康永德，楊興華，霍 文，楊 帆，何 清，2*，買買提艾力·買買提依明

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002）

新疆是中國土地荒漠化面積最大的省區(qū)，也是風(fēng)沙危害最嚴(yán)重的地區(qū)，風(fēng)蝕荒漠化土地面積達(dá)839 393.1 km2[1]，因而，開展風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)研究，摸清輸沙率運(yùn)移特征，為防沙減災(zāi)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供沙塵天氣預(yù)警服務(wù)工作是非常必要的。輸沙率是指單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積被氣流所搬運(yùn)的沙量。輸沙率代表一定風(fēng)速條件及沙源條件下的地表輸沙能力[2]，它不僅是衡量風(fēng)蝕率的重要指標(biāo)，也是決定土地風(fēng)蝕化的重要因素，長期以來是風(fēng)沙物理學(xué)研究的核心課題之一[3]。輸沙率方面的研究主要集中在以下幾方面：輸沙率與風(fēng)速之間關(guān)系的研究[4]，輸沙率的理論計(jì)算[5]，植被覆蓋率與風(fēng)蝕輸沙率之間的定量關(guān)系[6-9]與模型研究[10-11]。對(duì)于風(fēng)速與輸沙率的研究，盡管數(shù)值計(jì)算與模型可以提供更詳細(xì)的信息，但野外觀測(cè)仍是最可靠的研究方法[12]。例如，吳正等在研究新疆莎車布谷里沙漠輸沙率時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速顯著地超過啟動(dòng)風(fēng)速后，氣流搬運(yùn)的沙量急劇增加[13]。王訓(xùn)明對(duì)塔克拉瑪干沙漠腹地的起沙風(fēng)與輸沙強(qiáng)度進(jìn)行觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)流沙區(qū)不同地貌部位的輸沙率與風(fēng)速也呈冪函數(shù)關(guān)系，但沙丘頂部、沙丘迎風(fēng)坡中部等部位又呈不同的規(guī)律[14-15]。趙景峰等[16]對(duì)塔中一井的輸沙率進(jìn)行了估算。何清、薛紅等[17-18]對(duì)塔中地區(qū)沙塵天氣過程的輸沙特征進(jìn)行了研究。楊興華對(duì)塔克拉瑪干沙漠風(fēng)蝕輸沙率進(jìn)行了研究，得出了對(duì)輸沙率與風(fēng)速關(guān)系的初步認(rèn)識(shí)[19-20]。地處塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠是我國最大的沙漠，也是我國的主要沙塵源區(qū)之一，對(duì)我國西北、華北及其周邊地區(qū)的生產(chǎn)生活有著重要影響[21-22]。研究表明塔克拉瑪干沙漠流動(dòng)沙丘面積占到85%左右，其余基本上為丘間平沙地。因此，研究這一區(qū)域近地表輸沙率應(yīng)以沙丘為主。然而，有關(guān)這一區(qū)域沙丘及丘間平沙地微梯度輸沙率與風(fēng)速間關(guān)系的研究尚少。本文利用塔中地區(qū)實(shí)測(cè)典型沙塵天氣過程的輸沙率數(shù)據(jù)，比較全面而深入地研究了0～85 mm內(nèi)典型沙塵天氣下的風(fēng)速與輸沙率的關(guān)系，以期為研究這一區(qū)域近地表沙塵輸送提供參考，同時(shí)也為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)微梯度風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的特征奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

