草地近地表风速脉动及其与平均风速、摩阻风速的关系

刘欣宇, 张春来, 张 慧, 代豫杰, 岑松勃, 沈亚萍

(地表过程与资源生态国家重点实验室, 防沙治沙教育部工程研究中心, 北京师范大学 地理科学学部, 北京 100875)

风是塑造风沙地貌形态的基本营力之一，风速的大小决定了可能搬运的沙粒的数量。风沙研究中通常用平均风速来代替瞬时风速，而引起沙粒运动的风几乎都是湍流，气流速度大小和方向都具有脉动性，这是导致风和风沙流“阵性”特征的主要原因[1]。已有研究发现风速脉动使沙粒受到跃移上升力和剪切力，会引发沙粒振动与起动[2]，还与输沙量具有良好的相关关系[3]。因此在研究风沙问题时，需要考虑风速的脉动特征。目前相关研究大部分集中在风速脉动对沙粒输移的影响，侧重于沙粒跃移、输沙率等对风速脉动的响应[4-7]。其次是不同地表类型下的风速脉动特征研究，在一定的大气环流背景下，下垫面性质影响局地气流特性[8]。其中，尚河英等[9]观测表明戈壁地表风速脉动具有非平稳性特征，并随风速增强而增大；毛东雷等[10]研究发现流沙地、半固定沙地、固定沙地和绿洲内部4个典型下垫面的风速脉动幅度随植被盖度增加而增大；王雪芹等[11]观测表明沙漠—绿洲过渡带典型下垫面的风速脉动相对值总体上呈现随植物密度增大而增大的趋势，植物群落结构的差异增加了相对风速脉动垂直分布的复杂性。中国农牧交错带及其以北地区分布广阔的草地是重要且典型的风蚀地表类型之一，由于植被具有柔性和易变形特点，研究植被覆盖下近地表风速脉动规律，对揭示柔性粗糙元干扰机制具有重要意义。本文通过河北坝上地区天然草地近地表三维超声风速的连续观测，分析脉动风速与平均风速、摩阻风速之间的关系，揭示草地风速脉动规律。

1 研究方法

1.1 野外观测

野外观测点位于河北省康保县西部，地理坐标为114°31′22″E，41°51′37″N，处于北方农牧交错带中段。该地区为温带大陆性气候，年均气温1.2 ℃，年均降水量为340 mm，气候干燥。风向以西北风为主，年平均风速为3 m/s，大风日数约为60 d，年均沙尘暴日数14 d。其中春季平均风速最大，土壤风蚀频发。观测点所在的天然草地植被平均高度为9 cm，植被覆盖度约50%，地形平坦，远离农田防护林和建筑物。风速测量仪器为三维超声风速仪(R.M.Young Co.,USA)，测量频率为50 Hz，测量高度为1 m。连续观测于2019年4月17日至5月16日完成，为该区大风较为频繁的时期。

1.2 数据处理

选取5月12日6：00—24：00连续18 h的风速数据，分析风速脉动特征。该时段为持续时间最长、风力最强劲的一次系统性天气过程。数据处理分为两步，第一步是对原始数据进行校准，本文采用Hyson和Van公式[12-13]分别对数据进行了水平、垂直和角度三次校准。第二步，使用校准后的数据计算平均风速、脉动强度、湍流度和摩阻风速。

平均风速数据分析长度即统计时距为1 min。脉动风速为瞬时风速与平均风速之差，风速脉动强度以风速脉动值的均方根表示[1]：

(1)

(2)

摩阻风速(u*)采用涡动相关法计算[15]：

(3)

式中：u′和w′ 分别为校准后水平方向和垂直方向的脉动风速。

2 结果与分析

2.1 风速脉动的总体特征

图1为2019年5月12日06：00—18：30期间瞬时风速随时间的变化，表明风速脉动是持续存在的自然现象，无论风速大小。总体来说，平均脉动风速随平均风速的增大而持续增大，但最大脉动风速则随平均风速增大而在8～10 m/s范围内出现峰值，平均风速高于10 m/s情形下，最大脉动风速有降低趋势(见图2)。当日观测期间，风力最弱的06：00—08：00时段内，平均风速为3.3 m/s，最大脉动风速为2.5 m/s；在风力最强的14：00—18：00时段内，瞬时风速波动剧烈，瞬时风速值最大可达24 m/s，最大脉动风速超过5 m/s。

