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

雅鲁藏布江中游平坦流沙地表空气动力学特征

刘婷^,¹^,², 贾晓鹏¹, 陈定梅³, 益西拉姆³, 张炎¹^,², 潘凯佳¹^,², 张正偲^,¹^,⁴

1.中国科学院西北生态环境资源研究院沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃兰州 730000

2.中国科学院大学，北京 100049

3.山南市气象局，西藏山南 856000

4.陕西师范大学地理科学与旅游学院，陕西西安 710119

Surface aerodynamic characteristics of flat quicksand in the middle reaches of Yarlung Tsangpo River

Liu Ting^,¹^,², Jia Xiaopeng¹, Chen Dingmei³, Yixi Lamu³, Zhang Yan¹^,², Pan Kaijia¹^,², Zhang Zhengcai^,¹^,⁴

1.Key Laboratory of Desert and Desertification，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

3.Shannan Meteorological Bureau，Shannan 856000，Xizang，China

4.School of Geography Science and Tourism，Shaanxi Normal University，Xi'an 710119，China

通讯作者: 张正偲（E-mail： zhangzhsi@lzb.ac.cn）

收稿日期: 2023-05-31 修回日期: 2023-07-14

基金资助:

中国科学院“西部之光”交叉团队-重点实验室专项

西藏自治区气象局“十三五”重点规划项目“雅江北岸易地扶贫搬迁区沙尘监测与预报预警系统建设”

山南市科学技术局项目. 2022BJKJJHXM-007

Received: 2023-05-31 Revised: 2023-07-14

作者简介 About authors

刘婷（1999—），女，四川南充人，硕士研究生，主要从事风沙环境研究E-mail：liuting@nieer.ac.cn , E-mail：liuting@nieer.ac.cn

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.

Keywords： Yarlung Tsangpo River ; wind speed profile ; friction wind speed ; aerodynamic roughness length

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本文引用格式

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. 中国沙漠[J], 2023, 43(5): 194-203 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00106

Liu Ting, Jia Xiaopeng, Chen Dingmei, Yixi Lamu, Zhang Yan, Pan Kaijia, Zhang Zhengcai. Surface aerodynamic characteristics of flat quicksand in the middle reaches of Yarlung Tsangpo River. Journal of Desert Research[J], 2023, 43(5): 194-203 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00106

0 引言

风沙运动过程是干旱、半干旱区最主要的地表过程，是近地层气流与地表可蚀性风沙沉积物互馈的结果^［1］。近地层气流（风）是影响风沙运动过程的动力条件，不仅受地表粗糙元的影响，同时受大气环境（如空气密度）的影响^［1］。近地层气流与地表粗糙元之间的相互作用可以用风速廓线来表征。地表粗糙元可以用空气动力学粗糙度（z₀）来表征，而气流运动阻力可以用摩阻速度（u_* ）来计算，这两个参数均可以通过风速廓线计算。u_*也是计算输沙率的重要参数。因此，近地层气流，特别是u_*，是风沙运动研究的重要内容^［2］。理论上，z₀ 本质上是一个动力学参数。它不仅取决于表面粗糙度要素的结构和形成，还在一定程度上取决于近地面风流条件，如u_*、大气稳定性等^［3］。目前已有一些关于z₀与风速关系的研究^［3-4］，但对u_*与z₀相互关系的研究较少。

对风速廓线观测和研究的重要意义在于阐明气-固两相流的互馈过程，并用u_*、z₀表征^［5］。风速廓线遵循幂函数或者对数分布规律^{［2，6-7］}。受地表属性（植被盖度、砾石、微地形等）、空气密度以及热力层结的影响^［8-9］，不同自然地理要素下的风速廓线存在明显差异。风洞实验表明，高浓度风沙流时，垂直方向上的湍流强度增加，风速下降更快。地表状况影响近地层气流运动，植被盖度和高度越大，地表粗糙度越大，风速廓线变化越明显，风速随高度的降低而减小得更剧烈，风速廓线呈现出相对比较稳定且逐渐接近于某一特定曲线的规律^{［1，10-12］}。对戈壁地表，随砾石大小和盖度增大，砾石对气流产生的阻力增大，改变风速廓线形态，降低风沙活动和沙尘强度^［13］。对流沙地表，从流动沙地至半固定沙地和固定沙地，风沙流作用强度依次降低，风速廓线斜率依次降低，风速较大时基本符合对数关系^［14］。尽管前人对风沙廓线进行一些研究，但未考虑空气密度的影响。