塔中地處塔克拉瑪干沙漠腹地，覆蓋塔中氣象站和塔中一井（83°39′E，38°58′N）及其周邊區(qū)域（圖1）。該地區(qū)年平均氣溫12.4℃，7月溫度最高為28.0℃，12月最低溫度為8.0℃。年平均降水量約25.9 mm，蒸發(fā)量約3 638.6 mm。塔中地區(qū)的沙塵天氣發(fā)生頻繁，揚(yáng)沙、浮塵年平均不少于157 d，沙塵暴年平均不少于16 d，臨界起沙風(fēng)速為8.0 m·s-1，起沙風(fēng)向主要集中在ENE、NE、NNE和E方向[23]。周圍是高大的復(fù)合型縱向沙壟與壟間平地相間排列，沙壟的相對(duì)高度為40～50 m，高大沙壟的前緣分布有低矮的新月形沙丘和沙丘鏈，線形沙丘分布其中，長度約400～500 m，最長可達(dá)2000 m以上，相對(duì)高度3～5 m[24]。植被種類貧乏，群落結(jié)構(gòu)簡單，覆蓋度極低。沙源單一，粒徑主要集中在3Φ左右的細(xì)砂和極細(xì)砂之間。

圖1 塔中在塔克拉瑪干沙漠中的位置

2 觀測(cè)儀器及觀測(cè)方法

集沙儀采用烏魯木齊沙漠氣象研究所研制的微梯度全方位旋轉(zhuǎn)集沙儀[25]，整體為嵌入式結(jié)構(gòu)，集沙儀主體埋入土壤中，集沙口外露，風(fēng)翼可360°旋轉(zhuǎn)，共分4個(gè)高度，依次為0～5mm、5～15mm、15～35mm、35～85 mm（圖2）。風(fēng)速儀安裝在距地表50 cm高程處，測(cè)得的原始風(fēng)速數(shù)據(jù)為1 min平均風(fēng)速，將其轉(zhuǎn)化成10 min平均風(fēng)速，以10 min平均風(fēng)速作為試驗(yàn)的真實(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)。沙樣采用微梯度集沙儀收集，將沙塵天氣過程細(xì)分為揚(yáng)沙天氣和沙塵暴天氣，每10 min收集一次沙樣，每一次觀測(cè)結(jié)束后，及時(shí)將集沙儀收集的沙物質(zhì)裝袋、分層稱重。待整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運(yùn)用SigmaPlot12.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理和制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 揚(yáng)沙天氣過程中不同風(fēng)速的輸沙率及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

圖2 微梯度集沙儀野外圖片[25]

由表1可知，0～85 mm高度層內(nèi)，在風(fēng)沙流中搬運(yùn)的總沙量相近時(shí)，隨著高度的增加，貼近床面的上層（35～85 mm）無論是絕對(duì)的輸沙量還是相對(duì)的輸沙量都減少，中層（5～15 mm）則都增加，下層（0～5 mm、15～35 mm）變化趨勢(shì)保持一致，輸沙量處于二者之間。由此可看出風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)中的特征值λ逐漸增大。這種情況與水挾沙中的一種情況類似，當(dāng)泥沙中的粘性細(xì)顆粒物質(zhì)含量較低，整體體現(xiàn)散粒體泥沙特性，該情況的泥沙運(yùn)移形態(tài)有懸移運(yùn)動(dòng)和推移運(yùn)動(dòng)。而在這種情況下有研究表明：輸沙率不僅與運(yùn)力條件有關(guān)，而且還與沙粒粒徑有關(guān)[26]。

風(fēng)速不同，各層輸沙量亦不同（表2）。隨著風(fēng)速的增大，氣流中的總輸沙量依次增加，85 mm高度內(nèi)各層的絕對(duì)輸沙量都增加。這是因?yàn)椋S著風(fēng)速的增大，一方面增大了沙粒起跳的初速度，另一方面也增加了沙粒起跳的概率，所以使空中沙粒相的體積分?jǐn)?shù)增加，輸沙率飽和值也隨之增大[27]。同時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，各層輸沙率達(dá)到飽和距離的位置也增大。造成這種現(xiàn)象的原因是：風(fēng)速越大，在相同高度下，風(fēng)速梯度越大，風(fēng)場(chǎng)對(duì)沙粒的升力作用也越大，沙粒會(huì)在升力作用下飛到更高的位置才達(dá)到飽和；其次隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)場(chǎng)對(duì)沙粒的加速作用越大，對(duì)沙粒的長距離搬運(yùn)越明顯。由此得出，風(fēng)速越大，風(fēng)沙流輸沙率達(dá)到飽和距離的位置更大[28]。

