中国风沙物理研究50a(Ⅱ)

1998年初中国科学院知识创新工程得到了国家的批准,在建设国家创新体系的战略背景下,风沙物理研究得到了新的发展机遇。为了适应国家创新体系的要求,风沙物理学首先重新凝练了学科方向和目标,改善研究手段、拓展研究内容、创新研究思路,使我国风沙物理学研究的国际影响不断增加。笔者从风沙颗粒运动、风沙流、风沙边界层、风沙地貌动力学、土壤风蚀、防沙工程原理和风沙电等几个方面比较全面地回顾了中国科学院知识创新工程实施以来,我国风沙物理学研究所取得的主要成就。     

中国的海岸风沙研究:进展与展望

较为全面地概括和总结了我国海岸风沙研究的主要进展及其成果,包括我国海岸沙丘的类型、分布、成因与发育模式,海岸现代风沙沉积与古风成砂沉积特征,海岸风沙运动观测结果,海岸风沙灾害现状及其防治等。最后,依据海岸风沙研究发展趋势提出了我国海岸风沙研究近期需要特别关注的课题,包括海岸风沙运动的观测与模拟、全球变化与海岸风沙活动关系以及海岸风沙防护研究等。     

70年来中国风沙地貌学的发展

风是除流水之外塑造地球景观的第二大流体,以其为外营力形成的风沙地貌在全球干旱区广泛分布,超过40%的全球陆地面积受风沙地貌过程的影响,与人类生存环境存在着密切的关系,19世纪末以来受到国际学术界的持续关注。中国干旱半干旱地区广泛发育风沙地貌,但风沙地貌研究比国际研究晚半个多世纪,始于20世纪50年代后期。本文总结了新中国成立70年来中国风沙地貌学发展的3个阶段：初创阶段（1949—1977年）、充实发展阶段（1978—1999年）和国际化研究阶段（2000年至今）。现在中国风沙地貌研究的水平整体与国际并行,部分领先。中国具有重要国际影响力的风沙地貌研究工作包括沙丘移动规律、风沙地貌区域综合研究、中国独特风沙地貌发育演变过程、戈壁地貌学研究、沙丘二次流以及地外星球的探索研究。中国风沙地貌学研究有在未来领跑国际研究的潜势,但风沙地貌学家必需有4个方面的战略思考,即综合集成、地球系统科学引领、全球视野和深空时代的发展。     

近40年中国海岸风沙地貌研究回顾

基于20世纪80年代后中国海岸风沙地貌研究的主要发展,总结了包括海岸风沙地貌类型、发育模式、风沙运动、沉积特征、发育演变及海岸风沙防治等中国海岸风沙地貌研究的主要进展,并针对当前研究存在问题提出了包括海岸风蚀地貌调查、风沙地貌形态动力学机制、波浪-海滩-沙丘相互作用、风沙地貌发育演化与全球变化以及海岸风沙资源利用与防治...     

戈壁风沙流若干特征研究

本文从理论推导入手，阐述了戈壁风沙流中沙粒起跃角度、跃移高度和风沙流结构、强度、能量分布状况等特征，指出与流沙地表风沙流的显著差异，并得到风洞实验验证。     

中国亚热带湿润地区风沙地貌的研究：以江西省新建县厚田为例

亚热带季风区风沙化土地的风沙地貌特性,与中国北方沙漠化土地的风沙地貌和海岸沙丘均有明显的不同。在深入调查和解剖沙堆沉积构造的基础上,恢复其发育过程,提出各种风沙地貌类型的发育模式。并通过对影响风沙地貌发育的各种因素的分析,提出该区风沙地貌发育的有限性。     

粒子图像测速(PIV)技术在风沙环境风洞中的应用

粒子图像测速技术是一种全新的非接触、瞬时、全场流速测量方法,广泛应用于流体力学实验中。笔者将其引入风沙运动研究是一个尝试,旨在为风沙物理和防沙工程研究提供新的测量手段。通过分析一系列的风洞实验结果,我们认为,在风沙流中颗粒速度分布、浓度分布、风沙地貌形成演化、防沙工程原理及应用方面,粒子图像测速技术具有一定优势,可以克服传统测量手段的某些不足。     

中国沙区公路风沙危害及防治研究进展

本文聚焦公路风沙问题,回顾了中国沙区公路的发展历程、现状与特点,围绕公路沿线风动力环境、沙害特征、致灾机理、风沙防治措施、防护体系结构组成和防护效益等,系统总结了中国沙区公路风沙防治取得的成果以及存在的问题。针对公路沿线流沙和戈壁地表以及区域自然特征的差异,兼顾风沙防治、绿色廊道建植与景观功效,确保沙区公路防护体系持续稳定和效能发挥,系统梳理了中国沙区公路3种典型风沙防治模式。基于中国公路网络骨架体系日益完善的切实需求和沙区公路安全运营面临的挑战,侧重加强高速公路风沙防治工程技术的提升,提出了中国沙区公路未来的研究重点和发展趋势。     

