劉欣宇, 張春來, 張 慧, 代豫杰, 岑松勃, 沈亞萍
(地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室, 防沙治沙教育部工程研究中心, 北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875)
風(fēng)是塑造風(fēng)沙地貌形態(tài)的基本營力之一,風(fēng)速的大小決定了可能搬運的沙粒的數(shù)量。風(fēng)沙研究中通常用平均風(fēng)速來代替瞬時風(fēng)速,而引起沙粒運動的風(fēng)幾乎都是湍流,氣流速度大小和方向都具有脈動性,這是導(dǎo)致風(fēng)和風(fēng)沙流“陣性”特征的主要原因[1]。已有研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)速脈動使沙粒受到躍移上升力和剪切力,會引發(fā)沙粒振動與起動[2],還與輸沙量具有良好的相關(guān)關(guān)系[3]。因此在研究風(fēng)沙問題時,需要考慮風(fēng)速的脈動特征。目前相關(guān)研究大部分集中在風(fēng)速脈動對沙粒輸移的影響,側(cè)重于沙粒躍移、輸沙率等對風(fēng)速脈動的響應(yīng)[4-7]。其次是不同地表類型下的風(fēng)速脈動特征研究,在一定的大氣環(huán)流背景下,下墊面性質(zhì)影響局地氣流特性[8]。其中,尚河英等[9]觀測表明戈壁地表風(fēng)速脈動具有非平穩(wěn)性特征,并隨風(fēng)速增強(qiáng)而增大;毛東雷等[10]研究發(fā)現(xiàn)流沙地、半固定沙地、固定沙地和綠洲內(nèi)部4個典型下墊面的風(fēng)速脈動幅度隨植被蓋度增加而增大;王雪芹等[11]觀測表明沙漠—綠洲過渡帶典型下墊面的風(fēng)速脈動相對值總體上呈現(xiàn)隨植物密度增大而增大的趨勢,植物群落結(jié)構(gòu)的差異增加了相對風(fēng)速脈動垂直分布的復(fù)雜性。中國農(nóng)牧交錯帶及其以北地區(qū)分布廣闊的草地是重要且典型的風(fēng)蝕地表類型之一,由于植被具有柔性和易變形特點,研究植被覆蓋下近地表風(fēng)速脈動規(guī)律,對揭示柔性粗糙元干擾機(jī)制具有重要意義。本文通過河北壩上地區(qū)天然草地近地表三維超聲風(fēng)速的連續(xù)觀測,分析脈動風(fēng)速與平均風(fēng)速、摩阻風(fēng)速之間的關(guān)系,揭示草地風(fēng)速脈動規(guī)律。
野外觀測點位于河北省康??h西部,地理坐標(biāo)為114°31′22″E,41°51′37″N,處于北方農(nóng)牧交錯帶中段。該地區(qū)為溫帶大陸性氣候,年均氣溫1.2 ℃,年均降水量為340 mm,氣候干燥。風(fēng)向以西北風(fēng)為主,年平均風(fēng)速為3 m/s,大風(fēng)日數(shù)約為60 d,年均沙塵暴日數(shù)14 d。其中春季平均風(fēng)速最大,土壤風(fēng)蝕頻發(fā)。觀測點所在的天然草地植被平均高度為9 cm,植被覆蓋度約50%,地形平坦,遠(yuǎn)離農(nóng)田防護(hù)林和建筑物。風(fēng)速測量儀器為三維超聲風(fēng)速儀(R.M.Young Co.,USA),測量頻率為50 Hz,測量高度為1 m。連續(xù)觀測于2019年4月17日至5月16日完成,為該區(qū)大風(fēng)較為頻繁的時期。
選取5月12日6:00—24:00連續(xù)18 h的風(fēng)速數(shù)據(jù),分析風(fēng)速脈動特征。該時段為持續(xù)時間最長、風(fēng)力最強(qiáng)勁的一次系統(tǒng)性天氣過程。數(shù)據(jù)處理分為兩步,第一步是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn),本文采用Hyson和Van公式[12-13]分別對數(shù)據(jù)進(jìn)行了水平、垂直和角度三次校準(zhǔn)。第二步,使用校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)計算平均風(fēng)速、脈動強(qiáng)度、湍流度和摩阻風(fēng)速。
平均風(fēng)速數(shù)據(jù)分析長度即統(tǒng)計時距為1 min。脈動風(fēng)速為瞬時風(fēng)速與平均風(fēng)速之差,風(fēng)速脈動強(qiáng)度以風(fēng)速脈動值的均方根表示[1]:
(1)
(2)
摩阻風(fēng)速(u*)采用渦動相關(guān)法計算[15]:
(3)
式中:u′和w′ 分別為校準(zhǔn)后水平方向和垂直方向的脈動風(fēng)速。
圖1為2019年5月12日06:00—18:30期間瞬時風(fēng)速隨時間的變化,表明風(fēng)速脈動是持續(xù)存在的自然現(xiàn)象,無論風(fēng)速大小。總體來說,平均脈動風(fēng)速隨平均風(fēng)速的增大而持續(xù)增大,但最大脈動風(fēng)速則隨平均風(fēng)速增大而在8~10 m/s范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值,平均風(fēng)速高于10 m/s情形下,最大脈動風(fēng)速有降低趨勢(見圖2)。當(dāng)日觀測期間,風(fēng)力最弱的06:00—08:00時段內(nèi),平均風(fēng)速為3.3 m/s,最大脈動風(fēng)速為2.5 m/s;在風(fēng)力最強(qiáng)的14:00—18:00時段內(nèi),瞬時風(fēng)速波動劇烈,瞬時風(fēng)速值最大可達(dá)24 m/s,最大脈動風(fēng)速超過5 m/s。
