□徐潔　彭艷梅　張新軍

（新疆氣象服務(wù)中心新疆烏魯木齊830002）

新疆塔克拉瑪干沙漠塔中地區(qū)春夏季風(fēng)沙特征分析

□徐潔彭艷梅張新軍

（新疆氣象服務(wù)中心新疆烏魯木齊830002）

本文利用塔克拉瑪干沙漠腹地塔中觀測資料，對塔中地區(qū)春季和夏季風(fēng)沙特征進行了分析研究。結(jié)果表明：塔中春夏季高度風(fēng)速集中在0～7m/s間，累積頻率都在85%以上；風(fēng)廓線擬合系數(shù)為0.9749；0.5m高度3至5級風(fēng)沙流密度分別為0.1559 g·m-3、0.2133g·m-3、0.6274 g·m-3；2m高度3至6級風(fēng)沙流密度分別為0.0019 g·m-3、0.0028g·m-3、0.0068 g·m-3、0.0601 g·m-3；塔中風(fēng)沙觀測場0～200cm高程內(nèi)風(fēng)沙流的輸沙量比重隨高度呈指數(shù)規(guī)律遞減，擬合函數(shù)為：匝=212.18h-0.918R=0.998。

風(fēng)廓線；風(fēng)速段頻率；風(fēng)沙流密度；沙塵通量；塔中

本文DOI編碼：10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2015.06.061

塔克拉瑪干沙漠是我國第一大沙漠，位于新疆塔里木盆地，是我國沙塵暴中心和亞洲沙塵暴產(chǎn)生的重要源地[1-2]。沙塵暴揚起的沙塵以氣溶膠的形態(tài)隨高空西風(fēng)環(huán)流遠距離輸送上千公里，影響范圍及其廣闊。研究該地區(qū)的風(fēng)沙特征，對我國沙塵暴及其氣溶膠研究具有重大意義。筆者收集塔中風(fēng)沙觀測場2007年至2009年沙塵高發(fā)期春季、夏季8場風(fēng)沙天氣期采集的沙粒、風(fēng)數(shù)據(jù)，分析風(fēng)沙天氣時的風(fēng)場特性、包含風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)廓線特征，風(fēng)沙期不同高度處單位采樣時間內(nèi)的沙粒質(zhì)量、粒徑及其與風(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系，并計算風(fēng)沙流密度。

1　實驗場地及數(shù)據(jù)說明

塔中風(fēng)沙觀測場建于2008年7月，38°58’，83°39’，海拔1 082m，深入塔克拉瑪干腹地220km，該地區(qū)地表為流沙覆蓋，植被覆蓋度極低。地貌以沙丘地貌為主，沙丘地貌表現(xiàn)為一系列線狀的高大復(fù)合型縱向沙壟與壟間地相間分布，沙壟走向為NNE-SSW或NE-SW方向，相對高度為40～50m。壟間平坦沙地寬1～3km，長2～5km。高大沙壟的前緣分布有低矮的新月型沙丘和沙丘鏈[3-4]。觀測場設(shè)在兩大沙壟間的平坦沙地上。

根據(jù)塔克拉瑪干沙漠基本氣流走向和風(fēng)流動走向，安裝有貼地層梯度風(fēng)速儀、BSNE型梯度積沙儀。貼地層梯度風(fēng)速儀（WAA151，Vailsala），安裝高度為5cm、10cm、20cm、40cm、100cm，并在20cm和100cm處安裝有風(fēng)向儀（WAV151，Vailsala），可探測近地層的風(fēng)廓線。BSNE梯度積沙儀積沙盒的安裝高度分別為5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、200cm，積沙盒進沙口2cm×5cm，可同時獲取6個高度層的輸沙通量。

