雅鲁藏布江中游平坦流沙地表空气动力学特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00106

摘要/Abstract

摘要：

近地层空气动力学过程及特征是影响风沙运动过程及强度的重要因素，受地表粗糙元特征和空气密度等多种因子的影响，是风沙科学研究的重要内容。雅鲁藏布江中游是青藏高原风沙活动最频繁的地区之一，但对其流沙地表空气动力学过程的研究较为薄弱。基于日喀则宽谷和山南宽谷的野外实测风速资料，对流沙地表的风速廓线、空气动力学粗糙度（z₀）和摩阻风速（u_*）进行分析，旨在为高海拔风沙运动过程、机理提供理论依据，同时为该地区风沙灾害的防治提供思路。结果表明：（1）空气密度为0.84±0.02 kg·m^-3时，流沙地表的风速廓线满足对数函数关系。高海拔地区风速廓线平均截距和斜率大于低海拔地区，说明由海拔引起的空气密度影响近地层气流运动。（2）雅鲁藏布江中游摩阻风速随风速增大而线性增大（R² >0.75），但二者的拟合系数大于前人的研究结果，进一步说明空气密度影响近地层气流运动。（3）u_*和z₀满足指数模型z₀=b₁exp（u_*/b₂）+b₃。（4）相似均质下垫面条件下，u_*和z₀与气温、湿度和海拔呈显著正相关，气温的影响最大。

关键词: 雅鲁藏布江, 风速廓线, 摩阻速度, 空气动力学粗糙度

Abstract:

The near-ground aerodynamic process and characteristics are important factors affecting the process and intensity of wind-blown sand movement， which are influenced by a variety of factors such as surface roughness characteristics and air density， and are the important contents of the scientific research on wind-blown sand. The middle reaches of Yarlung Tsangpo River are one of the regions with the most frequent wind-blown sand activities in the Qinghai-Tibet Plateau， but the research on the surface aerodynamic process of shifting sand is relatively weak. Based on the field measured wind speed data of Shigatse wide valley and Shannan wide valley， this paper analyzes the wind speed profile， aerodynamic roughness （z₀） and frictional wind speed （u_*） of shifting sand surface， aiming to provide theoretical basis for the process and mechanism of high-altitude wind-blown sand movement， and provide ideas for the prevention and control of wind-blown sand disasters in this area. The results show that：（1） When the air density is 0.84±0.02 kg·m^-3， the wind velocity profile on the surface of quicksand meets the logarithmic function. The mean intercept and slope of wind velocity profile at high altitude are greater than those at low altitude， indicating that air density caused by altitude affects near-ground air flow. （2） The friction wind speed in Yarlung Tsangpo River increases linearly with the increase of wind speed （R²> 0.75）， but the fitting coefficient between the two is greater than the previous research results， which further indicated that the air density affected the near-formation airflow movement. （3） u_*and z₀ satisfy the exponential model z₀=b₁exp （u_* / b₂）+b₃， which is different from previous field measured data and wind tunnel test results （2-parameter exponential model， etc.）. （4） Under similar homogeneous underlying surface conditions， u_*and z₀ are significantly positively correlated with air temperature， humidity and altitude， and air temperature has the greatest influence.

Key words: Yarlung Tsangpo River, wind speed profile, friction wind speed, aerodynamic roughness length

中图分类号:

P931.3

刘婷, 贾晓鹏, 陈定梅, 益西拉姆, 张炎, 潘凯佳, 张正偲. 雅鲁藏布江中游平坦流沙地表空气动力学特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(5): 194-203.

Ting Liu, Xiaopeng Jia, Dingmei Chen, Lamu Yixi, Yan Zhang, Kaijia Pan, Zhengcai Zhang. Surface aerodynamic characteristics of flat quicksand in the middle reaches of Yarlung Tsangpo River[J]. Journal of Desert Research, 2023, 43(5): 194-203.

图/表 8

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地点	纬度 /（°）	经度 /（°）	海拔 /m	日均气温 /℃	湿度 /%	空气密度 /（kg·m^-3）	1.8 m高处平均风速 /（m·s^-1）	风向 /（°）	时间段
聂日雄	29.3	88.8	3 839	-1.5	34.2	0.8	5.0±3.0	128±93	12:30—15:00
谢通门	29.4	88.5	3 895	2.7	35.5	0.8	5.4±3.2	143±108	12:00—18:30
达那答	29.4	88.6	3 860	-2.0	37.9	0.8	3.9±2.4	276±22	13:00—17:00
昌果1	29.3	91.1	3 558	4.4	10.7	0.9	7.0±3.0	264±18	12:40—15:00
昌果2	29.3	91.2	3 558	4.4	10.7	0.9	6.5±3.2	253±22	13:00—16:00
阿扎	29.3	91.9	3 547	4.1	12.5	0.9	8.5±2.6	283±18	16:00—18:00
河西	42.3	101.0	914	-1.6	29.5	1.1	6.7±3.2	272±18	10:25—16:40

