塔里木盆地南緣風(fēng)動力環(huán)境研究

鄭 偉，鄭新倩，劉婭楠，馬 凱

（1.塔中氣象站，新疆 庫爾勒 841000；2.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心（新疆農(nóng)業(yè)氣象臺），新疆 烏魯木齊 830002；3.巴音郭楞蒙古自治州氣象局，新疆 庫爾勒 841000）

截至2014年底，我國荒漠化面積為261.16萬km2，其中，新疆荒漠化面積為107.06萬km2，占41.0%［1］。地處新疆的塔里木盆地，由于盆地內(nèi)分布有我國最大的沙漠—塔克拉瑪干沙漠，導(dǎo)致該區(qū)域成為我國及東亞地區(qū)的主要沙塵源區(qū)，貢獻(xiàn)了東亞地區(qū)35.0%左右的沙塵氣溶膠［2-4］。該盆地是我國沙塵天氣的最高發(fā)中心，而盆地南緣的和田地區(qū)又是盆地沙塵天氣的高發(fā)中心［5-6］。沙塵天氣導(dǎo)致大量的沙塵粒子被排放到大氣中，成為沙塵氣溶膠。沙塵氣溶膠對氣候變化［7-8］、海洋生物化學(xué)循環(huán)［9-10］、大氣環(huán)境、人類健康［11-12］及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［13］等都有著重要影響。風(fēng)動力是沙塵天氣發(fā)生并產(chǎn)生大量沙塵氣溶膠的最重要因素之一，是評估某個區(qū)域風(fēng)沙活動強度和沙塵氣溶膠潛在釋放能力的依據(jù)。因此，風(fēng)動力是研究沙塵天氣、風(fēng)沙運動及沙塵氣溶膠等科學(xué)問題的重要基礎(chǔ)。文章以和田地區(qū)為研究區(qū)，利用和田市、皮山縣、墨玉縣、洛浦縣、策勒縣、于田縣及民豐縣氣象臺站觀測的1991-2011年的小時風(fēng)速風(fēng)向資料，計算了研究區(qū)各站點風(fēng)動力，并分析了其時空分布，以期更好地從動力因素的角度認(rèn)識研究區(qū)沙塵天氣發(fā)生規(guī)律，評估沙塵氣溶膠排放強度。

1 研究區(qū)概況

和田地區(qū)地處塔克拉瑪干沙漠的南緣，位于沙漠與昆侖山的過渡帶上，東西長約670km，南北寬約600km，總面積24.78萬km2。下墊面以沙漠戈壁和山地居多，分別占到63.1%和33.3%，綠洲僅占3.6%［14］。和田地區(qū)屬干旱荒漠性氣候，年均氣溫10.7-12.6℃，年均降水量為23.7-51.5mm，年均蒸發(fā)量高達(dá)2500mm左右，年沙塵天氣（包括沙塵暴、揚沙和浮塵）多達(dá)200d以上［6，15］。

2 數(shù)據(jù)與方法

文章所用資料為和田市、皮山縣、墨玉縣、洛浦縣、策勒縣、于田縣及民豐縣氣象臺站觀測的1991-2011年的小時風(fēng)速、風(fēng)向資料。其中，3-5月為春季、6-8月為夏季、9-11月為秋季、12-2月為冬季。

風(fēng)動力環(huán)境的重要表現(xiàn)參數(shù)輸沙勢利用氣象站10m高度風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)和Fryberger［16］方法計算：

其中，DP為輸沙勢；V為各級別起沙風(fēng)速；Vt為臨界起沙風(fēng)速，文中10m高度起沙風(fēng)速取值5.0m/s［17］；t為起沙風(fēng)作用時間，以百分比表示；在該公式中V與Vt的單位為kn/h（海里或節(jié)每小時）。統(tǒng)計觀測期間各風(fēng)向不同速級起沙風(fēng)的頻率，把相同風(fēng)向各風(fēng)速級出現(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。16個方向的輸沙勢相加得到總輸沙勢，然后進(jìn)行矢量合成可得到合成輸沙勢（RDP）與輸沙勢合成方向（RDD）。

