塔克拉瑪干沙漠風況特征分析

塔克拉瑪干沙漠風況特征分析

風是形成地球形狀的基本能量之一，特別是在干旱氣候條件下，這是決定沙漠表面形狀的主要動力。沙海的分布、沙丘形態(tài)、運動直至沙紋形成均與不同尺度的風場相聯(lián)系。此外,風也是造成風沙危害的直接動力條件。系統(tǒng)研究一個地區(qū)的風況特征,不僅能夠準確掌握風沙地貌形成的動力因素,也能為區(qū)域沙害防治提供科學依據。塔克拉瑪干沙漠是我國最大的沙漠,面積達到3.5×104km2,其中沙丘類型齊全、結構復雜,堪稱沙丘博物館,加之沙漠周邊分布著眾多歷代古城遺址,一直吸引著國內外科研、考古及探險者的關注。但是,朱震達編著的《塔克拉瑪干風沙地貌研究》一書。首次對沙丘類型、分布格局、運動等方面進行了深入、系統(tǒng)的研究,特別是關于沙漠西南部沙丘動態(tài)過程的研究,使塔克拉瑪干沙漠風沙地貌研究進入一個嶄新階段。20世紀80年代以后,沙漠油田開發(fā)和沙漠公路的貫通,為整個沙漠特別是沙漠腹地的研究提供了新的機遇。凌裕泉率先研究了近地表流場特征與輸沙強度的關系,并對該區(qū)域沙漠化問題作了探討;董治寶等著重研究了沙漠公路沿線風沙活動特征;王訓明等則對沙漠腹地和沙漠東北部的風況特征與沙丘形態(tài)動力學過程進行了研究[10～13];陳渭南、李振山、陳廣庭等分別研究了沙漠公路沿線及整個盆地的起沙風況。上述研究均取得了一些重要成果,然而由于塔克拉瑪干沙漠自然環(huán)境惡劣、交通不便、資料缺乏等條件制約,研究多針對點或者線,而對整個面上的風況特征研究相對較少。本文利用覆蓋整個沙漠的17個氣象站的自計風速風向資料,從整體上對塔克拉瑪干沙漠風況特征的變化規(guī)律進行研究。1起沙風的識別本研究所用風資料來源于覆蓋整個沙漠的17個氣象站的風速風向記錄(圖1)。這些站點風速風向資料都是利用16方位自動風速儀進行記錄,風速儀距地面高度均為11.4m,數據記錄的時間步長為10分鐘。由于沙漠周邊各站資料記錄年限較長,而沙漠公路沿線的肖塘、滿參及塔中三站均從1994年開始,為同步起見,所有資料年限都為1996-2000年。眾所周知,對風沙地貌及沙害形成具有直接作用的是大于臨界起沙風速的那部分風,因此在資料統(tǒng)計以前首先要確定臨界起沙風速。根據前人所作的工作,在塔克拉瑪干沙漠距地面11.4m處,臨界起沙風速一般取6.0m/s。從每個站5年內所有記錄中統(tǒng)計大于臨界起沙風速(6.0m/s)的出現(xiàn)次數N,就可以得到16方位每年平均大于起沙風次數為N/5,也可以得到各個方位上每年平均起沙風出現(xiàn)次數。輸沙勢(DP)計算根據通用公式:式中:DP為輸沙勢,為矢量單位(VU),V為大于臨界起動值的風速,Vt為臨界起動風速,二者單位均為m/s,t為起沙風作用時間,一般以占全年總時間的百分比表示。合成輸沙勢(RDP)及其方向(RDD)根據矢量合成法則計算。2第二,地面和東西方向對比表1是沙漠各站起沙風16方位頻率統(tǒng)計結果,從中不難看出,整個沙漠風向以偏東北和偏西北風為主。偏東北風作用范圍包括沙漠東部、中部及北部偏東區(qū)域;偏西北風作用區(qū)域包括沙漠西部、西南部及南部偏西區(qū)域。