塔克拉瑪干沙漠腹地近地表輸沙方向探測研究

楊興華，周成龍，楊 帆，霍 文，艾力·買買提依明，何 清，劉新春

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象局，新疆 烏魯木齊830002）

風(fēng)沙活動是全球干旱和半干旱地區(qū)常見的地表過程之一，由其引起的沙塵輸送不僅影響著氣候變化[1]和生態(tài)環(huán)境[2]，并導(dǎo)致了農(nóng)田與道路掩埋、土壤流失及沙漠化[3-4]。因此，近幾十年來風(fēng)沙活動對于地貌學(xué)、氣候?qū)W、氣象學(xué)、生態(tài)學(xué)及環(huán)境科學(xué)的影響和意義受到了廣泛的關(guān)注[5]。在風(fēng)沙活動研究中，起沙參數(shù)、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)包括沙塵通量的垂線分布及沙塵粒子的粒徑變化等的觀測往往是人們關(guān)注的重點(diǎn)[6]。然而，輸沙方向的觀測與研究也是風(fēng)沙活動研究的重要內(nèi)容之一，其控制著沙丘形態(tài)及沙丘移動方向[7-11]，更是設(shè)置防沙工程的重要參考依據(jù)。受到探測手段與技術(shù)的限制，前期輸沙方向的研究均以起沙風(fēng)風(fēng)向或者輸沙勢為替代指標(biāo)[12-16]，以起沙風(fēng)風(fēng)向出現(xiàn)的時(shí)次代表輸沙時(shí)長，以輸沙勢代表輸沙強(qiáng)度或者輸沙量大小。然而已有研究表明某一區(qū)域的臨界起沙風(fēng)速受氣象、土壤、植被等環(huán)境因素的影響[17-20]，存在著一定的變化范圍[21-24]。因此，選取某一風(fēng)速值為臨界起沙風(fēng)速，進(jìn)而以該風(fēng)速值為標(biāo)準(zhǔn)確定起沙風(fēng)、進(jìn)行輸沙勢計(jì)算，然后判定輸沙方向的方法，必然存在一定的不確定性，然而這種不確定性究竟有多大，目前尚不清楚。

本研究的目的是利用塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙觀測試驗(yàn)中風(fēng)沙活動探測儀器測量的沙粒實(shí)時(shí)運(yùn)動數(shù)據(jù)，結(jié)合同步測量的氣象、土壤環(huán)境等數(shù)據(jù)，對研究區(qū)近地表輸沙方向特征進(jìn)行分析研究；并基于輸沙方向的觀測事實(shí)，評估以起沙風(fēng)風(fēng)向和輸沙勢為指標(biāo)判定輸沙方向方法的不確定性。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)介紹

觀測試驗(yàn)在塔克拉瑪干沙漠腹地塔中開展。塔克拉瑪干沙漠是世界第二大流動沙漠，整個(gè)沙漠年均沙塵暴和揚(yáng)沙天氣超過40 d[25]。它是東亞地區(qū)最大的沙塵氣溶膠排放源地，年均沙塵氣溶膠排放量達(dá)187.31 Tg，占東亞地區(qū)沙塵氣溶膠總量的35.0%左右[26-27]。塔中深入沙漠腹地220 km，年均氣溫為12.1 ℃，年均降水量25.9 mm，蒸發(fā)量卻高達(dá)3600 mm，年均沙塵天氣日數(shù)達(dá)172.7 d。試驗(yàn)點(diǎn)為塔中一平坦沙地，地表沙粒主要由細(xì)砂（50.6%）和極細(xì)砂（41.9%）組成，平均粒徑為147 um[28]。

1.2 觀測試驗(yàn)與數(shù)據(jù)

觀測試驗(yàn)開展時(shí)間為2008 年3 月1 日—2018 年2 月28 日。試驗(yàn)設(shè)備包括1 座2 m 高度氣象塔，可測量2 m 高度風(fēng)速與風(fēng)向（WAA151 Vaisala），1.5 m高度大氣水汽壓和氣溫（H mP45D Vaisala），0.015 m深度土壤濕度（CS616 Campbell）；1 套沙粒躍移傳感器，可記錄距地面0.05 m 高度沙粒運(yùn)動情況（Sensit USA）；1 套數(shù)據(jù)采集器（CR1000 Campbell），可對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和處理（圖1）。所有試驗(yàn)要素的采集頻率均為1 Hz，然后根據(jù)研究需要將其處理為1 min或者1 h 數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)塔中位置示意圖及試驗(yàn)儀器實(shí)景