高海拔风沙运动特征与低海拔存在差异。海拔与空气密度密切相关，由于地球引力，大气密度随高度而降低，这种垂直梯度远大于水平梯度^［15-16］。风洞试验表明，风沙沉积物运动高度随密度减小而增加，而野外试验也发现了类似的结果^［17-18］。Yizhaq等^［19］认为沙波纹的间距随空气密度减小而增加。由此可见，空气密度对风沙运动过程具有明显的影响。风沙运动过程与空气密度的关系，实质是空气密度导致近地层气流运动的差异。然而，空气密度如何影响近地层气流，目前仍知之甚少。基于风速廓线是气流和地表风沙沉积物互馈的事实，本文尝试说明空气密度对风沙运动的影响过程，为风沙科学研究提供理论参考。

雅鲁藏布江（简称雅江）中游是青藏高原风沙运动最为强烈的地区之一。风是风沙灾害致灾过程的关键动力因素，也是雅江中游土地沙漠化发展、蔓延的主要驱动因素。1981—2015年，雅江绿化面积大幅度增加，对于固定沙源和减缓土地风沙化过程起到了积极的作用^［20-21］。受牲畜数量的增加、局部地区的过度放牧以及采矿活动对风沙化土地发展所造成的影响，总体上，雅江中游河谷区域风沙化土地面积虽然增速放缓，但仍呈不断增长趋势^［22-23］。因此，亟须对该地区风沙活动特征，特别是近地层气流进行研究，从而为有效开展防沙治沙工程以及加强区域生态环境保护提供科学依据。

1 研究方法

1.1　研究区概况

研究区位于雅鲁藏布江中游地区。该地区是西藏人口最密集的区域，也是西藏的政治、经济和文化核心区^［24-25］。雅江中游包括两大宽谷（日喀则和山南），其宽谷段辫状或乱流状水系极为发育。研究区植被低矮稀疏，以沙生槐和固沙草等灌木、半灌木和草本为主，较低的植被覆盖率使得地表物质极易被吹蚀^［26-27］。冬春季雅江水位下降，大量江心洲和河漫滩裸露于地表，形成新的沙源，导致风沙灾害严重^［28-30］。李森等^［28］模拟发现西风急流通过不同尺度的山谷风环流动量下传而形成的复杂的局地环流，是雅江河谷风沙地貌形成的动力系统。

研究区属于半干旱高原温带气候，夏季温凉多雨，冬季干冷多风，气候趋于暖湿化^［21］。研究区盛行风向为西风，多年平均年风沙日数14.9~54.9 d，大风是雅江流域扬沙和沙尘暴天气的主要动力因素^［31］。山南地区海拔为3 650 m左右，年降水量为350 mm左右，年平均气温7.5 ℃左右。日喀则地区海拔为3 900 m左右，年降水量为200 mm左右，年平均气温6.3 ℃左右^{［21，32］}。

1.2　数据获取

风速观测资料由野外实测获得。观测地点均为流沙地表（图1），日喀则地区包括聂日雄、谢通门、达那答3个观测点；山南地区包括昌果2个观测点（昌果1和昌果2）和阿扎1个观测点（表1）。

图1

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图1 野外仪器架设示意图

Fig.1 Field instrument set up schematic diagram

表1 研究区各站点气象数据

Table 1 Meteorological data of each station in the study area

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

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利用二维超声波风速仪（Gill公司，英国；风速量程分别为0~30 m·s^-1，分辨率为0.01 m·s^-1；风向量程为0°~359°；分辨率为1°；数据记录频率为1 min）对不同高度风速进行观测，数据采集频率为5 s，记录频率为1 min。风速传感器安装高度为0.1、0.4、0.8、1.2、1.8 m。山南站点数据于2021年1月27日实测得到，日喀则站点数据于2022年1月14—21日实测得到。观测期间天气晴朗，无雨雪，山南站点观测期日均温为4.25 ℃，日喀则站点观测期日均温为-0.30 ℃。为对比空气密度对近地层气流的影响，本文同时分析了河西站点2021年1月11日实测数据。

1.3　数据分析方法

起沙风速一般为6 m·s^-1，但考虑到风的脉动，本文选取大于4 m·s^-1的数据进行统计分析。聂日雄有368条数据，谢通门170条数据、达那答99条数据、昌果177条数据、阿扎76条数据。风向数据的范围为0°~360°，以45°为间隔进行分析。

