敦煌莫高窟窟前林带防护效应的风洞实验

洞窟环境包括窟内的温度、湿度、光照、气流等环境因素的适宜程度,对保护洞窟内的壁画和彩塑是十分重要的。洞窟环境不仅因洞窟所处的位置、大小、型制、有无窟门及窟门形式等而异,而且与窟外整个大环境密切相关。不同风况对洞窟内的气流交换起着重要的作用,也是造成石窟壁画彩塑风沙尘粒沉积、崖面风蚀的主要原因。通过风洞模拟实验,从窟前流场、洞窟环流、崖角形状及其受力等几个方面研究了窟前林带的防护效应和崖角防风蚀机理。结果表明：从控制洞窟水汽因素来讲,窟前以通风结构林带最佳,疏透结构林带次之,紧密结构林带欠佳。控制窟前林带灌溉强度,建立多次、少量的窟前林带灌溉制度,同时,在偏东风条件下尽量减少对窟前林带的灌溉,是控制林带生长和底层洞窟侧渗的重要一环。考虑到促进洞窟自然通风的需求,采用一定疏透度的窟门和采取必要的强迫通风,能够较大改善洞窟的自然通风和环境适宜状况。     

防护林搭配灌草条件下的PIV实验研究

在低速风洞中,利用粒子图像测速仪(PIV),采用2帧-互相关的分析方法,对疏透度为30%、带前搭配灌草的防护林绕林流场的流动特征进行实验测量,获得其较大范围(11 H×3 H,H为防护林高度)绕林流场的速度矢量分布图、流速分布图和涡量分布图,与带前无草的防护林流场进行对比分析研究,并且利用CFD软件STAR CD对其数值模拟计算,从而发现防护林在搭配灌草条件下对防护林防护效应的影响。     

不同结构单排林带防风效应的风洞模拟

风速大小、林带疏透度及高度都会对林带周围气流产生影响,使气流在林带两侧发生分离或积聚,从而形成不同的防护功能区。为探求林带结构对防风效应的影响机理,选取10组高度和疏透度不同的林带模型,对其防风效应进行了风洞模拟实验,通过绘制加速率等值线图及其变化趋势线、防风效应图,并计算不同结构单排林带的有效防护距离,进而揭示风速、林带疏透度和高度对林带上风向和下风向风速、防风效应和有效防护距离的影响规律。     

林带对空气的湍流交换系数影响

本文从近地层动力学和热力学方程出发,用数值方法研究了林带对空气的湍流交换系数影响。研究结果表明:在林冠层以上,林带附近的湍流交换系数比较大;在林冠层以下,林带附近的湍流交换系数比较小。林带影响在高度为2.7—3.5倍树高、透风率为0.35左右铅直范围内最大。     

纵向沙丘和横向沙丘模拟流场的实验研究

实验选用半圆柱体沙丘模型脊线与风洞实验段风向构成6组不同大小的交角, 通过对其纯气流绕流流场、表面压力分布以及风沙堆积形态的观测和分析, 查明了纵向沙丘和横向沙丘模拟流场的结构特征。模拟结果可与野外观测资料对比     

不同结构林带防风效能风洞模拟

防风林带结构是影响防风效能的主要因素。建立不同宽度、不同株行距林带防风效能与林带后距离之间的统计模型，可以为防风林建设提供指导性意见。通过风洞实验，在11 m·s^-1风速下，对4种宽度、5种株行距林带的背风面0~10H（H为林带高度）的风速进行测定，采用曲线参数估计法、傅立叶模型、SSF模型（Sum of Sin Functions），构建了不同结构林带防风效能与林带后距离间的统计模型。结果表明：傅立叶模型拟合不同宽度林带的防风效能与林带后距离的关系效果最优，可决系数（R²）均在98%以上；SSF模型拟合不同株行距林带的防风效能与林带后距离的关系效果最优（R²>0.98）。根据构建的统计模型，风速为11 m·s^-1左右时，林带宽度8 m（两行一带）的防风林的防风效能存在明显优势；5种株行距的林带中，株行距为8 m×8 m的防风林带本试验条件下防风效果最好。     

高立式沙障处的风沙沉积及其表征的风沙运动规律

对高立式沙障处的风沙沉积情况与风沙活动强度之间的对应关系进行探讨。结果表明,在一定条件下,两者对应关系明显,相互间可进行换算。据此对应关系,在塔克拉玛干沙漠公路支线上选取合适路段,在不同地貌类型及不同地貌部位上,通过量测高立式沙障处的积沙量,得知风沙活动强度在不同区域的变化情况,从而进一步推断出塔克拉玛干沙漠腹地风沙运动的某些规律或特征:如最大输沙量可达17m³·m^-1·a^-1左右;在垄间低地中,一些小纵向沙垄可成为输送风沙的主要通道;在复合型纵向大沙垄中,沙垄体自身的运动形式与单个沙丘的运动形式相类似,等等。     

