塔克拉瑪干沙漠北緣春季風(fēng)沙活動(dòng)特征

塔克拉瑪干沙漠北緣春季風(fēng)沙活動(dòng)特征

沙害活動(dòng)是干旱和半干旱地區(qū)沙地和沙漠近地表物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的主要形式。它周而復(fù)始地改變、塑造著下墊面形態(tài),也會(huì)造成道路、村莊、農(nóng)田等掩埋及區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化、大氣質(zhì)量下降等風(fēng)沙災(zāi)害。因此,研究風(fēng)沙活動(dòng)不僅可以揭示地貌形態(tài)變化原因及規(guī)律,也可為區(qū)域風(fēng)沙災(zāi)害防治提供一定的理論參考。地處塔里木盆地的塔克拉瑪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。對(duì)其風(fēng)沙問題的研究一直是中國沙漠研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。20世紀(jì)60年代,以朱震達(dá)等為代表的學(xué)者就對(duì)沙漠西南緣策勒的沙丘變化進(jìn)行了研究,并于80年代出版了《塔克拉瑪干風(fēng)沙地貌研究》一書。凌裕泉等研究了塔克拉瑪干沙漠近地表流場(chǎng)特征與風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系;陳渭南等、李振山等通過野外觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)沙漠地區(qū)的起沙風(fēng)速進(jìn)行了研究。沙漠公路貫通以后,Dong等、Wang等對(duì)沙漠公路沿線及沙漠腹地的風(fēng)沙活動(dòng)特征進(jìn)行了研究;俎瑞平等借助沙漠內(nèi)部及周邊的氣象站觀測(cè)資料,對(duì)沙漠地區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行了估算。近年來,有關(guān)塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙活動(dòng)問題的研究依舊活躍。以中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所為代表的沙漠氣象研究團(tuán)隊(duì),以塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站為試驗(yàn)基地,涵蓋沙漠腹地塔中,北緣荒漠過渡帶肖塘、哈德、東緣若羌,對(duì)自然條件下的風(fēng)沙活動(dòng)開展了較為長(zhǎng)期的野外觀測(cè),獲取了一些新的認(rèn)識(shí)。荒漠過渡帶是沙漠與綠洲的分界線,其在下墊面、區(qū)域小氣候及風(fēng)沙活動(dòng)規(guī)律等方面都有自己的特點(diǎn)。由于荒漠過渡帶背靠沙漠,面向綠洲,這里發(fā)生的風(fēng)沙活動(dòng)會(huì)更加直接地對(duì)綠洲區(qū)的自然環(huán)境與社會(huì)生產(chǎn)造成影響。因此,對(duì)荒漠過渡帶的風(fēng)沙活動(dòng)開展研究,掌握其規(guī)律,為綠洲區(qū)外圍防沙固沙工作提供支撐顯得更為迫切。選取塔克拉瑪干沙漠北緣荒漠過渡帶的肖塘為研究區(qū),利用2007年4月15日—5月14日沙塵暴野外強(qiáng)化觀測(cè)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù),對(duì)沙漠北緣荒漠過渡帶春季的風(fēng)沙活動(dòng)特征進(jìn)行了研究。1地表沙化的季節(jié)變化肖塘地處塔克拉瑪干沙漠北部邊緣,距離塔里木河約40km,是典型的沙漠腹地-荒漠-綠洲過渡帶。觀測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)位于距離沙漠公路肖塘1號(hào)井1000m的沙漠中。地處古河床的南岸,北距胡楊林約2km,是沙漠與荒漠的交匯處。下墊面為平坦沙地,部分地區(qū)有古河床裸露,周圍有新月形沙丘和復(fù)合型新月形沙丘鏈,一般寬6~15m,高1~10m。