基于粒度数据重建的近2000a新疆博斯腾湖区域风沙活动

干旱区风沙活动对全球环境和区域人类活动都可能造成巨大的影响。位于亚洲内陆的塔里木盆地是全球风沙活动最强烈的地区之一,然而该区域历史时期高分辨率的风沙活动记录比较缺少。博斯腾湖作为中国最大的内陆淡水湖,东南角湖区三面为沙丘包围,远离河流影响,可获得该区域的风沙活动记录。以博斯腾湖东南角钻取的长2.07 m沉积岩芯(BH08B)为研究对象,基于AMS ¹⁴C年代学框架,利用粒级-标准偏差模型和端元分析模型,提取钻孔沉积物中对环境变化敏感的粒度组分。结果表明:粒径变化的敏感组分2(>19.35μm)和端元分析的风成沙端元EM2+EM3含量具有很好的一致性,均能指示研究区近2 000 a的风沙活动历史。重建结果表明:280—410AD和1320—1800 AD两个时段风沙活动最强,410—1320 AD风沙活动最弱,而70—280 AD和1800 AD以来两个时段整体表现为较弱、低频率风沙活动。对比其他指示温度和湿度变化的古气候指标显示:风沙活动主要出现在冷期(如魏晋南北朝冷期和小冰期),气候变冷,西伯利亚高压强度增加,春季高压解体时风力增强,致使风沙活动频繁;干旱区风沙活动主要受温度控制,与干湿变化相关性不明显。值得注意的是,区域在280—410 AD的强风沙活动可能导致了楼兰古城的废弃。     

输沙量与输沙势的关系

 区域风沙活动在时间、空间和强度上的不确定性,导致对输沙量进行长期测定比较困难。所以,输沙量通常是用来研究短期的风沙活动强度,对长期的风沙活动强度,一般是利用输沙势来衡量,使用这两种指标评价区域风沙活动强度,势必会产生一定的差异。利用中国科学院风沙科学观测场积累的长期输沙量和输沙势观测资料,对区域风沙活动强度进行评价。研究结果表明,月输沙量变化在0.89~18.11 kg·m-1之间,而月输沙势变化在0.03~21.01之间,每年的4—5月是风沙活动最为强烈的时期; 输沙量随输沙势增加而增加,它们之间可以近似用线性函数来表达。     

中国海岸风沙沉积记录的环境变化

海岸是陆、海、气相互作用的地带。海岸风沙沉积是这一特殊动力环境的产物,是研究海岸环境演变及海平面变化的良好信息载体。中国海岸主要存在3种风沙沉积,分别为“老红砂”、沙丘岩及海岸沙丘。本文通过比较已报道的风沙堆积的物质组成、地层变化等,进一步总结了海岸风沙沉积的特征;选择已开展绝对测年的沉积剖面,利用概率密度函数分析了风沙沉积年代的分布特征,考察了中国海岸风沙活动历史,结合其他气候记录,探讨了不同地质历史时期海岸风沙堆积的关键影响因素。结果表明：“老红砂”沉积主要记录了冰期-间冰期尺度的风沙活动,在120 ka BP前后、73—55 ka BP等时期,风沙活动主要与海平面下降时陆架提供的丰富沙源和强盛的冬季风有关;而在105 ka BP、80 ka BP前后,风沙活动与高海平面时期丰富的沙源或季风气候的季节性增强有关;55 ka BP以来风沙活动强度降低更多地反映了沉积记录保存环境的变化,末次冰期海岸风沙沉积大多分布在现代海面之下,并不代表实际的海岸风沙活动减弱。相比之下,海岸沙丘沉积所记录的风沙活动主要发生在近3 000 a,可能与中国海岸冬季风的增强有关。     

西北地区植被变化对风沙活动的影响分析

基于西北地区1982—2003年NDVI与扬沙日数、沙尘暴日数、大风日数等风沙活动数据,分析了植被变化对风沙活动的影响及其区域差异性。结果表明,NDVI正距平和风沙活动因子的负距平有很好的对应关系。年均NDVI和扬沙日数、沙尘暴日数和大风日数的Kendall相关系数分别为-0.437(99%置信水平)、-0.338(95%置信水平)和-0.251(90%置信水平)。NDVI和各风沙活动因子的相关性随季节发生显著变化。各地貌类型区内,低山-丘陵及洼地区NDVI和风沙活动因子相关最为显著。     

