两种柔性植株地表风速廓线特征比较的风洞模拟

植株减小风速从而抑制风蚀,风速廓线可以反映植株对风速的影响。在风洞中测量了细长状植株和上大下小形状植株在不同覆盖密度、不同来流风速下的风速廓线,并对这两种植株地表上空气动力学粗糙度、零平面位移高度进行了比较。结果表明:两种植株地表的空气动力学粗糙度均随植株密度按幂函数规律增加,其与植株高度之比也随侧影盖度按幂函数规律增加。在相同覆盖密度或侧影盖度条件下,上大下小形状植株地表的空气动力学粗糙度大于细长状植株。细长状植株地表的零平面位移高度随植株密度的增加先增加而后减小,而上大下小形状植株地表的零平面位移高度则基本不受植株密度的影响。     

新疆策勒沙漠-绿洲过渡带不同下垫面地表蚀积变化特征

沙漠-绿洲过渡带天然植被具有良好的防风阻沙效益,对绿洲内部农田起到重要生态保护作用。在新疆策勒沙漠-绿洲过渡带流沙地、半固定沙地、绿洲边缘固定沙地6个不同植被覆盖度样地风蚀、风积变化观测基础上,结合地表风速数据,探讨流沙地、半固定沙地、固定沙地不同植被覆盖度和地形下地表风蚀风积变化特征及其影响因素。结果表明：流沙地表现出较强烈的地表风蚀;半固定沙地整体表现出强烈的地表风积;固定沙地上植被覆盖度越高、植株越高和排列方式越均匀、整体地势越低,单位面积风积量也就越大、风蚀量越小,风蚀主要发生在灌丛沙堆的上风向、侧翼、背风风向的裸低凹沙地表面,较高沙堆侧翼的地表风蚀量最大。植被覆盖度与单位面积风蚀量呈多项式或指数函数关系递减,植被覆盖度与单位面积风积量不呈函数分布,说明除了植被覆盖度外,植株类型、高度、排列方式、地形等都会对地表风积量产生一定影响。     

苔藓结皮对土壤风蚀影响的风洞试验和模拟北大核心CSCD

生物结皮在干旱半干旱地区土壤风蚀防控中发挥着重要作用。明确生物结皮对土壤风蚀的影响,对量化风蚀预报模型中的生物结皮因子、提高模型预测风蚀的准确性和可靠性具有重要意义。本研究以苔藓结皮为例,对比了风洞试验和单次事件风蚀评估模型(SWEEP)模拟的风蚀速率与输沙率的差异,分析了苔藓结皮盖度和空间分布对土壤风蚀的影响。结果表明:(1)风蚀速率和输沙率均随结皮盖度的增加而减小,尤其是在较大风速下(15 m·s^(-1)),当结皮盖度从10%增加到80%时,风洞试验的平均风蚀速率和输沙率分别减小了98.3%和99.3%,SWEEP模拟的结果分别减小了93.2%和78.9%。(2)相同结皮盖度下,苔藓结皮分布于上风向区域时土壤风蚀速率和输沙率最小,斑块状分布次之,分布于下风向区域时最大。(3)对比风洞试验和SWEEP模拟结果,不同结皮盖度下SWEEP模拟的风蚀速率和输沙率大多显著(P<0.05)高于风洞试验结果。未来的研究应在风蚀预报模型中构建生物结皮因子影响风蚀速率的定量表达,以提高模型预报风蚀的准确性。     

风蚀预报系统（WEPS）在民勤荒漠地区的应用分析研究

以民勤地区4种地表条件的3次风蚀实测数据为依据,应用WEPS风蚀子模型对风蚀量进行了预测计算。结果表明：WEPS模型预测的土壤风蚀量与实测结果存在很大差异,不能直接用于我国土壤风蚀预报工作。对没有植被覆盖的流沙地表,模型模拟结果与实际测量结果比较接近,计算值最大为模拟值的2.2倍,最小为0.47倍;当有植被覆盖时,模型预测风蚀量偏大,最大值为实测结果的41倍,最小为6.7倍。要引入WEPS模型在我国进行土壤风蚀预报,还需对模型的各项参数和计算公式进行修正,以提高WEPS的预测精度,更好地为我国风蚀预报及沙尘治理工作服务。     