风速数据利用MATLAB、Origin软件按照以下函数关系进行处理。前人研究认为在较大风速时，近地层空气属于中性层结。本文分析数据大于4 m·s^-1，基本属于较大风速，所以假定属于中性层结^［33］，风速廓线满足对数线性函数关系^［34-35］：

u_z =a₁ln（h）+a₂（1）

式中：a₁、a₂为拟合系数； u_z为h（m）处的风速（m·s^-1）。

u_*=ka₁（2）

z₀=exp（-a₂/a₁）（3）

式中：u_*为摩阻速度（m·s^-1）；k为冯·卡门常数（0.4）；z₀为空气动力学粗糙度（m）。

利用指数模型分析u_*和z₀相关性：

z₀=b₁exp（u_*/b₂）+b₃（4）

式中：b₁、b₂、b₃为拟合系数。

2 结果与分析

2.1　风速廓线

与前人在内陆沙漠近地层风速廓线研究结果类似，高海拔的风速廓线随高度呈对数分布（R²为0.90~0.99，P<0.05， RMSE为0.01~0.56。图2）^［36］。方差分析（ANOVA）表明，系数a₁和a₂在日喀则和山南明显不同（P<0.05）。a₁越大，风速随高度降低的幅度越大。由于a₁和a₂与风速有关，本文以平均风速为6.5 m·s^-1为例解释a₁和a₂的区域差异。日喀则地区，聂日雄流沙区的斜率（0.87）最小，其次为达那答（0.97）。山南地区，昌果1、昌果2和阿扎的斜率分别为0.64、0.58和0.78。总体来说，日喀则3个流沙站点的平均斜率（a₁，0.95±0.06）大于山南地区流沙站点的平均斜率（0.67±0.10）。a₂表现相同的变化规律，日喀则的a₂（6.01±1.43）大于山南（5.78±1.63），说明海拔影响近地层气流的发展，海拔越高，风速廓线的斜率和截距越大。

图2

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图2 聂日雄（A）、谢通门（B）、达那答（C）、昌果1（D）、昌果2（E）、阿扎（F）、河西（G）7个站点的风速廓线

Fig.2 Wind speed profiles at 7 stations

风速廓线汇聚于一点（焦点，Bagnold focus，图2）。此焦点为跃移层的临界高度，该高度的风速与风切变应力无关，临界高度以下为跃移层。理想状态下，风速廓线交于唯一一点，但受地表状况及风速影响，风速廓线拟合交于多个点（图2）。对大于4 m·s^-1数据分析，对比各站点的焦点高度，聂日雄最小（0.005±0.006 m），谢通门最大（0.084±0.145 m）。日喀则平均值为0.037±0.041 m，而山南地区为0.014±0.021 m，意味着海拔高，焦点高度更高。焦点处对应的风速也不同，日喀则平均值为1.52±0.71 m·s^-1，而山南地区为2.83±1.34 m·s^-1。聂日雄最小（1.05±0.68 m·s^-1），昌果1最大（2.90±1.26 m·s^-1）（表2）。总体来看，海拔越高，风速廓线焦点位置更高，对应的风速也更小，这个结果解释了高海拔地区跃移层高度越高，风沙运动高度越大的现象^［17］。

表2 风速廓线焦点高度和对应的风速

Table 2 The wind profile focus height and wind velocity

	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

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为讨论风速是否影响焦点高度，选取山南、河西地区大风速数据，与日喀则低风速数据进行对比，焦点高度平均值河西（0.040±0.050 m）>日喀则（0.037±0.041 m）>山南地区（0.019±0.025 m），风速对于焦点高度也存在一定影响。

2.2　风速与摩阻速度

在输沙率计算中，u_*是必不可少的参数。但由于u_*不能直接获取，有必要建立风速与摩阻速度之间的关系。本文选取1.8 m高度的风速（u₂）与u_*进行拟合。u_*随风速的增大而增大（u_*=c₁u+c₂，图3）。方差分析（ANOVA）表明，各站点c₁和c₂具有明显差异（P<0.05），聂日雄c₁最大（0.074），昌果2c₁最小（0.055）。昌果1c₂最大（0.130±0.028），达那答c₂最小（0.015±0.012，图3）。山南的平均c₂（0.094±0.041）大于日喀则的平均c₂（0.033±0.027）和河西走廊（0.040）。山南地区c₁为0.061±0.006，日喀则地区c₁为0.068±0.007，河西地区c₁为0.032。由此可见，高海拔地区c₁较大，这与Ho等^［37］和张正偲等^［1］的研究结论一致。总体来看，u_*随海拔增加而增加，进一步说明空气密度影响近地层气流的发展。以6.5 m·s^-1风速为例，河西地区流沙地表的平均u_*（0.148 m·s^-1）小于雅江地区站点（山南和日喀则分别为0.267±0.040 m·s^-1和0.378±0.025 m·s^-1）；河西平均z₀（0.000000016 m）小于日喀则地区的0.00247±0.00115 m，说明低海拔地区u_*和z₀比高海拔地区小。