試驗選取2008年7月25日至28日、2008年8月6日至8日、2008年8月18日至20日，2008年8月28日至30日，2009年4月10日至17日，2009年5月17日至21日，2009年5月24日至6月5日，2009年7月3日至9日共計8場風(fēng)沙天氣過程，風(fēng)速數(shù)據(jù)按逐分鐘收集，積沙儀所收集的風(fēng)沙流輸沙樣本人工采集處理，在沙塵天氣來臨前把積沙盒清理干凈，沙塵天氣結(jié)束后立即取出，裝入密封袋，并記錄采集時間，沙粒樣本分析在中國氣象局數(shù)目年輪研究重點開放實驗室進行。

2　塔中風(fēng)沙特征分析

2.1塔中風(fēng)沙觀測場春、夏季風(fēng)速段分析

圖1為塔中風(fēng)沙觀測場梯度風(fēng)觀測塔不同高度各風(fēng)速段頻率統(tǒng)計?？梢钥闯觯写杭?、夏季風(fēng)速段分布趨勢基本一致，春季各高度平均風(fēng)速均高于夏季。春季0.5m至4m平均風(fēng)速分別為3.18m/s，3.20m/s，3.04m/s，3.59m/s；夏季平均風(fēng)速分別為2.82m/s，2.78m/s，2.79m/s，3.38m/s,4.32m/s。

圖1　春季、夏季塔中風(fēng)沙觀測場各高度風(fēng)速段頻率統(tǒng)計

春季各高度風(fēng)速都集中在0～7m/s間，夏季各高度風(fēng)速都集中在0～6m/s間，基本累積頻率都在85%以上。

2.2塔中風(fēng)沙天氣風(fēng)廓線特征分析

表1　塔中春夏季及平均風(fēng)廓線擬合系數(shù)

圖2　塔中風(fēng)沙天氣春夏季風(fēng)廓線圖

近地表風(fēng)速廓線及其變化是揭示近地表氣流特性及風(fēng)沙運動的有效途徑之一。風(fēng)沙流風(fēng)速廓線是運動沙粒與氣流相互作用的產(chǎn)物,由于沙顆粒在風(fēng)沙流各高度層的分布不均,將導(dǎo)致不同區(qū)域不同下墊面風(fēng)沙流風(fēng)速的分布存在一定差異,具體情況見表1。整體來看，塔中風(fēng)速隨高度的升高而增大，夏季擬合相關(guān)系數(shù)較好，R達到0.9 861，春季擬合系數(shù)為0.8 668，春夏風(fēng)沙天氣過程總擬合系數(shù)為0.9 749。

2.3塔中風(fēng)沙觀測場風(fēng)沙流密度分析

風(fēng)沙流密度是指空氣運動速度在大于起沙風(fēng)速的情況下，單位體積空氣氣流中所含沙子的質(zhì)量，單位是

假定風(fēng)沙觀測系統(tǒng)上游沙源在短時間內(nèi)是不發(fā)生變化的，在大于起沙風(fēng)速的同一風(fēng)速情況下，風(fēng)沙流密度是相同的，風(fēng)速越大，風(fēng)沙流密度越大。基于以上假定及認識，風(fēng)沙觀測儀中某一高度積沙總質(zhì)量Q1計算公式為

式中，籽i為大于起沙風(fēng)速情況下某一風(fēng)速所對應(yīng)的風(fēng)沙流密度為風(fēng)沙觀測系統(tǒng)的積沙器進沙口面積為某一高度風(fēng)沙流密度所對應(yīng)的風(fēng)速為在取樣時間內(nèi)起沙風(fēng)速所持續(xù)的時間，s。

在近地層中，風(fēng)受地面摩擦阻力的影響而速度降低。風(fēng)速隨高度的增加而增大。Bagnold[5]根據(jù)流體在起動條件下作用在沙粒上的拖拽力和重力的平衡，導(dǎo)出了均勻沙粒開始移動的流體臨界起動速度的表達式:

（2）式中，Ut為沙粒起動速度（m/s-1）；為臨界摩擦速度（m·S-1）；Z為計算高度（m）；k為卡曼常數(shù)（取3.62×10-3）。根據(jù)楊興華、何清等[6]人在塔中地區(qū)春夏風(fēng)蝕起沙研究中，取Bagnold、Marticorena、Shao三種計算臨界摩擦速度U*t結(jié)果取平均0.26m/s，為塔中地區(qū)春夏季臨界摩擦速度。