北京地区风沙活动及其整治的初步研究

根据两年来北京地区的野外风沙考察,半定位风沙(尘)观测,室内风洞实验以及有关区域资料的分析研究得出:风沙问题是北京区域环境存在的严重问题之一,区域风沙活动由来已久,在频繁程度上不亚于半干旱区的河北坝上和乌盟后山地区。区内各地风沙活动均以春季为主,冬春两季风沙活动约占全年的80%以上。风沙天气的年际变化较大,五十年代最为频繁,六十年代最少,七十年代初期又有回升,中期以后至八十年代中期又逐渐趋于减少。风沙活动的形成及其盛衰变化,除与自然因素有关外,还与地表植被和土壤结构等因人类活动所造成的变化息息相关。风沙活动不仅使大气遭受污染,而且使土地资源遭受破坏。全区风沙危害严重的区域(风沙区)面积达342万亩,约占平原区总面积的35.6%,其中沙质地表因长期遭受风力作用所形成的风沙化土地面积约为136万余亩,占平原区面积的14.2%,以永定河冲积平原分布面积最大。研究证明,北京地区风沙主要来源于本地,系就地起沙。因此,风沙防治要立足于本地,特别是风沙土地的治理,对根治本区风沙危害、改善首都环境具有根本性意义。     

塔克拉玛干沙漠石油公路沿线风沙活动的气候环境

塔克拉玛干沙漠石油公路沿线风沙活动是由塔木盆地内热能释放与冷空气入侵相互作用的结果。冷期,盆地内冷高压逆温作用较强,地面热能不足,使得风力和风沙活动强度弱;暖期,盆地内热源剧增,每当热能源饱和遇到冷空气入侵诱导,导致了强风及强风沙活动天气。可见,区内风沙活动及风成景观的塑造过程,主要是在暖干期进行的。     

拉萨河下游河谷风沙源分布特征及其成因

根据IKONOS和Qu ick B ird影像解译和实地调查,对拉萨河下游河谷区风沙源分布特征、沙源粒度特征、植被特征以及人类活动的作用进行了探讨。结果表明,受大中小尺度风场的影响,风沙源地沿河谷两侧呈小面积零星分布在多个地貌部位;河流冲积物是最主要的沙源,沙源粒径90%以上分布在0.25 mm以下,以细沙、极细沙和粘粒成分为主,平均含量占60.69%,易于发生风沙活动;风沙活动是影响沙生植被的主导因素,植物种类和盖度能很好反映沙源地的稳定程度;特别在流动沙地和半流动沙地上,植被演替朝着有利于风沙活动发展的方向进行,是风沙活动的主要驱动因素之一,也是风沙活动不断加剧的产物。尽管自然因素是该区域风沙活动的主要成因,人类活动对其发展起到了强化作用。     

风沙物理学学科建设的若干问题

风沙问题日益严重,以风沙活动及其控制的物理机制为对象的风沙物理学学科建设亦愈来愈加重要。本文阐述了风沙物理学的研究对象、性质、理论体系、研究内容、目前存在的问题和亟待解决的问题,供风沙物理学研究者参考。     

长江源卓乃湖流域地表沉积物粒度分布与风沙流结构

干涸湖盆是干旱与半干旱地区沙尘暴的主要策源地。长江源地区卓乃湖流域湖泊溃堤后,大量湖底碎屑物质出露地表成为新的沙源,不断加剧的风沙灾害严重威胁着卓乃湖的生态环境与青藏铁路的安全运营。通过对卓乃湖西岸、南岸和东侧3个部位的风沙活动进行系统观测,获得了卓乃湖溃堤后地表及风沙流中沙尘物质的粒度分布以及风沙流结构。结果表明：卓乃湖西岸是流域内风沙活动最为强烈的区域,西岸和南岸是流域内的主要起沙起尘区;东侧为沉积沉降区,风沙沉积物既包括本地沙物质,也包含来自西岸和南岸的沙尘;由于湖相沉积物粒度较细,西岸的风沙流结构随高度线性递减。结合地表和风沙流中沙尘的粒度分析特征,认为卓乃湖流域沙尘以流体起动为主,而非传统观点认为的以跃移物质的轰击起动为主。高原地区干涸湖盆的风沙活动具有独特性,在风沙防治中不可照搬低海拔地区的防治模式。     

