Summer atmospheric boundary layer structure in the hinterland of Taklimakan Desert, China

Understanding the characteristics of the structure of desert atmospheric boundary layer and its land surface process is of great importance to the simulations of regional weather and climate. To investigate the atmospheric boundary layer structure and its forming mechanism of Taklimakan Desert, and to improve the accuracy and precision of regional weather and climate simulations, we carried out a GPS radiosonde observation experiment in the hinterland of Taklimakan Desert from 25 June to 3 July, 2015. Utilizing the densely observed sounding data, we analyzed the vertical structures of daytime convective boundary layer and nighttime stable boundary layer in summer over this region, and also discussed the impacts of sand-dust and precipitation events on the desert atmospheric boundary layer structure. In summer, the convective boundary layer in the hinterland of Taklimakan Desert developed profoundly and its maximum height could achieve 4,000 m; the stable boundary layer at nighttime was about 400-800-m thick and the residual mixing layer above it could achieve a thickness over 3,000 m. Sand-dust weather would damage the structures of nighttime stable boundary layer and daytime convective boundary layer, and the dust particle swarm can weak the solar radiation absorbed by the ground surface and further restrain the strong development of convective boundary layer in the daytime. Severe convective precipitation process can change the heat from the ground surface to the atmosphere in a very short time, and similarly can damage the structure of desert atmospheric boundary layer remarkably. Moreover, the height of atmospheric boundary layer was very low when raining. Our study verified the phenomenon that the atmospheric boundary layer with supernormal thickness exists over Taklimakan Desert in summer, which could provide a reference and scientific bases for the regional numerical models to better represent the desert atmospheric boundary layer structure.

沙漠腹地公路高立式沙障防风阻沙性能研究

通过沙漠腹地现场实测和Fluent软件数值模拟对沙漠腹地公路高立式沙障防风阻沙性能进行研究。采用Fluent软件建立沙障和路基数值模型,基于欧拉双流体模型和多孔介质理论对高立式沙障和路基周围风沙流的运动进行数值模拟。采用三维超声风速仪测量高立式沙障周围气流速度,为数值模拟结果提供验证。通过数值模拟分析不同沙障高度和沙障数量下风沙流的运动规律,确定沙障高度和数量对高立式沙障防风固沙效果的影响。研究结果表明:气流在沙障迎风侧前方区域减速,沙障周围气流速度快速下降导致气流的携沙运动能力减弱,沙粒在沙障周围沉积。在沙障防护下,路基周围风速降低,路基的风蚀风积危害得到缓解。随着沙障的排数或沙障高度的增加,路基沿程的风速逐渐降低。3排及其以上沙障可以较好地阻挡风沙流的运动。5排沙障防护下,路基的迎风侧坡脚离地高度0.5 m处水平风速从11.05 m/s下降至5.37 m/s,风速的降低率达54.13%。在2.0 m沙障的防护下,路基的迎风坡和背风坡的路肩水平风速比1.5 m沙障的相应值低3~5 m/s,降低率最高达61.79%。

不同灌溉量对塔克拉玛干沙漠腹地梭梭水分生理特性的影响

利用热平衡式茎流计和压力室,对不同灌溉量下塔克拉玛干沙漠腹地防护林植物梭梭的水分生理特性进行了测定.结果表明:梭梭茎干液流的日变化曲线随着灌溉量的不同而有所差异,灌溉量为每次每株35和24.5 kg条件下,茎干液流日变化曲线呈单峰型,且变幅较大,灌溉量为每次每株14 kg条件下,其日变化曲线为双峰型,变化较平缓;随着灌溉量的减少,梭梭日平均液流速率逐渐降低,其日单株耗水量也随之降低;随着灌溉量的减少,梭梭的清晨水势和午后水势逐渐降低,且茎干液流速率与总辐射、空气温度、相对湿度和风速的相关性均增强,但不同灌溉量下,其与总辐射的相关性都最强.

