塔克拉瑪干沙漠風(fēng)況特征分析

塔克拉瑪干沙漠風(fēng)況特征分析

風(fēng)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?jiǎng)恿?。沙海的分布、沙丘形態(tài)、運(yùn)動(dòng)直至沙紋形成均與不同尺度的風(fēng)場(chǎng)相聯(lián)系。此外,風(fēng)也是造成風(fēng)沙危害的直接動(dòng)力條件。系統(tǒng)研究一個(gè)地區(qū)的風(fēng)況特征,不僅能夠準(zhǔn)確掌握風(fēng)沙地貌形成的動(dòng)力因素,也能為區(qū)域沙害防治提供科學(xué)依據(jù)。塔克拉瑪干沙漠是我國最大的沙漠,面積達(dá)到3.5×104km2,其中沙丘類型齊全、結(jié)構(gòu)復(fù)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(nèi)外科研、考古及探險(xiǎn)者的關(guān)注。但是,朱震達(dá)編著的《塔克拉瑪干風(fēng)沙地貌研究》一書。首次對(duì)沙丘類型、分布格局、運(yùn)動(dòng)等方面進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究,特別是關(guān)于沙漠西南部沙丘動(dòng)態(tài)過程的研究,使塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙地貌研究進(jìn)入一個(gè)嶄新階段。20世紀(jì)80年代以后,沙漠油田開發(fā)和沙漠公路的貫通,為整個(gè)沙漠特別是沙漠腹地的研究提供了新的機(jī)遇。凌裕泉率先研究了近地表流場(chǎng)特征與輸沙強(qiáng)度的關(guān)系,并對(duì)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(fēng)沙活動(dòng)特征;王訓(xùn)明等則對(duì)沙漠腹地和沙漠東北部的風(fēng)況特征與沙丘形態(tài)動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)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(gè)盆地的起沙風(fēng)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(duì)點(diǎn)或者線,而對(duì)整個(gè)面上的風(fēng)況特征研究相對(duì)較少。本文利用覆蓋整個(gè)沙漠的17個(gè)氣象站的自計(jì)風(fēng)速風(fēng)向資料,從整體上對(duì)塔克拉瑪干沙漠風(fēng)況特征的變化規(guī)律進(jìn)行研究。1起沙風(fēng)的識(shí)別本研究所用風(fēng)資料來源于覆蓋整個(gè)沙漠的17個(gè)氣象站的風(fēng)速風(fēng)向記錄(圖1)。這些站點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向資料都是利用16方位自動(dòng)風(fēng)速儀進(jìn)行記錄,風(fēng)速儀距地面高度均為11.4m,數(shù)據(jù)記錄的時(shí)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(duì)風(fēng)沙地貌及沙害形成具有直接作用的是大于臨界起沙風(fēng)速的那部分風(fēng),因此在資料統(tǒng)計(jì)以前首先要確定臨界起沙風(fēng)速。根據(jù)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(fēng)速一般取6.0m/s。從每個(gè)站5年內(nèi)所有記錄中統(tǒng)計(jì)大于臨界起沙風(fēng)速(6.0m/s)的出現(xiàn)次數(shù)N,就可以得到16方位每年平均大于起沙風(fēng)次數(shù)為N/5,也可以得到各個(gè)方位上每年平均起沙風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)。輸沙勢(shì)(DP)計(jì)算根據(jù)通用公式:式中:DP為輸沙勢(shì),為矢量單位(VU),V為大于臨界起動(dòng)值的風(fēng)速,Vt為臨界起動(dòng)風(fēng)速,二者單位均為m/s,t為起沙風(fēng)作用時(shí)間,一般以占全年總時(shí)間的百分比表示。合成輸沙勢(shì)(RDP)及其方向(RDD)根據(jù)矢量合成法則計(jì)算。2第二,地面和東西方向?qū)Ρ缺?是沙漠各站起沙風(fēng)16方位頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果,從中不難看出,整個(gè)沙漠風(fēng)向以偏東北和偏西北風(fēng)為主。