图3

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图3 7个站点2 m高度处风速（u₂）与摩阻速度（u_*）的关系

Fig.3 Relationship between wind velocity u₂ and shear velocity u_* at 2 m height at 7 sites

2.3　摩阻速度与空气动力学粗糙度

z₀随u_*的变化反映了近地层气流与风沙沉积物之间互馈机制。u_*随z₀呈指数增加（z₀=b₁exp（u_*/b₂），图4）。z₀随u_*首先急剧增加，然后趋于平缓，说明形成风沙流之后，风沙流对z₀的影响逐渐减小。聂日雄、达那答和谢通门3个点海拔相近，u_*平均值为0.300±0.214 m·s^-1，这与山南地区站点的平均u_*（0.354±0.192 m·s^-1）差距不大，但z₀有明显差异（日喀则地区z₀平均值为0.0034±0.0057 m，而山南地区平均值为0.0006±0.0085 m）。河西地区流沙u_*（0.202±0.125 m·s^-1）和z₀（0.000003±0.000004 m）明显小于雅江中游流沙地表。海拔不同，气温、空气密度、空气的动力学黏性系数等不同，海拔明显影响流动沙区u_*与z₀之间的关系。

图4

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图4 7个站点摩阻速度（u_*）与粗糙长度（z₀）的关系

Fig.4 Relationship between friction velocity u_* and roughness length z₀ at 7 sites

3 讨论

3.1　摩阻速度与空气动力学粗糙度的关系

z₀能够反映地表的土壤风蚀的潜力，据周杰等^［38］的研究，塔里木盆地西南缘（海拔约1 500 m）流动沙区z₀较小（0.00039±0.00011 m），发生风蚀的潜力很大。本研究中，雅江站点z₀较大（山南0.0006±0.0085 m，日喀则0.0034±0.0057 m），发生风蚀的可能性较大。

目前关于z₀与风速的关系研究较多，非均质地表方面，如Zhang等^［3］发现非均质植被地表，粗糙度长度随近地面风速和摩擦速度的变化而变化，对于中等摩擦速度，z₀较小，但对于小摩擦速度或大摩擦速度，z₀较大；曾剑等^［39］发现z₀与u_* 的线性相关强度受到风速影响。均值流沙地表方面，如杨兴华等^［40］发现塔克拉玛干沙漠北缘荒漠过渡带中性大气层结、无风沙运动条件下，z₀与2 m高度处风速都呈显著的负指数关系。Zhang等^［41］发现沙丘迎风坡上的裸露沙面，z₀随风速的增加而增大。本研究中雅江中游流沙区的z₀随u_*增大先缓慢减小，当风速增大到形成风沙流后，z₀趋于平缓（图4）。一般而言，无风沙流时，z₀与风力无关，由粗糙湍流状态下的几何床层粗糙度（z₀≈d/30）获得^［42］。有风沙流时，运动沙粒与地表强烈相互作用，z₀是随u_*呈递增函数。Bagnold^［34］利用速度廓线的焦点高度，将有效粗糙度长度与u_*表示为 z₀=z_fexp（-κU_f/u_*），z_f和U_f分别为焦点的高度和速度，认为焦点的高度和速度与u_*无关。但Valance等^［42］和Rasmussen等^［43］认为z₀=C·u $_{*}^{2}$ /g。对比上述研究成果发现，采用公式（4）的拟合结果优于Bagnold提出的公式（R² <0.75），意味着野外实测数据与风洞试验结果存在差异。

3.2　摩阻速度与空气动力学粗糙度的影响因子

u_*和z₀受地形、地表状况、海拔、气温、湿度、气压等影响。观测点皆为平坦流沙，地表物质组成为细沙，可以忽略地形和地表状况对u_*和z₀的影响（图1）。本文利用多元线性回归模型综合分析多因素对u_*和z₀的影响，拟合模型为：

