新疆塔克拉瑪干沙漠塔中地區(qū)春夏季風沙特征分析

□徐潔　彭艷梅　張新軍

（新疆氣象服務中心新疆烏魯木齊830002）

新疆塔克拉瑪干沙漠塔中地區(qū)春夏季風沙特征分析

□徐潔彭艷梅張新軍

（新疆氣象服務中心新疆烏魯木齊830002）

本文利用塔克拉瑪干沙漠腹地塔中觀測資料，對塔中地區(qū)春季和夏季風沙特征進行了分析研究。結(jié)果表明：塔中春夏季高度風速集中在0～7m/s間，累積頻率都在85%以上；風廓線擬合系數(shù)為0.9749；0.5m高度3至5級風沙流密度分別為0.1559 g·m-3、0.2133g·m-3、0.6274 g·m-3；2m高度3至6級風沙流密度分別為0.0019 g·m-3、0.0028g·m-3、0.0068 g·m-3、0.0601 g·m-3；塔中風沙觀測場0～200cm高程內(nèi)風沙流的輸沙量比重隨高度呈指數(shù)規(guī)律遞減，擬合函數(shù)為：匝=212.18h-0.918R=0.998。

風廓線；風速段頻率；風沙流密度；沙塵通量；塔中

本文DOI編碼：10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2015.06.061

塔克拉瑪干沙漠是我國第一大沙漠，位于新疆塔里木盆地，是我國沙塵暴中心和亞洲沙塵暴產(chǎn)生的重要源地[1-2]。沙塵暴揚起的沙塵以氣溶膠的形態(tài)隨高空西風環(huán)流遠距離輸送上千公里，影響范圍及其廣闊。研究該地區(qū)的風沙特征，對我國沙塵暴及其氣溶膠研究具有重大意義。筆者收集塔中風沙觀測場2007年至2009年沙塵高發(fā)期春季、夏季8場風沙天氣期采集的沙粒、風數(shù)據(jù)，分析風沙天氣時的風場特性、包含風速、風向、風廓線特征，風沙期不同高度處單位采樣時間內(nèi)的沙粒質(zhì)量、粒徑及其與風速的對應關(guān)系，并計算風沙流密度。

1　實驗場地及數(shù)據(jù)說明

塔中風沙觀測場建于2008年7月，38°58’，83°39’，海拔1 082m，深入塔克拉瑪干腹地220km，該地區(qū)地表為流沙覆蓋，植被覆蓋度極低。地貌以沙丘地貌為主，沙丘地貌表現(xiàn)為一系列線狀的高大復合型縱向沙壟與壟間地相間分布，沙壟走向為NNE-SSW或NE-SW方向，相對高度為40～50m。壟間平坦沙地寬1～3km，長2～5km。高大沙壟的前緣分布有低矮的新月型沙丘和沙丘鏈[3-4]。觀測場設在兩大沙壟間的平坦沙地上。

根據(jù)塔克拉瑪干沙漠基本氣流走向和風流動走向，安裝有貼地層梯度風速儀、BSNE型梯度積沙儀。貼地層梯度風速儀（WAA151，Vailsala），安裝高度為5cm、10cm、20cm、40cm、100cm，并在20cm和100cm處安裝有風向儀（WAV151，Vailsala），可探測近地層的風廓線。BSNE梯度積沙儀積沙盒的安裝高度分別為5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、200cm，積沙盒進沙口2cm×5cm，可同時獲取6個高度層的輸沙通量。

試驗選取2008年7月25日至28日、2008年8月6日至8日、2008年8月18日至20日，2008年8月28日至30日，2009年4月10日至17日，2009年5月17日至21日，2009年5月24日至6月5日，2009年7月3日至9日共計8場風沙天氣過程，風速數(shù)據(jù)按逐分鐘收集，積沙儀所收集的風沙流輸沙樣本人工采集處理，在沙塵天氣來臨前把積沙盒清理干凈，沙塵天氣結(jié)束后立即取出，裝入密封袋，并記錄采集時間，沙粒樣本分析在中國氣象局數(shù)目年輪研究重點開放實驗室進行。