1.3 起沙風(fēng)與輸沙勢的判定

塔中地區(qū)2 m 高度分鐘臨界起沙風(fēng)速存在季節(jié)變化，春、夏、秋、冬季分別為6.1、6.5、5.8 m/s 和5.1 m/s，平均值為5.9 m/s[29]。利用同步觀測的2 m高度1 min 風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，確定觀測期間不同方向起沙風(fēng)出現(xiàn)的頻次，進(jìn)而確定不同方向輸沙時(shí)長。

輸沙勢表示潛在的輸沙能力，是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動強(qiáng)度的重要指標(biāo)。在本文中，輸沙勢的計(jì)算采用Fryberger 等給出的計(jì)算公式[12]：

式中，DP 為輸沙勢，為矢量單位（VU）；V 為各級別起沙風(fēng)速的1 min 平均值；Vt 為臨界起沙風(fēng)速，塔中地區(qū)2 m 高度分鐘臨界起沙風(fēng)速春、夏、秋和冬季分別為6.1、6.5、5.8 m/s 和5.1 m/s，平均值為5.9 m/s[29]；t 為起沙風(fēng)作用時(shí)間，以占全年總時(shí)間的百分比表示；在該公式中V 與Vt的單位為kn/h（海里或節(jié)每小時(shí)）。統(tǒng)計(jì)觀測期間研究區(qū)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。

2 結(jié)果與討論

圖2 給出了塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月10 a 的小時(shí)風(fēng)沙活動及氣象（氣溫、大氣水汽壓及風(fēng)速）、土壤（土壤濕度）條件變化。風(fēng)沙活動（包括起沙顆粒數(shù)和起沙時(shí)長）的高值區(qū)均發(fā)生在春、夏季，這與研究區(qū)春夏季風(fēng)速較大、氣溫較高進(jìn)而導(dǎo)致沙塵天氣頻發(fā)的氣候特點(diǎn)一致[25]。但與大氣水汽壓和土壤濕度的對應(yīng)關(guān)系并不顯著，特別是土壤濕度。研究區(qū)降水主要集中在夏季，土壤濕度的高值均出現(xiàn)在夏季，但是受到降水總量的限制，土壤濕度基本上保持在2.0%左右，最大土壤濕度僅為20.0%左右，且維持時(shí)間較短，表明單次相對較高的土壤濕度事件對于季節(jié)尺度的風(fēng)沙活動帶來的抑制作用并不顯著。研究區(qū)10 a 間累計(jì)發(fā)生風(fēng)沙活動3 609.8 h，約占總觀測時(shí)長的4.1%，其中，春、夏、秋、冬四季起沙時(shí)間分別占全部起沙時(shí)間的39.2%、45.1%、11.8%和3.8%；起沙顆粒數(shù)分別占40.0%、49.6%、8.7%和1.7%，與起沙時(shí)間的季節(jié)變化一致。Stout[30]在美國田納西州鹽湖地區(qū)觀測到的起沙時(shí)長約占總觀測時(shí)長的1.4%；Yang 等[20]在中國古爾班通古特沙漠觀測到的起沙時(shí)長約占總觀測時(shí)長的0.047%，均低于塔克拉瑪干沙漠。干燥的氣候環(huán)境、裸露的流沙地表及較細(xì)小的地表沙粒，使得塔克拉瑪干沙漠更容易滿足風(fēng)沙活動發(fā)生的條件。

圖2 塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月小時(shí)風(fēng)沙活動及氣象（氣溫、大氣水汽壓及風(fēng)速）、土壤（土壤濕度）條件變化