Y = d + d_{1} X_{1} + d_{2} X_{2} + d_{3} X_{3} + \dots + d_{n} X_{n} + ε

（5）

式中：d、d₁，…，d_n 为待定参数；X₁，X₂，…，X_n 为影响因子； $ε$ 为随机变量。

以6.5 m·s^-1风速为例，日喀则、山南地区及河西地区7个站点的u_*、z₀的回归结果为：

u_*=-0.05071+0.000064H+0.00690T+0.00512RH（6）

z₀=-0.00392+4.95177E-7H+0.00018T+0.00013RH（7）

式中：H为海拔（m）；T为平均气温（℃）；RH为平均湿度（%）。

回归模型改进后的相关系数R²分别为0.75、0.88，模型拟合性较好。u_*和z₀的F值均大于4.34，拒绝原假设。T检验的Sig.值均小于0.05，说明自变量对因变量具有显著影响。为判别自变量之间可能存在相关性，利用方差膨胀因子（VIF）衡量多重共线性的严重程度，海拔、气温、湿度VIF值远小于10，3个值不存在强线性相关（表3）。

表3 回归系数表

Table 3 Regression coefficient

		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

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回归结果表明，u_*和z₀的影响因素按照贡献值气温>湿度>海拔。气温、湿度、海拔与u_*和z₀呈正相关。气温对于雅江u_*和z₀影响较大，是u_*和z₀增大的主要原因。海拔、湿度也在不同程度影响着u_*和z₀。近地表大气活动受流动结构和边界层中的热量、动量和湿度传递的影响，而动量、热量和湿度的垂直湍流通量随高度相对恒定，这些湍流通量主要取决于它们的平均垂直梯度。雅江所处于的高海拔地区，与低海拔区相比，气压，温湿度、大气密度等存在极大差别，海拔对u_*和z₀的影响，其实质是由于低气压下的空气密度运动发生了变化。低气压下气流运动产生的摩擦力增加，u_*增加。然而，由于目前对高海拔地区地表u_*和z₀的研究比较欠缺，该研究结果仍需进行大量数据验证。

海拔越高，平均u_*和z₀越大。以大于起沙风速4 m·s^-1为例，日喀则、山南和河西的u_*分别为0.41787±0.05304、0.40208±0.06970 m·s^-1和0.24681±0.10547 m·s^-1。z₀分别为0.00423±0.00047、0.00063±0.00423 m和0.000004±0.000005 m。对比前人在低海拔流沙地区的研究结果^{［38，40，44］}发现， u_*和z₀随海拔变化速率不同：u_*下降速率较稳定，z₀先随海拔急剧下降，在1 500~3 500 m内的变化速率放缓，1 500 m以下继续快速下降（图5）。此发现也与Liang等^［45］的研究相符，空气密度随海拔呈现显著负相关，在1 500 m处出现下降速率变化。海拔影响u_*和z₀，而u_*和z₀是影响风沙运动的主要因子，本研究填补了海拔对风沙运动影响研究的短板。尽管前人对海拔与u_*和z₀关系的研究相对较少，但已有研究认为海拔影响风沙流形成的饱和长度，从而影响沙丘的形态参数^［46］。

图5

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图5 摩阻速度（u_*）与粗糙度（z₀）随海拔变化

Fig.5 Relationship between friction velocity u_*and roughness length z₀with height

4 结论

u_*和z₀是风沙研究的重要内容。近地层气流的发展与空气密度有关，但目前对低密度地区的流沙地表u_*和z₀研究较少，一方面限制了我们对不同密度下的近地层气流发展理解，另一方面限制了我们对低密度下风沙运动过程与机理的深刻认识。本文基于野外实地观测的风速资料对比分析了雅江中游日喀则段和山南段流动沙地地表的风速廓线、u_*和z₀。

平坦流沙地表的风速廓线满足对数函数关系。高海拔地区，大气密度较低，风速廓线平均截距和斜率日喀则>山南地区>河西地区，日喀则地区风速廓线焦点位置高于山南地区，说明由海拔引起的空气密度差异影响近地层气流运动，风速大小对风廓线焦点高度存在影响。

风速和摩阻速度之间呈线性函数关系（R² >0.75），二者拟合系数大于前人的研究结果（0.044、0.042），拟合系数山南地区（0.094±0.041）小于日喀则地区（0.033±0.027），低海拔地区的u_*随风速增大的增幅小于高海拔地区。这进一步说明空气密度影响近地层气流运动。

u_*和z₀的关系满足指数模型z₀=b₁exp（u_*/b₂）+b₃，这与前人野外实测数据与风洞试验结果存在差异性（2参数的指数模型等）。

相似均质下垫面条件下，气温、湿度和海拔对u_*和z₀的影响呈现显著正相关，气温的影响作用最大，海拔对于u_*和z₀存在一定影响。

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