2　塔中風沙特征分析

2.1塔中風沙觀測場春、夏季風速段分析

圖1為塔中風沙觀測場梯度風觀測塔不同高度各風速段頻率統(tǒng)計?？梢钥闯?，塔中春季、夏季風速段分布趨勢基本一致，春季各高度平均風速均高于夏季。春季0.5m至4m平均風速分別為3.18m/s，3.20m/s，3.04m/s，3.59m/s；夏季平均風速分別為2.82m/s，2.78m/s，2.79m/s，3.38m/s,4.32m/s。

圖1　春季、夏季塔中風沙觀測場各高度風速段頻率統(tǒng)計

春季各高度風速都集中在0～7m/s間，夏季各高度風速都集中在0～6m/s間，基本累積頻率都在85%以上。

2.2塔中風沙天氣風廓線特征分析

表1　塔中春夏季及平均風廓線擬合系數(shù)

圖2　塔中風沙天氣春夏季風廓線圖

近地表風速廓線及其變化是揭示近地表氣流特性及風沙運動的有效途徑之一。風沙流風速廓線是運動沙粒與氣流相互作用的產(chǎn)物,由于沙顆粒在風沙流各高度層的分布不均,將導致不同區(qū)域不同下墊面風沙流風速的分布存在一定差異,具體情況見表1。整體來看，塔中風速隨高度的升高而增大，夏季擬合相關(guān)系數(shù)較好，R達到0.9 861，春季擬合系數(shù)為0.8 668，春夏風沙天氣過程總擬合系數(shù)為0.9 749。

2.3塔中風沙觀測場風沙流密度分析

風沙流密度是指空氣運動速度在大于起沙風速的情況下，單位體積空氣氣流中所含沙子的質(zhì)量，單位是

假定風沙觀測系統(tǒng)上游沙源在短時間內(nèi)是不發(fā)生變化的，在大于起沙風速的同一風速情況下，風沙流密度是相同的，風速越大，風沙流密度越大?；谝陨霞俣罢J識，風沙觀測儀中某一高度積沙總質(zhì)量Q1計算公式為

式中，籽i為大于起沙風速情況下某一風速所對應的風沙流密度為風沙觀測系統(tǒng)的積沙器進沙口面積為某一高度風沙流密度所對應的風速為在取樣時間內(nèi)起沙風速所持續(xù)的時間，s。

在近地層中，風受地面摩擦阻力的影響而速度降低。風速隨高度的增加而增大。Bagnold[5]根據(jù)流體在起動條件下作用在沙粒上的拖拽力和重力的平衡，導出了均勻沙粒開始移動的流體臨界起動速度的表達式:

（2）式中，Ut為沙粒起動速度（m/s-1）；為臨界摩擦速度（m·S-1）；Z為計算高度（m）；k為卡曼常數(shù)（取3.62×10-3）。根據(jù)楊興華、何清等[6]人在塔中地區(qū)春夏風蝕起沙研究中，取Bagnold、Marticorena、Shao三種計算臨界摩擦速度U*t結(jié)果取平均0.26m/s，為塔中地區(qū)春夏季臨界摩擦速度。

將0.26 m·S-1代入（2）得，塔中0.5m、1m、2m起沙速度分別為3.2 m/s、3.6 m/s、4.1m/s。

根據(jù)2008年至2009年8場風沙天氣過程觀測數(shù)據(jù)，按照蒲福風力等級，將風速劃分為4個風級檔，認為在同一級風速范圍內(nèi)風沙流密度籽是一樣的，籽1、籽2、籽3分別對應的取值區(qū)間為[該高度起沙風速，5.4m/ s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]、[10.8 m/s，13.8 m/s]。

0.5m高度風沙流密度計算：

籽0.5,3、籽0.5,4、籽0.5,5分別為[3.2 m/s，5.4 m/s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]風速段，代入（1）式中，可得塔中0.5m高度不同3級、4級、5級風所對應的風沙流密度。聯(lián)立方程如下：

1m高度風沙流密度計算：

妝1,3、籽1,4、籽1,5、籽1,6分別為[3.6 m/s，5.4 m/s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]、[10.8 m/s，13.8 m/ s]風速段，代入（1）式中，可得塔中1m高度不同3級、4級、5級、6級風所對應的風沙流密度。聯(lián)立方程如下：

2m高度風沙流密度計算：

妝2,3、籽2,4、籽2,5、籽2,6分別為[4.1 m/s，5.4 m/s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]、[10.8 m/s，13.8 m/ s]風速段，代入（1）式中，可得塔中2m高度不同3級、4級、5級、6級風所對應的風沙流密度。聯(lián)立方程如下：

