CWHF型全自动集沙仪设计及应用性能野外验证

集沙仪作为一种风蚀研究装置,可直接和准确地测定土壤风蚀过程中的输沙量和风沙流结构。为此,一种全自动、高频率的沙尘采样器(Continuously weighing,high frequency sand trap,简称:CWHF全自动集沙仪)被设计,并通过与2 m高度风速和Sensit跃移撞击传感器的野外配合观测,对比分析其野外实地的应用性能。CWHF全自动集沙仪整体外形呈"L"状,其最大特点是集沙容器底部安装有高精度单点称重传感器,使其能够实现集沙累积值的实时高频及长时间测量。通过对沙尘暴天气背景下的相关数据进行分析,发现CWHF全自动集沙仪的累积量和输沙通量均与风速和撞击颗粒数有较好的一致性,其能够很好地捕捉沙物质的输移信息,野外应用效果良好。     

沙尘天气下输沙率的野外观测与分析

2014年7月—2014年8月借助风速仪、微梯度集沙仪,通过野外监测系统获取的试验数据,对塔中地区2014年7月—2014年8月沙尘天气过程中贴地层输沙率进行分析,得出:0～85 mm高度内,随着风速的增大,35～85 mm无论是绝对的输沙量还是相对的输沙量都减少。0～85 mm高度内,各层输沙率最大值均出现在风速为8 m·s-1左右,波动较为显著;最小值出现在6.5 m·s-1左右,波动不明显;沙尘天气中,输沙率最大值出现在5～15 mm高度,最小值出现在35～85 mm高度。扬沙天气中,风速9.2 m·s-1时,输沙率最大值在0～5 mm处。沙尘暴天气,拐点风速为7.5 m·s-1,7.5 m·s-1时,输沙率增加不显著,7.5 m·s-1时,输沙率增加显著。通过微梯度集沙仪获得的上述试验数据是风沙工程设计的一个极重要工程参数,具有重要的实践意义。     

巴丹吉林沙漠北缘沙尘天气过程中近地面气象要素变化及风沙流结构分析

提要：利用2013年春季在巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区的沙尘暴加强观测资料,对比分析该地区典型流动沙面晴天、扬沙和沙尘暴三种天气背景下各气象要素的变化特征及差异,同时对沙尘暴过程中近地层风沙活动特征进行分析。结果表明,随风速增加沙尘天气强度逐步提升且沙尘天气来临前风速、风向均表现出明显的调整现象,此后爆发过程中风速、风向相对稳定。随沙尘天气强度的增加气温逐渐减小且沙尘天气过程中地面呈利于沙尘起动的暖干状态,同时地面气压不断升高。悬浮的沙尘会导致拐子湖流动沙地各层地温有减小趋势,但减小程度相对较弱,使沙尘天气下各层地温仍保持良好的梯度变化和正弦型日变化趋势。拐子湖流沙地春季起沙风速为6.5m/s,输沙通量垂直分布状况在20cm左右具有明显的分段现象。地表100cm内总输沙量的50%和90%分别集中在地表20cm和56cm高度以内。观测期间整个5月地表0～100cm高度内的输沙通量为420.96kg/m。     

新疆戈壁地区风沙流结构及其粒径特征研究

为掌握研究区域风沙流活动情况,设计并完成了长跨时(2016年5月—2018年5月)的戈壁风沙流现场累积观测。基于观测数据和砂土样品,对研究区域的风沙流活动特征及其结构进行系统分析,在此基础上建立输沙通量廓线函数模型。结果表明:1)观测期间现场输沙率水平在177—330 g/(cm·a),均值约247 g/(cm·a)。2)风沙流和地表砂土粒径分布分别呈双峰和单峰型,且风沙流中砂土占比与地表砂土占比的比值随粒径增大而减小。3)建立的线性-多项式-幂函数和指数-幂函数两种模型都能较准确地描述风沙流的输沙通量廓线,拟合优度均值超过0.98,适用于反映现场风沙流结构。     