高立式阻沙网的阻沙效果对比

设计了高120cm的4种结构HDPE阻沙网：均匀结构阻沙网（a）、大条带上疏下密式阻沙网（b,60cm宽条带）、小条带疏密相间式阻沙网（c,20或10cm宽条带）和中条带上密下疏式阻沙网（d,40cm宽条带）,布设在塔克拉玛干沙漠腹地的垄间平地。阻沙试验结果表明：（1）4种结构阻沙网积沙纵断面的蚀积形态均呈单峰,但积沙宽度和高度不同,3种非均匀结构的阻沙网积沙高度均高于均匀结构阻沙网,积沙高度c> b> d> a。（2）4种结构阻沙网积沙量c> a> b> d,积沙量均集中在下风侧分布,但b和c阻沙网积沙在上风侧的积沙量高于a和d阻沙网。（3）不同结构阻沙网积沙量及其空间分布差异主要与阻沙网结构的特殊风场结构有关。     

Estimation of precipitation fields from 1-minute rain gauge time series – comparison of spatial and spatio-temporal interpolation methods

Accurate estimations of spatio-temporal fields at unsampled locations are important in a number of applications. Often, spatio-temporal fields are advected, which means the change in field values over time at a particular point in space stems to a large extent from motion of a more or less constant spatial field. For such dynamic fields, interpolation methods including information on the motion behaviour of the field are promising extensions of solely spatial (snapshot) and symmetric spatio-temporal methods. In this paper, the performance of different deterministic and geostatistical interpolation methods is compared for precipitation estimation from 1-minute time series of spatially distributed rain gauges. The focus is on spatio-temporal methods that include information on the motion behaviour of the rainfield, estimated from weather radar using optical flow. The different interpolation methods are introduced and evaluated using rain gauge measurements of a 15-day period and cross-validation. The results show that including information on the motion behaviour significantly improves interpolation quality in terms of RMSE.     

荒漠绿洲防风固沙林体系的模糊综合评判——以高台县为例

运用模糊数学方法,以植物生长状况及固沙效果、土壤机械组成和土壤含水量3类指标对高台沙区现存的、定植20 a后的7种防风固沙林配置类型综合评判后,认为花棒+柠条锦鸡儿+梭梭（6 m×3 m）的隔带混交类型、梭梭+花棒（4.5 m×3 m）的隔带混交类型及柠条锦鸡儿(6 m×5 m)为生态健康,综合效益好,可以在高台沙区推广应用。     

城际交通流空间流场的甄别方法及实证——以中国铁路客流为例

交通流是节点间的社会经济联系,具有流场的空间属性,反映了城市间的相互作用。基于流场研究的评述,本文介绍了空间流场的基本概念和理论要点,构筑了其空间识别模型,即因子分析R型和Q型模型,设计了其研究步骤、参数设置和软件操作。基于该模型,以1990和2006年铁路客流为例,对中国交通流的空间流场即集聚场和扩散场进行识别,重点是集散场的数量结构、场核和覆盖范围及变化特征;然后构筑指标体系对集散场的等级结构进行判断,认为中国交通流形成了四个层级的集散场;同时将集散场落到空间以剖析地域结构,发现集聚场和扩散场有明显的省会交流圈和省域限制的空间规律,两者有空间耦合性和空间稳定性,其中上海和广州集散场的地位日益提高。通过铁路客流的空间流场分析,揭示了中国城市间的相互作用,可为未来铁路建设和城镇体系规划提供相关借鉴。     

Forward modelling of direct current and low-frequency electromagnetic fields using integral equations

We present a semi-analytical, unifying approach for modelling the electromagnetic response of 3-D bodies excited by low-frequency electric and magnetic sources. We write the electric and magnetic fields in terms of power series of angular frequency, and show that to obey Maxwell's equations, the fields must be real when the exponent is even, and imaginary when it is odd. This leads to the result that the scattering equations for direct current fields and for fields proportional to frequency can both be explicitly formulated using a single, real dyadic Green's function. Although the underground current flow in each case is due to different physical phenomena, the interaction of the scattering currents is of the same type in both cases. This implies that direct current resistivity, magnetometric resistivity and electric and magnetic measurements at low induction numbers can all be modelled in parallel using basically the same algorithm. We make a systematic derivation of the quantities required and show that for these cases they can all be expressed analytically. The problem is finally formulated as the solution of a system of linear equations. The matrix of the system is real and does not depend on the type of source or receiver. We present modelling results for different arrays and apply the algorithm to the interpretation of field data. We assume the standard dipoledipole resistivity array for the direct current case, and vertical and horizontal magnetic dipoles for induction measurements. In the case of magnetometric resistivity we introduce a moving array composed of an electric dipole and a directional magnetometer. The array has multiple separations for depth discrimination and can operate in two modes. The mode where the predominant current flow runs along the profile is called MMR-TM. This mode is more sensitive to lateral variations in resistivity than its counterpart, MMR-TE, where the mode of conduction is predominantly perpendicular to the profile.     