圖1 2019年5月12日6:00-18:30瞬時風(fēng)速變化
圖2 最大脈動風(fēng)速和平均脈動風(fēng)速隨平均風(fēng)速的變化
圖3顯示了風(fēng)速脈動強(qiáng)度和湍流度隨平均風(fēng)速變化的規(guī)律。可以看出,平均風(fēng)速越大,風(fēng)速脈動強(qiáng)度越大,二者之間存在良好的線性正相關(guān)關(guān)系(r=0.936,p<0.001)。根據(jù)以往關(guān)于戈壁地表[9]和沙漠—綠洲過渡帶不同類型地表[10-11]近地面風(fēng)速脈動的觀測結(jié)果,相同風(fēng)速下,本文所觀測的草地表面風(fēng)速脈動高于流沙和戈壁表面的風(fēng)速脈動而小于灌木植被覆蓋的地表,表明植被對近地表氣流的干擾作用強(qiáng)于流沙和戈壁地表風(fēng)沙流對氣流的影響,而植被類型和覆蓋條件對風(fēng)速脈動的影響更為顯著。
湍流是一個復(fù)雜的隨機(jī)過程,很難采用簡單明確的方程來表示,一般通過統(tǒng)計規(guī)律來研究湍流。湍流度與平均風(fēng)速之間的關(guān)系同樣如此,本文觀測表明,在2~14 m/s風(fēng)速范圍內(nèi),湍流度總體介于0.15~0.38之間(屬于高強(qiáng)度湍流),與平均風(fēng)速之間缺乏明顯相關(guān)性。其中,較小風(fēng)速下,草地近地表湍流度分布分散,變化幅度大;隨風(fēng)速的增大,湍流度變化幅度減小,湍流度分布趨于集中。進(jìn)一步統(tǒng)計顯示,湍流度概率分布大致滿足正態(tài)分布,偏度為0.89,峰度為1.51,概率分布峰值對應(yīng)的湍流度為0.23。
圖3 風(fēng)速脈動強(qiáng)度、湍流度與平均風(fēng)速的關(guān)系
研究表明,摩阻風(fēng)速與平均風(fēng)速之間為線性關(guān)系[16]。本文利用三維超聲風(fēng)速儀測定草地1 m高度的平均風(fēng)速和摩阻風(fēng)速,其中,瞬時摩阻風(fēng)速直接利用公式(3)進(jìn)行計算,1 s時距下的摩阻風(fēng)速通過對u′ 和w′ 兩個方向的脈動風(fēng)速值分別取1 s平均后再利用公式(3)計算得到,1 min時距則取1 min平均后的u′ 和w′進(jìn)行計算。
可見,平均風(fēng)速的時距對摩阻風(fēng)速計算有很大影響。秒級以下時距的平均風(fēng)速充分反映了風(fēng)的脈動特征,對摩阻風(fēng)速的計算影響顯著。1 s和1 min時距下的平均風(fēng)速,顯著降低了風(fēng)速脈動的影響,但是,1 s時距下的摩阻風(fēng)速仍具有遠(yuǎn)高于50%的變化幅度,說明該時距下風(fēng)速脈動的影響仍然很大。1 min時距下的摩阻風(fēng)速變化幅度約為10%,表明該時距下風(fēng)速脈動的影響已經(jīng)降到較低水平。
圖4 不同時距下的平均風(fēng)速與摩阻風(fēng)速的關(guān)系
摩阻風(fēng)速決定了風(fēng)對地表剪切力的大小,是風(fēng)沙運動研究中最重要的參數(shù)之一。上述結(jié)果表明,不同時距的風(fēng)速數(shù)據(jù)顯然具有不同的優(yōu)勢和局限性。對于以顆粒運動—動力學(xué)為主要內(nèi)容的微觀風(fēng)沙運動研究,頻率較高的風(fēng)速數(shù)據(jù)對探究顆粒與氣流相互作用優(yōu)勢明顯,但頻率太高(比如50 Hz)也會造成數(shù)據(jù)過于分散,難以獲得有規(guī)律的結(jié)論。對于以輸沙率、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)等為主要內(nèi)容的宏觀風(fēng)沙運動研究,風(fēng)和風(fēng)沙流的瞬時變化可以忽略,因此1 min時距下的風(fēng)速數(shù)據(jù)更具優(yōu)勢。
實地觀測表明,草地近地面風(fēng)速存在脈動現(xiàn)象,脈動強(qiáng)度與平均風(fēng)速之間存在良好的線性關(guān)系,平均風(fēng)速越大,脈動風(fēng)速強(qiáng)度和脈動風(fēng)速的波動范圍就越大,而湍流度隨平均風(fēng)速增大而趨于穩(wěn)定,在2~14 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)概率分布峰值對應(yīng)的湍流度為0.23。風(fēng)的脈動還對摩阻風(fēng)速的計算具有顯著影響,表現(xiàn)為摩阻風(fēng)速與瞬時風(fēng)速缺乏相關(guān)性,相同瞬時風(fēng)速下摩阻風(fēng)速變化劇烈。當(dāng)采用秒級平均風(fēng)速時,摩阻風(fēng)速與平均風(fēng)速顯著線性正相關(guān),但風(fēng)速脈動造成摩阻風(fēng)速計算結(jié)果仍存在劇烈波動;采用1 min時距的平均風(fēng)速時,二者之間的線性關(guān)系極為顯著,風(fēng)速脈動對摩阻風(fēng)速計算的影響約在10%的水平。