沙漠腹地高速公路风积沙填料压实特性及填筑方法试验研究

针对沙漠腹地风积沙路基填料最大干密度确定和填筑方法选取的问题,以穿越腾格里沙漠腹地的乌玛高速公路风积沙路基试验段工程为依托,通过筛分、承载比、重型击实、表面振动台等室内试验以及水沉法、洒水压实法、振动干压法等现场路基填筑试验,对风积沙填料的工程特性、压实特性、填筑工艺与压实效果检测方法适用性进行分析。研究结果表明:该区域风积沙粒径主要分布在0.075~0.25 mm之间,属于级配不良的细砂;风积沙的重型击实曲线呈横卧的"S"型,在饱水状态和干燥状态条件下均能够获得较大的干密度;干燥状态下采用表面振动台法测得的最大干密度较重型击实试验结果高出约0.1 g/cm~3;重型击实试验与自然含水率下表面振动台法确定的干密度较大值作为路基风积沙标准干密度;3种填筑方法均能满足压实要求,振动干压法适用于现场实际,93区最佳碾压遍数组合为静压1遍+振动1遍,94区为静压1遍+振动2遍;浸水环刀法检测风积沙压实效果操作简便,检测结果离散性相对较小,具有较好的平稳性。

塔克拉玛干沙漠腹地路面沙害的空间分布研究

塔克拉玛干沙漠腹地公路芦苇机械防沙体系失效后,在短时间内能够形成强度很大的路面沙害,严重影响交通。路面沙害的空间分布具有规律性:(1)沙垄区的路面沙害强度和发生频率均大于垄间地,而在沙垄次级地貌部位中,沙害强度垄顶>迎风坡>背风坡,但是沙害发生频率背风坡>垄顶>迎风坡;各地貌部位中沙害类型中都以路面积沙为主,沙丘前移压埋为辅。(2)在各种道路横断面中,路堑断面最易发生路面沙害,在各地貌区域都能够发生;零断面沙害发生频率其次,在垄间地比例最高;路堤断面沙害出现最少,只分布在垄间地。(3)道路与主风向大夹角路段的路面沙害发生频率和强度远大于小角度段,但是小角度之间的变化规律不明显。(4)地貌部位、道路断面和路风夹角3因素在空间上呈共轭分布。

南疆沙漠腹地夏季晴天与沙尘日小气候观测对比分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站2006年8月13—31日近地层微气象资料以及常规地面观测资料,选取晴天与沙尘日个例,采用波文比能量平衡方法,对比分析了晴天与沙尘日沙漠腹地的小气候和地表能量平衡特征。结果表明,晴天气温、地温日变化幅度均大于沙尘日,各深度地温极值出现时间滞后于沙尘日;晴天夜间近地层存在逆温,沙尘日具有等温性;晴天夜间比湿较大,白天较小,沙尘日夜间比湿变化平缓,在沙尘暴发生时,比湿急剧增大,并有弱的逆湿现象存在;沙尘日总辐射、反射辐射、净辐射和感热通量比晴天明显偏小,向下长波辐射却大于晴天,但潜热变化差异不太明显。

塔中沙漠地区Guilspare~抑制土壤蒸发的效应研究

塔克拉玛干沙漠地区自然条件异常恶劣，土壤水分蒸发极为强烈，土壤水分损失严重，沙漠公路防护林的管护极其困难，因此林带节水保水乃当务之急。对新型土壤水分蒸发抑制剂Guilspare的保水效应进行了试验研究。结果表明，Guilspare可有效抑制土壤蒸发，保持土壤水分，改善土壤和植物水文环境，对林带节水保水具有重要意义。（1）Guilspare对沙漠土壤蒸发有明显的滞缓作用，抑制土壤蒸发累积量最大可达21．06mm，初始抑制效率达70％左右；（2）Guilspare对O5cm层土壤含水量的影响较大，对5cnl以下土层影响相对较小；（3）一个灌溉周期后植物水势随着Guilspare浓度的增加而逐渐降低，植物的水文环境得到了较大的改善。

沙漠腹地盐水灌溉条件下人工草地建植技术初探

在塔克拉玛干沙漠腹地引种13种草,结果表明,多年生黑麦草、牛尾草、中间偃麦草、紫花苜蓿等4种草对沙漠腹地盐水灌溉条件有较强的适应性。在沙漠腹地盐水灌溉条件下建植人工草地的关键技术是保护种和建群种混播并加大播种量。