戈壁地区公路防沙措施防沙效应的风洞试验

 以穿越河西走廊西部戈壁荒漠的嘉峪关至安西一级公路为研究对象,基于风洞模拟试验,针对不同类型公路路基横断面和防护措施设计模型,采用粒子图像测速系统,研究模型的流场变化,进而探讨戈壁公路风沙危害形成机理及防沙措施。研究结果表明:①由于研究区内风沙活动以不饱和风沙流为主,携沙风对公路路基掏蚀、磨蚀严重,需要对路基边坡进行有效砌护;②为了在公路表面形成输沙通道,中央隔离带地表与行车路面应保持同一高度,隔离带采用空隙度大于30%的疏透型;③在公路两侧沙源丰富地段,公路边坡的坡角应小于40°,并且取消防洪沟,以防止沟内积沙;④在沙源丰富地区,公路两侧由外到内依次铺设草方格、覆盖砾石、设置积沙沟的防沙带,可以减少气流中的含沙量,阻止流沙上路,有效解决公路风沙危害问题。     

Synoptic Classification of Snowfall Events in the Great Smoky Mountains,USA

Mean annual snowfall in the Great Smoky Mountains National Park (GSMNP) exhibits considerable spatial variability, ranging from 30 cm in the valleys to 254 cm at higher elevations. Snowfall can be tied to a variety of synoptic classes (e.g., Miller A or B cyclones, 500 hPa cutoff lows), but the frequency and significance of different synoptic classes have not been fully assessed, particularly at higher elevations. In this paper, we manually classify all snowfall events during the period 1991 to 2004 according to a synoptic classification scheme, calculate mean annual snowfall by 850 hPa wind direction and synoptic class, and develop composite plots of various synoptic fields. Hourly observations from nearby first-order stations and 24 hr snowfall totals from five sites within the GSMNP are used to define snowfall events. NCEP/NCAR reanalysis data are used to develop composite plots of various synoptic fields for cyclones passing south and then east of the area (e.g., Miller A cyclones). Results indicate that over 50% of the mean annual snowfall at higher elevations occurs in association with low-level northwest flow, and that Miller A cyclones contribute the greatest amount to mean annual snowfall at all elevations.     

山区河流准三维水沙输运与河床演变模拟

在渠道水力学和河流动力学研究的基础上，对不规则河流形态下的纵向流速分布和弯道水流进行了讨论，并分析了任意断面和垂线位置的流场计算公式。在综合各种泥沙动力学研究成果基础之上，探讨了在天然河流中的悬移质输沙能力与沉积条件，分析了河床质起动的控制性因素及推移质输沙方程。提出了受冲淤影响的河床质粒径组成和动态递推公式。结合这些流场与泥沙计算方法及河床形态调整技术，作者提出一个准三维河流动力学模型。该模型只需要河流几何形状、人流条件以及泥沙级配参数，能够模拟出不规则几何形态的河道断面流速分布及平面流场分布，并且对于弯道水流特征与泥沙输送一沉积特征也能得到较好的表现。该模型是对有关河流演变理论和实验成果的综合应用，为研究山区高含沙水流下的河床变形以及洪水演进提供了强有力的工具。     

半干旱区城镇周边防沙——以内蒙古乌审旗达布察克镇为例

中国半干旱区城镇众多,风沙灾害频发,开展城镇风沙灾害防治研究势在必行。以毛乌素沙地的乌审旗达布察克镇为例,对其周边沙尘源地和植被进行实地调查;在此基础上,结合单项植物、机械沙障防风原理的风洞模拟结果,提出各种沙尘源地亚类防沙治沙措施的合理配置。根据建立半干旱区城镇防沙工程体系的原则以及城镇周边不同下垫面的防沙治沙措施配置,达布察克镇防沙治沙模式可以概括为城镇周边的“三圈模式”。第一圈是以达布察克镇为核心的绿化景观带,这一圈层大致位于达布察克镇以外600~900 m宽度范围内。第二圈层为沙丘（地）封禁与农牧业生产区,包括两个次级圈层：设施农业次级圈层的宽度约为1 km;远郊沙丘（地）封禁与农牧户独立生产次级圈层的范围较大,这一次级圈层的显著特点是大面积用于生态环境建设和保护,小面积用于农牧业生产。第三圈层是沙丘（地）封禁保护圈。该圈层位于乌审旗的西北位置,圈层内主要包括流动、半流动沙丘链以及平坦流沙地,是达布察克镇上风向主要的沙尘源地,应按照防沙治沙原理对其进行封禁与保护。