阿拉善高原东南部干涸湖盆沉积物粒度特征

干涸湖盆是西北干旱区广泛分布的地貌类型,也被认为是重要的沙尘源区,但目前对该类地表的土壤风蚀过程与特征研究较少。干涸湖盆沉积物和植被盖度的空间差异性导致沙尘释放过程和风蚀过程具有时空差异性。为了探讨干涸湖盆的土壤风蚀特征,选择阿拉善高原东南部的干涸湖盆为研究区域,沿主风向（西北-东南）方向,选择4个区域,野外实地收集湖相沉积物和灌丛沙丘样品,进行粒度特征分析。结果表明：（1）干涸湖盆地表沉积物粒度存在明显的空间差异性,一方面反映了物源的差异性,另一方面反映了风蚀过程的差异性。（2）受植被和风程长度的影响,上风向和下风向风蚀较弱,而中部地区风蚀最大。     

毛乌素沙地布寨淖尔下风向沙化湖滨地表沉积物理化特性

布寨淖尔湖是鄂尔多斯高原毛乌素沙地腹地的代表性盐湖,其东南部分布着平坦裸露的沙化湖滨\,湖岸沙丘及半固定沙丘,地表均沉积有大量沙物质与粉尘,这些松散富盐物质在风力侵蚀作用下常形成盐碱尘暴,威胁下风向区域的生态环境安全。研究了布寨淖尔湖东南部区域2.5 km范围内地表沉积物的土壤粒度与理化特性,旨在为盐碱尘暴源区的防治与生态治理提供基础科学参考。结果表明:布寨淖尔湖滨裸露地表沉积物以粗砂、中沙和细砂为主;从湖心沿东南方向等距离(0.5 km)采样,距湖心越远,粗砂和细砂含量逐渐减小,极细砂、粉砂和黏土含量逐渐增加,中砂含量无明显变化。地表沉积物含水率、容重随与湖心距离的增加逐渐增加,pH值、全盐量及电导率则呈逐渐减小趋势;沉积物阳离子以Na⁺为主,阴离子以Cl^-为主,其次为SO₄^2-、HCO^-₃。整体看,区内地表碱化较为严重,区域下风向土壤理化特征呈明显有规律变化趋势,湖滨地表土壤有明显风蚀迹象,可能是盐碱尘暴与湖岸沙丘形成的重要物源区。     

乌兰布和沙漠东北缘地表风沙流结构特征

在国家林业局磴口荒漠生态站长期监测的基础上,利用多种积沙仪,对乌兰布和沙漠东北缘流动沙丘、油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘5种典型下垫面近地面（0～100 cm）的风沙流输沙量进行了实地观测和对比分析。结果表明：（1） 输沙率（q）随高度（h）增加呈幂函数（q=ah^-b,R²≥0.8409）规律衰减,随风速（v）增大呈幂函数（q=av^b,R²≥0.9256）规律增加,42.8%～70.7%的输沙量分布在10 cm高度内,67.6%～90.0%的输沙量分布于30 cm高度内。当地表植被盖度达到40%以上时,输沙率下降至无植被覆盖地表输沙率的6.6%以下,可有效阻止地表风蚀。（2） 沙物质主要由粒径为50～250 μm的细沙和极细沙构成,各高度层风蚀物粒度组成服从单峰态分布,峰值在100～250 μm。随高度增加,风蚀物粒径范围趋于变窄,粒径趋于更细。（3） 起沙风多出现在WSW和NW方向,占全年起沙风的53.19%。风沙流中跃移输沙、蠕移输沙的空间分布在理论上应与风向频率分布基本一致,差异性主要由各方位风的强度和持续时间等因素导致。研究结果可为该区域防沙工程设计提供理论参考。     