风沙活动强度3种估算指标对比及适用性分析

风沙活动强度是风沙地区交通、能源基地等基础设施建设和运营中科学开展风沙工程防护设计须考虑的重要内容。但在实际工作中尚缺乏操作性强、适用性广的风沙活动强度估算指标。本研究选取风蚀气候侵蚀力、沙丘活化指数和输沙势3种常用指标,基于中国北方风沙区多个具体工程案例,对比分析了3种指标的适宜性及存在问题。结果表明：（1）由于没有考虑工程周边沙源丰富程度的相关影响因素（如植被、戈壁砾石的覆盖度）,3种指标的估算结果均难以准确客观地反映具体工程的实际风沙问题。（2）采用高精度风速风向数据计算的输沙势更能表达干旱地区的风沙活动特征,但在降水较多的区域偏差较大。（3）铁路等线性工程两侧风沙活动强度可能存在差异,相同防沙措施的防护效益存在明显差别,具体工程风沙活动强度的估算应明确其方向性差异。在指导防护体系建设时,需尽可能考虑降水、气温、风速、风向等多种因子,同时结合沙源、地表覆盖度、工程走向等实际情况来分析风沙活动强度差异。研究结果有助于提出一种准确度高、适用性广、可操作性强的风沙活动强度估算指标,为有效开展防沙工程设计提供指导。     

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。     

塔里木盆地沙尘天气日数的变化及其与北大西洋涛动的联系

基于塔里木盆地35站1961-2007年的沙尘暴、扬沙日数的观测资料,分析了塔里木盆地春、夏季沙尘天气日数的时空变化特征及其变化的可能原因。结果表明,沙尘暴和扬沙日数呈显著减少趋势,沙尘暴日数在盆地的西南部,扬沙日数在盆地的东北部,减少幅度最大。春、夏季沙尘暴日数的气候突变发生在20世纪80年代的中后期,而扬沙日数在90年代的中后期。春、夏季沙尘天气日数以单月发生为主,连续2月及以上发生概率较大的区域集中在天山南坡,尤其在阿克苏地区。近20 a来,沙尘天气日数异常站数迅速减少,尤其在2000年后。相关分析表明,前冬北大西洋涛动指数与春、夏季沙尘暴日数有较好的相关关系,可以作为其短期气候预测的一个因子。     

北京地区风沙活动的监测

1990-1991年北京风沙整治研究试验站又对北京市东南部沙质土壤地区做了风沙活动的监测,以判断近五年来沙荒地改造利用的效果。监测结果表明:1、北京地区风沙日数继续下降,由1981-1985年的平均每年19.8次下降为1986-1990年的12.4次。扬沙天气日数有所增加,由1951-1985年平均占71.6%,增加为1986-1990年的77.4%。今后防治的重点仍应以防治本地沙源为主,风沙日数下降与当地植被覆盖增加相关。2、风沙天气日数/大风天气日数的比值由前35年的1.40下降为近5年的0.82,说明近五年的防治风沙是有成绩的,风沙日数的减少不单纯是因为大风日数减少所致。3、对典型地段起沙量的观测表明:同样风速下的起沙量大幅度降低,原因是植被保护增加和耕作面形成土壤结壳。4、对沙壤质农田的降尘进行了连续观测,1990年4月-1991年3月年降尘总量267.9 吨/平方公里.年,月平均降尘22.31 吨/平方公里.月,此值略大于北京全市平均值。对今后风沙的防治也提出了原则意见。     

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。     

西藏贡嘎沙尘天气气候及环流特征

利用1978-2012年西藏贡嘎的浮尘、扬沙和沙尘暴资料,分析了贡嘎沙尘天气的气候特征。结果表明:贡嘎沙尘天气冬、春季最多,秋季较少,夏季很少发生;扬沙和沙尘暴主要发生在午后,浮尘则全天均可发生;近35年来,扬沙和沙尘暴呈波动减少趋势,减少幅度分别约为7 d-10a和2.2 d-10a,浮尘约以0.5 d/10a的幅度呈不显著增加趋势;基于2005-2012年沙尘天气同期红外差值沙尘指数(IDDI)空间分布图和地面流场、沙地分布图,定性得出贡嘎、尼木、南木林、日喀则、拉孜区域的雅鲁藏布江沿岸沙地是贡嘎沙尘天气的沙尘来源。利用沙尘暴天气个例分析了贡嘎沙尘天气的地面气象要素和高空环流特征,发现相对湿度小、风速大、连续多日无降水是沙尘天气的地面气象要素特征,高空环流形势可分为阻塞型(占40%)、干南支槽型(占17%)、西北气流型(占26%)和热低压型(占17%)等4类。     