3 研究結(jié)果

3.1 研究區(qū)風(fēng)速特征

利用和田市、皮山縣、墨玉縣、洛浦縣、策勒縣、于田縣及民豐縣氣象臺站觀測的1991-2011年的小時風(fēng)速資料，統(tǒng)計了各觀測站點的年平均風(fēng)速（圖1）。由圖1可知研究區(qū)各站點的年均風(fēng)速均小于2.0m/s，最大值出現(xiàn)在東西兩側(cè)的民豐縣和皮山縣，均為1.5m/s，最小值出現(xiàn)在墨玉縣和洛浦縣，均為1.0m/s。這一結(jié)果與研究區(qū)站點分布關(guān)系密切，文中所用七站均分布在塔克拉瑪干沙漠的邊緣地區(qū)，民豐縣、皮山縣位于研究區(qū)的東西兩側(cè)，綠洲面積較小，地勢相對開闊，對風(fēng)速減小的阻力小，導(dǎo)致兩站風(fēng)速較大；其他五站所在的綠洲幾乎連接成片，特別是墨玉縣、洛浦縣兩站位于“和墨洛”綠洲，植被與建筑物密度較大，對風(fēng)速的衰減作用顯著，使得兩站成為研究區(qū)風(fēng)速最小的區(qū)域。

圖1 研究區(qū)年平均風(fēng)速空間分布

圖2 給出了研究區(qū)各站點月平均風(fēng)速。由圖2可知，總體上民豐縣的各月平均風(fēng)速最大，洛浦縣最?。桓髡军c的月平均風(fēng)速總體上呈單峰分布，風(fēng)速春、夏季高于秋、冬季，高值區(qū)出現(xiàn)在5-8月份，與風(fēng)沙季節(jié)分布一致。從月平均最大風(fēng)速分布來看，策勒站出現(xiàn)在5月份，為1.7m/s；洛浦縣、墨玉縣和民豐縣三站均出現(xiàn)在6月，分別為1.3 m/s、1.4 m/s和1.9m/s；皮山站出現(xiàn)在7月，為1.8m/s；和田市和于田縣兩站均出現(xiàn)在8月份，分別為1.8 m/s和1.3m/s。從月平均最小風(fēng)速分布來看，策勒和墨玉兩站出現(xiàn)在11月份，分別為0.9m/s和0.8m/s；洛浦站出現(xiàn)在12月份，為0.7m/s；于田站出現(xiàn)在1月份，為0.9m/s；民豐和皮山兩站均出現(xiàn)在2月份，分別為1.2m/s和1.1m/s。

圖2 研究區(qū)各站點月平均風(fēng)速

3.2 研究區(qū)起沙風(fēng)風(fēng)向分布

起沙風(fēng)風(fēng)向有助于從風(fēng)動力環(huán)境的角度認(rèn)識研究區(qū)風(fēng)沙運動的空間方向性。文章選擇5.0 m/s為研究區(qū)氣象站風(fēng)速觀測高度的起沙風(fēng)速，然后統(tǒng)計了各站點起沙風(fēng)風(fēng)向的分布（圖3）。由圖3可知，各站點起沙風(fēng)風(fēng)向主要集中在偏W方向，其中以SSW、SW、WSW、W、WNW、NW六個方位為主，平均占到4.3%、5.6%、12.9%、30.7%、29.2%和7.2%，合計占到全部起沙風(fēng)風(fēng)向的89.9%。其中，七個站點又可分為三組，第一組為皮山、洛浦和于田三站，都以WNW風(fēng)向為主導(dǎo)起沙風(fēng)向，分別占到39.9%、80.0%和37.8%；第二組為策勒和墨玉兩站，均以W風(fēng)向為主導(dǎo)起沙風(fēng)向，分別占到69.4%和63.8%；第三組為和田市和民豐縣兩站，均以WSW、W為主導(dǎo)和次主導(dǎo)起沙風(fēng)向，兩大風(fēng)向分別占到兩站點起沙風(fēng)向的33.3%和68.9%。

圖3 研究區(qū)各站點起沙風(fēng)風(fēng)向分布

3.3 研究區(qū)輸沙勢

利用公式（1）和研究區(qū)七站風(fēng)速、風(fēng)向資料計算了各站的輸沙勢、合成輸沙勢及合成輸沙方向。圖4給出了研究區(qū)各站點年均輸沙勢分布，由圖4可知，研究區(qū)輸沙勢總體上自東向西呈遞減趨勢，但各站點輸沙勢存在較大差異。高值中心為東側(cè)的民豐縣，年均輸沙勢達(dá)173.1VU；除了和田站年均值為46.0VU，其余站點的輸沙勢均小于40.0 VU以下，最小值出現(xiàn)在洛浦站，年均輸沙勢僅有3.2VU，與東側(cè)的民豐站相差五十余倍。