表1 揚(yáng)沙天氣過程中各高度層總輸沙量/mm

表2 不同風(fēng)速下各層輸沙率/（g.cm-2·10 min）

分析各層輸沙率，依舊呈不同規(guī)律（圖3）。風(fēng)速區(qū)間為6.5～8.2 m·s-1，隨著風(fēng)速的增大，各層輸沙率波動(dòng)比較明顯且呈顯著的升高趨勢(shì)。最大值均出現(xiàn)在風(fēng)速為8.2 m·s-1左右，波動(dòng)較為顯著；最小值出現(xiàn)在6.5 m·s-1左右，波動(dòng)趨勢(shì)平緩。5～15 mm高度層與其他3層比較而言，輸沙率增加趨勢(shì)尤為明顯。由此發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速較小時(shí)，氣流搬運(yùn)沙的能力較弱，沙粒只能在較低的高度輸送；風(fēng)速較大時(shí)，氣流搬運(yùn)沙的能力增強(qiáng)，沙粒在風(fēng)的作用下被輸送到更高的地方，上層輸沙量增加，使得沙粒的平均躍移高度增大。另外，35～85 mm，輸沙率變化相比其它層平緩，是因?yàn)樵搶託饬魅肷浣窃龃螅偵沉吭黾訒?huì)使沙粒之間碰撞更加頻繁，沙粒在碰撞過程中能量損失加大，只會(huì)大幅度降低沙粒搬運(yùn)高度[29]。再者，該層輸沙率與風(fēng)速的關(guān)系更多取決于沙源供給量、粒徑、植被覆蓋度、地表地貌環(huán)境、風(fēng)向變化等因素，結(jié)合塔中實(shí)際情況此變化屬于正常。風(fēng)速＜6.5 m·s-1時(shí)，各層輸沙率增加的速率明顯較小，但5～15 mm處輸沙率依然最高，0～5、15～35 mm 的輸沙率極為接近且高于35～85 mm的輸沙率。李鋼鐵[30]等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速在 6.5～8.2 m·s-1時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，0～2 cm高度處的輸沙率逐漸升高且在各層中所占比例最大，此結(jié)論與本文研究結(jié)果基本一致。隨著風(fēng)速的增大，35～85 mm高度層輸沙率所占比重相應(yīng)減小，從4.8 m·s-1時(shí)占15.72%減至6.3 m·s-1時(shí)占13.2%，因?yàn)樵搶釉陲L(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)過程中，沙粒濃度較大，輸沙率隨風(fēng)速變化的空間有限，從而導(dǎo)致輸沙率對(duì)風(fēng)速變化的響應(yīng)程度減弱。統(tǒng)計(jì)各高度層三次平均輸沙率（表 1）發(fā)現(xiàn)，0～5 mm、5～15 mm、15～35 mm高度層平均輸沙率相近且與5～15 mm高度層平均輸沙率相差10 g·cm-2·10 min左右。

綜上所述，當(dāng)風(fēng)速＜8 m·s-1時(shí)，風(fēng)速對(duì)輸沙率的影響高度主要在0～35 mm內(nèi)。由于研究區(qū)四周被高大沙丘環(huán)繞，受高大沙隴抬升作用，氣流線壓縮，風(fēng)速及摩阻風(fēng)速增加，進(jìn)而導(dǎo)致輸沙率發(fā)生變異。因此，整個(gè)揚(yáng)沙過程各高度輸沙率可以真實(shí)地反映野外地表該沙粒輸沙情況的細(xì)微變化。