图1 2019年5月12日6:00-18:30瞬时风速变化

图2 最大脉动风速和平均脉动风速随平均风速的变化

2.2 脉动强度、湍流度与平均风速的关系

图3显示了风速脉动强度和湍流度随平均风速变化的规律。可以看出，平均风速越大，风速脉动强度越大，二者之间存在良好的线性正相关关系(r=0.936，p<0.001)。根据以往关于戈壁地表[9]和沙漠—绿洲过渡带不同类型地表[10-11]近地面风速脉动的观测结果，相同风速下，本文所观测的草地表面风速脉动高于流沙和戈壁表面的风速脉动而小于灌木植被覆盖的地表，表明植被对近地表气流的干扰作用强于流沙和戈壁地表风沙流对气流的影响，而植被类型和覆盖条件对风速脉动的影响更为显著。

湍流是一个复杂的随机过程，很难采用简单明确的方程来表示，一般通过统计规律来研究湍流。湍流度与平均风速之间的关系同样如此，本文观测表明，在2～14 m/s风速范围内，湍流度总体介于0.15～0.38之间(属于高强度湍流)，与平均风速之间缺乏明显相关性。其中，较小风速下，草地近地表湍流度分布分散，变化幅度大；随风速的增大，湍流度变化幅度减小，湍流度分布趋于集中。进一步统计显示，湍流度概率分布大致满足正态分布，偏度为0.89，峰度为1.51，概率分布峰值对应的湍流度为0.23。

图3 风速脉动强度、湍流度与平均风速的关系

2.3 风速脉动对摩阻风速的影响

研究表明，摩阻风速与平均风速之间为线性关系[16]。本文利用三维超声风速仪测定草地1 m高度的平均风速和摩阻风速，其中，瞬时摩阻风速直接利用公式(3)进行计算，1 s时距下的摩阻风速通过对u′ 和w′ 两个方向的脉动风速值分别取1 s平均后再利用公式(3)计算得到，1 min时距则取1 min平均后的u′ 和w′进行计算。

可见，平均风速的时距对摩阻风速计算有很大影响。秒级以下时距的平均风速充分反映了风的脉动特征，对摩阻风速的计算影响显著。1 s和1 min时距下的平均风速，显著降低了风速脉动的影响，但是，1 s时距下的摩阻风速仍具有远高于50%的变化幅度，说明该时距下风速脉动的影响仍然很大。1 min时距下的摩阻风速变化幅度约为10%，表明该时距下风速脉动的影响已经降到较低水平。

图4 不同时距下的平均风速与摩阻风速的关系

摩阻风速决定了风对地表剪切力的大小，是风沙运动研究中最重要的参数之一。上述结果表明，不同时距的风速数据显然具有不同的优势和局限性。对于以颗粒运动—动力学为主要内容的微观风沙运动研究，频率较高的风速数据对探究颗粒与气流相互作用优势明显，但频率太高(比如50 Hz)也会造成数据过于分散，难以获得有规律的结论。对于以输沙率、风沙流结构等为主要内容的宏观风沙运动研究，风和风沙流的瞬时变化可以忽略，因此1 min时距下的风速数据更具优势。

3 讨论与结论

实地观测表明，草地近地面风速存在脉动现象，脉动强度与平均风速之间存在良好的线性关系，平均风速越大，脉动风速强度和脉动风速的波动范围就越大，而湍流度随平均风速增大而趋于稳定，在2～14 m/s风速范围内概率分布峰值对应的湍流度为0.23。风的脉动还对摩阻风速的计算具有显著影响，表现为摩阻风速与瞬时风速缺乏相关性，相同瞬时风速下摩阻风速变化剧烈。当采用秒级平均风速时，摩阻风速与平均风速显著线性正相关，但风速脉动造成摩阻风速计算结果仍存在剧烈波动；采用1 min时距的平均风速时，二者之间的线性关系极为显著，风速脉动对摩阻风速计算的影响约在10%的水平。