沙塵天氣下輸沙率的野外觀測與分析

康永德，楊興華，霍 文，楊 帆，何 清，2*，買買提艾力·買買提依明

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

新疆是中國土地荒漠化面積最大的省區(qū)，也是風(fēng)沙危害最嚴(yán)重的地區(qū)，風(fēng)蝕荒漠化土地面積達839 393.1 km2[1]，因而，開展風(fēng)沙運動研究，摸清輸沙率運移特征，為防沙減災(zāi)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供沙塵天氣預(yù)警服務(wù)工作是非常必要的。輸沙率是指單位時間內(nèi)通過單位面積被氣流所搬運的沙量。輸沙率代表一定風(fēng)速條件及沙源條件下的地表輸沙能力[2]，它不僅是衡量風(fēng)蝕率的重要指標(biāo)，也是決定土地風(fēng)蝕化的重要因素，長期以來是風(fēng)沙物理學(xué)研究的核心課題之一[3]。輸沙率方面的研究主要集中在以下幾方面：輸沙率與風(fēng)速之間關(guān)系的研究[4]，輸沙率的理論計算[5]，植被覆蓋率與風(fēng)蝕輸沙率之間的定量關(guān)系[6-9]與模型研究[10-11]。對于風(fēng)速與輸沙率的研究，盡管數(shù)值計算與模型可以提供更詳細(xì)的信息，但野外觀測仍是最可靠的研究方法[12]。例如，吳正等在研究新疆莎車布谷里沙漠輸沙率時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速顯著地超過啟動風(fēng)速后，氣流搬運的沙量急劇增加[13]。王訓(xùn)明對塔克拉瑪干沙漠腹地的起沙風(fēng)與輸沙強度進行觀測時發(fā)現(xiàn)流沙區(qū)不同地貌部位的輸沙率與風(fēng)速也呈冪函數(shù)關(guān)系，但沙丘頂部、沙丘迎風(fēng)坡中部等部位又呈不同的規(guī)律[14-15]。趙景峰等[16]對塔中一井的輸沙率進行了估算。何清、薛紅等[17-18]對塔中地區(qū)沙塵天氣過程的輸沙特征進行了研究。楊興華對塔克拉瑪干沙漠風(fēng)蝕輸沙率進行了研究，得出了對輸沙率與風(fēng)速關(guān)系的初步認(rèn)識[19-20]。地處塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠是我國最大的沙漠，也是我國的主要沙塵源區(qū)之一，對我國西北、華北及其周邊地區(qū)的生產(chǎn)生活有著重要影響[21-22]。研究表明塔克拉瑪干沙漠流動沙丘面積占到85%左右，其余基本上為丘間平沙地。因此，研究這一區(qū)域近地表輸沙率應(yīng)以沙丘為主。然而，有關(guān)這一區(qū)域沙丘及丘間平沙地微梯度輸沙率與風(fēng)速間關(guān)系的研究尚少。本文利用塔中地區(qū)實測典型沙塵天氣過程的輸沙率數(shù)據(jù)，比較全面而深入地研究了0～85 mm內(nèi)典型沙塵天氣下的風(fēng)速與輸沙率的關(guān)系，以期為研究這一區(qū)域近地表沙塵輸送提供參考，同時也為進一步認(rèn)識微梯度風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的特征奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

塔中地處塔克拉瑪干沙漠腹地，覆蓋塔中氣象站和塔中一井（83°39′E，38°58′N）及其周邊區(qū)域（圖1）。該地區(qū)年平均氣溫12.4℃，7月溫度最高為28.0℃，12月最低溫度為8.0℃。年平均降水量約25.9 mm，蒸發(fā)量約3 638.6 mm。塔中地區(qū)的沙塵天氣發(fā)生頻繁，揚沙、浮塵年平均不少于157 d，沙塵暴年平均不少于16 d，臨界起沙風(fēng)速為8.0 m·s-1，起沙風(fēng)向主要集中在ENE、NE、NNE和E方向[23]。周圍是高大的復(fù)合型縱向沙壟與壟間平地相間排列，沙壟的相對高度為40～50 m，高大沙壟的前緣分布有低矮的新月形沙丘和沙丘鏈，線形沙丘分布其中，長度約400～500 m，最長可達2000 m以上，相對高度3～5 m[24]。植被種類貧乏，群落結(jié)構(gòu)簡單，覆蓋度極低。沙源單一，粒徑主要集中在3Φ左右的細(xì)砂和極細(xì)砂之間。