巴丹吉林沙漠腹地降水特征的初步分析

利用巴丹吉林沙漠腹地定位观测的降水数据,结合其外围南缘、东南缘、北缘和西北缘4个气象站同期降水资料,分析了沙漠腹地的降水特征以及高大沙山对降水的影响,比较了沙漠腹地与外围降水量的差异。结果表明,沙漠腹地降水以小雨为主,且一般在1～2 h内结束。沙漠腹地与外围的降水在季节分布上有较好的一致性,观测期间腹地的年降水量少于南缘阿拉善右旗气象站,但明显多于东南缘、北缘和西北缘。沙漠腹地降水的季节变率很大,年降水量往往由某些集中降水日决定,具有高度集中性。腹地的高大沙山对降水有一定影响,沙山顶部年降水量和年降水日数皆略多于丘间地,较长的单次降水过程之持续时间及累积降水量亦有类似特征。强降水事件发生时,沙漠腹地在16.8 km的空间距离上有"斑块"现象。日降水量的相关距离分析显示,夏半年日降水量空间相关性随距离的增大而明显减小;冬半年因多冷锋降水而使其日降水量在约50 km空间尺度上仍有较好的相关性,50 km以外相关性则显著减小。

南疆沙漠腹地大气边界层气象要素廓线分析

利用塔中80m观测塔梯度系统采集的2006年8月、10月和2007年1月、4月的风、温度、湿度资料,结合气象站的同步气象资料,对南疆沙漠腹地近地层四季的晴天平均风速、温度、湿度廓线分布特征进行分析。结果表明,晴天平均风速白天随高度升高增加缓慢,夜间较快,低层风速白天比夜间大,高层则白天比夜间小,春夏季风速较大;四季平均温度廓线表现为夜间辐射型、早上过渡型、白天日射型和傍晚过渡型等四种类型,早、晚过渡时间四季各有不同,日最低、最高温度出现时间四季则相差不大;冬季夜间比湿随高度升高而增大,整个80m近地层表现为逆湿状态,其他季节逆湿一般出现在0.5—1m、1—2m、32—47m、63—80m等4个层次上,各逆湿层出现的时间各季节有所差异。

南疆沙漠腹地大气边界层湍流通量特征的观测研究

利用新疆塔中站2006年4月、8月的三维风速、温度和水汽脉动资料,运用涡旋相关法计算得到了春、夏季塔中10m高度的动量、感热和潜热通量。结果表明,塔中地区地表热量输送以感热输送为主。春季每天的最大感热通量变化范围为120—320W·m-2,月平均值为220W·m-2;夏季最大感热通量的变化范围为140—340W·m-2,月平均值为230W·m-2。感热通量值在夜间为负,白天为正,符号的改变出现在日出、日落前后。夏季潜热通量最大值一般为20—60W·m-2,平均值为27W·m-2,潜热通量比感热通量小一个量级。春季动量通量的平均值为-0.063W·m-2,夏季动量通量的平均值为-0.091W·m-2。日变化规律比较明显,日出后,动量向下传输增大,在09—10时(地方时)出现一个最大值,随后动量向下传输并开始减小。

新疆和田沙漠腹地日光温室环境测试与分析

近年来,以和田沙漠区域日光温室为主的非耕地设施农业在新疆发展迅速并形成了一定规模。为明确沙漠区域日光温室冬季温光变化规律,以期为沙漠地区日光温室结构改进和作物管理提供参考,该文针对于沙漠腹地特殊环境下日光温室内部光温环境变化进行了测试与分析。结果表明:沙漠地区日光温室内外部光照强度大,晴天条件下光照强度20 000 lx以上时间长达5～6 h;温室内空气、地面温度波动大,最高气温、最低气温平均差值为26.6℃,最大为32.7℃,晴天地表温度在30℃以上的时间长达4～5 h,2月份最高可达40.3℃,呈现出"中午温度过高,夜间温度偏低,昼夜温差较大"的特点。晴天条件下,温室白天空气湿度为24%～84%,最小为24%,夜间空气湿度为84%～95%,受沙漠区域干燥环境的影响,夜间低温时,棚膜内表面无"结露"现象。沙漠地区日光温室能较好的将太阳能转化为热能且具有较好的保温能力,室内相对湿度小,可有效保证各种蔬菜、水果的生长发育,但蓄热能力较差,增加沙漠地区日光温室蓄热能力的相关研究亟待开展。

