大风天气老哈河下游迎风侧谷坡的风速脉动特征

基于春季大风天气野外实地风速观测数据,从平均风速、风速脉动、风速脉动强度3个方面对老哈河下游迎风侧谷坡坡脚和坡顶的风速脉动特征进行了分析.结果表明:(1)在距地表0.50 m高度以上,坡脚和坡顶风速在时间序列上波动各自具有均一性;(2)风速脉动幅度随着距地表高度的增加而逐渐加大,其最大值超过4.00 m·s^-1.坡脚和坡顶的风速脉动频率各自具有一致性,但脉动频率不稳定;(3)风速脉动强度基本一致,随高度增加而逐渐增大.在0.50 m高度以上,风速脉动相对值(阵性度)基本稳定,但坡顶的阵性因谷坡的干扰而相对减弱.     

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。     

附面层位移厚度对沙障防风效益评价的适用性研究——以聚乳酸（PLA）沙障为例

地表粗糙度作为风蚀防护中常用的传统指标，在防护林、沙障等工程措施的防护效益评价中发挥了重要作用。但在实际应用中发现，地表粗糙度存在不完全准确的现象。针对这一问题，引入新的参考指标附面层位移厚度，借助风洞模拟实验的方法，通过测定不同边长聚乳酸沙袋沙障中的风速频数、拟合风速流场、计算防风效能等来验证地表粗糙度和附面层位移厚度这2个指标的准确性。结果表明：随着聚乳酸沙袋沙障障格边长的增大，平均风速呈现出上升的趋势，其中障格边长为1.5 m和2.0 m沙障内的平均风速分别是1.0 m沙障的1.13和1.24倍；防风效能则呈现出下降的趋势，其中障格边长为1.0 m沙障内各处均大于0.6,1.5 m沙障内各处均大于0.5,2.0 m沙障内各处均大于0.4；风速流场高速区的面积呈现出增大的趋势。这表明随着沙障障格边长的增大，沙障的防护作用逐渐下降。与此同时，随着沙障障格边长的增大，附面层位移厚度呈现出减小的趋势，而地表粗糙度则呈现出先减小后增大的趋势。综上，附面层位移厚度在评价沙障防护作用时的准确性更高，可作为新的补充参考指标。     

绿洲—沙漠过渡带风况资料统计中的若干问题研究——以策勒绿洲为例

时距和距地面高度一直是风况资料统计中的普遍问题,不同时距和不同高度的风况资料反映真实情况的准确度不同。利用中国科学院策勒荒漠草地生态系统国家野外观测研究站自动气象站及野外地面梯度风实际观测资料,对策勒绿洲-沙漠过渡带10 m高不同时距风速、10 min时距不同高度风速、平均风向及起沙风频率四个方面的问题进行分析。结果表明:不同时距的平均风速之间、最大风速之间、平均风速与最大风速之间均有比较稳定的关系,不随时间发生较大变化;不同高度的风速关系存在随距离接近拟合程度越好的总体规律,但在60 cm处有一定的偏离,主要与地表植被的平均高度有关;利用矢量合成法计算10 min风向,发现2 m高风向比10 m高风向沿逆时针方向偏转约45°;以气象站整时风资料与地面2 m高观测1 min风资料分别统计起沙风频率,发现在系统性天气中二者变化趋势一致,但在偶发性起沙风天气中会有较大差异。     

绿洲-荒漠交错带防护林与自然植被的协同防风效能及优化模式探讨

以新疆准噶尔盆地南缘绿洲-荒漠交错带为研究区,研究了该区防护林与其外围自然植被的协同防风效能,进而构建了二者协同配置的优化模式。结果表明:①在有障碍物(防护林、自然植被)存在时,风表现出显著的规律性,即在0.5 m和1.5 m高度处,防护林与自然植被协同后对风速起到了减弱作用。对于疏透结构林带,风速的减弱程度为自然植被内部>自然植被与防护林之间>防护林外部;对于紧密结构林带,当风速较小时,风速的减弱程度为自然植被与防护林之间>自然植被内部>防护林外部。②防护林带的冠层体积(V)、单位长度林带段胸高断面积(S)、株行距(Q)与自然植被的平均高度(H)、覆盖度(C)协同后和两高度处的相对风速存在极显著相关关系,据此以编程运算得到最小相对风速下二者协同配置的优化模式,即在0.5 m高度处,当V=62.1476 m3、S=0.5756 m2/50m、Q=5.5645 m2、H=1.6889 m、C=0.2878时,二者的协同防风效能达到85.07%;在1.5 m高度处,当V=62.1476 m3、S=0.5237 m2/50m、Q=5.5645 m2、H=1.8154 m、C=0.3073时,二者的协同防风效能达到74.67%。对不同相对风速下二者协同配置的优化模式进行了预测。     

