艾比湖流域風沙強度特征及其空間差異

馬 倩，武勝利，吳 燁，趙 楓

風是塑造地球表面地貌形態(tài)的主要外營力之一，是區(qū)域風沙危害產生的直接動力條件［1－4］。區(qū)域大氣環(huán)流的整體形勢控制著區(qū)內風沙地貌的整體格局，特別是在干旱氣候條件下，它是各種風沙地貌形成發(fā)育的最主要動力，也是使土地荒漠化加劇，沙塵天氣發(fā)生的主要原因之一。艾比湖流域內有大面積干涸的鹽土湖積平原，在阿拉山口強烈的西風作用下，新月形沙丘、灌叢沙堆、拋物線沙丘、縱向沙壟等各類風沙地貌迅速發(fā)育，許多地段已發(fā)展成為沙漠。對艾比湖流域風沙強度特及其空間差異的分析在干旱荒漠區(qū)生物多樣性保護、區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設，以及土地荒漠化防治、監(jiān)測與評價研究等方面均具有重要意義。

1 研究區(qū)背景

艾比湖位于新疆自治區(qū)準噶爾盆地西南部，流域面積5.06×104km2。流域位于中緯度地區(qū)，深居歐亞大陸腹地，遠離海洋，而且北、西、南三面被高山阻隔，氣候十分干燥，屬于典型溫帶干旱大陸性氣候。風多風大，沙塵暴和浮塵活動頻繁是該地區(qū)的顯著特征。年平均大風（17m／s）日數(shù)多達164d，最多達185d。風沙災害及天氣嚴重威脅著當?shù)亟洕鐣陌l(fā)展和人民生產、生活。艾比湖流域地處高緯度，從行星風系來看，其高空環(huán)流主要受到中緯西風環(huán)流帶的影響。同時，西風環(huán)流也受到山地的影響和干擾。艾比湖流域海拔介于189m（湖面海拔）～4 600m之間，湖泊北東側是瑪依力山，西北是阿拉套山，南部是北天山西段，三面環(huán)山，東部面向準噶爾盆地開口。來自阿拉山口的強勁的大風沿艾比湖湖盆吹向流域東南部，沿途攜帶大量地表沉積物質，塑造著流域的風沙地貌格局，且影響著流域內土地荒漠化的發(fā)展。流域內的風場是在西風環(huán)流的背景下，受山盆地形及山口的影響，從而形成較為穩(wěn)定的近地面風場。

2 研究方法

采用的風速、風向資料來源于中國氣象站新疆沙漠氣象所在艾比湖流域的博樂、精河、托里、烏蘇、溫泉6個國家野外觀測站（2005—2011年）的自動氣象站，風速、風向數(shù)據(jù)均有（0～360°）16方位自動風速儀記錄，風杯距地面高度10m。根據(jù)相關研究［5］，艾比湖流域臨界起沙風速為6.0m／s。在計算過程中，先選擇原始數(shù)據(jù)中風速≥6.0m／s的風速，逐月、逐年統(tǒng)計16方位的起沙風，并計算起沙風的平均風速、最大風速及出現(xiàn)頻率，為分析起沙風的月際變化特征，統(tǒng)計了每月的起沙風風速占全年的起沙風頻率。利用Lettau［6］的輸沙勢方程，根據(jù)沙的移動方向和輸沙量對地面風［7－8］的強度特征進行分析。輸沙勢方程為：

式中：DP——輸沙勢（drift potential），反映風速統(tǒng)計表中一定時間周期內的潛在風沙移動能力，在數(shù)值上以矢量單位（vector unit，VU）表示；V——10m高程平均風速；Vt——起動風速，也稱臨界起沙風速；t——起沙風作用的時間。