圖3 給出了各風(fēng)向起沙時(shí)長和起沙顆粒數(shù)百分比及各風(fēng)向?qū)?yīng)的平均氣溫、水汽壓、風(fēng)速和土壤濕度。研究區(qū)風(fēng)沙活動發(fā)生時(shí)以吹偏北和偏東風(fēng)為主，起沙時(shí)長的高值（大于16 個(gè)方向的平均值6.3%）主要發(fā)生在N-ESE 風(fēng)向，6 組風(fēng)向?qū)?yīng)的起沙時(shí)長共計(jì)占到68.8%；其中，NNE 方向最大，占到19.2%，其次為E 方向，占到16.2%，S 方向最小，僅占1.0%。以起沙風(fēng)風(fēng)向?yàn)榕卸?biāo)準(zhǔn)而統(tǒng)計(jì)的研究區(qū)起沙時(shí)長分布結(jié)果表明[31]：N-ESE 6 組風(fēng)向?qū)?yīng)的起沙時(shí)長占到75.3%，高于本研究的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；最大起沙時(shí)長發(fā)生在NE 方向，最小起沙時(shí)長出現(xiàn)在SSE 方向，均與本研究不一致；且以起沙風(fēng)風(fēng)向?yàn)榕卸?biāo)準(zhǔn)在一定程度上低估了WSW-NNW 5 組風(fēng)向的起沙時(shí)長貢獻(xiàn)。由于俎瑞平等使用的資料時(shí)段為1996—2000 年，與本研究時(shí)間上不同步，本文將利用同步觀測的2 m 高度風(fēng)速、風(fēng)向資料再次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

起沙顆粒數(shù)與起沙時(shí)長在各方向上的百分比存在顯著差異，較大的起沙顆粒數(shù)主要發(fā)生在N-E 和NW-NNW 方向，7 組風(fēng)向?qū)?yīng)的起沙顆粒數(shù)比重達(dá)71.4%；其中，NNE 方向最大，占到16.1%，其次為N方向，占到15.2%，SSE 方向最小，僅為0.39%。與起沙時(shí)長相比，W 方向起沙顆粒數(shù)所占比重明顯增加，其中WSW、W、NW 等方向的比重增加顯著；而擁有最大起沙顆粒數(shù)的NNE 方向，起沙時(shí)長僅占7.7%。起沙顆粒數(shù)與起沙時(shí)長雖然緊密相關(guān)，但還受到風(fēng)速的影響，特別是陣性大風(fēng)[24，31]。

起沙時(shí)長與起沙顆粒數(shù)的方向分布具有明顯的季節(jié)變化（圖4）。起沙時(shí)長，春季時(shí)高值出現(xiàn)在NEESE 四組風(fēng)向，夏季出現(xiàn)在N-ESE 6 組風(fēng)向，秋季為N、NE-ESE、SW-WSW 和NW-NNW 9 組風(fēng)向，冬季為NNE-E 4 組風(fēng)向，分別占到63.0%、70.6%、78.2%和85.8%；春、夏、秋和冬四季起沙時(shí)長最大、最小風(fēng)向分別為ENE/S （24.2%/0.8%）、N/SSW（14.8%/0.8%）、ENE/S（11.7%/1.2%）和ENE/SSE（31.6%/0.1%）。四季起沙時(shí)長風(fēng)向分布相比，冬季最為集中，春季次之，秋季最為分散；同時(shí)，春、秋季SSW-WNW 風(fēng)向起沙時(shí)長貢獻(xiàn)明顯大于夏冬季。起沙顆粒數(shù)，春季高值區(qū)出現(xiàn)在N-E 和WSW-WNW 8 組風(fēng)向，夏季為N-NE 和NW-NNW 5 組風(fēng)向，秋季為N、SW-WSW 和NW-NNW 5 組風(fēng)向，冬季為NNE-E 4 組方風(fēng)向，分別占到80.5%、83.8%、76.0%和89.8%；春、夏、秋、冬四季起沙時(shí)長最大、最小風(fēng)向分別為ENE/SE（16.2%/0.3%）、NNE/S（30.8%/0.2%）、NW/S（24.6%/1.2%）和ENE/SE（39.3%/0.1%）。四季起沙顆粒數(shù)風(fēng)向分布相比，冬季最為集中，夏季次之，春季最為分散；同時(shí)，春、秋季SSWWNW 風(fēng)向起沙時(shí)長貢獻(xiàn)明顯大于夏冬季。

圖3 塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月風(fēng)沙輸送方向分布及各方向?qū)?yīng)的平均氣溫、水汽壓、風(fēng)速和土壤濕度