内蒙古拐子湖地区风沙运动若干参数计算

 利用内蒙古拐子湖地区风沙观测场2011年3～5月的沙尘暴强化观测资料,分析计算了巴丹吉林沙漠北缘平坦沙地的地表粗糙度、临界摩擦速度、临界起沙风速等风沙运动关键参数。初步结论如下：观测期间地表粗糙度的变化范围为1.0×10-7～ 9.0×10-1cm,平均粗糙度为0.942 cm;临界摩擦速度约为0.34 m/s;2 m高度的起沙风速约为4.6 m/s。     

几种典型戈壁床面风沙流特性比较

通过不同材料覆盖的戈壁床面风沙流特性风洞模拟实验,发现对于棱角状砾石戈壁床面,地表动力学粗糙度随风速的增加而增加;而卵石床面,地表动力学粗糙度随风速的增加呈减小趋势。戈壁床面风速随高度的分布同样满足对数规律,棱角状砾石床面对风速的减弱程度相对于卵石床面更趋于显著。沙粒与戈壁床面棱角状砾石发生碰撞时其起跳高度增大,引起含沙量随高度分布不再满足流沙地表的指数衰减规律,而呈“象鼻效应”,出现拐点。戈壁地表输沙率与风速服从幂函数关系,但其幂指数远大于流沙地表。输沙率与风速之间幂函数关系中幂指数的取值主要受控于地表粒度组成。     

砾石覆盖对边界层风速梯度的影响

通过莫高窟窟顶野外风洞实验对不同覆盖度砾石床面风速梯度的变化规律进行了研究。结果表明,床面砾石平均高度以下风速梯度随砾石覆盖度变化比较杂乱,而砾石平均高度以上风速梯度随覆盖度增加呈现出有规律的变化。从覆盖度5%到35%风速逐渐减小, 40%~80%趋于稳定,35%最小。据此,大气边界层可明显分为两层,约以砾石平均高度为界,下层定义为粗糙亚层,上层定义为惯性亚层。粗糙亚层风速梯度随砾石间距高度比D/H值的变化同样比较杂乱;惯性亚层风速梯度随砾石间距高度比D/H值的变化规律比较一致:风速在D/H值0.3~1.5段趋于稳定,2.0~4.0段风速逐渐增大,1.5处风速最小。另外,对砾石床面不同高度阻风效应的计算表明,砾石床面的阻风作用在砾石床面表面附近最强(0.75 H~1.1 H),粗糙亚层阻风作用随高度增大而增大,惯性亚层阻风作用随高度增大逐渐减小。该粒径砾石阻风效应最优间距高度比D/H值为1.5,最优间距为3 cm,最优覆盖度为35%,为砾石防沙工程的铺设提供了一定的参考作用。     

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。     

河西走廊风能时空特征

利用河西走廊地区1970-2004年风速气候资料和2004年9月-2005年8月周年风塔精细资料,采用气候订正和即时风速订正,得到接近自然的风速,依此研究了该区域近地面70 m层内风能分布。结果表明:河西走廊区域风速变幅较小、气候变化趋势较稳定;有效风速(≥3 m/s)时数在6 000 h/a,10 m高度风能大多在150 w/m2以上,风能随高度线形增长(在70 m高度层内),平均每升高10 m风能增加28 w/m2;10~70 m层内总风能年储量相当丰富,普遍在1.5×1016kWh/m2(千瓦时/平方米)以上,潜在年产值达千万亿元。河西走廊风能存在明显周日和月季变化,风能和有效风速时数存在空间差异,其时空差异与河西走廊独特的戈壁下垫面关系密切。     