沙尘暴过程中气象要素响应及输沙分析

通过野外监测系统获取的试验数据,对拐子湖地区2011年4月份一次强沙尘暴过程中贴地层微气象要素和输沙进行分析,得出如下结论：大气高温干燥,地表高温低湿、气压下降,风速增大是沙尘暴来临的前兆;沙尘暴过程中风向和风速相对稳定,气压、水汽压和相对湿度都会明显下降;地温下降速度较慢,土壤湿度略有上升;输沙量主要集中于距地表50cm以内高度层,在0-20cm高度层里输沙量呈增大趋势,20cm以上随着高度升高含沙量逐渐下降;跃移沙粒输沙量的空间分布与风向频率既有相似性,又有差异性;蠕移输沙量的方向分布比较复杂,同风向分布有显著的差异。这些结果对沙尘暴预报和沙源区的防风治沙有指导意义。     

乌鲁木齐沙漠气象研究所已取得第一批沙尘暴追踪试验观测资料

由中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所承担的“西部五省气候变化与生态环境评估子项目-风沙灾害监测与荒漠化评估系统”于2007年4月10日开始进行塔克拉玛干沙漠腹地野外综合观测试验。项目沿塔里木盆地周围、沙漠公路以及北疆艾比湖-石河子-乌鲁木齐一带布设了大气降尘采集器和TSP等设备。在沙漠公路沿线肖塘和塔中气象站分别安装了三层梯度集沙仪、沙通量及LAS,并结合塔中站80m梯度、哈得站和肖塘站10m梯度等先进的探测设备,跟踪监测沙尘暴的发生过程。     

塔克拉玛干沙漠腹地贴地层风沙流结构研究

利用微梯度集沙仪在塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区实测的2014年7—8月贴地层输沙量梯度观测资料(观测高度区间0~5 mm、5~15 mm、15~35 mm、35~85 mm),对沙尘天气过程贴地层风沙流结构进行了研究。结果表明:(1)沙尘天气(沙尘暴和扬沙)过程中,随着风速的增大,各高度层输沙量也随之增大。沙尘暴天气中,风速7.5 m·s~(-1)时,15~35 mm处的百分含量超过5~15 mm处的百分含量,风速7.5 m·s~(-1)时,15~35 mm处的百分含量达到最大,其余各高度含量变化不明显。扬沙天气中,风速8.0 m·s~(-1)时,百分含量最大值出现在35~85 mm高度处,占48.9%,风速8.0 m·s~(-1)时,大小依次为:15~35 mm(49.5%)35~85 mm(31.7%)0~5 mm(12.7%)5~15 mm(9.2%)。(2)两种天气过程中,沙粒的平均粒径在垂直高度上均呈现先减小后增大的趋势。粒径峰值均处在125~250 um,极细砂含量最高,细砂次之。与扬沙天气相比,沙尘暴天气过程中极细砂、细砂、中砂在各高度层上的含量略微下降,粉尘含量有所升高。     

风沙流中风速廓线的数值模拟与实验验证

如何描述风沙流中被风沙运动改变了的风速廓线是风沙相互作用研究中的关键问题之一.该文中将跃移风沙流视为一种颗粒拟流体,将跃移颗粒对气流产生的阻力用颗粒流的阻力系数来表达,建立了描写两场相互作用的数学模型.颗粒流的阻力系数采用了前人在液态流化床研究中得出的阻力系数表达形式,通过引入一个修正系数,使其适用于风沙流(气-固两相流).将风沙边界层划分为跃移颗粒所产生的阻力不可忽略的内边界层和跃移颗粒阻力可以忽略但受内边界层影响的外边界层,分别建立了内边界层和外边界层的风速廓线表达式.应用所建立的数学模型,根据由风洞实验测定的跃移风沙流的浓度分布和速度分布资料,计算了跃移风沙流中的风速廓线,并与风洞实测结果进行了对比.结果表明,计算风速廓线与实测风速廓线吻合得比较好,在半对数图上均为上凸的曲线,有别于无风沙运动时的直线.跃移边界层外风速分布可较好地用对数函数来描述.对风沙流中风速廓线的进一步分析证实了风沙物理学奠基人Bagnold在其早期观测风沙流中的风速廓线时提出的"结点现象"(Bagnold结),该结点的高度随风速的增大而升高,随颗粒粒径的增大而降低.根据数值模拟和模拟实验,可以认为有风沙运动的动床剪切风速是综合反映风场与跃移层以及地表之间相互作用的物理量.     

