塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區(qū)的風(fēng)動力環(huán)境

周成龍，楊興華，劉厚勇，蔣新波，吳新萍，何 清

（1.塔中氣象站，新疆 塔中841000；2.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境試驗觀測站，新疆 塔中841000）

風(fēng)沙危害一直是中國十分關(guān)注的環(huán)境問題之一，由于其發(fā)生頻率高，影響范圍廣，對經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展、大氣環(huán)境以及人民健康帶來不利影響［1］，地處塔里木盆地的塔克拉干沙漠是中國最大的沙漠，也是中國沙塵暴的多發(fā)中心之一［2］。許多學(xué)者針對南疆沙漠地區(qū)起沙風(fēng)和輸沙率進行了計算研究［3－5］，但是由于計算輸沙率需要考慮的影響參數(shù)通過測量獲取比較困難，所以用輸沙勢來代替輸沙率討論塔中的沙粒輸送能力。李紅軍等［6］利用新疆大量的氣象站風(fēng)觀測資料，對全疆的輸沙勢的時空分布進行了系統(tǒng)的分析。王訓(xùn)明等［7］、張家武等［8］、李恒鵬等［9］對塔中輸沙勢進行了計算和研究，得出塔中輸沙勢屬于低能區(qū)。為了進一步認識塔中的風(fēng)沙運動規(guī)律，利用塔中2006—2012年的氣象站觀測資料，對塔中地區(qū)的輸沙勢的方向分布做系統(tǒng)分析，為塔中地區(qū)的防沙御災(zāi)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠腹地的塔中地區(qū)位于38°58′N，83°39′E，根據(jù)塔中氣象站的觀測資料該地區(qū)年平均氣溫為13.6℃，氣溫年較差平均在33.0～39.0℃；極端最高氣溫可達40.0～46.0℃，極端最低氣溫達－20.0～－25.0℃，其中2008年1月30日09時觀察到－32.6℃的極端低溫，為建站以來的最低值，該地區(qū)的年平均風(fēng)速為2.3m／s，大風(fēng)日數(shù)為年平均為10.5d［10］。地表土壤被風(fēng)蝕嚴(yán)重。

2 數(shù)據(jù)與方法

所用資料為塔中氣象站提供的2006—2012年風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，以及塔中西站提供2008年9月至2009年8月的2.5，10，20和40cm的土壤濕度數(shù)據(jù)。由于臨界起沙風(fēng)速是時刻變化的，所以作者利用土壤濕度數(shù)據(jù)，對每個月的土壤濕度隨深度變化進行二次函數(shù)擬合，得出每個月的地表土壤濕度，進而利用Shao和Bagnold經(jīng)驗公式計算出1—12月的臨界起沙風(fēng)速，來代替以往的一個經(jīng)驗值以進一步提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性（表1）。

表1 沙粒2m高度臨界起沙風(fēng)速u＊月分布

在諸多輸沙勢計算方法中，F(xiàn)ryberger以Lettau（1978）的輸沙率公式為基礎(chǔ)提出的輸沙勢計算方法被廣泛接受和應(yīng)用。本文采用采用Fryberger［11］方法計算了對應(yīng)時段16個方向的輸沙勢，輸沙勢的計算公如下：

式中：DP——輸沙勢（VU）；V——各級別起沙風(fēng)速的1min平均值（kn／h）；Vt——臨界起沙風(fēng)速（kn／h）；t——起沙風(fēng)作用時間。統(tǒng)計觀測期間各風(fēng)向不同速級起沙風(fēng)的頻率，把相同風(fēng)向各風(fēng)速級出現(xiàn)頻率與平均風(fēng)速分別代入方程（1），所得值相加，即得到某一風(fēng)向的輸沙勢。16個方向的輸沙勢相加得到總輸沙勢，然后進行矢量合成可得到合成輸沙勢（RDP）與輸沙勢合成方向（RDD）。

3 結(jié)果與分析

3.1 起沙風(fēng)風(fēng)況

風(fēng)給沙粒發(fā)生運移的提供了直接動力，由于只有當(dāng)風(fēng)速高于臨界起沙風(fēng)速時，沙粒才能發(fā)生運移，所以對起沙風(fēng)的風(fēng)況才是重點了解的對象。