圖1 塔中在塔克拉瑪干沙漠中的位置

2 觀測儀器及觀測方法

集沙儀采用烏魯木齊沙漠氣象研究所研制的微梯度全方位旋轉(zhuǎn)集沙儀[25]，整體為嵌入式結(jié)構(gòu)，集沙儀主體埋入土壤中，集沙口外露，風(fēng)翼可360°旋轉(zhuǎn)，共分4個高度，依次為0～5mm、5～15mm、15～35mm、35～85 mm（圖2）。風(fēng)速儀安裝在距地表50 cm高程處，測得的原始風(fēng)速數(shù)據(jù)為1 min平均風(fēng)速，將其轉(zhuǎn)化成10 min平均風(fēng)速，以10 min平均風(fēng)速作為試驗的真實風(fēng)速數(shù)據(jù)。沙樣采用微梯度集沙儀收集，將沙塵天氣過程細(xì)分為揚沙天氣和沙塵暴天氣，每10 min收集一次沙樣，每一次觀測結(jié)束后，及時將集沙儀收集的沙物質(zhì)裝袋、分層稱重。待整個試驗結(jié)束，進行數(shù)據(jù)整理，運用SigmaPlot12.5軟件對數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理和制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 揚沙天氣過程中不同風(fēng)速的輸沙率及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

圖2 微梯度集沙儀野外圖片[25]

由表1可知，0～85 mm高度層內(nèi)，在風(fēng)沙流中搬運的總沙量相近時，隨著高度的增加，貼近床面的上層（35～85 mm）無論是絕對的輸沙量還是相對的輸沙量都減少，中層（5～15 mm）則都增加，下層（0～5 mm、15～35 mm）變化趨勢保持一致，輸沙量處于二者之間。由此可看出風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)中的特征值λ逐漸增大。這種情況與水挾沙中的一種情況類似，當(dāng)泥沙中的粘性細(xì)顆粒物質(zhì)含量較低，整體體現(xiàn)散粒體泥沙特性，該情況的泥沙運移形態(tài)有懸移運動和推移運動。而在這種情況下有研究表明：輸沙率不僅與運力條件有關(guān)，而且還與沙粒粒徑有關(guān)[26]。

風(fēng)速不同，各層輸沙量亦不同（表2）。隨著風(fēng)速的增大，氣流中的總輸沙量依次增加，85 mm高度內(nèi)各層的絕對輸沙量都增加。這是因為，隨著風(fēng)速的增大，一方面增大了沙粒起跳的初速度，另一方面也增加了沙粒起跳的概率，所以使空中沙粒相的體積分?jǐn)?shù)增加，輸沙率飽和值也隨之增大[27]。同時，隨著風(fēng)速的增大，各層輸沙率達到飽和距離的位置也增大。造成這種現(xiàn)象的原因是：風(fēng)速越大，在相同高度下，風(fēng)速梯度越大，風(fēng)場對沙粒的升力作用也越大，沙粒會在升力作用下飛到更高的位置才達到飽和；其次隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)場對沙粒的加速作用越大，對沙粒的長距離搬運越明顯。由此得出，風(fēng)速越大，風(fēng)沙流輸沙率達到飽和距離的位置更大[28]。