偏西风作用下敦煌月牙泉金字塔沙山顶部风沙流初步观测研究

金字塔沙山丘体高大,形态复杂,坡面风沙动力过程实地观测困难,至今尚无坡面风沙流野外观测数据。通过新研制自动集沙仪,对偏西风作用下敦煌月牙泉北侧金字塔沙山顶部风沙流进行了实时观测,共观测8组近地表51.4 cm高度内输沙数据,各观测时段中2 m高度平均风速7.46～14.15 m·s^-1,各组观测时长18~95 min。结果表明：偏西风纵向气流作用下金字塔沙山风沙流结构与平坦地表一致,即输沙量随高度增加呈单一的指数规律递减,且风沙流主要在近地表30 cm高度内输移。风沙流结构特征值λ以大于1为主,且随风速增大而增大,表明金字塔沙山坡面过程主要表现为风蚀过程。偏西风作用下金字塔沙山风沙流中沙粒以细沙为主,平均粒径随高度增加而减小;沙山迎风坡沙粒从坡脚到沙脊线逐渐粗化,风蚀作用增强,细沙从而随风沙流搬运至沙山顶,对金字塔沙山多以细沙为主的格局形成起重要作用。     

台特玛湖干涸湖盆两种典型风蚀坑的三维流场特征及对风蚀的影响

台特玛湖干涸湖盆区风蚀沙漠化快速发展,发育了以新月形沙丘和风蚀坑（主要为槽状坑和碟状坑）为主的风沙地貌。风蚀坑的发育不仅受来流风影响,还与坑内三维流场有关。基于风洞实验和计算机流体力学（Computational fluid dynamics, CFD）数值模拟,对风蚀坑三维流场进行了探究。结果表明：（1） 从入风侧到出风侧,槽状风蚀坑和碟状风蚀坑底面的风速均呈减速—加速—减速—加速的变化模式,上口所在水平面的风速变化呈加速—减速—加速变化模式,上口气流压强也相应地发生变化,槽状风蚀坑和碟状风蚀坑整体呈低压—高压—低压变化模式,其中槽状坑变化更为明显。（2） 两种形状风蚀坑对气流均具有一定的吸附效应,使坑外一定范围的风沙流被吸入坑内,聚集能量和风沙流,加剧风蚀坑风蚀发育。（3） 风蚀坑加剧了地表侵蚀,侵蚀程度与风蚀坑尺度有关,风蚀坑尺度越大,对地表侵蚀越强。本文直观展示了两种典型风蚀坑中的三维速度、压力、风沙流流向分布,揭示了风蚀坑的风沙流吸附机制,研究结果可加深对风蚀坑形态动力学的理解,也可为内陆干涸湖盆沙漠化防治提供理论指导。     

不同扰动方式对沙砾质戈壁地表风蚀量的影响

通过野外风洞实验,测定了不同破坏方式、破坏面积和风速下的沙砾质戈壁风蚀量。结果表明：不同破坏方式引起的风蚀量不同,扰动强度越大造成的风蚀量越多;相同扰动方式下连续破坏造成的风蚀量稍高于间隔破坏。风蚀总量随破坏面积的增大而增加,且服从指数函数。风速为8～10 m·s^-1时,扰动的戈壁地表以轻微侵蚀为主;10～12 m·s^-1 是风蚀量增幅最大阶段;当风速大于 12 m·s^-1时,以强烈风蚀为主。风沙流中沙物质的主体是细沙和极细沙,在20 cm高度范围内,自风沙流下层至上层细沙含量比较稳定,极细沙含量逐渐降低,中沙含量逐渐上升。     

直立阻沙栅栏流场特征的风洞模拟实验

直立栅栏作用于地表深刻地影响了周围气流的流动特性,使原来流经地表的气流成为一种特殊形式的“次生流”。根据PIV所测的非对数-线性风速廓线形态及风速廓线所表现的不同速度梯度,栅栏周围的流场可以划分为6个典型区域。随着栅栏疏透度的增加,流动的区域会随着下风向距离的增加逐渐合并,划分的区域越来越少。这些典型的区域分别表现了气流的不同运移行为及能量传输特征,对栅栏周围的风沙沉积有很大的影响。     