地表土壤粒度組成以細(xì)沙(125~250μm)、極細(xì)沙(62.5~125μm)為主,占78.5%;中沙(250~500μm)占14.3%,粉沙(3.9~62.5μm)占6.1%,不含粗沙,黏土(0.02~3.9μm)含量在0.5%~0.8%。該地區(qū)年平均風(fēng)速為2.5m·s-1,春、夏季最大,冬季最小,秋季介于中間(圖1)。氣溫變化與風(fēng)速相似,以6—7月最大,12月至翌年1月最小,春季升溫快,秋季降溫快,風(fēng)速與氣溫變化存在著明顯的同步性。統(tǒng)計(jì)肖塘地區(qū)1992—2002年11a的沙塵天氣資料發(fā)現(xiàn),肖塘年均沙塵暴42d,最多年份出現(xiàn)在1994年,達(dá)71d之多,最少年份是1992年,全年僅為23d,最多年與最少年的值相差兩倍多;沙塵暴集中分布在6、7月,其中6月最多平均為9d。從季節(jié)變化看,一年四季當(dāng)中均有沙塵暴發(fā)生,春季平均為14d,占全年的33%,夏季平均為21d,占全年的50%,秋季平均為6d,占全年的14%。冬季平均為1d,占全年的3%。對(duì)比上文中肖塘地區(qū)風(fēng)速、氣溫的月變化,可以發(fā)現(xiàn)沙塵暴具有相似的分布趨勢(shì),風(fēng)、溫同步現(xiàn)象有助于風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。2集沙和躍移運(yùn)動(dòng)測(cè)量觀測(cè)項(xiàng)目主要包括近地面風(fēng)、溫、濕等主要?dú)庀笠亍L(fēng)沙流輸沙及地表風(fēng)沙躍移活動(dòng)。其中,風(fēng)速數(shù)據(jù)通過梯度自動(dòng)氣象站獲取,觀測(cè)高度為0.5、1、2、4、10m,數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間步長(zhǎng)為1min。近地表風(fēng)沙流輸沙的觀測(cè)采用BSNE梯度集沙儀開展,該集沙儀由美國德克薩斯州DonaldFryrear發(fā)明設(shè)計(jì)。BSNE集沙儀的集沙盒進(jìn)沙口寬2cm,高5cm。集沙盒上方有60目的網(wǎng)篩覆蓋,使空氣流過時(shí),空氣中的沙物質(zhì)可以留在集沙盒中。經(jīng)過測(cè)試集沙效率達(dá)到90%,且與風(fēng)速無關(guān)。本次試驗(yàn)中集沙盒的安裝高度為20、50、100cm,觀測(cè)連續(xù)進(jìn)行,輸沙通量為觀測(cè)期間的總和。風(fēng)沙躍移運(yùn)動(dòng)由Sensit-H11B型撞擊傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè),傳感器的感應(yīng)頭安裝高度距離地表5cm。其工作原理是當(dāng)?shù)乇碥S移沙粒撞擊在傳感器感應(yīng)頭上時(shí),感應(yīng)器就會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào),數(shù)據(jù)采集器則會(huì)記錄下此信號(hào),記為監(jiān)測(cè)到一顆躍移沙粒。該儀器雖然可以記錄監(jiān)測(cè)到的躍移撞擊顆粒數(shù),卻不能獲取躍移起沙量。數(shù)據(jù)記錄步長(zhǎng)為1s,然后,根據(jù)研究需要再處理成min或h數(shù)據(jù)。3結(jié)果分析3.1風(fēng)速時(shí)距的影響起沙風(fēng)速是研究風(fēng)沙活動(dòng)最重要,也是最基礎(chǔ)的參數(shù)之一。當(dāng)風(fēng)速增大到某一臨界值時(shí),地表的沙粒就會(huì)脫離靜止而進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài),我們稱此臨界風(fēng)速為起沙風(fēng)速。只有當(dāng)風(fēng)速大于或等于起沙風(fēng)速時(shí),才會(huì)有風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。陳渭南等通過野外人工觀測(cè)表明,肖塘地區(qū)2m高度瞬時(shí)沖擊起動(dòng)風(fēng)速值變化于4.8~5.3m·s-1,平均為5.0m·s-1;2m高度1min時(shí)距的沖擊起動(dòng)風(fēng)速為4.3m·s-1,流體起動(dòng)臨界值為5.2m·s-1。