如果將整個沙漠的兩組主風向也就是偏東北風(NNE、NE、ENE三個方向頻率之和)和偏西北風(WNW、NW、NNW三個方向頻率之和)分別進行統(tǒng)計,則不難發(fā)現(xiàn)整個沙漠主風向空間變化規(guī)律。圖2和圖3就是沙漠橫向(從東到西)及縱向(從南到北)主風向出現(xiàn)頻率對比圖。從東西方向對比結果(圖2)來看,不管北部邊緣、南部邊緣還是中部,都呈現(xiàn)了從東到西偏東北風所占比例遞減而偏西北風所占比例遞增規(guī)律。這說明在整個沙漠中,從東到西東北風系影響逐漸減弱而西北風系影響逐漸加強。這是因為影響塔里木盆地的主要大氣環(huán)流有兩支,東部主要受“倒灌東風”控制,西部主要受弱西風控制。因此,東北風向西運行過程中會逐漸減弱,而本來勢力就弱的西風氣流也在向東運行過程中得到進一步削弱。從南北方向看(圖3),兩組主風向變化也存在著明顯規(guī)律,不過東、中、西部情況各有不同。從東部來看,基本呈現(xiàn)由北到南東北風逐漸加強而西北風逐漸減弱趨勢,這是因為沙漠東部邊緣的若羌一帶存在一支東風急流。中部以塔中為界,其北部從肖塘、滿參到塔中東北風逐漸加強,西北風總體相差不大,而其南部從塔中到民豐一線,東北風及西北風的影響都響應減小。這是因為受昆侖山北坡及近地面輻合線的影響,沙漠的南部邊緣除了受到東北風及西北風影響以外,還受到南風以及西南風的影響。沙漠西部邊緣風向的變化主要表現(xiàn)出從北到南東北風所占比例依次減少,西北風所占比例依次增加。必須指出,除了偏東北與偏西北風以外,沙漠南部及西南部邊緣民豐、和田、于田、皮山等站W、SW、WSW也占有很大比例。這是因為在沙漠南緣于田到民豐一帶近地表存在氣流輻合線及昆侖山北坡影響有關。3中重式風況下沙區(qū)處于低風能環(huán)境區(qū)域風沙活動強度表示方法很多,輸沙勢(DP)是其中非常重要的指標,也是目前風沙活動強度計算應用最多的方法[18,19～21]。從計算結果(圖4)看出,塔克拉瑪干沙漠輸沙勢以若羌最大,達到399VU,莎車最小,只有5.4VU,其它各站大多小于100VU。若羌之所以出現(xiàn)最大值,是因為在其上空存在一支東風急流。按照Fryberger劃分標準(高風能環(huán)境:DP>400VU;中風能環(huán)境:200VU<DP<300VU;低風能環(huán)境:DP<200VU),除若羌地區(qū)外,沙漠整體處于低風能環(huán)境。輸沙變率指數(RDP/DP)是反映風場方向的重要指標,其中0～0.3以下為小比率;0.3～0.8為中比率,>0.8為大比率。小比率與復合風況有關,中比率與鈍雙峰風況或銳雙峰風況相有關,而大比率主要與單峰風況相聯(lián)系。從圖4不難看出,除個別站外,大多數站RDP/DP值都在0.5以上,說明整個塔克拉瑪干沙漠風況以單峰或銳雙峰為主。4風況特征結果分析對某一地區(qū)而言,近地面風況特征在很大程度上是高空環(huán)流形勢的反映。塔克拉瑪干沙漠環(huán)流形勢是在高空西風帶的背景下,經過青藏高原、天山山脈的動力分支和抬升,以及青藏高原和沙漠本身的熱力作用下共同形成的。受上述環(huán)流形勢影響,塔克拉瑪干沙漠近地表主要為東北風和西北風系所控制,二者無論在影響區(qū)域還是作用強度上都存在明顯差異。從整個沙漠情況來看,除了若羌地區(qū)由于受東風急流影響呈現(xiàn)高能特征外,其它區(qū)域都屬于低風能環(huán)境。方向變率指數計算