古尔班通古特沙漠半固定沙垄表面风的脉动特征

利用DETI可移动测风系统,对古尔班通古特沙漠半固定沙垄进行实地观测,获取了主要风季沙垄表面7个典型部位200 cm高度的风向及距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm 5个高度的风速系列数据。对风速和风向的脉动特征进行分析研究,发现凸起的沙垄不仅影响平均风速在沙垄表面的变化,亦对风速及风向脉动产生显著影响。结果表明,平均风速沿迎风坡逐渐增大,至垄顶达到最大,在背风坡中上部剧烈降低,随后又缓慢恢复。随着入射角的增大,平均风速在沙垄表面的变化幅度也在增大;绝对风速脉动具有与平均风速相同的变化趋势,且随距地表高度的增加绝对风速脉动值亦在增大;就相对风速脉动（阵性度值）而言,背风坡阵性度值要高于迎风坡,其中背风坡中上部是整个沙垄表面阵性度最高的部位,这与背风侧涡流的存在密切相关;沙垄背风坡风向脉动强度远比迎风坡大,随着入射角的减小,背风坡风向的偏转作用也在加强,而涡旋作用相对减弱。     

青海西部黄瓜梁地区风能资源的观测与评估

 塔的观测资料,计算了风速、平均风功率密度等参数,利用风能评估方法分析了风能参数、风向频率的变化规律及其特征。结果表明,观测年度10～100 m年平均风速和年平均风功率密度分别在4.0～5.2 m·s-1、83.5～200.2 W·m-2之间,且随高度的升高而增大。测风塔各高度3～25 m·s-1风速的时数在4 560～5 316 h之间,最多风向为偏西北风、次多风向为偏东北风。风能密度主要集中在W—NNW和NNE—NE扇区,累积频率分别达60%和29%。观测年50 m高度风速距平百分率偏小（-5.15%）,长年代校正的年平均风功率密度值为192.3 W·m-2,达到了1级（＜200 W·m-2）并网型风力发电的风电场等级标准,指示这个区域的风能资源比较丰富。     

广西跨海大桥桥位区风场特征实测分析

为了全面准确地掌握广西跨海大桥的风环境和风特性参数,2012 年在桥位区设立了一座高度为 55 m 的测风塔,安装了梯度风和超声风观测仪器对其近地风场环境进行了连续 1 a 的现场观测,分析大桥桥位区实测的平均风场特征和湍流脉动风场特征,并推算了桥位区设计风速,结果表明：1）桥位区平均风速垂直变化曲线符合幂指数规律,大风状况时的风切变指数为 0.062,平均风速上半年＞下半年,累年平均和秋、冬、春季主导风向较稳定且均为偏北风;2）在台风“启德”过程观测到的风攻角基本不超过规范用于抗风性能检验规定的±3°范围,脉动风湍流表现为均匀平稳的湍流变化过程,三维方向的湍流强度变化趋势基本一致、湍流积分尺度随时间的变化不大,湍流功率谱在惯性副区内基本符合 Kolmogrove 谱-5/3 律;3）大桥桥面高度处的设计风速 50 a 一遇为 39.7 m/s,100 a 一遇为 42.7 m/s。     

斜插板挡沙墙设计参数优化数值模拟

本文基于FLUENT欧拉双流体非定常模型,对不同设计参数的斜插板挡沙墙周围风沙两相流运动特性进行了数值模拟。结果表明：挡沙墙透风率越小,积沙量越大,但沉积的沙堆越靠近挡沙墙,越容易被埋,透风率宜设计为25%～40%;插板倾角小于90°,背风侧沉沙区紧靠挡沙墙,大于90°,背风侧沉沙区与挡沙墙存在一定的距离;插板倾角在90°～135°时,大部分沙粒沉积在挡沙墙周围,防沙效果最佳,结合工程造价,倾角宜取110°～135°;背风侧有效影响范围区内,风速在水平方向与垂直方向风速轮廓线分别呈左“V”形分布与倒“S”形分布;风速一定时,背风侧空气动力有效阴影区范围随挡沙墙高度的增加而逐渐增大;挡沙墙高度一定时,背风侧沉沙区随风速的增大向下风向移动;挡沙墙高度越大,承受的风压越大,工程造价越高,综合考虑工程造价及防沙效果的基础上,挡沙墙高度建议采用1.5～2.0 m。     

