草地近地表風(fēng)速脈動及其與平均風(fēng)速、摩阻風(fēng)速的關(guān)系

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。

1 研究方法

1.1 野外觀測

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。

1.2 數(shù)據(jù)處理

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。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速脈動的總體特征

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

2.2 脈動強(qiáng)度、湍流度與平均風(fēng)速的關(guān)系

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

2.3 風(fēng)速脈動對摩阻風(fēng)速的影響

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。

3 討論與結(jié)論

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。