輸沙勢表示區(qū)域潛在的輸沙能力，16個方向輸沙勢的合成方向和合成矢量，稱作合成輸沙方向（resultant drift direction，RDD）和合成輸沙勢（resultant drift potential，RDP），表示各方向起沙風綜合作用的結果。風向變率指數(shù)指合成輸沙勢與輸沙勢的比率，用RDP／DP表示。研究區(qū)域的起沙風速方向變率越大，與此相關的RDP／DP就越小。風向變率可以反映一個區(qū)域風向組合的情況，方向變率指數(shù)可以分為大比率（＞0.8），中比率（0.3～0.8）和小比率（＜0.3）三種，小比率表示與復合風況有關，中比率表示與鈍雙峰風況或者銳雙峰風況相關，而大比率主要與單峰風況相聯(lián)系［9］。

依據(jù)Fryberger的區(qū)域風能分級標準可將區(qū)域劃分為高、中、低能環(huán)境［10］（表1）。

表1 區(qū)域風能分類

3 結果與分析

3.1 艾比湖流域地表起沙風況

起沙風速是研究風沙運動規(guī)律，解決風沙工程問題的關鍵指標之一。通過統(tǒng)計艾比湖流域6個國家氣象站2005—2011年的風況資料，根據(jù)16個方位年起沙風總風速計算得到艾比湖流域的近地面各站的起沙風況特點。

艾比湖流域年起沙風日數(shù)在各月的分布（圖1）均表現(xiàn)為自3月份起大幅增加，5—6月達到峰值，于8月份開始慢慢下降。起沙風日數(shù)比例較大的月份集中在3—8月份之間，11月至翌年2月起沙風日數(shù)比例較少，1月為最低值。因此，艾比湖流域≥6.0 m／s風速日數(shù)在全年的比例也較大，全年起沙風日數(shù)最少也在198d，最大值可達到225d。

艾比湖流域起沙風風向以NW和NNW為主（圖1）。NW風向頻率占年起沙風頻率的54.98%，NNW風向頻率占18.31%；N，WNW 和 W 風向所占的比例分別為9.35%，4.25%，4.14%。其它各風向所占的比例都很小，在0.08%～1.52%之間，可以得出，艾比湖流域常年風向變化范圍較小，具有較單一起沙風向的特點。在研究時間段內，流域內各站所測的起沙風的風向及發(fā)生頻率也發(fā)生不同的變化，導致整個流域內各個年度輸沙勢和合成輸沙勢的大小及輸沙方向的變化。

在分析近地面風速時，通常用一定的時間間隔的平均風速代替瞬時的風速［11］。平均風速是研究風沙問題的一種常見又簡便的處理方法，易于把握風速的總體變化趨勢［12－13］。平均風速作為衡量風沙活動強度的指標之一，一般有年平均風速、月平均風速和日平均風速之分［14］。由艾比湖流域起沙風平均風速與溫度的月平均變化狀況可以看出（圖2），一年之中起沙風的月平均風速變化不大，變幅在8.69～10.46 m／s之間。2月份出現(xiàn)平均風速的最大值，最小值則出現(xiàn)在7月份。從季節(jié)上來看，冬季的平均風速最大，為10.19m／s，而夏季的平均風速最小，為8.75 m／s，春秋兩季相當，分別為9.37和9.45m／s；從起沙風的最大風速來看，最大值為25.5m／s，出現(xiàn)在8月份，最小值為19.1m／s，出現(xiàn)在7月份；從季節(jié)上來看，最大風速的最大值出現(xiàn)在夏季，為25.5m／s，其次為冬季24.9m／s，再次為春季24.3m／s，秋季的最大風速值最小。通過對流域內月平均氣溫與起沙風的平均風速進行相關分析發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在顯著負相關關系，相關系數(shù)為－0.96，即氣溫較低時平均風速則較大，出現(xiàn)“冷風同步”的現(xiàn)象。艾比湖流域各月起沙風速級出現(xiàn)的頻率存在一定的差異。從起沙風年內出現(xiàn)的頻率來看，多發(fā)生在春季和夏季，秋季次之，冬季出現(xiàn)的起沙風頻率最低。其中春季的5月份發(fā)生的頻率最高，占全年起沙風頻率的14.70%，其次為夏季的6月份，所占頻率為13.08%，再次為春季的4月份，所占頻率為12.48%。艾比湖流域起沙風多發(fā)生在4—8月份之間。