塔克拉瑪干腹地塔中2006—2012年4個季節(jié)塔中起沙風(fēng)風(fēng)向以ENE，NE及E為主（圖1），春、夏、秋、冬4個季節(jié)在這3個風(fēng)向上所占的頻率分別為63.2%，39.5%，69.6%，93.3%。其中夏季除了在ENE，NE及E方向上所占的頻率分布較大外，在N，NNE以及NNW方向上所占的頻率為41.3%。因此塔中的4季的風(fēng)向偏東北方向。其余風(fēng)向所占頻率都較小，表明觀測點年起沙風(fēng)風(fēng)向變化比較單一，這與觀測點輸沙活動發(fā)生方向較為集中的現(xiàn)象一致。影響塔里木盆地的主要大氣環(huán)流有兩支，東部主要受大陸和極地反氣旋“東風(fēng)倒灌”控制，而西部受弱西風(fēng)環(huán)流控制。這種環(huán)流形式?jīng)Q定了在整個沙漠中，東部盛行偏東風(fēng)，而西部盛行偏西風(fēng)，二者在克里雅河一帶匯合形成一個輻合區(qū)，因此塔中的風(fēng)向儀偏東為主［12］，根據(jù)塔中觀測的數(shù)據(jù)可以證明這一點。

圖1 2006－2012年塔中地區(qū)四季起沙風(fēng)玫瑰圖

塔中2006—2012年地區(qū)月起沙風(fēng)頻率占全年總起沙風(fēng)頻率百分比起伏波動較大（圖2）。其中4，5，6月頻率較高，分別各占16.1%，31.3%，12.5%，1，2，12月共占全年的1.7%。有效起沙風(fēng)的月平均風(fēng)速在5.3～7.3m／s變動，變幅較大大，表明此區(qū)起沙風(fēng)較不穩(wěn)定。春季和夏季相對其他季節(jié)高一些，其中7，8月平均風(fēng)速分別為7.19和7.27m／s，盡管冬季的月平均風(fēng)速在6.0m／s左右，但由于其出現(xiàn)頻率太低，因此不足以表示整個月的起風(fēng)情況。由圖2可見，春、夏季節(jié)不僅有效起沙風(fēng)發(fā)生的次數(shù)較多，而且風(fēng)速較大，因此風(fēng)沙活動頻繁。相對來說，秋、冬季風(fēng)沙活動則較弱。一年之中引起風(fēng)蝕作用的風(fēng)沙流活動多集中春季和夏季。因此在研究該區(qū)風(fēng)沙流活動規(guī)律時應(yīng)以春夏兩季的風(fēng)場作為主要分析目標(biāo)。

圖2 塔中地區(qū)2006－2012年氣象站月均風(fēng)速（有效起沙風(fēng)）及頻率

3.2 輸沙勢

輸沙勢（drift potential，DP）表示潛在的最大輸沙量，在數(shù)值上以矢量單位（VU）表示［13］。羅盤16方向輸沙勢的合成方向與合成矢量，稱作合成輸沙方向（resultant drift direction，RDD）和合成輸沙勢（resultant drift potential，RDP）［14］。RDP／DP稱為方向變率指數(shù)，起沙風(fēng)的方向變率越大，與它相關(guān)的RDP／DP越小。輸沙勢及合成輸沙勢是衡量一個地區(qū)風(fēng)沙活動強度及風(fēng)沙地貌演變的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)［15－17］。合成輸沙方向決定一個地區(qū)風(fēng)沙危害的方式［13］。

3.2.1 輸沙勢的方向分布 根據(jù)公式（1），計算塔中地區(qū)2006—2012年的輸沙勢。通過計算可以得到2006—2012年總輸沙勢為1 595.1VU，合成輸沙勢為945.2VU，合成方向為47.9°，年平均輸沙勢為227.4VU，合成輸沙勢為136.6VU，合成方向為47.7°，方向變頻指數(shù)RDP／DP為0.6。

