呂 萍，董治寶，張正偲，趙愛國

(中國科學(xué)院沙漠與沙漠化重點實驗室，甘肅蘭州730000)

風(fēng)是塑造地表景觀的主要外營力之一，也是沙粒發(fā)生運動的動力因素[1]。因受地表摩擦力及熱力作用的影響，湍流運動是近地層大氣的固有屬性。湍流是流體在特定條件下所表現(xiàn)出的一種特殊、隨機的但具有一定規(guī)律的運動現(xiàn)象，大氣作湍流運動時，各點的速度大小和方向都是隨時間脈動的，表現(xiàn)出一定的陣性，它在大氣邊界層內(nèi)扮演著極其重要的角色。地表與大氣之間的物質(zhì)與能量的交換、傳輸就主要是通過湍流輸送來實現(xiàn)的。湍流輸送越強，大氣與地表之間的物質(zhì)與能量的交換、傳輸活動就越強，反之，二者之間的相互作用就越弱。近地層搬運沙粒的風(fēng)，幾乎全部是湍流的，湍流動量下傳是地表起沙揚塵的有效機理[2-4]。

在風(fēng)沙兩相流的運動中，風(fēng)速改變最顯著的作用就是影響床面沙粒所受到的剪切力[5]。而剪切力與輸沙率密切相關(guān)，特別是反映床面處剪切力大小的摩阻速度直接出現(xiàn)在諸多輸沙率公式中。根據(jù)風(fēng)與沙之間的相互作用，地表沙粒在受到風(fēng)剪切力作用而起跳的同時，會對風(fēng)產(chǎn)生一定的阻滯作用，即沙粒運動對風(fēng)也會產(chǎn)生一定的影響[6-16]。

以往對于沙塵暴發(fā)生過程中近地層微氣象要素特征的研究主要集中于利用國家標(biāo)準(zhǔn)氣象臺站的測風(fēng)數(shù)據(jù)。我們知道，國家標(biāo)準(zhǔn)氣象臺站多建在遠(yuǎn)離沙漠源區(qū)的地區(qū)，限制了人們關(guān)于沙塵源區(qū)沙塵暴發(fā)生時近地層微氣象要素特征的研究。另一方面，以往關(guān)于沙塵暴過程中地面摩阻速度、空氣動力學(xué)粗糙度以及床面剪切力的變化特征研究的報道也不多見。

有鑒于此，本文擬利用中國科學(xué)院風(fēng)沙科學(xué)觀測場風(fēng)沙觀測塔觀測系統(tǒng)的沙塵暴觀測資料，對騰格里沙漠地區(qū)沙塵暴天氣過程地面摩阻速度、空氣動力學(xué)粗糙度以及床面剪切力的變化特征進(jìn)行詳細(xì)分析，為深入理解風(fēng)沙互饋作用機制及防沙工程的合理設(shè)計提供更為可靠的理論依據(jù)。

1 實驗場地及計算方法

騰格里沙漠位于阿拉善高原東南部(37°32′—40°00′N ，102°15′—105°41′E)，東界賀蘭山，東南角分別到黃河邊，西北以雅布賴山與巴丹吉林沙漠相隔，南側(cè)為祁連山脈。沙漠面積為4.27×104km2，約占全國沙漠總面積的6.2%，是我國第4大沙漠。

中國科學(xué)院風(fēng)沙科學(xué)觀測場位于騰格里沙漠東南緣中衛(wèi)市的西北角。觀測場內(nèi)是經(jīng)過平整的水平觀測場，分為風(fēng)沙運動、沙塵暴、風(fēng)沙地貌動力3個觀測區(qū)和防沙工程、風(fēng)沙危害2個實驗區(qū)。場內(nèi)有一個48 m高的風(fēng)沙綜合觀測塔，觀測項目主要包括:2層風(fēng)向，9層風(fēng)速，6層溫、濕度。風(fēng)速傳感器依次安裝在鐵塔的 48 ，32，24，16，12 ，8，4 ，2，1 m 高的位置 ，風(fēng)向傳感器安裝在16 m和12 m的高度處。實驗觀測為24 h連續(xù)、自動觀測，自動記錄，在對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時進(jìn)行30 min滑動平均處理。