北京风沙若干问题的讨论

本文在实地调查研究的基础上提出对北京风沙一些问题的看法:1)北京风沙物质来源为本地超沙,尘的来源复杂,以外来成分最多;2)分析35午风沙资料得出这些年北京平原风沙趋于成少。     

A Wind Tunnel Investigation of the Shear Stress with A Blowing Sand Cloud

In a blowing sand system,the wind provides the driving forces for the particle movement while the moving particles exert the opposite forces to the wind by extracting its momentum.The wind-sand interaction that can be characterized by shear stress and force exerted on the wind by moving particles results in the modification of wind profiles.Detailed wind pro-files re-adapted to blown sand movement are measured in a wind tunnel for different grain size populations and at differ-ent free-stream wind velocities.The shear stress with a blowing sand cloud and force exerted on the wind by moving par-ticles are calculated from the measured wind velocity profiles.The results suggest that the wind profiles with presence of blowing sand cloud assume convex-upward curves on the u(z)-ln(z) plot compared with the straight lines characterizing the velocity profiles of clean wind,and they can be better fitted by power function than log-linear function.The exponent of the power function ranging from 0.1 to 0.17 tends to increase with an increase in wind velocity but decrease with an increase in particle size.The force per unit volume exerted on the wind by blown sand drift that is calculated based on the empirical power functions for the wind velocity profiles is found to decrease with height.The particle-induced force makes the total shear stress with blowing sand cloud partitioned into air-borne stress that results from the wind velocity gradient and grain-borne stress that results from the upward or downward movement of particles.The air-borne stress in-creases with an increase in height,while the grain-borne stress decreases with an increase in height.The air-borne shear stress at the top of sand cloud layer increases with both wind velocity and grain size,implying that it increases with sand transport rate for a given grain size.The shear stress with a blowing sand cloud is also closely related to the sand transport rate.Both the total shear stress and grain-borne stress on the grain top is directly proportional to the squ     

科尔沁沙地奈曼旗近5年来风况及合成输沙势

应用奈曼沙漠化研究站1998-2002年的气象资料, 统计分析了奈曼旗近5a来的风况特征和输沙势。结果表明: ①研究区3~5月起沙风发生频数最高, 占全年起沙风的38%~58%; 平均风速和最大风速值最大, 分别为6.0~7.5m·s^-1和9.5~16.9m·s^-1。该风况特征与地表冻融、裸露、干旱疏松相耦合, 形成了区内的风沙活动期。②在风沙活动期内, 风环境基本为锐双峰风况, 西北风居主导地位, 频数占54%; 南风和西南风次之, 频数占38%。③在风沙活动期内, 研究区属于高风能环境, 合成输沙势RDP为66.3VU(风速以m·s^-1为单位), 合成输沙方向RDD为ESE113°。     

新疆S214公路台特玛湖干涸湖盆段风沙危害及防治

新疆S214（考干-米兰,考米线）公路位于库鲁克塔格沙漠东南缘,穿越台特玛湖干涸湖盆。由于该区气候干旱,风力强劲,沙源丰富,流动沙丘广布且快速移动,风沙危害对公路运输构成严重威胁。通过对风沙环境和风沙危害定位观测和土壤水盐特征系统调查,确定了风沙危害极为严重的公路区段,提出了合理的风沙防护措施及防沙体系结构。结果表明：该区具有明显的单风向风况,主要盛行ENE和NE风,偶有反向风沙活动,起沙风频率、输沙势、输沙率极高,属于高能-大比率风能环境;受土壤水分、盐分含量影响,地表紧实度差异较大,部分地段为极疏松的沙层,部分地段为紧实的盐壳;S214公路风沙危害防护区段为K4+900~K18+200,设计建造的阻-固-输相结合的机械-植物复合防沙体系,防沙效果明显,保障了道路安全运营。这一强风沙、高盐区公路防沙体系建设模式可为类似环境地区工程防沙提供借鉴。