經(jīng)過多次算式及分析，塔中試驗站0.5m、1m、2m高度3級至6級風速段風沙流密度見下表：

表2　塔中風沙觀測場風沙流密度

由表可以看出，隨著風速的增大，風沙流密度呈逐漸增大趨勢，隨著高度增加，風沙流密度逐漸減少。

2.4塔中風沙期沙粒與風速特征分析

風沙流是氣流、砂粒和下墊面三者相互作用的產(chǎn)物，它的發(fā)生和發(fā)展過程，包括3個相互聯(lián)系而又相互區(qū)別的階段，即通常所說的吹蝕、搬運和堆積的統(tǒng)一過程，其過程復雜多變[7-9]。風沙流結(jié)構(gòu)是指風沙流中沙量在豎直面高度上的分布規(guī)律，吳正等科技工作者研究認為，氣流搬運的沙量絕大部分(90%)是在離沙質(zhì)的地表30cm高度內(nèi)通過，其中又特別集中分布在0～10cm的氣流層內(nèi)，約占80%[10]。因此，測定了近地表0～200cm高度范圍的輸沙量，分析該高度范圍內(nèi)風沙流結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：研究區(qū)的輸沙量77.1%集中在0～10cm內(nèi)，90.0%集中在0～20cm內(nèi)，該結(jié)果這與吳正等的觀測的結(jié)論基本一致。

將輸沙量比重與高度進行了回歸擬合，研究區(qū)輸沙量比重與高度之間的最佳擬合函數(shù)為冪函數(shù)，其0.01顯著性水平上的相關(guān)系數(shù)(R)高達0.998，表明研究區(qū)0～200cm高程內(nèi)風沙流的輸沙量比重隨高度呈指數(shù)規(guī)律遞減，擬合函數(shù)為：

式中，匝為輸沙量比重或相對輸沙率（%），h為距地面的高度（cm），R為相關(guān)系數(shù)。

結(jié)束語

本文以世界著名的、深入塔克拉瑪干沙漠腹地、地形開闊、多沙塵暴天氣的塔中為研究對象，以嚴把數(shù)據(jù)質(zhì)量控制為著眼點進行了深入分析和研究。該研究的實施取得的主要成果如下：

1）塔中春季、夏季風速段分布趨勢基本一致，春季各高度平均風速均高于夏季。春季各高度風速都集中在0～7m/s間，夏季各高度風速都集中在0～6m/s間?；纠鄯e頻率都在85%以上。

2）塔中風沙觀測場風速隨高度的升高而增大，夏季擬合相關(guān)系數(shù)較好，R達到0.9861，春季擬合系數(shù)為0.8668，春夏風沙天氣過程總擬合系數(shù)為0.9749。

3）塔中風沙觀測場風沙流密度分析，隨著風速的增大，風沙流密度呈逐漸增大趨勢，隨著高度增加，風沙流密度逐漸減少。0.5m高度3至5級風沙流密度分別為0.1559 g·m-3、0.2133g·m-3、0.6274 g·m-3；2m高度3至6級風沙流密度分別為0.0019 g·m-3、0.0028g·m-3、0.0068 g·m-3、0.0601 g·m-3。

圖3　不同高度范圍內(nèi)輸沙量隨高度的累計比重

4）塔中風沙觀測場沙量比重與高度回歸擬合最佳擬合函數(shù)為冪函數(shù)，其0.01顯著性水平上的相關(guān)系數(shù)(R)高達0.998，表明研究區(qū)0～200cm高程內(nèi)風沙流的輸沙量比重隨高度呈指數(shù)規(guī)律遞減，擬合函數(shù)為：匝=212.18h-0.918R=0.998

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1004-7026（2015）06-0098-03中國圖書分類號：K921/927

A

徐潔（1981.12-），女，浙江嵊州人，碩士，工程師，從事專業(yè)天氣預報與服務，研究方向：環(huán)境氣象、能源與交通氣象；彭艷梅（1987.9-），女，重慶人，碩士，工程師，從事專業(yè)天氣預報與服務，研究方向：環(huán)境氣象、專業(yè)氣象預報與服務；張新軍（1985.11-），男，甘肅武威人，本科，工程師，從事專業(yè)天氣預報與服務，研究方向：專業(yè)氣象預報與服務。