本文擬利用風(fēng)沙科學(xué)觀測場的觀測資料對2005年4月8日騰格里沙漠地區(qū)一次沙塵暴過程過境時地面摩阻速度、空氣動力學(xué)粗糙度以及床面剪切力特征進(jìn)行分析。計算方法如下:

根據(jù)近地面層Monin—Obukhov相似性理論，有以下關(guān)系式:

其中:

2 結(jié)果與分析

圖1給出了風(fēng)沙觀測塔記錄的2005年4月8日一次沙塵暴過程8個高度的水平風(fēng)場隨時間演變情況。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，不同高度層之間的風(fēng)速變化不但具有很好的相關(guān)性，而且相關(guān)性非常顯著。其中表1為不同高度層風(fēng)速之間的相關(guān)系數(shù)，可以看到，其相關(guān)系數(shù)值都大于0.9，說明不同高度層之間風(fēng)速的變化具有很好的同步性。

地表土壤風(fēng)蝕起沙過程實質(zhì)上是運動的空氣流與地表微粒在界面上相互作用的動力過程。對于單個土壤微粒，其能否脫離地表決定于所受空氣動力和阻力的合力。在風(fēng)沙物理學(xué)中，摩阻速度被用來反映微粒所受到的空氣動力作用的大小，圖2為沙塵暴過程地面摩阻速度隨時間演變情況，直線為平均值?？梢钥吹?，摩阻速度并不是保持一成不變，而是圍繞著平均值處在不斷變化之中，這是由于地表沙粒在吸收風(fēng)的能量而起跳的同時，會對風(fēng)產(chǎn)生一定的阻滯作用，即沙粒運動對風(fēng)也會產(chǎn)生一定的影響，結(jié)果導(dǎo)致風(fēng)動力不斷發(fā)生變化。

圖3同時給出了作用在沙粒上的剪切力變化示意圖。當(dāng)氣流中存在運動顆粒時，大量的顆粒被起動、加速，從而對氣流產(chǎn)生相應(yīng)的作用力，使剪切力發(fā)生變化。

圖1 不同高度水平風(fēng)場的時間演變

圖2 地表摩阻速度隨時間變化

表1 不同高度風(fēng)速相關(guān)性分析

圖3 地表剪切力隨時間變化

從空氣動力學(xué)角度來講，空氣動力學(xué)粗糙度是氣/固界面上“無滑移”層的厚度，即流體質(zhì)點的速度與未受擾動的流體速度幾乎相同的高度。任何影響“無滑移”區(qū)與外部區(qū)域之間能量交換的因素都會影響到空氣動力學(xué)粗糙度的厚度，即空氣動力學(xué)粗糙度不但取決于地表的粗糙性質(zhì)，而且決定于流經(jīng)地表的流體的性質(zhì)，其大小從一定程度上反映了近地表氣流與下墊面之間的物質(zhì)與能量的交換、傳輸強度以及它們之間相互作用的特征。圖4給出了空氣動力學(xué)粗糙度隨時間演變情況，受運動沙粒的影響，空氣動力學(xué)粗糙度在平均值上下發(fā)生不斷變化，而且粗糙度與風(fēng)剪切力兩次峰值的出現(xiàn)時間幾乎同步，即12:59分和17:11分，說明局地起沙是沙塵的重要貢獻(xiàn)之一，即騰格里沙漠是重要的沙塵源區(qū)之一。

圖4 空氣動力學(xué)粗糙度變化

3 結(jié)論

利用風(fēng)沙科學(xué)觀測場的觀測資料對2005年4月8日騰格里沙漠地區(qū)一次沙塵暴過程過境時地面摩阻速度、空氣動力學(xué)粗糙度以及床面剪切力的變化特征進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn):在沙塵暴過境時，地面摩阻速度、空氣動力學(xué)粗糙度以及床面剪切力并不是保持一成不變，而是在平均值上下隨時間不斷發(fā)生變化，而且粗糙度與風(fēng)剪切力兩次峰值的出現(xiàn)時間幾乎同步;各高度層風(fēng)速之間相關(guān)系數(shù)都大于0.9，具有很顯著的相關(guān)性。

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