古爾班通古特沙漠腹地起沙風(fēng)況與輸沙勢分析

古爾班通古特沙漠腹地起沙風(fēng)況與輸沙勢分析

風(fēng)是干旱地區(qū)和半干旱區(qū)形成土地形態(tài)的主要動力，也是土壤砂漠化和頻繁發(fā)生沙害的直接動力。系統(tǒng)研究一個地區(qū)的風(fēng)能分布,不僅是理解風(fēng)沙地貌動力因素的需求,也可為區(qū)域風(fēng)沙危害防治提供科學(xué)依據(jù)。新疆沙漠面積為4.30×105km2,約占中國沙漠總面積的60%。其中,南疆分布著我國最大的流動性沙漠——塔克拉瑪干沙漠,北疆分布著我國最大的固定、半固定沙漠——古爾班通古特沙漠。20世紀(jì)90年代初開始的塔里木盆地油氣資源勘探開發(fā),全面帶動了塔克拉瑪干沙漠的風(fēng)沙環(huán)境研究,取得了一批重要的研究成果。相比之下,古爾班通古特沙漠的相關(guān)研究卻顯薄弱,特別是關(guān)于風(fēng)能特征的分析主要限于沙漠周邊地區(qū)。近年來,隨著沙漠腹地道路的修筑,使系統(tǒng)化和定量化研究沙漠腹地的風(fēng)沙環(huán)境成為可能。本文通過沙漠腹地2個氣象臺站連續(xù)4年的風(fēng)資料,計算和分析了沙漠腹地的起沙風(fēng)況和輸沙勢,并探討了沙丘形態(tài)對區(qū)域風(fēng)況的響應(yīng),以期為深入認(rèn)識古爾班通古特沙漠風(fēng)沙活動規(guī)律,合理開發(fā)沙漠資源及科學(xué)防沙治沙提供理論依據(jù)。1區(qū)域剖面與研究方法1.1沙區(qū)的氣候特點古爾班通古特沙漠位于準(zhǔn)噶爾盆地腹部,介于84°03′～90°00′E和44°11′～46°21′N之間,為典型的大陸性溫帶荒漠氣候。研究區(qū)年平均氣溫5～5.7℃,極端最高氣溫40℃以上,極端最低氣溫小于-40℃,年降雨量80～160mm,年蒸發(fā)量2000～2800mm,冬季穩(wěn)定積雪厚度在20cm左右。該沙漠植物種類較豐富,生活型多樣。主要風(fēng)沙地貌類型以固定、半固定沙壟為主,沙壟頂部普遍存在10～40m寬度不等的流動帶。該區(qū)域冬季受蒙古高壓控制,在反氣旋籠罩下,下層空氣穩(wěn)定,風(fēng)速小。夏季副熱帶高壓北移,西風(fēng)環(huán)流由準(zhǔn)噶爾界山各山口和峽谷進入盆地,一般具有較大的風(fēng)速。春季冷鋒和高壓過境較多,冷暖氣團的交替容易產(chǎn)生較大的氣壓差,為風(fēng)速最大的季節(jié)。秋季下層空氣開始冷卻,風(fēng)速較小。1.2輸沙勢及輸沙方向的計算風(fēng)資料取自沙漠中部和南部2個氣象站2003-2006年10m高定時觀測記錄(圖1)。起沙風(fēng)頻率以起沙風(fēng)出現(xiàn)的時數(shù)占總統(tǒng)計時數(shù)的百分比表示。對風(fēng)沙地貌及沙害形成具有直接作用的是大于臨界起動風(fēng)速的那部分風(fēng)。根據(jù)前人的工作,該地區(qū)起沙風(fēng)在10m高度上為6m/s。篩選出所有≥6m/s的風(fēng),以1h為單位逐月統(tǒng)計16個方位的起沙風(fēng),計算起沙風(fēng)頻率和起沙風(fēng)平均風(fēng)速等。采用Fryberger的方法進行輸沙勢計算。通用公式為:DP=V2(V-Vt)t式中:DP(driftpotential)為輸沙勢(矢量單位VU);V為所有≥6m/s的起沙風(fēng)速值;Vt為臨界起動風(fēng)速值(6m/s);t為起沙風(fēng)作用時間。各個方向的輸沙勢總和在矢量上可歸結(jié)為單一合成量,稱之為合成輸沙勢RDP(resultantdriftpotential),合成輸沙方向RDD(resultantdriftdirection)表示輸沙的凈走向。方向變率指數(shù)以RDP/DP計算,可直觀反映研究區(qū)各方向有效風(fēng)的交替狀況。