2006—2012年年平均輸沙勢集中在N，NNE，NE，ENE，E及NNW這6個風(fēng)向上，輸沙勢為183.9VU共計占到80.70%，其中NE，ENE，E方向所占比重為52%（圖3）。由于夏季的風(fēng)向在N，NNE以及NNW方向上所占的頻率為41.29%，所以在這3個風(fēng)向上的輸沙勢也比較大。在SE，SSE，S，SSW這4個方向上的輸沙勢最小，所占比重僅為3.4%。由風(fēng)向分布可以看出輸沙勢的分布和風(fēng)向分布基本保持較好的相關(guān)性，即塔中地區(qū)的潛在輸沙能力和風(fēng)向分布基本保持吻合。

圖3 塔中地區(qū)2006－2012年不同方向的年平均輸沙勢

3.2.2 輸沙勢的月分布 塔中輸沙勢的月分布以3—8月為主，其中這6個月的的輸沙勢為206.4VU，占全年的總輸沙勢的90.59%，合成輸沙勢為123.3VU，合成方向為50.25°。1，2，12月最小，僅占全年的0.41%（圖4），即輸沙勢主要集中在春夏季。合成輸沙勢春季最大（3，4，5月），年平均為123.7VU，夏季（6，7，8月）其次，年平均為82.3VU，冬季（1，2，12月）最少僅為1.1VU。這與李紅軍等［6］對整個新疆輸沙勢的分析所得到的結(jié)果是一致的。從表2中可以看出方向變頻指數(shù)，冬季最大，其次是夏季，春秋的方向變頻指數(shù)基本相同。通過4個季節(jié)及全年的RDP／DP指數(shù)可以得出整個塔中的起沙風(fēng)的方向變頻較小。

圖4 塔中地區(qū)合成輸沙勢的年內(nèi)變化

3.2.3 輸沙勢的季節(jié)分布 由表2可見，春季輸沙勢為123.7VU，合成輸沙勢為71.3VU，合成輸沙方向為31°。風(fēng)向變率指數(shù)為0.58，說明春季風(fēng)況較為簡單。統(tǒng)計結(jié)果顯示，春季NE，ENE，E這3個方向輸沙勢分別為18.4，38和25VU，各占全季節(jié)輸沙勢的14.9%，30.7%和20.3%。分析風(fēng)況可知，此季節(jié)塔中地區(qū)偏東北風(fēng)風(fēng)頻率較高和風(fēng)力較強，致使出現(xiàn)在這3個方向上風(fēng)的輸沙能力比其他方向明顯偏大的狀況。

表2 2006－2012年塔中地區(qū)輸沙勢的年均季節(jié)分布

夏季輸沙勢為82.3VU，合成輸沙勢為59.7VU，合成輸沙方向為70.7°。風(fēng)向變率指數(shù)為0.73，說明風(fēng)況較春季簡單。夏季輸沙方向主要集中在N，NNE，NE這3個方向上，輸沙勢分別為15.4，21.9，16.3VU，分別占全季的18.8%，26.6%，19.8%塔中夏季偏東風(fēng)方向輸沙勢明顯減弱，僅占全季輸沙勢的11.1% 。西北偏北方向的輸沙勢也較大，占全季的10.9%。這說明塔中地區(qū)夏季北風(fēng)和東北偏北方向風(fēng)頻率高，風(fēng)力強勁，使偏北方向輸沙勢明顯高于其他方向。

秋季輸沙勢為20.3VU，合成輸沙勢為12.6VU，合成輸沙方向為38.7°。風(fēng)向變率指數(shù)為0.62，說明風(fēng)況比較簡單。分析可知此季節(jié)風(fēng)向分布和春季基本相同主要也以NE，ENE，E這3個方向為主，這3個方向輸沙勢為分別為3.0，5.2和2.9VU，分別占全季輸沙勢的14.9%，25.5%，14.2%。雖然這3個方向的風(fēng)頻分布和春季基本一致，但是風(fēng)力較春季明顯下降，這是由于季節(jié)上的區(qū)別。

冬季輸沙勢與春，秋兩季特點基本一致，只是風(fēng)況更加簡單，輸沙勢降低。冬季輸沙勢為1.1VU，合成輸沙勢為1VU，風(fēng)向變率指數(shù)為0.9，接近1。分析可知，方向變率指數(shù)如此高，是因為此季N，NNE，NE這3個方向上的輸沙勢幾乎占了全季輸沙勢的全部。這個3個方向輸沙勢為1.07VU，占此季輸沙勢的93.5%。