塔克拉玛干沙漠腹地总辐射变化特征及影响因子分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测站(塔中站)直接探测的总辐射资料,对流动沙漠区近地层总辐射的变化特征及影响因子进行了分析。结果表明:总辐射的连续日变化对天气现象有不同程度的反映,天气现象较少的1月逐日总辐射上下变动的离散度较小,4月最大;1月、4月、8月、10月总辐射的平均日变化曲线皆呈正态分布,与同纬度地区比较,其年变幅较小;总辐射瞬时最大值为1182.6 W.m-2,未超过太阳常数。总辐射随总云量增多而降低,且其在碧空最大,高、中、低云时逐渐降低,阴天Ci、Ac、Sc和Cb的平均总辐射约比晴天时分别减少5%、27%、51%和59%;沙尘使总辐射降低较为显著,风沙季节总辐射日变化与地面风速日变化对应,且主要受控于湍流作用,最大值出现与热力湍流和地面风力有关。

塔克拉玛干沙漠腹地人工绿地土壤中微生物的生态分布及其与土壤因子间的关系

对咸水灌溉条件下的塔克拉玛干沙漠腹地人工绿地土壤微生物的分布规律和环境因子对土壤微生物分布的影响进行了研究 .结果表明 ,人工绿地建成后 ,土壤结构和养分状况得到改善 ,土壤微生物在时间和地域分布上呈现明显的规律性 .土壤微生物区系组成中 ,细菌占绝对优势 ,放线菌次之 ,真菌最少 ;表层微生物数量远多于下层土壤 ;林地外围距林缘近的土壤微生物数量较多 ,3m以外微生物数量已接近流沙微生物量 ;3类土壤微生物分布具有不同的季节性规律 ,且不同立地类型土壤微生物分布差异显著 .土壤速效磷、速效氮、全N对微生物的分布有较大的直接作用 ,通径系数为 1 .0 1～ 2 .58.速效磷 速效钾、有机质 速效钾、速效氮 速效钾、速效氮 效磷速、有机质 速效磷、速效磷 速效氮、全N 速效钾、速效钾 速效磷、全N 速效磷和含水量 速效氮之间的间接作用对微生物影响较明显 ,作用系数为 1 .37～ 2 .58。

咸水滴灌对沙漠公路防护林土壤环境的影响

为了研究高矿化度水滴灌对极端干旱区防护林土壤环境的影响,为塔里木沙漠公路防护林生态工程的可持续利用和维护管理提供理论依据。该文以塔克拉玛干沙漠腹地4.0～4.8 g/L的高矿化度地下水滴灌下的防护林为例,分析了咸水滴灌前后0～30 cm各层风沙土全N、全P、有机质、全盐、离子组成和微生物的变化。结果表明:高矿化度咸水滴灌下塔里木沙漠公路防护林的土壤环境逐渐得到改善。防护林0～5 cm、5～15 cm和1～30 cm 3个层次的含水量、全N、全P、全K、全盐含量、离子组成和微生物数量与流沙地存在很大差异,且与灌溉年限有直接关系;其中0～5 cm层次变化最为明显,5～15 cm次之,15～30 cm变化最小。