2結(jié)果與分析2.1平均風(fēng)速和風(fēng)向沙漠中部和南部的年起沙風(fēng)次數(shù)分別為655次和300次,起沙風(fēng)頻率分別為0.25%和0.11%。從時間分布來看,中部地區(qū)起沙風(fēng)主要集中在4～10月,占全年總起沙風(fēng)次數(shù)的85.1%,4月達(dá)到16.3%,其他各月在10%～13%之間;南部主要集中在4～8月,占全年總起沙風(fēng)次數(shù)的75%,其中5月占20.9%,到8月減少到9.1%,其變化曲線成明顯的單峰形態(tài)(圖2)。沙漠中部和南部起沙風(fēng)平均風(fēng)速的最大值均出現(xiàn)在7月,但總體來看各月變幅不大,多在7～7.5m/s。沙漠中部風(fēng)速最大值達(dá)到20.3m/s,發(fā)生在7月,5月、6月、8月、9月各月為15m/s左右,3月、4月和10月略大于10m/s,其余各月小于10m/s;南部地區(qū)3～8月風(fēng)速最大值在12～14m/s之間,其余各月均低于10m/s。從起沙風(fēng)的方向分布來看,沙漠中部以NE風(fēng)最多,占全年總起沙風(fēng)次數(shù)的17%,其次為NNE和SE風(fēng),依次占到9.8%和10.5%。包括W,WNW,NW和NNW在內(nèi)的西北風(fēng),可占總起沙風(fēng)次數(shù)的25.5%。全年最大風(fēng)速為NW風(fēng),可達(dá)到20.3m/s,其次為NNE和NNW風(fēng),可達(dá)到16m/s,各方向起沙風(fēng)的平均值多在7～7.8m/s之間。沙漠南部全年起沙風(fēng)主要集中在WSW,WNW,ENE和NW4個方向,依次占總起沙風(fēng)次數(shù)的23.4%,16.8%,15.9%和15.2%,其余各方向占總起沙風(fēng)的6%以下。南部最大風(fēng)速也是NW風(fēng),但較沙漠中部明顯偏低,僅為15m/s。起沙風(fēng)的平均值月變幅略大于中部,NW和ESE方向的風(fēng)速大于8m/s,其余各方向數(shù)值在6.5～7.5m/s(圖3)。2.2沙勢:沙勢不高,能量弱沙漠中部全年總輸沙勢為66.7VU,合成輸沙勢為25.7VU。4～10月輸沙勢占全年總輸沙勢的90%以上,其中又以7月最大、4月次之,依次占全年總輸沙勢的20%和16%,1月、2月和12月很少有起沙風(fēng)存在。沙漠南部全年總輸沙勢為29.8VU,不足中部地區(qū)的1/2,合成輸沙勢為16.3VU。4～8月輸沙勢占全年總輸沙勢的85%,其中5月最大,占全年總輸沙勢的20%,1～3月和9～12月輸沙風(fēng)能甚微。根據(jù)Freberger的劃分標(biāo)準(zhǔn),古爾班通古特沙漠中部和南部均屬低風(fēng)能環(huán)境(圖4)。沙漠中部及南部全年方向變率指數(shù)分別為0.56和0.65,屬中比率。總體來看,沙漠南部較中部地區(qū)有效風(fēng)的方向變率要小,風(fēng)向較單一(圖5)。2.3沙壟走向較窄的a點沙壟也叫線形沙丘,是世界上分布最廣的沙丘類型,在中國大面積分布于古爾班通古特沙漠。全球范圍的研究表明,線形沙丘的RDP/DP平均值為0.45,相應(yīng)的風(fēng)況為寬風(fēng)向組合或雙風(fēng)向組合或更為復(fù)雜的風(fēng)向組合;而新月形沙丘的RDP/DP平均值為0.68,對應(yīng)的風(fēng)況為單一風(fēng)向風(fēng)或窄風(fēng)向組合風(fēng),這都表明從橫向沙丘到線形沙丘風(fēng)況逐漸復(fù)雜的規(guī)律。為闡述古爾班通古特沙漠輸沙風(fēng)能與沙壟形態(tài)的關(guān)系,本文分析了研究區(qū)典型沙壟斷面的形態(tài)特征(圖6)。兩地區(qū)航片視角高度均為15km,A點海拔539m,B點海拔515m。