圖4 研究區(qū)年平均輸沙勢空間分布

圖5 給出了研究區(qū)各站點月平均輸沙勢。月平均輸沙勢的分布與月平均風(fēng)速的分布相似，民豐站的月平均輸沙勢最大，洛浦站最??；月平均輸沙勢的高值區(qū)也主要集中在春、夏季的5-8月。但民豐、策勒、墨玉和洛浦四站輸沙勢的月變化呈現(xiàn)多峰分布，且洛浦站秋、冬季輸沙勢的值為0 VU。從月平均最大輸沙勢分布來看，策勒站出現(xiàn)在5月份，為5.8 VU；于田和墨玉兩站均出現(xiàn)在6月，分別為5.9 VU和1.6 VU；和田市和皮山站出現(xiàn)在7月，分別為8.2 VU和4.0 VU；民豐站出現(xiàn)在8月份，為33.5VU；洛浦站則出現(xiàn)在10月份，僅為0.8 VU。從月平均最小輸沙勢分布來看，洛浦站8月份至第二年2月份均為0 VU；墨玉站的12月份也為0 VU；民豐、于田、策勒和和田市四站均出現(xiàn)在1月份，分別1.8 VU、0.1 VU、0.007 VU和0.4 VU；皮山站出現(xiàn)在2月份，為0.2 VU。

圖5 研究區(qū)各站點月平均輸沙勢分布

圖6 給出了研究區(qū)1991-2011年間平均輸沙勢的年際變化。由圖6可知，輸沙勢的年際變化呈現(xiàn)較大的波動性，1995-2001年呈波動性增長趨勢，2001年達(dá)到最高值，為102.8VU，然后呈現(xiàn)下降趨勢，2004年以后一直保持相對較低的水平。

圖6 研究區(qū)平均輸沙勢年際變化

表1給出了研究區(qū)各站點合成輸沙勢RDP、合成輸沙方向RDD及RDP與DP的比值。合成輸沙勢的分布與風(fēng)速分布相似，兩側(cè)的值相對較高，中間的值較低。其中最大合成輸沙勢出現(xiàn)在民豐站，達(dá)153.2VU，最小值出現(xiàn)在洛浦站，僅有2.2VU。根據(jù)Fryberger的區(qū)域風(fēng)能分類標(biāo)準(zhǔn)［16］，除民豐站屬于高風(fēng)能環(huán)境，其余站點均屬低風(fēng)能環(huán)境。研究區(qū)合成輸沙方向主要集中在ENE的方向，與起沙風(fēng)風(fēng)向分布一致。

表1 各站點合成輸沙勢及輸沙方向

4 結(jié)論

文章以和田地區(qū)為研究區(qū)，利用和田市、皮山縣、墨玉縣、洛浦縣、策勒縣、于田縣及民豐縣氣象臺站觀測的1991-2011年的小時風(fēng)速風(fēng)向資料，計算了研究區(qū)各觀測站點的風(fēng)動力，并分析了其時空變化特征。具體結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)年平均風(fēng)速小于2.0m/s，呈現(xiàn)東西兩側(cè)大，中間小的空間分布特征；風(fēng)速月變化呈現(xiàn)單峰分布態(tài)勢，風(fēng)速的高值出現(xiàn)在5-8月份；研究區(qū)起沙風(fēng)風(fēng)向主要集中在偏W方向，其中以SSW、SW、WSW、W、WNW、NW六個方位為主，合計占到全部起沙風(fēng)風(fēng)向的89.9%。

（2）研究區(qū)輸沙勢高值中心為東側(cè)的民豐縣，年均輸沙勢達(dá)173.1VU，合成輸沙勢為153.2VU，最小值出現(xiàn)在洛浦站，年均輸沙勢僅有3.2VU，合成輸沙勢為2.2VU；月平均輸沙勢的高值區(qū)也集中在5-8月；輸沙勢的年際變化呈現(xiàn)較大的波動性，2001年達(dá)到最高值，為102.8VU；研究區(qū)合成輸沙方向主要集中在ENE方向。