塔克拉玛干沙漠腹地近地层春季铅直湍流的小波分析

利用塔克拉玛干沙漠腹地近地层10m高度处快速响应探测系统的湍流资料,对春季晴天和沙尘暴天气下不同稳定层结的铅直湍流脉动进行小波变化及其方差分析,以期了解铅直湍流的尺度结构特征。结果表明,不稳定层结条件下,春季晴天近地层的铅直湍流脉动以12—17s的周期为主,最小周期为1—1.5s;春季沙尘暴时最主要的周期则为6—10s,最小周期为0.4—0.6s。沙尘暴时不稳定层结的湍流尺度总体上小于晴天,较小尺度波动振荡更加明显,湍流运动比晴天更加频繁。稳定层结条件下,春季晴天以10—16s的周期振荡为主,最小周期为1.3—1.8s;春季沙尘暴则以11—20s的周期振荡为主,最小周期为0.5—0.8s。晴天稳定层结时的铅直脉动比沙尘暴时周期小,小周期的湍流运动更明显一些,但周期更小的波动在沙尘暴天气时则多一些。

沙漠腹地人工绿地地表能量交换特征

运用涡度相关法开路系统对塔克拉玛干沙漠腹地人工灌溉绿地生长季地表能量交换特征以及与环境因子的关系进行测定分析。结果表明:在典型晴天条件下,无论是沙漠区还是沙漠腹地灌溉绿地,白天感热通量在净辐射通量的分配中所占的份额最大,潜热交换仅占很小的比例,人工绿地感热通量和潜热通量的峰值为230.54 W/m^2和88.5 W/m^2,沙漠区为220 W/m^2和17.55 W/m^2,沙漠腹地人工灌溉造林后潜热交换明显增加。沙漠腹地造林后,绿地波文比日变幅和日均波文比均减小,绿地日均波文比为沙漠区的15%,人工绿地的营建促使了局地气候的改变。绿地地表能量交换受气象因子和下垫面条件的影响和制约,按相关系数的高低,环境因子对感热、潜热通量的影响依次为:R_n>△T_a>△T_S>v>T_S,沙漠区人工造林后地表能量交换与多个环境因子有着密切的关系。这些研究结果将加深我们对沙漠地区人工灌溉造林地近地层能量交换的认识。

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘天气过程粗细颗粒中水溶性离子组分垂直分布特征

在塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站,利用80 m梯度观测塔及BSNE梯度集沙仪采集了2015年7—11月沙尘天气过程7个不同高度沙尘样品,分析了粗、细组分离子质量分数的垂直分布特征。结果表明,(1)粗颗粒(≥63μm)组分中主要水溶性离子SO_4^(2-)、Cl^-、Ca^(2+)、Na^+质量分数明显高于细颗粒(<63μm)组分质量分数,其中,粗颗粒组分中,水溶性离子SO_4^(2-)、Cl^-、Ca^(2+)、Na^+质量分数分别为3 530.59、2 871.08、3 107.92、2 136.00 mg·kg^(-1),而细粒组分中SO_4^(2-)、Cl^-、Ca^(2+)、Na^+质量分数分别为1 058.33、1 726.41、1 826.87、1 377.60 mg·kg^(-1);粗颗粒组分中4种主要离子的质量分数为细颗粒组分中相应离子质量分数的1.5~3.3倍。K^+、Mg^(2+)、NO_3^-质量分数差别不明显。各离子在粗、细组分中的变化趋势也具有差异性,粗颗粒组分中离子变化更明显。(2)扬沙、沙尘暴天气粗颗粒组分中4种主要离子质量分数在32 m高处出现最大值,32~80m随高度升高呈下降趋势,K^+、Mg^(2+)、NO_3^-离子质量分数最高值出现在24 m或32 m处;细颗粒组分中,所有离子浓度最大值均出现在24 m高处,24~80 m随高度升高呈下降趋势;粗、细颗粒组分中离子浓度均在63 m处出现小幅增加。(3)浮尘天气细颗粒组分的变化趋势明显好于粗颗粒组分。受沙垄颗粒物影响,细颗粒组分水溶性离子的垂直分布整体规律性较好,粗颗粒组分波动性较大。(4)筛分法与马尔文激光粒度法得到的粗、细颗粒组分含量相差较大,筛分法得到的粗颗粒组分百分含量偏小、细颗粒组分含量偏大,粗、细组分中的水溶性离子的垂直分布与实测结果存在偏移,有待进一步研究。研究结果有助于了解沙漠腹地沙尘天气过程垂直剖面沙尘颗粒的分布及水溶性离子组分特征,进一步为沙尘数值预报模式的改进提供科学依据。