3.2 沙塵暴天氣過程中輸沙率及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

風(fēng)速由7.5 m·s-1增大至8.5 m·s-1時(shí)，各層輸沙率均為明顯增加的趨勢(shì)（圖4），各層輸沙率大小依次為：5～15 mm>0～5 mm>15～35 mm>35～85 mm，依然是5～15 mm高度層輸沙率最大。風(fēng)速達(dá)到9.2 m·s-1時(shí)，0～5 mm輸沙率發(fā)生突變，達(dá)到最大（表2），這是由于約80%的蠕移顆粒來自于暫時(shí)或永久性衰減的躍移顆粒，約20%來自于氣力沖擊啟動(dòng)的蠕移顆粒，而中等風(fēng)速并不能使沖擊作用顯著，只有當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，隨著躍移顆粒數(shù)增加和動(dòng)能的增大，才能使沖擊作用顯著以及躍移顆粒轉(zhuǎn)化的概率增加。由此推斷，風(fēng)速達(dá)到9.2 m·s-1以上時(shí)，對(duì)0～5 mm、15～35 mm的輸沙率影響較大，對(duì)5～15 mm、35～85 mm的輸沙率影響較小。由于塔中地區(qū)具有“風(fēng)熱同步”現(xiàn)象，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)沙流攜帶的能量有所增加，氣流擾動(dòng)開始加強(qiáng)，致使不同天氣過程的輸沙率不同[31]。

其中，7月16日、8月4日兩次沙塵暴天氣過程中各高層輸沙率值大小為：5～15 mm>0～5 mm>15～35 mm>35～85 mm，7月31日各高度層的輸沙率值大小為：0～5 mm>15～35 mm>5～15 mm>35～85 mm。風(fēng)速＜7.5 m·s-1時(shí)，0～5 mm 和 15～35 mm 輸沙率值相近；風(fēng)速>7.5 m·s-1時(shí)，各層輸沙率值逐漸拉開。隨著風(fēng)速的增加，在0～85 mm高度層，0～35 mm的輸沙率變化最為劇烈，說明風(fēng)速主要影響0～35 mm高度層的輸沙率，同時(shí)表明風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)是一種貼近地表的沙樣搬運(yùn)過程[32]。