基于欧拉—拉格朗日模式的风沙跃移数值模拟方法

通过对沙粒的起动过程以及粒床相互作用机理进行参数化处理,利用计算流体力学方法与离散动力学模拟对风场和沙粒进行耦合迭代,建立了基于欧拉—拉格朗日模式的、适用于研究风沙流二维特征的风沙跃移数值模型。通过模拟沙粒集团以及单颗沙粒跃移运动的随机特征,有效描述了风沙流垂向以及沿程变化规律,并且能够输出任意时刻每颗沙粒的空间位置、速度和加速度等信息。输沙通量的空间分布与现场观测实验数据有较高的吻合度,摩阻风速和风速廓线两个宏观物理量的变化情况与风沙流形成和发展的物理实际相符,说明了本数值模型和计算方法的合理性。     

沙尘暴天气数值预报系统及其预报效果检验

沙尘暴天气数值预报系统包括区域大气模式、陆面过程模式、风沙模式(包括风蚀、输送和沉降模式)和地理信息系统。用该系统对2002年3月20日和4月7日2次沙尘天气进行了预报试验,利用地面观测资料和卫星观测资料对模式输出的主要沙尘天气预报产品进行了对比分析。分析结果认为,沙尘暴天气数值预报系统对沙通量、尘通量和垂直积分质量有很好的预报能力,但仍需改进陆面参数和沙尘气溶胶的初始值。     

策勒沙漠-绿洲输沙及动力环境特征

利用2012年4月9日—5月9日策勒沙漠和绿洲内部测点的输沙及气象资料,分析了沙漠与绿洲内部沙尘传输的差异性,并从风动力环境上揭示了成因。结果表明:(1)观测期间,通过沙漠测点100 cm(宽)×200 cm(高)断面的沙尘总量为117.5 kg,通过绿洲内部棉田相同断面的沙尘总量为15.1 kg,比沙漠测点减少了87.1%;(2)过渡带和防护林带对风速的消减作用明显,观测期间,沙漠测点起沙风的持续时间为97.4 h,棉田测点仅为18.9 h;(3)观测期间,沙漠测点的总输沙势为114.2 VU,合成输沙势为72.8 VU,合成输沙方向为65.5°;棉田测点的总输沙势为16.1 VU,合成输沙势为15.1 VU,合成输沙方向为104.5°。荒漠过渡带和绿洲防护林通过降低绿洲内部的风速,改变动力环境,削弱沙尘在绿洲区的传输。     

天山及周边地区空中水资源的稳定性及可开发性研究

利用天山及周边地区大气含水量序列的方差值和降水转化率,分析了天山地区空中水资源的稳定性和可开发性,结果表明：天山山区大气含水量的稳定性与大气含水量多少有密切关系,大气含水量低的地区,水资源稳定,而大气含水量高的地区,水资源不稳定。夏季是四季中方差最大的季节,稳定性较差;冬季是大气含水量方差最低的季节,特别是山区大气含水量稳定,秋季略高于春季。天山东部和西部地区的大气含水量方差明显要小,而中部地区较大,这主要是由控制风带的强弱及水汽输送决定的。大气含水量的稳定性和海拔成反相关关系,这主要与水汽凝结的高度有关。地形高度变化和降水转化率密切相关,随海拔高度上升,降水转化率增大,降水转化率在2000m左右形成一个高值,天山山区年降水转化率最大,伊犁河谷冬季降水转化率最大。     