我們利用H11B型撞擊傳感器對(duì)肖塘地區(qū)的風(fēng)沙躍移進(jìn)行了監(jiān)測(cè),給出了肖塘地表沙粒躍移數(shù)與2m高度1s、1min平均風(fēng)速的關(guān)系(圖2)。由1s風(fēng)速與躍移顆粒數(shù)的關(guān)系(圖2A)可知,當(dāng)風(fēng)速小于4.0m·s-1時(shí),傳感器沒有監(jiān)測(cè)到地表沙粒發(fā)生躍移運(yùn)動(dòng),當(dāng)風(fēng)速增大到4.9~5.0m·s-1左右時(shí)傳感器開始監(jiān)測(cè)到地表開始有沙粒發(fā)生躍移運(yùn)動(dòng),當(dāng)風(fēng)速增大到6.0m·s-1左右時(shí),地表躍移沙粒急劇增加,在此我們認(rèn)定2m高度1s時(shí)距的起沙風(fēng)速為4.9~5.0m·s-1,這一結(jié)果與陳渭南等測(cè)量的該地區(qū)瞬時(shí)沖擊起動(dòng)風(fēng)速值較為接近,只是儀器無法區(qū)分沖擊起動(dòng)和流體起動(dòng)。同理,由1min平均風(fēng)速與躍移顆粒數(shù)的關(guān)系(圖2B)可求得起沙風(fēng)速為4.4m·s-1。由以上分析可以看出,隨著風(fēng)速時(shí)距的拉長(zhǎng),起沙風(fēng)速呈下降趨勢(shì),因?yàn)轱L(fēng)速在平均過程中隨著時(shí)距增加,風(fēng)速的脈動(dòng)幅度降低,隱藏了風(fēng)速與沙粒起動(dòng)之間的真實(shí)信息。對(duì)于圖中地表躍移撞擊顆粒數(shù)較高值出現(xiàn)在風(fēng)速為8.0~10.0m·s-1的問題,應(yīng)該是風(fēng)速特別大時(shí),地表起沙量較大,空氣中的沙塵顆粒濃度較大,撞擊到傳感器感應(yīng)頭時(shí),由于感應(yīng)器分辨率不夠,一次不能分辨不出那么多撞擊脈沖,儀器會(huì)自動(dòng)記為一次脈沖,從而導(dǎo)致在風(fēng)速較大時(shí),所測(cè)躍移顆粒偏少。我們將選用1min的起沙風(fēng)速值即4.4m·s-1來計(jì)算風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)。3.2泥沙特征統(tǒng)計(jì)野外強(qiáng)化觀測(cè)試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)(2007年4月15日—5月14日)的起沙風(fēng)(≥4.4m·s-1)作用時(shí)間為7199min,計(jì)119.9h,占觀測(cè)時(shí)段總時(shí)間的16.7%。表1給出了觀測(cè)期間不同等級(jí)起沙風(fēng)速的百分比。其中,4.4~5.4m·s-1的風(fēng)速出現(xiàn)頻率最高,占該時(shí)間段起沙風(fēng)速的44.2%;5.4~6.4m·s-1的次之,占27.1%;接下來依次為6.4~7.4m·s-1、7.4~8.4m·s-1、8.4~9.4m·s-1、9.4~10.4m·s-1,大于10.4m·s-1的僅有15min。該區(qū)域2m高度起沙風(fēng)主要集中在4.4~8.4m·s-1范圍內(nèi),占到95.7%,風(fēng)速越大出現(xiàn)的頻率越低。圖3給出了強(qiáng)化觀測(cè)期間起沙風(fēng)速的日分布。由圖可知,一天24h均有起沙風(fēng)出現(xiàn),風(fēng)沙活動(dòng)在一天之中任何時(shí)間都可能會(huì)發(fā)生。觀測(cè)期間起沙風(fēng)出現(xiàn)頻率較高的有兩個(gè)時(shí)段,一是01:00—04:59,共計(jì)25.1%;其次是07:00—10:59,占到21.7%;最小值出現(xiàn)在12:00—12:59,僅占2.0%,總體上午后至傍晚這段時(shí)間起沙風(fēng)出現(xiàn)的頻率相對(duì)較低。這一分布特點(diǎn)與一般認(rèn)為由于熱力對(duì)流作用導(dǎo)致的起沙大多發(fā)生在午后至傍晚這段時(shí)間的觀點(diǎn)不一致。