风蚀事件中农田土壤PM10释放特征

地表风蚀导致的粉尘释放涉及全球变化研究的热点。自然条件下对粉尘释放的观测可以为风洞试验结果提供验证并为开发预测模型提供数据支撑与关键参数。本研究在河北坝上风蚀区,通过观测风蚀事件中农田近地表PM₁₀浓度、垂直通量与流失通量,以及风速和风沙流强度的变化,探讨农田风蚀过程中的粉尘释放特征。结果表明：地表风蚀释尘对近地表粉尘浓度的影响随高度增大而逐渐减弱,各高度的粉尘浓度变化趋势与摩阻风速、输沙率变化趋势相同;粉尘垂直通量和流失通量与摩阻风速呈幂函数关系,与输沙率呈线性关系;农田土壤跃移颗粒的轰击效率α数量级为10^-7m^-1。     

农田近地表风沙流风程效应变化特征研究

风沙流的风程效应研究是定量获取风沙流沿程变化的核心和难点,风程效应是指输沙率随沙床表面或地块长度的增加而不断增大,而后趋于稳定的变化特征,饱和输沙率（f_max）和饱和路径长度（L_sat）是风程效应的重要参数。采用自动连续称重式集沙仪,以河北坝上地区康保县境内典型旱作农田为研究对象,观测了2017、2018年和2021年内4次典型风蚀事件,分析近地表5 cm高度风沙流的风程效应在5 min时间尺度下的变化特征。结果表明：（1） 近地表输沙通量随风程距离的增大而增大。（2） 4次风蚀事件中L_sat的变化范围在11~280 m之间,并存在明显差异,其变化与风速无关。（3） 近地表风沙流的f_max与风速（U）呈幂函数关系。（4） 风程效应的变化特征与地表可蚀性因子、地表微地貌变化有着紧密联系,未来应对不同的土壤类型和质地农田的风程效应进行深入研究。     

土壤风蚀过程颗粒释放机理研究

针对目前土壤风蚀中土壤颗粒释放过程机理研究存在的不足,建立了颗粒在土壤表面起动、滚动、起跳的土壤颗粒释放力学模型,同时考虑了太阳辐射及地表温度产生的向上垂向风速对颗粒起动风速的影响,并采用前人的实验结果与本文模型数值计算结果进行了对比分析,证明其模型的合理性。数值结果表明：起动风速随颗粒粒径的增大先减小后增大,其中在0.12~0.14 mm粒径范围内颗粒最容易起动,同时床面温度越高对颗粒的起动风速影响也越明显,同一粒径下床面温度越高起动风速越小。颗粒在床面上的运动不是纯滚动,而是滚动中有滑动。颗粒起跳速度主要分布在0.3~0.65 m/s之间;起跳角度30°~35°之间;颗粒起跳的角速度主要分布在600~1 200 rev/s。土壤颗粒释放微观过程的研究将对改进土壤风蚀输送过程中的宏观监测与预报起到重要作用。     

矿区风场CFD数值模拟研究——以中国内蒙古乌海市新星煤矿为例（英文）

在中国西北干旱区,大量煤矿开采导致植被退化,强风发生概率增大。风场特征直接影响着沙尘的输运过程。为获取矿区风场特征,本文以内蒙古乌海新星煤矿为例,采用RANS湍流模型,利用开源软件OpenFOAM进行了CFD数值模拟。基于矿区多个观测点的风场实测结果,对数值模拟结果进行了验证,并讨论了西风、西北风和东风三个风向下矿区平均风速和湍动能的分布规律。结果表明：矿区东西两侧凸起的高山或丘陵对矿区平均风速分布影响较大;当风从西或东方向来袭时,由于尾流效应的影响,高地下游平均风速相对较小;而湍流动能则表现出较大的数值。对于西北风向,山或丘陵的尾流效应不太明显;同样,在低洼矿坑附近,平均风速减小,湍流动能增大。本研究可为矿区风沙防治及风沙建设提供理论依据。     