中国风沙地貌学研究的新进展——庆贺黄秉维教授80华诞

本文从历史回顾及新的进展二个大的方面,比较全面地总结了风沙地貌所取得的成绩以庆贺黄秉维教授80华诞。     

半干旱区植被风沙动力过程耦合研究:Ⅰ.模型

从植被生长和风沙活动之间的相互作用机制出发,建立了植被-风沙动力耦合模型。模型包括生物量动力学方程和风蚀量动力学方程。生物量动力学方程主要考虑了植被生产潜力在植被覆盖地表和非植被覆盖地表上的转化、生物量自身消耗以及风蚀量对生物量的影响;风蚀量动力学方程主要考虑风蚀潜力在流沙地表和非流沙地表上的转化以及生物量对风蚀量的影响。根据我国北方半干旱地区相关研究成果对模型中的参数取值进行了探讨,以便进行模拟和应用研究。     

风沙物理学中两个焦点问题研究现状与未来研究思路刍议

风沙物理学经过数十年的发展与完善,可以说基本上自成体系。但由于学科的起步较晚,加之现象的复杂性,目前仍有很多重要的理论问题没能彻底解决,至少还未达成共识,成为学术界长期以来争论的焦点,从而影响了学科的继续发展。对“沙粒起动机制”和“风成沙纹的形成机理”两个焦点问题在进行研究现状剖析的基础上,浅析未来研究思路。提出沙粒起动主要驱动力是驻点升力的观点,以空气动力学理论为基础的沙粒起动机制研究将是未来该领域的发展趋势;关于沙纹的形成,认为沙粒粒径的不均匀性以及所导致的非平衡运动是前提和基础,风沙流运动过程中类似左右沙丘运动的蚀积转换规律是使沙纹能够维持其稳定形态的必要条件,而沙纹有规律、整齐划一的分布与排列可能与背风面气流小尺度的涡流有关。     

中国沙漠科学的五十年

50多年来,在几代沙漠科技人员的不懈努力下,中国的沙漠科学从无到有,在从填补沙漠研究空白并取得长足进展的同时,沙漠化研究又以其创新性和系统性的理论进展,经济、社会和环境效益的实践成果,极大地充实了我国的沙漠科学,为我国北方地区国民经济建设和生态环境保护做出了突出的贡献,取得了包括国家科技进步特等奖在内的一大批科研成果和上百亿元的直接经济效益。过去20 a来,北方约有 10%的沙漠化土地得到治理,12%的沙漠化土地有所改善,局部地区出现"人进沙退"的新局面。已形成了以中国科学院和国家林业局等有关研究所为主体的国家级沙漠和沙漠化研究机构,汇集了一批优秀的沙漠和沙漠化科学家,创建了我国比较完整的沙漠和沙漠化科学及其研究体系,在风沙物理与沙漠环境、沙漠形成演变与全球变化、沙漠化过程及其防治、沙区资源环境与可持续发展、沙漠化遥感与信息系统综合研究等方面取得了重大进展,积累了丰富的研究资料和数据。在全国主要沙漠和沙漠化地区设有一批长期野外试验站(点),已为国家在有关沙漠开发利用和沙漠化防治方面的决策提供了大量的科研成果和理论依据。我国沙漠科学研究和实践所取得的辉煌成就,得到了政府、地方民众、科学界和国际社会的普遍认可。     

塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区风沙流输沙特征研究

利用多种积沙仪,通过野外实时输沙观测,对塔克拉玛干沙漠腹地塔中的地表风沙流特征进行了分析,结论如下:(1)100 cm高度范围内,总输沙量的63.1%分布在20 cm高度内,72.4%分布在30 cm高度内,随高度的增加,输沙量呈负指数函数下降;由此可见,该地区的风沙活动主要集中在近地面20～30 cm高度范围内;(2...     