分析其原因,我們知道荒漠過渡帶地處綠洲與沙漠的中間地帶,夜間時(shí)沙漠地區(qū)降溫比荒漠過渡帶迅速,荒漠過渡帶比綠洲區(qū)迅速,這樣荒漠過渡帶與沙漠、綠洲都存在著較大的溫度梯度,由此會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng),而荒漠過渡帶正處于中間,夜間風(fēng)速較大,導(dǎo)致起沙風(fēng)多出現(xiàn)在凌晨。圖4給出了觀測(cè)期間肖塘起沙風(fēng)的方位變化。起沙風(fēng)風(fēng)向以偏東風(fēng)為主,其中,ENE、E、ESE3個(gè)方位占到全部起沙風(fēng)的44.2%,這與整個(gè)盆地的地面風(fēng)場(chǎng)一致。肖塘2007年4月15日—5月14日沙塵暴強(qiáng)化觀測(cè)試驗(yàn)期間共計(jì)發(fā)生沙塵暴19次,總時(shí)數(shù)4104min,從歷時(shí)分布情況看最長(zhǎng)時(shí)數(shù)達(dá)873min,最短的只有6min,平均216min。沙塵暴發(fā)生期間86%的風(fēng)速集中在4.4~8.4m·s-1范圍內(nèi);風(fēng)向集中在ENE、E和ESE3個(gè)方位,合計(jì)占50.0%,以上兩點(diǎn)與整個(gè)觀測(cè)期風(fēng)速、風(fēng)向的變化特征非常一致。只是起沙風(fēng)的日變化分布與整個(gè)觀測(cè)期的有一定差異,沙塵暴期間起沙風(fēng)主要分布在22:00—01:59與16:00—19:59兩個(gè)時(shí)段,分別占到24.5%、23.2%。3.3最大可能輸沙勢(shì)與最大輸沙量輸沙勢(shì)與最大可能輸沙量是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度非常重要的指標(biāo)。輸沙勢(shì)表示潛在的輸沙能力;而最大可能輸沙量則是根據(jù)試驗(yàn)所得輸沙率公式來計(jì)算一個(gè)區(qū)域的最大輸沙量。在文中,輸沙勢(shì)的計(jì)算采用Fryberger給出的計(jì)算公式:式中:DP為輸沙勢(shì),為矢量單位(VU);V為各級(jí)別起沙風(fēng)速的1min平均值;Vt為臨界起沙風(fēng)速,肖塘地區(qū)2m高度1min的臨界起沙風(fēng)速為4.4m·s-1;t為起沙風(fēng)作用時(shí)間,以頻率表示;在該公式中V與Vt的單位為km·h-1(海里或每小時(shí)),因此,計(jì)算前需將風(fēng)速進(jìn)行換算。統(tǒng)計(jì)沙塵暴強(qiáng)化觀測(cè)期間肖塘各風(fēng)向不同速級(jí)起沙風(fēng)的頻率,把相同風(fēng)向各風(fēng)速級(jí)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(shì)。16個(gè)方向的輸沙勢(shì)相加得到總輸沙勢(shì),然后進(jìn)行矢量合成可得到合成輸沙勢(shì)(RDP)與輸沙勢(shì)合成方向(RDD)。文中最大可能輸沙量的計(jì)算利用凌裕泉提出的最大輸沙率公式:式中:q為輸沙率,單位為g·cm-1·min-1;V,Vt分別為肖塘地區(qū)2m高度1min平均起沙風(fēng)速和臨界起沙風(fēng)速。該公式經(jīng)過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在沙坡頭、敦煌莫高窟兩地的輸沙量計(jì)算中取得了較好結(jié)果。根據(jù)公式(2)計(jì)算得到不同風(fēng)速的輸沙率,并乘以相應(yīng)時(shí)間,就得到16個(gè)方位的輸沙量。然后依據(jù)矢量合成法則,可以得到合成輸沙量與合成輸沙方向。表2給出了肖塘地區(qū)觀測(cè)期間輸沙勢(shì)與最大可能輸沙量的計(jì)算結(jié)果。觀測(cè)期間肖塘地區(qū)的總輸沙勢(shì)為80.8VU,主要分布在ENE、E、ESE、WSW、W和WNW6個(gè)方位,共計(jì)占到73.3%,與起沙風(fēng)的分布相比,WSW、W和WNW3個(gè)方位所占比例明顯提高。觀測(cè)期間的合成輸沙勢(shì)為13.7VU,合成輸沙方向?yàn)?41°。