圖1 艾比湖流域逐月起沙風日數(shù)變化及風向頻率

圖2 艾比湖流域起沙風速月際變化

3.2 艾比湖流域輸沙強度特征

輸沙勢是衡量一個地區(qū)風沙活動強度及風沙地貌演變的重要指標［9］，也是目前風沙活動強度計算中應用最廣泛的指標。合成輸沙勢往往可以決定一個地區(qū)風沙危害的方式。根據(jù)計算結果可知，得出艾比湖流域2005—2011年各方向的輸沙勢、合成輸沙勢及合成輸沙方向（表2），并繪制流域各年輸沙勢玫瑰圖（圖3）。由圖3可以看出，研究區(qū)的輸沙方向主要集中在NW，N及NNW風向上，其中在NW方向上的輸沙勢最大，平均值為723.66VU，在研究期內，該風向上的輸沙勢在2007年最大，為960.20VU，2011年該風向上的輸沙勢最小，為299.44VU；其次為N風向上，平均值為150.86VU，在研究期內，該方向上的輸沙勢在2011年最大，為371.14VU；2009年該方向上的輸沙勢最小，僅為0.99VU，N方向上的輸沙勢的年變化率最大；NNW方向上的輸沙勢居第三，為131.37VU，在2005—2011年，該方向的輸沙勢在2006年最大，為321.71VU，2011年該方向上的輸沙勢最小，為43.71VU，NNW方向上的輸沙勢年變化率較小。

艾比湖流域輸沙勢的平均值為1 052.84VU，屬高風能環(huán)境。NW風向輸沙勢的大小直接決定了流域年輸沙勢的大小。因此，NW方向輸沙勢最大的年份即為流域年輸沙勢最大的年份。2007年，流域的輸沙勢達到了1 245.93VU，輸沙勢最小的年份為2011年，為749.24VU，同樣與NW方向上輸沙勢最小的年份保持一致。合成輸沙勢是各方向上輸沙勢作用的結果。在研究區(qū)內，合成輸沙勢與輸沙勢表現(xiàn)相同的年際變化趨勢，輸沙勢大的年份合成輸沙勢也較大，輸沙勢較小的年份合成輸沙勢同樣也較小。方向變率指數(shù)反映了輸沙勢與合成輸沙是大小的關系，由表2看出，艾比湖流域2005—2011年風向的方向變率指數(shù)均大于0.9，屬高比率特征，說明研究區(qū)風向的變化較小，屬單峰風況特征。艾比湖流域的合成輸沙勢方向在109.93°～135.13°之間，平均為126.15°，為偏東東南方向與東南方向之間（ESE—SE）。

表2 艾比湖流域2005－2011年各方向輸沙勢 VU

圖3 艾比湖流域2005－2011年輸沙勢玫瑰圖

對研究區(qū)合成輸沙勢及輸沙勢的年內變化進行分析，可以看出，DP與RDP在年內具有相同的變化趨勢。輸沙勢在3月份陡然增大，4月份達到最高峰值，5月份之后又快速減小。由此可見，輸沙勢和合成輸沙勢的年內變化和艾比湖流域起沙風的月季變化趨勢是一致的。

艾比湖流域四季的輸沙勢及合成輸沙勢在春季（3—5月份）最大，平均值分別為409.45和384.54 VU，夏季（6—8月份）次之，為263.59和255.54VU，冬季（12—2月份）最小，為143.20和134.24VU（表2）。

艾比湖流域輸沙勢的季節(jié)變化與起沙風的季節(jié)變化趨勢保持一致。春季（3—5月），冷空氣沿西北方向襲來，且活動頻繁，輸沙勢增大；夏季（6—8月），地表溫度增高，氣流上下層之間的對流活動增強，高層大氣中較大的風速輸送到底層，研究區(qū)夏季經常會有小股的冷空氣活動，也加大了地面風速；冬季（12—2月），艾比湖湖盆內積聚了厚厚的冷空氣，氣壓較高，與西北方來襲的冷空氣形成的氣壓差較小，氣流從湖盆冷空氣頂部流過，對近地面的風速影響較小。因此，冬季的風速及輸沙勢均較小。