以计算流体动力学模型（CFD）模拟的戈壁地表风沙两相流运动特征

尘暴过程中沙砾质戈壁地表的风沙两相流运动,一直是风沙物理学关注的问题。但由于技术限制,野外观测及风洞实验难以捕捉大规模颗粒运动。为此,本文通过构建流体-颗粒碰撞互馈模型进行三维场域数值模拟,分析了不同砾石盖度下尘暴来流中的风沙两相流运动规律。结果表明：基于三维场流体-颗粒碰撞互馈模型修正后的求解结果能够较为准确地模拟戈壁地表风沙两相流运动过程。(1)不同来流尘暴过程,风相速度均会随砾石盖度的增大而减小,并在砾石盖度大于40%的戈壁近地表形成拜格诺焦点。相较于风相,沙相降速不明显。此外,距砾石床面4 cm以上,风沙两相速度基本保持一致。(2)当尘暴速度大于10 m·s^-1时,在距地1.5～2.1 m高度形成风沙两相流速度交点,交点上下表现为“风快沙慢”及“风慢沙快”现象。(3)尘暴过程中近地表沙尘浓度沿均值线呈“脉动”规律,表现为地表粉尘沉降与再释放循环过程,同时砾石盖度大小会直接影响沙尘沉积分布,当盖度大于40%时能够有效抑制沙尘释放。     

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。     

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。     

沙面温度对风蚀动力过程的影响

大量关于土壤可蚀性的研究证明,低温的沙面更易被风蚀。但大多研究以中低纬度低海拔地区为背景,建立的模型并不能完全适用于高海拔寒冷地区。我们使用青藏高原错那湖湖岸的地表沙,利用高低温实验箱调节沙面温度,开展了风洞模拟实验,量化了不同粒径、风速条件下风蚀率随沙面温度的变化关系,旨在分析地表温度对风蚀动力过程的影响及作用机制。结果表明：（1）沙面温度与风蚀率之间呈负线性相关,低温沙面更易被风蚀。这与空气温度影响风蚀过程的作用机理类似,即低温沙面可以增加近地表空气密度和气流拖曳力,使沙粒更容易起动,风蚀量也随之增大;另外,沙面与空气间的温差,会破坏大气稳定度,影响湍流强度,进而影响风蚀强度,这可能也是沙面温度影响风蚀过程的一种主要机制。（2）在自然情况下,寒冷沙面对水汽具有一定的冷凝效应,从而对沙粒的起动与风蚀过程起到抑制作用,而且这种冷凝效应,在低风速、粗颗粒沙面上表现得更为明显。（3）高温沙面可以在一定程度上抑制风蚀。作为影响高寒地区风力侵蚀过程的重要自然因素,沙面温度对青藏高原典型风沙区的风蚀过程起到了重要的控制作用。     

北京市农田风蚀的野外观测研究

针对半湿润区农田风蚀较弱的特点,采用集沙仪加风速廓线仪和插杆黏捕加电镜分析两种手段对北京市农田的风蚀特征进行了野外观测。结果表明,3类主要风蚀农田中,耙平翻耕地风蚀强度最大,玉米留茬地次之,不耙平翻耕地最弱。随着风速增大,各类农田地表的风蚀强度均呈增加的趋势,并且都表现出较好的指数规律性。风蚀物含量垂向分布遵循幂函数递减规律,风蚀物最大粒径和平均粒径垂向分布亦遵循幂函数和指数函数递减规律,风蚀物粒度组成以粒径小于100 μm的悬移质为主。因此,本研究所得结果反映的是一种以悬移质为主的风沙流结构特征,而这可能是半湿润区最常态的一种的农田风蚀状况。