地点	纬度 /（°）	经度 /（°）	海拔 /m	日均气温 /℃	湿度 /%	空气密度 /（kg·m^-3）	1.8 m高处平均风速 /（m·s^-1）	风向 /（°）	时间段
聂日雄	29.3	88.8	3 839	-1.5	34.2	0.8	5.0±3.0	128±93	12:30—15:00
谢通门	29.4	88.5	3 895	2.7	35.5	0.8	5.4±3.2	143±108	12:00—18:30
达那答	29.4	88.6	3 860	-2.0	37.9	0.8	3.9±2.4	276±22	13:00—17:00
昌果1	29.3	91.1	3 558	4.4	10.7	0.9	7.0±3.0	264±18	12:40—15:00
昌果2	29.3	91.2	3 558	4.4	10.7	0.9	6.5±3.2	253±22	13:00—16:00
阿扎	29.3	91.9	3 547	4.1	12.5	0.9	8.5±2.6	283±18	16:00—18:00
河西	42.3	101.0	914	-1.6	29.5	1.1	6.7±3.2	272±18	10:25—16:40

	高度范围/m	高度平均值/m	风速范围/（m·s^-1）	风速平均值/（m·s^-1）
大于4 m·s^-1
谢通门	0.003~0.463	0.084±0.145	0.03~3.63	2.33±2.00
达那答	0.002~0.081	0.024±0.032	0.01~3.09	1.18±1.33
聂日雄	0.001~0.015	0.005±0.006	0.42~2.21	1.05±0.68
昌果1	0.0002~0.036	0.010±0.010	0.50~4.88	2.90±1.26
昌果2	0.0004~0.144	0.014±0.030	0.78~7.36	2.86±1.60
阿扎	0.001~0.064	0.017±0.017	0.46~5.12	2.71±1.13
河西	0.002~0.157	0.021±0.034	0.86~7.00	2.91±1.78
大于6 m·s^-1
昌果1	0.003~0.036	0.017±0.011	2.80~4.88	3.97±0.66
昌果2	0.0004~0.0144	0.021±0.037	1.00~7.36	3.53±1.58
阿扎	0.001~0.064	0.019±0.017	0.46~5.12	3.01±1.19
大于8 m·s^-1
河西	0.003~0.157	0.040±0.050	1.54~7.00	1.93±4.17

	高度范围/m	高度平均值/m	风速范围/（m·s^-1）	风速平均值/（m·s^-1）
大于4 m·s^-1
谢通门	0.003~0.463	0.084±0.145	0.03~3.63	2.33±2.00
达那答	0.002~0.081	0.024±0.032	0.01~3.09	1.18±1.33
聂日雄	0.001~0.015	0.005±0.006	0.42~2.21	1.05±0.68
昌果1	0.0002~0.036	0.010±0.010	0.50~4.88	2.90±1.26
昌果2	0.0004~0.144	0.014±0.030	0.78~7.36	2.86±1.60
阿扎	0.001~0.064	0.017±0.017	0.46~5.12	2.71±1.13
河西	0.002~0.157	0.021±0.034	0.86~7.00	2.91±1.78
大于6 m·s^-1
昌果1	0.003~0.036	0.017±0.011	2.80~4.88	3.97±0.66
昌果2	0.0004~0.0144	0.021±0.037	1.00~7.36	3.53±1.58
阿扎	0.001~0.064	0.019±0.017	0.46~5.12	3.01±1.19
大于8 m·s^-1
河西	0.003~0.157	0.040±0.050	1.54~7.00	1.93±4.17

		T	Sig.	相关性			共线性统计量
		T	Sig.	零阶	偏	部分	容差	VIF
z₀	常量	-2.917	0.062
	H/m	1.488	0.233	0.458	0.652	0.306	0.698	1.432
	T/℃	0.875	0.446	-0.412	0.451	0.18	0.219	4.558
	RH/%	2.678	0.075	0.778	0.84	0.551	0.247	4.051
u_*	常量	-0.888	0.44
	H/m	4.55	0.02	0.813	0.935	0.634	0.698	1.432
	T/℃	0.782	0.491	-0.101	0.412	0.109	0.219	4.558
	RH/%	2.528	0.086	0.491	0.825	0.352	0.247	4.051