春季和夏季是沙塵天氣的高發(fā)季節(jié)，這與天氣背景和環(huán)流形勢密不可分。春季是過渡季節(jié)，是環(huán)流的調(diào)整時期，冷空氣殘余勢力與暖空氣相互消長，天氣更替頻繁，溫度變化幅度較大，強天氣系統(tǒng)移動速率很快，寒潮天氣也頻頻出現(xiàn)，所以春季相對于其他季節(jié)風(fēng)要更多、更強，沙塵天氣發(fā)生更頻繁。夏季近地面空氣升溫速度快，近地層的空氣升溫較慢，隨高度遞增形成一個溫差很大的溫度梯度層，造成垂直方向上的熱對流不穩(wěn)定，容易形成局地的沙塵天氣。這與所得出來的結(jié)論是相吻合的。

以上可以說明，塔中地區(qū)春、夏、秋、冬4個季節(jié)的輸沙勢差異較大，但是輸沙的方向都集中在了N，NNE，NE這3個方向上（如表3所示）。

表3 塔中地區(qū)2006－2012年輸沙勢在不同方向的季節(jié)分布 VU

3.2.4 輸沙勢的年際變化 在本研究所采用的7a時間內(nèi)，年輸沙勢最大值出現(xiàn)在2006年，為298.2VU；年輸沙勢最小值出現(xiàn)在2012年，為189.6VU。年合成輸沙勢最大值出現(xiàn)在2006年，為160.2VU；最小值出現(xiàn)在2009年，為101.1VU（圖5）。輸沙勢在2006年為最高值，在2009年為次高值，輸沙勢在2006—2008年和2009—2012年是逐年降低的。合成輸沙勢則最小值出現(xiàn)在2009年即從2006—2009年是呈逐年下降趨勢，但從2009—2012年則呈上升趨勢。2009—2012年的年輸沙勢和年合成輸沙勢呈相反變化趨勢，因此年輸沙勢與年合成輸沙勢沒有直接聯(lián)系。各年合成輸沙方向介于30°～53.1°，為偏東北方向。

圖5 塔中地區(qū)2006－2012年輸沙勢和合成輸沙勢

4 結(jié)論

（1）塔中地區(qū)2006—2012年春、夏、秋、冬的風(fēng)向分布主要以ENE，NE及E為主，這3個風(fēng)向上所占的頻率分別為63.22%，39.54%，69.61%，93.33%，其中夏季除了在ENE，NE及E方向上所占的頻率分布較大外，在N，NNE以及NNW方向上所占的頻率為41.29%。

（2）輸沙勢的月份主要集中在3—8月的，輸沙勢為206.4VU，占全年的總輸沙勢的90.59%，合成輸沙勢為123.3VU，合成方向為50.25°。1，2，12月最小，僅占全年的0.41%。合成輸沙勢春季最大，年平均為71.3VU，夏季其次，年平均為59.7VU，冬季最少僅為1VU。四季輸沙勢方向主要集中在ENE，NE及E方向上，和起沙風(fēng)向有較好的吻合。

（3）2006—2012年年平均輸沙勢為227.4VU，合成輸沙勢為136.6VU，合成方向51.83°，方向變頻指數(shù)RDP／DP為0.6。年輸沙勢最大值出現(xiàn)在2006年，為298.2VU；最小值出現(xiàn)在2012年，為189.6VU；和成輸沙勢最大值出現(xiàn)在2006年，為160.2VU；最小值出現(xiàn)在2009年，為101.1VU。合成年輸沙方向介于30°～53.1°，為偏東北方向。

（4）春、夏、秋、冬4個季節(jié)的方向變頻指數(shù)RDP／DP都相對較大，這說明塔中起沙風(fēng)向的變頻較小，風(fēng)況較為單一。通過本文可以得出對塔中地區(qū)防護工程設(shè)計中，應(yīng)重點考慮ENE，NE及E這3組風(fēng)春夏季的輸沙能力大小，并結(jié)合實際的沙源狀況進行分析研究，以便能取得較好的防護效果。

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