將0.26 m·S-1代入（2）得，塔中0.5m、1m、2m起沙速度分別為3.2 m/s、3.6 m/s、4.1m/s。

根據(jù)2008年至2009年8場風(fēng)沙天氣過程觀測數(shù)據(jù)，按照蒲福風(fēng)力等級，將風(fēng)速劃分為4個風(fēng)級檔，認為在同一級風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)沙流密度籽是一樣的，籽1、籽2、籽3分別對應(yīng)的取值區(qū)間為[該高度起沙風(fēng)速，5.4m/ s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]、[10.8 m/s，13.8 m/s]。

0.5m高度風(fēng)沙流密度計算：

籽0.5,3、籽0.5,4、籽0.5,5分別為[3.2 m/s，5.4 m/s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]風(fēng)速段，代入（1）式中，可得塔中0.5m高度不同3級、4級、5級風(fēng)所對應(yīng)的風(fēng)沙流密度。聯(lián)立方程如下：

1m高度風(fēng)沙流密度計算：

妝1,3、籽1,4、籽1,5、籽1,6分別為[3.6 m/s，5.4 m/s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]、[10.8 m/s，13.8 m/ s]風(fēng)速段，代入（1）式中，可得塔中1m高度不同3級、4級、5級、6級風(fēng)所對應(yīng)的風(fēng)沙流密度。聯(lián)立方程如下：

2m高度風(fēng)沙流密度計算：

妝2,3、籽2,4、籽2,5、籽2,6分別為[4.1 m/s，5.4 m/s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]、[10.8 m/s，13.8 m/ s]風(fēng)速段，代入（1）式中，可得塔中2m高度不同3級、4級、5級、6級風(fēng)所對應(yīng)的風(fēng)沙流密度。聯(lián)立方程如下：

經(jīng)過多次算式及分析，塔中試驗站0.5m、1m、2m高度3級至6級風(fēng)速段風(fēng)沙流密度見下表：

表2　塔中風(fēng)沙觀測場風(fēng)沙流密度

由表可以看出，隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)沙流密度呈逐漸增大趨勢，隨著高度增加，風(fēng)沙流密度逐漸減少。

2.4塔中風(fēng)沙期沙粒與風(fēng)速特征分析

風(fēng)沙流是氣流、砂粒和下墊面三者相互作用的產(chǎn)物，它的發(fā)生和發(fā)展過程，包括3個相互聯(lián)系而又相互區(qū)別的階段，即通常所說的吹蝕、搬運和堆積的統(tǒng)一過程，其過程復(fù)雜多變[7-9]。風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)是指風(fēng)沙流中沙量在豎直面高度上的分布規(guī)律，吳正等科技工作者研究認為，氣流搬運的沙量絕大部分(90%)是在離沙質(zhì)的地表30cm高度內(nèi)通過，其中又特別集中分布在0～10cm的氣流層內(nèi)，約占80%[10]。因此，測定了近地表0～200cm高度范圍的輸沙量，分析該高度范圍內(nèi)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：研究區(qū)的輸沙量77.1%集中在0～10cm內(nèi)，90.0%集中在0～20cm內(nèi)，該結(jié)果這與吳正等的觀測的結(jié)論基本一致。

將輸沙量比重與高度進行了回歸擬合，研究區(qū)輸沙量比重與高度之間的最佳擬合函數(shù)為冪函數(shù)，其0.01顯著性水平上的相關(guān)系數(shù)(R)高達0.998，表明研究區(qū)0～200cm高程內(nèi)風(fēng)沙流的輸沙量比重隨高度呈指數(shù)規(guī)律遞減，擬合函數(shù)為：

式中，匝為輸沙量比重或相對輸沙率（%），h為距地面的高度（cm），R為相關(guān)系數(shù)。

結(jié)束語

本文以世界著名的、深入塔克拉瑪干沙漠腹地、地形開闊、多沙塵暴天氣的塔中為研究對象，以嚴把數(shù)據(jù)質(zhì)量控制為著眼點進行了深入分析和研究。該研究的實施取得的主要成果如下：