圖4 沙塵暴天氣各層輸沙率隨風(fēng)速的變化情況

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本研究采用微梯度全方位旋轉(zhuǎn)集沙儀將研究高度、天氣過程更精細(xì)化，試圖找出新的規(guī)律。揚(yáng)沙和沙塵暴天氣過程中，各層輸沙率隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)基本一致，且隨著風(fēng)速增大，輸沙率也增大，風(fēng)速[33-34]、沙源供應(yīng)量[35]、下墊面狀況[36-37]等因素均可通過影響地表輸沙率而改變風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，它們不僅本身在發(fā)生變化，同時(shí)相互又具有促進(jìn)與制約的關(guān)系。揚(yáng)沙天氣，起初輸沙率最大值出現(xiàn)在5～15 mm高度，但風(fēng)速達(dá)到9.2 m·s-1時(shí)，輸沙率最大值卻出現(xiàn)在0～5 mm高度。地貌形態(tài)、地表起伏會(huì)導(dǎo)致沙粒躍移軌跡的改變，沿坡向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，顆粒躍移高度小于平坦地表，風(fēng)沙流下層輸沙率相對(duì)增加，上層則相對(duì)減小。沙塵暴天氣，輸沙率最大值出現(xiàn)在5～15 mm高度，各層沙率若有突變，極可能出現(xiàn)在風(fēng)速達(dá)到10 m·s-1以后，但在今后研究中有待繼續(xù)觀測(cè)。揚(yáng)沙與沙塵天氣中輸沙率最小值出現(xiàn)在35～85 mm高度，風(fēng)速小于6.2 m·s-1左右時(shí)，揚(yáng)沙天氣中每層輸沙率變化并不明顯，沙塵暴天氣則為風(fēng)速＜7.2 m·s-1左右。對(duì)兩種天氣過程同風(fēng)速下的輸沙率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)各層輸沙率相差比較大，正如馬世威[29]研究表明，在同風(fēng)速下增加氣流中的總沙量，會(huì)減弱氣流搬運(yùn)沙子的能力，從而降低砂粒的搬運(yùn)高度，從而導(dǎo)致各層輸沙率的多寡。由此可見，沙粒躍移高度與風(fēng)速密切相關(guān)，在沙塵天氣過程的不同時(shí)段內(nèi)，受風(fēng)速和沙源供給條件的影響，同一點(diǎn)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)和輸沙量在不同時(shí)段內(nèi)也會(huì)發(fā)生顯著變化。塔中地區(qū)近地層沙粒發(fā)生躍移運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于起跳初速度及起躍角較小，彈跳相對(duì)較低，分散在較低的空間[38]，然而貼地層氣流所消耗的能量較少，使得躍移沙粒中絕大部分沙量被約束在貼地層。0～85 mm各層輸沙率隨高度變化規(guī)律基本一致，即隨高度增加呈下降趨勢(shì)，主要集中于貼地層0～35 mm，5～15 mm處最為突出，觀測(cè)結(jié)果與朱震達(dá)[39]、Williams[40]多數(shù)顆粒在 0～2 cm 內(nèi)傳輸且90%沙量在0～10 cm內(nèi)傳輸?shù)挠^測(cè)結(jié)果相似。鑒于輸沙率受諸多因素影響，若要精確表示風(fēng)速與輸沙率的關(guān)系是相當(dāng)困難的。因此，目前為止，實(shí)際研究中對(duì)輸沙率的確定，一般仍采用集沙儀在野外直接觀測(cè)，然后應(yīng)用相關(guān)分析方法，得出特定條件下輸沙率與風(fēng)速之間的關(guān)系。野外觀測(cè)試驗(yàn)所得的輸沙率數(shù)據(jù)不僅有理論意義，而且是合理制定防止工礦、交通設(shè)施和居民點(diǎn)等不受沙埋的措施的主要依據(jù)，即是風(fēng)沙工程設(shè)計(jì)的一個(gè)極重要工程參數(shù)，具有重要的實(shí)踐意義。

4.2 結(jié)論

（1）0～85 mm高度層內(nèi)，在風(fēng)沙流中搬運(yùn)的總沙量相近時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，貼近床面的上層（35～85 mm）無論是絕對(duì)的輸沙量、亦是相對(duì)的輸沙量都減少。無論總輸沙率有無變化，隨著風(fēng)速的增大，增加了沙粒搬運(yùn)高度，使近床面氣流中搬運(yùn)的沙量都相對(duì)減少，處于未飽和狀態(tài)，加強(qiáng)了沙質(zhì)地表的可風(fēng)蝕性。

（2）各層輸沙率最大值均出現(xiàn)在風(fēng)速為8 m·s-1左右，波動(dòng)較為顯著，最小值出現(xiàn)在6.5m·s-1左右，波動(dòng)不明顯；當(dāng)風(fēng)速＜8 m·s-1時(shí)，風(fēng)速對(duì)輸沙率的影響高度主要在0～35 mm內(nèi)。

（3）沙塵天氣中，輸沙率隨風(fēng)速的增大而增加，主要集中于貼地層0～35 mm，但各層之間又有明顯的波動(dòng)變化，最大值出現(xiàn)在5～15 mm高度，最小值出現(xiàn)在35～85 mm高度。揚(yáng)沙天氣，風(fēng)速>9.2 m·s-1時(shí)，輸沙率最大值在0～5 mm處。沙塵暴天氣，各層輸沙率變化趨勢(shì)與揚(yáng)沙天氣相似，拐點(diǎn)風(fēng)速為7.5 m·s-1，＜7.5 m·s-1時(shí)，輸沙率增加不顯著，＞7.5 m·s-1，輸沙率增加顯著。