沙漠中部輸沙勢為66.7VU,合成輸沙勢為25.7VU。主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)和西北風(fēng),且兩者能量相當(dāng),相對應(yīng)的沙壟走向為170°～200°;將A點所在地區(qū)的航片放入直角坐標(biāo)系中,應(yīng)用三角函數(shù)關(guān)系,計算得到該地區(qū)典型沙壟走向為193°(圖中黑線所示),與合成輸沙方向197°基本一致。南部輸沙勢為29.8VU,合成輸沙勢為16.3VU;主要風(fēng)向為SW風(fēng)、NW風(fēng)和NE風(fēng)。一方面NE風(fēng)和NW風(fēng)的交互作用,造成壟頂流沙的東西向擺動和總體向南輸移;另一方面,由于SW風(fēng)的大角度入射所產(chǎn)生的大幅度風(fēng)速和風(fēng)向變化,又將沙壟脊線西側(cè)的沙物質(zhì)搬運到東側(cè)沉積,從而形成緩長的西坡和相對短陡的東坡,并出現(xiàn)了副梁,對應(yīng)的地面沙壟走向166°與合成輸沙方向108.4°有近60°的交角,明顯區(qū)別于沙漠北部。根據(jù)坡面的鉛直高度和水平寬度,計算得到中部地區(qū)典型沙壟迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡坡度分別為23%和31%,沙漠南部分別為18%和26%,沙漠中部沙壟迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡坡度均大于南部5%。沙漠中部較高的輸沙風(fēng)能以及風(fēng)向組合,形成了該地區(qū)沙壟形態(tài)清晰、連續(xù)性強、壟體相對高大、迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡坡度較大的特征。沙漠南部輸沙風(fēng)能較小,且合成輸沙方向與沙壟走向大角度相交,造成該地區(qū)沙壟低矮,西坡長而緩,東坡相對陡短,并出現(xiàn)了副梁。沙漠中部的風(fēng)向變率指數(shù)為0.56,較典型線形沙丘地區(qū)的平均數(shù)值要高,南部的風(fēng)向變率指數(shù)達(dá)到0.65,與新月形沙丘的0.68相接近,從這個意義上來說,沙漠南部的沙丘更近乎于橫向沙丘形態(tài)類型。3沙區(qū)主要林分沙風(fēng)方向及沙壟走向(1)古爾班通古特沙漠中部全年起沙風(fēng)出現(xiàn)頻率為0.25%,主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)(包括NE和NNE風(fēng))和西北風(fēng)(包括W,WNW,NW和NNW風(fēng)),但東南風(fēng)也有較大的輸沙勢,3個方向的起沙風(fēng)次數(shù)依次占總起沙風(fēng)次數(shù)的26.8%,25.5%和10.5%,全年最大風(fēng)速為西北風(fēng),可達(dá)到20.3m/s。沙漠南部起沙風(fēng)出現(xiàn)頻數(shù)為0.11%,主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)(包括WNW和NW風(fēng))和WSW風(fēng),也有相當(dāng)部分的ENE風(fēng)出現(xiàn),3個方向的起沙風(fēng)次數(shù)依次占總起沙風(fēng)次數(shù)的32%,23.4%和15.9%,全年最大風(fēng)速也是NW風(fēng),為15m/s。(2)沙漠中部的輸沙勢和合成輸沙勢分別為66.7VU和25.7VU,合成輸沙方向為197.0°;沙漠南部輸沙勢和合成輸沙勢為29.8VU和16.3VU,合成輸沙方向為108.4°,均屬于低風(fēng)能環(huán)境。兩地區(qū)起沙風(fēng)高頻期皆起于4月,但南部止于8月,而中部止于10月。沙漠