艾比湖流域春季風沙活動最頻繁且最強烈，此時研究區(qū)內植物尚未發(fā)芽或正處于萌芽期內，地面基本呈現(xiàn)裸露狀態(tài)，植被不能對地表起到防護的作用，風沙流對地表主要產生強烈的侵蝕作用。夏季也為起沙風多發(fā)期，但此時植物已經生長茂盛，較高的植被覆蓋度可以削弱風沙活動的強度，減緩氣流對地表的侵蝕。植被對風沙流的擾動，在植被生長密集的局部區(qū)域內發(fā)生較強的堆積作用，生長較稀疏的局部區(qū)域則發(fā)生較強的風蝕作用，使流域內發(fā)育不同的風沙地貌類型。因此，春季是艾比湖流域風沙危害的多發(fā)期和重點防護期。

3.3 艾比湖流域風沙強度空間分布

艾比湖流域風沙活動強度在空間分布上存在較大的差異。阿拉山口為流域內風沙活動強度最大的地區(qū)，且因為特殊的地貌導致其風沙活動的影響范圍也較大。強勁的起沙風通過風口穿過艾比湖湖盆，攜帶地表大量沉積物質向流域東南方向快速流動，對沿途風沙地貌的格局造成深刻的影響。

根據(jù)計算可得到各氣象站輸沙勢及合成輸沙勢占整個艾比湖流域的輸沙勢及合成輸沙勢的百分比。表3顯示，2005—2011年間阿拉山口輸沙勢及合成輸沙勢占流域總數(shù)均為90%以上，為區(qū)域輸沙勢貢獻率最大的地區(qū)。風沙強度貢獻率最大的年份為2006年，輸沙勢及合成輸沙勢分別為97.37%和97.68%。即使貢獻最小的2005年，其輸沙勢和合成輸沙勢也分別占了92.74%和94.07%。其次為溫泉站，其輸沙勢及合成輸沙勢所占比例最大為2005年，為3.57%和3.50%，最小年份則出現(xiàn)在2011年，為0.93%和0.99%。再次為托里站，最大貢獻率也僅為3.00%和1.82%，和溫泉站相同出現(xiàn)在2005年；其余博樂、精河、烏蘇各站所占比例均小于1%。

依據(jù)Fryberger的區(qū)域風能分類標準，艾比湖流域除阿拉山口屬高風能區(qū)之外，其余各站都屬于低風能區(qū)。艾比湖流域輸沙勢以阿拉山口為最大，最大DP為1 244VU，RDP為1 168VU；其次為溫泉，最大DP為34.03VU，RDP為31.84VU，托里的輸沙勢居第3，最大DP為29.03VU，RDP為16.80VU；輸沙勢最小的為博樂站，最大DP為1.60VU，RDP為1.42VU。

由此看出，流域中輸沙勢強度在空間分布上存在很大的差異，沿流域西北邊緣一帶包括阿拉山口、托里、溫泉為輸沙勢的相對高值區(qū)；而流域西南一帶，包括博樂、精河和烏蘇地區(qū)為輸沙勢的相對低值區(qū)，即流域西北一線的風沙活動強度遠遠高于流域的東南一線?？梢园l(fā)現(xiàn)，整個流域中，高值點是以孤點出現(xiàn)，而低值區(qū)則是一個面積較為廣闊的區(qū)域。