1）塔中春季、夏季風(fēng)速段分布趨勢基本一致，春季各高度平均風(fēng)速均高于夏季。春季各高度風(fēng)速都集中在0～7m/s間，夏季各高度風(fēng)速都集中在0～6m/s間。基本累積頻率都在85%以上。

2）塔中風(fēng)沙觀測場風(fēng)速隨高度的升高而增大，夏季擬合相關(guān)系數(shù)較好，R達到0.9861，春季擬合系數(shù)為0.8668，春夏風(fēng)沙天氣過程總擬合系數(shù)為0.9749。

3）塔中風(fēng)沙觀測場風(fēng)沙流密度分析，隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)沙流密度呈逐漸增大趨勢，隨著高度增加，風(fēng)沙流密度逐漸減少。0.5m高度3至5級風(fēng)沙流密度分別為0.1559 g·m-3、0.2133g·m-3、0.6274 g·m-3；2m高度3至6級風(fēng)沙流密度分別為0.0019 g·m-3、0.0028g·m-3、0.0068 g·m-3、0.0601 g·m-3。

圖3　不同高度范圍內(nèi)輸沙量隨高度的累計比重

4）塔中風(fēng)沙觀測場沙量比重與高度回歸擬合最佳擬合函數(shù)為冪函數(shù)，其0.01顯著性水平上的相關(guān)系數(shù)(R)高達0.998，表明研究區(qū)0～200cm高程內(nèi)風(fēng)沙流的輸沙量比重隨高度呈指數(shù)規(guī)律遞減，擬合函數(shù)為：匝=212.18h-0.918R=0.998

[1]張德二.我國歷史時期以來降塵的天氣氣候?qū)W初步分析[J].中國科學(xué)，1984（3）：278-288.

[2]prospero J M,GinouxP,TortesO,etal.Enviromental characterization of global sources ofatmospheric soil dustidentifiedwiththenimbus7totalozone mapping spectrometer(TOMS)absorbingaerosol product [J].Reviews of Geophysics,2002,40(1):1002.

[3]朱震達，陳治平，吳正，等.塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙地貌研究[M].北京：科學(xué)出版社，1994：1-12

[4]李恒鵬，陳光庭.塔克拉瑪干沙漠腹地復(fù)合沙壟間地新月形沙丘的逆向演變[J].中國沙漠，1999,19（2）：134-138

[5]Bagnold R A.The physics of blown sand and desert dune[M].New York:Methuen,1941:39-98

[6]楊興華，何清，艾力·買買提明.塔克拉瑪干沙漠塔中地區(qū)春夏季風(fēng)蝕起沙研究[J].中國沙漠，2010（04）：770-776

[7]夏偉生,王秉翰.風(fēng)沙流運動特征及其控制的初步研究[J].蘭州大學(xué)學(xué)報,1962(1):l37—148.

[8]陳亞寧,李衛(wèi)紅,李向軍,等.新亞歐大陸橋新疆段風(fēng)沙流活動特性及停積規(guī)律[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2011,10 (4):42—45.

[9]吳正.風(fēng)沙地貌與治沙工程學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社, 2003:15-86.

[10]吳正.風(fēng)沙地貌與治沙工程學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2010:6l-88.

1004-7026（2015）06-0098-03中國圖書分類號：K921/927

A

徐潔（1981.12-），女，浙江嵊州人，碩士，工程師，從事專業(yè)天氣預(yù)報與服務(wù)，研究方向：環(huán)境氣象、能源與交通氣象；彭艷梅（1987.9-），女，重慶人，碩士，工程師，從事專業(yè)天氣預(yù)報與服務(wù)，研究方向：環(huán)境氣象、專業(yè)氣象預(yù)報與服務(wù)；張新軍（1985.11-），男，甘肅武威人，本科，工程師，從事專業(yè)天氣預(yù)報與服務(wù)，研究方向：專業(yè)氣象預(yù)報與服務(wù)。