鄂尔多斯高原油蒿（Artemisia ordosica）灌丛沙堆风沙气流结构及其地貌学意义

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00208

摘要/Abstract

摘要：

鄂尔多斯高原广泛分布的油蒿（Artemisia ordosica）灌丛与风沙流相互作用形成灌丛沙堆，其形态发育主要受控于周围风沙输移状况。利用EC9-1型风向风速传感器和阶梯式集沙仪对平坦覆沙地上油蒿灌丛沙堆周围的风沙气流进行了观测，系统地分析了近地表水平流场、风速廓线和输沙率的分布和变化特征。结果表明：气流结构和输沙率随沙堆位置而变化。自灌丛沙堆迎风侧经两侧至背风侧，气流呈现分离降速、两侧增速、汇集减速的水平分布特征；风速在背风侧坡脚处最小，并随水平距离呈指数关系逐步回增，至4.85H（H是灌丛沙堆总高度）处恢复至旷野风速；灌丛沙堆周围风速廓线均不服从对数变化规律，且在背风侧坡脚0.3—1.0 m内风速随高度增加而减小，出现反向垂直轴涡流；相对于沙堆走向南北侧的起沙风频率差异使两侧输沙率变化不同，进而导致蚀积状态差异，沙堆平面形态由椭圆形向不对称纺锤形逐渐演化；沙堆背风侧均未出现沙尾，即在薄层覆沙剥蚀高原上不充足的沙源和入射风方向变化抑制了沙尾或风影沙丘的发育。

关键词: 油蒿灌丛沙堆, 水平流场, 风速廓线, 输沙率

Abstract:

Artemisia ordosica shrubs are distributed widely in the Ordos Plateau of China and they interact with air flow to form nebkhas， whose morphological development is mainly controlled by the condition of surrounding aeolian sediment transport. In this study， EC9-1 wind direction and speed sensor and stepped sand traps were used to observe the airflow and sediment transport around the Artemisia ordosica nebkha on flat sandy land， and then the distribution and variation of the horizontal airflow field at 0.3 m， wind speed profile and sand transport rate were systematically analyzed. The results show that the air flow structure and sediment transport rate change with different positions of the nebkha. To be specific， from the windward side through both sides to the leeward， the airflow separates with deceleration， grows on both sides and converges with reduction； The wind speed decreases to the minimum at the foot of the leeward side， increases exponentially with the horizontal distance， and returns to the reference at 4.85H（H stands for total height of the nebkha）； Around the nebkha， the wind speed profiles do not follow logarithmic distribution， and the speed decreases with the increase of height within 0.3-1.0 m at the toe of the leeward side， which indicates the presence of reverse vertical axis vortex； The difference in frequency of sand driving wind makes the change of section sediment transport rate on both sides， which leads to different erosion and deposition pattern and makes the shape of the nebkha evolve from oval to asymmetric spindle； There is no sand tail on the leeward side of the studied nebkhas， that is， the inadequate sand source and the incident wind direction change inhibit the development of shadow dunes in a multi-direction wind environment on the denuded plateau with thin sand layer.

Key words: Artemisia ordosica nebkhas, horizontal airflow distribution, wind speed profile, sediment transport rate

中图分类号:

P931.3

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图/表 16

图1 研究区位置

Fig.1 Location of the study area

图2 研究区气象要素的月变化（A）、输沙玫瑰图（B）

Fig.2 Monthly variation of meteorological elements （A） and sand transportation rose （B） in the study area

表1 灌丛沙堆形态参数

Table 1 Morphological parameters of each nebkha

灌丛沙堆序号	长度 /m	宽度 /m	总高度 /m	灌丛植株高度/m
1	3.70	2.73	1.10	0.55
2	5.88	2.64	1.20	0.51
3	1.20	1.05	0.80	0.50
4	3.20	3.13	1.20	0.50
5	3.46	2.88	1.20	0.70
6	4.00	3.30	1.35	0.65
7	2.10	1.50	0.80	0.35
8	2.80	2.50	1.05	0.60

图3 水平流场、输沙观测点位（A）和风速廓线观测点位（B）布设

Fig.3 Layout of observation points of horizontal flow field and sediment transport （A） and wind speed profile （B）

图4 水平流场、输沙观测（A）和风速廓线观测（B）仪器

Fig.4 Pictures of horizontal flow， sediment transport （A） and wind speed profile observation （B）

图5 观测期间参考点4 m高度风向、风速

Fig.5 Wind direction and speed at 4 m height of reference point during observation

图6 灌丛沙堆两侧0.3 m高度水平流场

Fig.6 Horizontal flow field at 0.3 m height on both sides of the nebkha

表2 灌丛沙堆两侧观测点平均风速变化幅度

Table 2 Variation range of average wind speed at observation points on both sides of the nebkha

入射风	指标	参考点	南侧观测点			北侧观测点
入射风	指标	L1	L3	L4	L6	L13	L12	L11
同侧风	平均风速/（m·s^-1)	4.5	4.7	3.0	1.5	3.6	4.6	4.6
同侧风	平均风速变幅/%	—	5.9	-33.7	-66.3	-19.0	2.3	4.1
异侧风	平均风速/（m·s^-1)	4.1	4.6	2.1	1.6	4.0	4.8	3.6
异侧风	平均风速变幅/%	—	11.3	-49.6	-61.9	-4.2	16.7	-12.1

图7 背风侧各测点（L7—L10）及同时段参考点（L7-1—L10-1）的风向变化

Fig.7 Change of wind direction on the lee of each observation point （L7—L10） and reference point （L7-1—L10-1） in the same time

图8 烟雾示踪法观测反向涡流

Fig.8 Observation of reverse vortex flow by smoke tracer method

表3 背风侧各测点0.3 m高度平均风速与距离之间的关系（y=a·ebx）

Table 3 The relationship（y=a·ebx） between the average wind speed at 0.3 m and distance on the leeward side of the nebkha

风向	a	b	R²	P	D/m
292°	0.0979	0.6698	0.9951	0.0009	5.6540
303°	0.0938	0.6531	0.9933	0.0013	5.8641
315°	0.0629	0.7118	0.9880	0.0023	5.9419
326°	0.0126	0.9787	0.9698	0.0058	5.9644
337°	0.0004	1.5710	0.9438	0.0108	5.9117
348°	0.0005	1.6218	0.9181	0.0157	5.5889

图9 灌丛沙堆各测点风速廓线

Fig.9 Wind speed profile of each observation point around the nebkha

图10 各测点输沙率变化（A—C）及对应观测期间起沙风风向频率（D）

Fig.10 Variation of sediment transport rate at observation points （A-C） and the frequency diagram of sand driving wind direction （D）

图11 各测点输沙率垂线变化

Fig.11 Variation of sediment transport rate with height at each observation point

表4 各测点输沙率随高度变化关系的拟合系数

Table 4 The fitting coefficient of the relationship between sediment transport rate and height at each observation point

观测点位	a	b	R²
L1	3.4838	0.2607	0.9990
L2	0.6261	0.2336	0.9709
L4	1.0607	0.2141	0.9865
L5	1.0153	0.2277	0.9961
L6	2.4160	0.2306	0.9975
L11	0.3736	0.1962	0.9726
L12	0.2711	0.1678	0.9725
L14	0.0784	0.1329	0.9760

图12 背风侧坡脚相对风速（背风侧坡脚风速U与上风向参考点L1的0.3 m高度风速Uref的比值）与灌丛沙堆形态参数之间的关系

Fig.12 The relationship between relative wind speed at the toe of leeward slope and morphological parameters of nebkhas

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