风沙运动理论体系的创建与研究

确定风、沙源、风沙流、下垫面和沙地地表形态是构成风沙运动体系的5个基本要素。确定风速的强弱、沙粒的走停、气流含沙量的盈亏、下垫面的扬抑作用和沙地地表的蚀积变化是这些基本要素各自参与风沙运动的主要表现特征。这些表现特征都能一分为二, 于是10个对立侧面的相互作用构成了风沙运动发展变化的总体。系统地研究这些侧面的组合关系、揭示它们相互促进相互制约的演变机理, 进而依其内在联系进行排序, 将其串联成一体, 并绘出图式, 这样便形成了名之曰"强、弱、扬、抑、走、停、盈、亏、蚀、积十纲辩证"的风沙运动理论体系。其中"强、弱、走、停、盈、亏、蚀、积八纲辩证"是本理论体系的核心。     

基于遥感的中国北方风沙地貌类型分析

风沙地貌在我国有广泛的分布,特别在北方,对区域生态安全、社会经济发展有重大影响。为了了解我国风沙地貌最新状况,通过解译2000~2002年的Landsat7 ETM影像,建立了我国风沙地貌类型数据库。对北方风沙地貌的分析表明:1.我国北方风沙地貌主要分布在新疆、内蒙古、青海、宁夏、甘肃、陕西、吉林、黑龙江8省区,其中以新疆、内蒙古的面积最广、地貌类型最丰富;2.类型多样性上,干旱区沙漠的地貌类型远比半干旱区的沙地丰富,其中有些类型分布普遍,还有些类型仅仅局限于特定区域,是在特定的风力、风向、植被等作用下形成的;3.沙丘动态上,沙漠除古尔班通古特与乌兰布和沙漠以固定、半固定为主外其他都以流动为主,沙地沙丘则以固定、半固定状态占优势。本文从沙丘形态类型角度分析了我国风沙地貌的最新特征,具有定位、定量特点,所建数据库不仅能用于风沙地貌的定期遥感监测,还能对沙丘形态演化进行定位监测研究。     

PIV技术及其在风沙边界层研究中的应用

为了考察粒子图像测速度技术在风沙环境风洞中的测量精度及在风沙边界层研究中的应用潜力,通过筛选适当的示踪颗粒,借助PIV测量系统重新测量了风沙环境风洞中的风廓线,并获得了风沙边界层内跃移沙粒的速度和浓度分布规律。实验结果表明：PIV测得的风速廓线与标准风速廓线仪所测结果相当吻合(R2≥0.99);沙粒跃移的平均水平速度和相对浓度（灰度）沿距离沙面高度分别呈幂函数和负指数分布,沙粒速度随高度和自由风速的增加而增大,相对浓度随高度的增加而快速衰减,风速越小衰减越快,风速越大衰减越慢,这一结果与前人的结论一致。PIV系统为将来能够进行更加精确的风沙运动微观机理研究提供了技术保证。     

非均匀风沙起动规律研究

文章将非均匀沙水流起动研究方法中采用的暴露度的概念引入到天然风沙起动的研究中, 对暴露度的统计规律进行了分析。利用风沙颗粒起动时力矩平衡的条件, 建立了天然风沙起动公式, 用风洞试验资料进行了验证。计算结果表明, 在非均匀沙起动粒径与平均粒径相当的条件下, 混合沙的起动风速较小的结论, 与实际情况相符。说明在天然风沙起动研究中采用暴露度来反映风沙不均匀性对起动的影响是合理的。     

西藏贡嘎机场周边风沙灾害成因分析研究

西藏贡嘎机场周边因沙源丰富，造成每年的1-5月扬沙满天，严重影响了飞机正常的起降和周边居民的生产、生活乃至生存。经实地调查和气象、水文资料的收集，以及对沙漠化影响因子相关性分析，提出机场周边地区土地沙化和风沙灾害的成因是自然因素和人为因素综合作用的结果，人为因素中的耕地面积、土地垦殖率因子和自然因素中的大风日数因子是风沙灾害形成的主导因子。     

风沙流中沙粒起跳初速度分布的探讨

风沙流结构中起跃沙粒的初速度分布,是连接微观研究和宏观研究的桥梁。笔者分析了已有的实验数据,就沙质地表起跃沙粒的速度分布、角度分布进行了计算;并运用碰撞理论建立了一个二维碰撞模型。考虑边界条件的影响,运用概率论统计的思想计算了风沙流结构中起跃沙粒初速度的概率分布,并和实验值进行了对比,得到了较好的结果,对风沙流中起跃沙粒的速度分布有了一个定性的认识。     

烟台附近海岸风沙地貌的初步研究

在野外调查基础上,对烟台附近海岸风沙分布、风沙地貌类型及地貌发育过程进行了探讨。指出全新世海岸变迁是海岸风沙地貌发育的基础,6000aB.P.以来有5个风沙堆积期,前4个风沙堆积期与4个海平面下降期一致,第5风沙堆积期与小冰期一致。