风向对半固定沙垄表面风速影响——以古尔班通古特沙漠为例

利用DETI可移动测风系统对古尔班通古特沙漠半固定沙垄表面风速进行实地观测,获取了主要风季不同风向条件下沙垄表面7个典型部位距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm 5个高度的风速系列数据,系统研究风向对半固定沙垄表面坡面风速及风速廓线的影响。结果表明,迎风坡的气流加速和背风坡的风速降低现象在实际观测中得到证实,但受风向的影响甚大。垄顶风速放大率随入射角的增大呈指数关系递增,而背风坡风速占垄顶风速的比率则随入射角的增大呈线性关系递减。大角度入射气流速度变化主要受控于沙垄形态,小角度入射气流速度变化主要受控于地表植被状况。无论气流以何种角度入射,距沙垄表面20 cm高度气流的加速均较其他高度缓和。沙垄底部和坡中下部的风速廓线变化趋势基本一致,且呈较好的对数拟合关系;两坡中上部和垄顶部的对数拟合方程相关系数偏小;受回旋涡流的影响,风速廓线在背风坡上部有明显偏折,初步断定涡流中心在距地表40 cm左右的高度。     

半隐蔽式麦草方格沙障防护带宽度的探讨

建国以来,随着经济建设事业的发展,业已修筑的和正在修筑的通过沙漠地带的铁路有:包(头)兰(州)线、干(塘)武(威)线、乌(达)吉(兰泰)线、通(辽)让(湖路)线、沙(城)通(辽)线等等。由于风沙危害,沙漠铁路两刚必须进行防护,以防止流沙掩埋线路,危及行车安全。经过多年实践,除在适宜地段采用植物措施取得了较好的成效外,应用最广的工程防沙措施就是半隐蔽式麦草方格(1×1米)沙障。     

风沙流输沙通量垂向分布研究 ——以塔克拉玛干沙漠南缘流沙地表风沙流观测为例

 于2010年4—6月在塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲外缘流沙地进行风速、风向和输沙量同步观测,利用观测到的28组数据对输沙通量的垂向分布进行研究。结果表明,在4.5～8 m·s-1的风速区间内,总输沙率随风速增长速率较慢,大于8  m·s-1时增长迅速。在较小风速时,4个高度层(1 cm、3 cm、9 cm和19 cm)的输沙比率变化不明显,当风速大于6.6 m·s-1时,1 cm和19 cm高度输沙比率的调整较为明显,前者减小而后者增加,中间两层(3 cm、9 cm)则维持一定波动。不同的蚀积条件对于输沙通量的垂向分布具有一定的影响,平均跃移高度则在一定程度上反映了地表沙粒的吹蚀和堆积过程。在4种常见的描述输沙通量垂向分布的模型中,Zingg的修正幂函数具有最好的拟合程度,但反映的风沙流信息最少,简单幂函数的参数包涵了最为丰富的风沙流信息但拟合程度最差,指数函数同时具有较好的拟合程度和参数意义,Fryrear的幂函数则与指数函数恰恰相反。在沙物质以极细沙为主的塔克拉玛干沙漠南缘,指数函数较之简单幂函数能更好地描述该区域输沙通量的垂向分布,验证并补充了风洞实验的结果。综合比较认为,指数函数能更好地描述塔克拉玛干沙漠南缘输沙通量的垂向分布。     

Wind tunnel experimental investigation of sand velocity in aeolian sand transport

Sand velocity in aeolian sand transport was measured using the laser Doppler technique of PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) in a wind tunnel. The sand velocity profile, probability distribution of particle velocity, particle velocity fluctuation and particle turbulence were analyzed in detail. The experimental results verified that the sand horizontal velocity profile can be expressed by a logarithmic function above 0.01 m, while a deviation occurs below 0.01 m. The mean vertical velocity of grains generally ranges from − 0.2 m/s to 0.2 m/s, and is downward at the lower height, upward at the higher height. The probability distributions of the horizontal velocity of ascending and descending particles have a typical peak and are right-skewed at a height of 4 mm in the lower part of saltation layer. The vertical profile of the horizontal RMS velocity fluctuation of particles shows a single peak. The horizontal RMS velocity fluctuation of sand particles is generally larger than the vertical RMS velocity fluctuation. The RMS velocity fluctuations of grains in both horizontal and vertical directions increase with wind velocity. The particle turbulence intensity decreases with height. The present investigation is helpful in understanding the sand movement mechanism in windblown sand transport and also provides a reference for the study of blowing sand velocity.