偏東北風(fēng)作用范圍包括沙漠東部、中部及北部偏東區(qū)域;偏西北風(fēng)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(gè)沙漠的兩組主風(fēng)向也就是偏東北風(fēng)(NNE、NE、ENE三個(gè)方向頻率之和)和偏西北風(fēng)(WNW、NW、NNW三個(gè)方向頻率之和)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì),則不難發(fā)現(xiàn)整個(gè)沙漠主風(fēng)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(fēng)向出現(xiàn)頻率對(duì)比圖。從東西方向?qū)Ρ冉Y(jié)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(fēng)所占比例遞減而偏西北風(fēng)所占比例遞增規(guī)律。這說明在整個(gè)沙漠中,從東到西東北風(fēng)系影響逐漸減弱而西北風(fēng)系影響逐漸加強(qiáng)。這是因?yàn)橛绊懰锬九璧氐闹饕髿猸h(huán)流有兩支,東部主要受“倒灌東風(fēng)”控制,西部主要受弱西風(fēng)控制。因此,東北風(fēng)向西運(yùn)行過程中會(huì)逐漸減弱,而本來勢(shì)力就弱的西風(fēng)氣流也在向東運(yùn)行過程中得到進(jìn)一步削弱。從南北方向看(圖3),兩組主風(fēng)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(fēng)逐漸加強(qiáng)而西北風(fēng)逐漸減弱趨勢(shì),這是因?yàn)樯衬畺|部邊緣的若羌一帶存在一支東風(fēng)急流。中部以塔中為界,其北部從肖塘、滿參到塔中東北風(fēng)逐漸加強(qiáng),西北風(fēng)總體相差不大,而其南部從塔中到民豐一線,東北風(fēng)及西北風(fēng)的影響都響應(yīng)減小。這是因?yàn)槭芾錾奖逼录敖孛孑椇暇€的影響,沙漠的南部邊緣除了受到東北風(fēng)及西北風(fēng)影響以外,還受到南風(fēng)以及西南風(fēng)的影響。沙漠西部邊緣風(fēng)向的變化主要表現(xiàn)出從北到南東北風(fēng)所占比例依次減少,西北風(fēng)所占比例依次增加。必須指出,除了偏東北與偏西北風(fēng)以外,沙漠南部及西南部邊緣民豐、和田、于田、皮山等站W(wǎng)、SW、WSW也占有很大比例。這是因?yàn)樵谏衬暇売谔锏矫褙S一帶近地表存在氣流輻合線及昆侖山北坡影響有關(guān)。3中重式風(fēng)況下沙區(qū)處于低風(fēng)能環(huán)境區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度表示方法很多,輸沙勢(shì)(DP)是其中非常重要的指標(biāo),也是目前風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)用最多的方法[18,19～21]。從計(jì)算結(jié)果(圖4)看出,塔克拉瑪干沙漠輸沙勢(shì)以若羌最大,達(dá)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?yàn)樵谄渖峡沾嬖谝恢|風(fēng)急流。按照Fryberger劃分標(biāo)準(zhǔn)(高風(fēng)能環(huán)境:DP>400VU;中風(fēng)能環(huán)境:200VU<DP<300VU;低風(fēng)能環(huán)境:DP<200VU),除若羌地區(qū)外,沙漠整體處于低風(fēng)能環(huán)境。輸沙變率指數(shù)(RDP/DP)是反映風(fēng)場(chǎng)方向的重要指標(biāo),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(fù)合風(fēng)況有關(guān),中比率與鈍雙峰風(fēng)況或銳雙峰風(fēng)況相有關(guān),而大比率主要與單峰風(fēng)況相聯(lián)系。從圖4不難看出,除個(gè)別站外,大多數(shù)站RDP/DP值都在0.5以上,說明整個(gè)塔克拉瑪干沙漠風(fēng)況以單峰或銳雙峰為主。4風(fēng)況特征結(jié)果分析對(duì)某一地區(qū)而言,近地面風(fēng)況特征在很大程度上是高空環(huán)流形勢(shì)的反映。塔克拉瑪干沙漠環(huán)流形勢(shì)是在高空西風(fēng)帶的背景下,經(jīng)過青藏高原、天山山脈的動(dòng)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(shì)影響,塔克拉瑪干沙漠近地表主要為東北風(fēng)和西北風(fēng)系所控制,二者無論在影響區(qū)域還是作用強(qiáng)度上都存在明顯差異。從整個(gè)沙漠情況來看,除了若羌地區(qū)由于受東風(fēng)急流影響呈現(xiàn)高能特征外,其它區(qū)域都屬于低風(fēng)能環(huán)境。方向變率指數(shù)計(jì)算