表3 艾比湖流域各氣象站2005－2011年輸沙勢和合成輸沙勢比例 %

輸沙變率指數(shù)能夠反映區(qū)域風況的特點。由表4可以看出，艾比湖流域輸沙變率指數(shù)也存在較大的差異。阿拉山口、溫泉、烏蘇站的輸沙變率指數(shù)均大于0.8，為單峰風況，與整個流域的風況特點相同。托里站輸沙變率指數(shù)均值為0.55，介于0.27～0.74之間，即該地多為鈍雙峰或者銳雙峰的風況；博樂和精河站的輸沙變率指數(shù)在各年的變化較大，博樂站輸沙變率指數(shù)平均值為0.70，除2007和2008年大于0.8外，其余各年均介于0.3～0.8之間，而精河站除2007和2008年為0.53和0.74外，其余各年均大于0.8，由此判斷這兩地風況表現(xiàn)為混合型，即既有銳雙峰風況也有單峰風況的特點。

表4 艾比湖流域各氣象站2005－2011年輸沙勢及合成輸沙勢

從各站各年合成輸沙勢的方向來看，也表現(xiàn)出較大的差異。阿拉山口合成輸沙方向均值為125.03°，屬于ESE—SE方向。但各年表現(xiàn)出略微差異，2011年輸沙勢和合成輸沙勢變化幅度較大，低于多年平均值，且合成輸沙方向為108.96°，方向則指向E—ESE方向。托里站的合成輸沙方向均值為140.93°，合成輸沙勢方向變化不大，介于137.15°—145.35°之間，指向SE方向；溫泉站合成輸沙方向均值為170.34°，屬偏S方向，輸沙方向介于165.74°—176.29°之間；博樂站合成輸沙方向均值為80.17°，介于65.31°—90.00°之間，指向ENE—E方向；精河站合成輸沙方向均值為137.59°，最小為103.59°，指向 ESE方向，最大值228.91°，則指向SW方向，輸沙方向變化較大；烏蘇站合成輸沙方向為98.50°，方向變率較小，各年輸沙方向均指向E方向。

綜上分析，阿拉山口是艾比湖流域中風沙活動最強烈的地區(qū)，對整個流域的風沙地貌的形成和發(fā)育起到關鍵性的作用，也是整個流域乃至整個區(qū)域風沙危害產生的動力來源。通過對流域輸沙勢及合成輸沙勢計算，阿拉山口對整個流域的輸沙勢貢獻率最大。流域合成輸沙方向為126.15°，而阿拉山口的合成輸沙方向為125.03°，與流域合成輸沙方向保持一致。

4 結論

（1）艾比湖流域主要受高空西風帶的影響，氣流經過阿拉山口，在近地面形成主要受西北風、西風風系控制的區(qū)域，為研究區(qū)風沙地貌形成的主要外營力。

（2）艾比湖流域的起沙風以NW和NNW風向為主，NW 風向頻率占年起沙風頻率的54.98%，NNW風向頻率占年起沙風頻率的18.31%，同時還存在一定份額的W和WNW風向。研究區(qū)內起沙風多發(fā)生在春季和夏季，秋季次之，冬季出現(xiàn)的起沙風頻率最低。

（3）艾比湖流域年合成輸沙勢介于679.88～1 203.38VU，屬于高風能環(huán)境。方向變率指數(shù)各年均大于0.9，為單峰風況特點。合成輸沙方向為126.15°，介于ESE—SE之間。流域內輸沙勢強度存在較大的空間差異，阿拉山口為流域輸沙勢的高值點。

（4）艾比湖流域春季風沙活動最頻繁且最強烈，此時研究區(qū)內植物尚未發(fā)芽或正處于萌芽期內，地面基本呈現(xiàn)裸露狀態(tài)，植被不能夠對地表起到防護的作用，風沙流對地表的主要產生強烈的侵蝕作用。夏季也為起沙風多發(fā)期，但此時植物已經生長茂盛，較高的植被覆蓋度可以削弱風沙活動的強度，減緩氣流對地表的侵蝕。植被對風沙流的擾動，在植被生長密集的局部區(qū)域內發(fā)生較強的堆積作用，生長較稀疏的局部區(qū)域則發(fā)生較強的風蝕作用，使流域內發(fā)育不同的風沙地貌類型。因此，要加大對植被的保護，尤其在風沙活動強烈的春季，采取相應的防護措施，以減少風沙危害。

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