相對(duì)于李紅軍等利用氣象站觀測(cè)的1h風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算得到肖塘地區(qū)年合成輸沙勢(shì)在10.0VU左右;俎瑞平等利用氣象站觀測(cè)的10min風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算出該地區(qū)年輸沙勢(shì)為63.0VU,合成輸沙勢(shì)為32.8VU,筆者的計(jì)算結(jié)果偏大,推究其原因應(yīng)該是所選風(fēng)速數(shù)據(jù)時(shí)距及起沙風(fēng)速值的差異造成的。所用風(fēng)速數(shù)據(jù)為1min時(shí)距,起沙風(fēng)速為4.4m·s-1,相對(duì)于10min、1h時(shí)距風(fēng)速數(shù)據(jù),起沙風(fēng)速5.0m·s-1的計(jì)算結(jié)果理應(yīng)偏大。同樣,由于所用風(fēng)速數(shù)據(jù)時(shí)距的不同,李紅軍與俎瑞平計(jì)算出的年合成輸沙勢(shì)相差兩倍以上,由此可知,數(shù)據(jù)時(shí)距的差異對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大。觀測(cè)期間肖塘地區(qū)最大可能輸沙總量達(dá)1921.8kg·m-1,這一數(shù)值比塔里木盆地邊緣一些綠洲的年輸沙量都大,由此也可看出,肖塘地區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)的強(qiáng)度之大。有關(guān)這一區(qū)域的輸沙量一些學(xué)者也進(jìn)行了研究,王訓(xùn)明等利用野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的輸沙率公式計(jì)算得到肖塘地區(qū)年輸沙量為3800kg·m-1;韓致文等利用Bagnold的輸沙率公式計(jì)算出肖塘地區(qū)年輸沙量為3456kg·m-1;俎瑞平利用凌裕泉最大輸沙率公式計(jì)算出肖塘地區(qū)年最大可能輸沙量為6692kg·m-1。由于所選數(shù)據(jù)、計(jì)算公式的差異,計(jì)算結(jié)果的可比性較差。筆者計(jì)算的輸沙量空間分布與輸沙勢(shì)一致,仍然以ENE、E、ESE、WSW、W和WNW6個(gè)方位為主,占到全部輸沙量的74.3%。合成輸沙量為286.8kg·m-1,合成輸沙方向?yàn)?35°,與輸沙勢(shì)的合成方向一致。3.4輸沙通量的擬合方程觀測(cè)期間利用BSNE集沙儀收集了20、50、100cm高度的輸沙樣品,集沙盒進(jìn)沙口的面積為10cm2。肖塘地區(qū)1m以下不同高度的輸沙通量符合如下方程的分布:式中:q(z)為對(duì)應(yīng)高度的輸沙通量(kg·m-2);z為距離地面的高度(cm);a,b為待定系數(shù),由實(shí)測(cè)輸沙通量的擬合方程確定。根據(jù)方程(3)可以推導(dǎo)出0~200cm高度的輸沙量:式中:Q為0~200cm高度間的輸沙量(kg·m-1)。根據(jù)觀測(cè)期間收集的20、50、100cm高度輸沙通量進(jìn)行擬合,求得系數(shù)a,b分別為1227、-0.5827。然后通過方程(4)求得觀測(cè)期間0~200cm高度的輸沙量為239.5kg·m-1,該值遠(yuǎn)小于利用凌裕泉最大輸沙率公式計(jì)算的結(jié)果。4于動(dòng)風(fēng)速時(shí)間和輸沙量初步研究了塔克拉瑪干沙漠荒漠過渡帶肖塘地區(qū)春季的風(fēng)沙活動(dòng)特征,發(fā)現(xiàn)起沙風(fēng)速臨界值隨著風(fēng)速時(shí)距的變化而變化,時(shí)距越長(zhǎng)起沙風(fēng)速臨界值越低,與真實(shí)起沙風(fēng)速臨界值的偏差也越大。肖塘地區(qū)春季2m高度1s時(shí)距的起沙風(fēng)速為4.9~5.0m·s-1,這一結(jié)果與陳渭南等測(cè)量的該地區(qū)瞬時(shí)沖擊起動(dòng)風(fēng)速值較為接近;1min時(shí)距的起沙風(fēng)速臨界值為4.4m·s-1。該區(qū)域春季起沙風(fēng)速多集中在4.4~8.4m·s-1范圍內(nèi),風(fēng)速越大出現(xiàn)的頻率越低。觀測(cè)期間肖塘荒漠過渡帶的起沙風(fēng)多出現(xiàn)午夜至凌晨這一時(shí)段,而午后至傍晚