A Field Experiment on Dust Emission by Wind Erosion in the Taklimakan Desert

Dust emission by wind erosion in surface is a serious problem in many arid regions around the world,and it is harmful to the ecological environment,human health,and social economy.To monitor the characteristics of saltation activity and to calculate the threshold wind velocity and sediment discharge under field conditions have significance on the research of dust emission by wind erosion.Therefore,a field experiment was conducted over the flat sand in the hinterland of the Taklimakan Desert.One sampling system was installed on the flat sand surface at Tazhong,consisting of a meteorological tower with a height of 2 m,a piezoelectric saltation sensor(Sensit),and a Big Spring Number Eight(BSNE) sampler station.Occurrence of saltation activity was recorded every second using the Sensit.Each BSNE station consisted of five BSNE samplers with the lowest sampler at 0.05 m and the highest sampler at 1.0 m above the soil surface.Sediment was collected from the samplers every 24 h.It is found that saltation activity was detected for only 21.5% of the hours measured,and the longest period of saltation activity occurring continuously was not longer than 5 min under the field conditions.The threshold wind velocity was variable,its minimum value was 4.9 m s 1,the maximum value was 9.2 m s 1,and the average value was 7.0 m s 1.The threshold wind velocity presented a positive linear increase during the measurement period.The observation site had a sediment discharge of 82.1 kg m 1 over a period of 24 h.Based on hourly saltation counts,hourly sediment discharge was estimated.Overall,there was no obvious linear or other functional relationship between the hourly sediment discharge and wind velocity.The results show that the changes of sediment discharge do not quite depend on wind velocity.     

西北风沙起蚀观测试验及其研究进展

简要阐述了国家自然科学基金“西北沙漠地表沙粒运移特性及动力热力参数研究”支持的“我国西北三大沙漠地表风蚀起沙观测试验”的科学意义、试验方案和科学目标,总结了该试验在前期取得的部分研究进展和研究成果,概括叙述了该项目在地表沙粒跃移特征、起沙风速、沙尘通量等方面的重要发现和一些新的认识。最后,提出并讨论了在沙漠风蚀起沙观测试验方面需要进一步研究和思考的一些重要问题。     

The Effect of Air Density on Sand Transport Structures and the Adobe Abrasion Profile: A Field Wind-Tunnel Experiment Over a Wide Range of Altitude

Aeolian sand transport results from interactions between the surface and the airflow above. Air density strongly constrains airflow characteristics and the resulting flow of sand, and therefore should not be neglected in sand transport models. In the present study, we quantify the influence of air density on the sand flow structure, sand transport rate, adobe abrasion profiles, and abrasion rate using a portable wind-tunnel in the field. For a given wind speed, the flow’s ability to transport sand decreases at low air density, so total sand transport decreases, but the saltation height increases. Thus, the damage to human structures increases compared with what occurs at lower altitudes. The adobe abrasion rate by the cloud of blowing sand decreases exponentially with increasing height above the surface, while the wind erosion and dust emission intensity both increase with increasing air density. Long-term feedback processes between air density and wind erosion suggest that the development of low-altitude areas due to long-term deflation plays a key role in dust emission, and will have a profound significance for surface Aeolian processes and geomorphology.     

Heterogeneous Saltation: Theory, Observation and Comparison

In the theory of saltation, under development since the 1940s, it is often assumed that saltation is homogeneous, i.e., saltating particles are uniform in size and follow identical trajectories. This assumption is a limitation to the development of saltation theory. In this paper, as in some other studies made since the 1980s, we are concerned with the saltation of multi-sized particles in turbulent flows, a process that we refer to as heterogeneous saltation. The theory deals with several questions, including the variation of particle size distribution with height, the entrainment rates of particles in different size ranges, and the associated profiles of saltation flux, particle momentum flux and particle concentration. It is hypothesised that saltation is dynamically similar and ‘universal’ similarity functions can be established. The similarity function for saltation flux is presented. Field observations are carried out at the southern fringe of the Takla Makan Desert in April 2002. Measurements of streamwise saltation flux of 32 particle size groups are made using a sand particle counter, together with measurements of wind speed and other atmospheric variables. These data are used to validate the saltation theory, by examining whether the observed saltation flux and particle size distribution can be reproduced. It is shown that the theory is promising in predicting these quantities.