圖4 塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月風(fēng)沙輸送方向分布的季節(jié)變化

圖5 塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月起沙風(fēng)（a）和輸沙勢（b）方向分布、起沙風(fēng)累計(jì)時(shí)長與起沙時(shí)間相關(guān)性（c）、輸沙勢與起沙量相關(guān)性（d）

圖5 給出了塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月基于季節(jié)起沙風(fēng)速和平均起沙風(fēng)速統(tǒng)計(jì)的十六方位起沙風(fēng)和輸沙勢百分比，并對起沙風(fēng)累計(jì)時(shí)長與起沙時(shí)長、輸沙勢與起沙顆粒數(shù)相關(guān)性進(jìn)行了擬合分析。利用季節(jié)起沙風(fēng)速和平均起沙風(fēng)速統(tǒng)計(jì)的起沙風(fēng)風(fēng)向分布頻率差異較小，而輸沙勢則在NNE 和NNW 兩個(gè)方向上存在較大差異。對比圖3 中輸沙時(shí)長在各方向上的分布，起沙風(fēng)風(fēng)向在各方位上的分布與其基本一致，起沙風(fēng)的高值也集中在N-ESE 風(fēng)向，NNE 方向最大，其次為E 方向，S 方向最小；利用季節(jié)速和平均起沙風(fēng)速統(tǒng)計(jì)的起沙風(fēng)風(fēng)向分布均與實(shí)測結(jié)果具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)r 均約為0.94，說明是否考慮起沙風(fēng)速的季節(jié)變化，對統(tǒng)計(jì)結(jié)果影響較小。對比圖3 中實(shí)測起沙量在各方向上的分布，利用季節(jié)起沙風(fēng)速統(tǒng)計(jì)計(jì)算的結(jié)果優(yōu)于平均起沙風(fēng)速，相關(guān)系數(shù)r 分別為0.93 和0.84，說明起沙風(fēng)速的變化對輸沙勢的統(tǒng)計(jì)計(jì)算存在較大影響。

3 結(jié)論

利用塔克拉瑪干沙漠腹地2008 年3 月—2018 年2 月實(shí)時(shí)探測的近地表沙粒運(yùn)動數(shù)據(jù)，結(jié)合同步觀測的氣象和土壤等環(huán)境數(shù)據(jù)，分析了研究區(qū)近地表輸沙方向特征，并基于輸沙方向的觀測事實(shí)，評估了以起沙風(fēng)風(fēng)向和輸沙勢為指標(biāo)判定輸沙方向方法的不確定性。結(jié)果表明：

（1）研究區(qū)10 a 間累計(jì)發(fā)生風(fēng)沙活動3 609.8 h，約占總觀測時(shí)長的4.1%，春、夏、秋、冬四季起沙時(shí)長分別占全部起沙時(shí)長的39.2%、45.1%、11.8%和3.8%；起沙顆粒數(shù)的季節(jié)變化與起沙時(shí)長一致。

（2）研究區(qū)起沙時(shí)長的高值主要發(fā)生在N-ESE風(fēng)向，6 組風(fēng)向?qū)?yīng)的起沙時(shí)長共計(jì)占到68.8%，其中，NNE 方向最大，S 方向最小；起沙顆粒數(shù)與起沙時(shí)長在各方向上的百分比存在顯著差異，較大的起沙顆粒數(shù)主要發(fā)生在N-E 和NW-NNW 方向，NNE方向最大，SSE 方向最??；起沙時(shí)長與起沙顆粒數(shù)的方向分布具有明顯的季節(jié)變化，四季起沙時(shí)長風(fēng)向分布相比，冬季最為集中，春季次之，秋季最為分散；四季起沙顆粒數(shù)風(fēng)向分布相比，冬季最為集中，夏季次之，春季最為分散。

（3）輸沙時(shí)長在各方向上的分布與起沙風(fēng)在各方位上的分布基本一致，兩者的相關(guān)系數(shù)r 達(dá)到了0.94；如果考慮起沙風(fēng)風(fēng)速變化，輸沙勢與各方向的輸沙量百分比分布則更加一致，相關(guān)系數(shù)r 可達(dá)0.93。