表1 揚沙天氣過程中各高度層總輸沙量/mm

表2 不同風(fēng)速下各層輸沙率/（g.cm-2·10 min）

分析各層輸沙率，依舊呈不同規(guī)律（圖3）。風(fēng)速區(qū)間為6.5～8.2 m·s-1，隨著風(fēng)速的增大，各層輸沙率波動比較明顯且呈顯著的升高趨勢。最大值均出現(xiàn)在風(fēng)速為8.2 m·s-1左右，波動較為顯著；最小值出現(xiàn)在6.5 m·s-1左右，波動趨勢平緩。5～15 mm高度層與其他3層比較而言，輸沙率增加趨勢尤為明顯。由此發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速較小時，氣流搬運沙的能力較弱，沙粒只能在較低的高度輸送；風(fēng)速較大時，氣流搬運沙的能力增強，沙粒在風(fēng)的作用下被輸送到更高的地方，上層輸沙量增加，使得沙粒的平均躍移高度增大。另外，35～85 mm，輸沙率變化相比其它層平緩，是因為該層氣流入射角增大，總沙量增加會使沙粒之間碰撞更加頻繁，沙粒在碰撞過程中能量損失加大，只會大幅度降低沙粒搬運高度[29]。再者，該層輸沙率與風(fēng)速的關(guān)系更多取決于沙源供給量、粒徑、植被覆蓋度、地表地貌環(huán)境、風(fēng)向變化等因素，結(jié)合塔中實際情況此變化屬于正常。風(fēng)速＜6.5 m·s-1時，各層輸沙率增加的速率明顯較小，但5～15 mm處輸沙率依然最高，0～5、15～35 mm 的輸沙率極為接近且高于35～85 mm的輸沙率。李鋼鐵[30]等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速在 6.5～8.2 m·s-1時，隨著風(fēng)速的增大，0～2 cm高度處的輸沙率逐漸升高且在各層中所占比例最大，此結(jié)論與本文研究結(jié)果基本一致。隨著風(fēng)速的增大，35～85 mm高度層輸沙率所占比重相應(yīng)減小，從4.8 m·s-1時占15.72%減至6.3 m·s-1時占13.2%，因為該層在風(fēng)沙流運動過程中，沙粒濃度較大，輸沙率隨風(fēng)速變化的空間有限，從而導(dǎo)致輸沙率對風(fēng)速變化的響應(yīng)程度減弱。統(tǒng)計各高度層三次平均輸沙率（表 1）發(fā)現(xiàn)，0～5 mm、5～15 mm、15～35 mm高度層平均輸沙率相近且與5～15 mm高度層平均輸沙率相差10 g·cm-2·10 min左右。

綜上所述，當(dāng)風(fēng)速＜8 m·s-1時，風(fēng)速對輸沙率的影響高度主要在0～35 mm內(nèi)。由于研究區(qū)四周被高大沙丘環(huán)繞，受高大沙隴抬升作用，氣流線壓縮，風(fēng)速及摩阻風(fēng)速增加，進而導(dǎo)致輸沙率發(fā)生變異。因此，整個揚沙過程各高度輸沙率可以真實地反映野外地表該沙粒輸沙情況的細(xì)微變化。

3.2 沙塵暴天氣過程中輸沙率及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

風(fēng)速由7.5 m·s-1增大至8.5 m·s-1時，各層輸沙率均為明顯增加的趨勢（圖4），各層輸沙率大小依次為：5～15 mm>0～5 mm>15～35 mm>35～85 mm，依然是5～15 mm高度層輸沙率最大。風(fēng)速達到9.2 m·s-1時，0～5 mm輸沙率發(fā)生突變，達到最大（表2），這是由于約80%的蠕移顆粒來自于暫時或永久性衰減的躍移顆粒，約20%來自于氣力沖擊啟動的蠕移顆粒，而中等風(fēng)速并不能使沖擊作用顯著，只有當(dāng)風(fēng)速達到一定值時，隨著躍移顆粒數(shù)增加和動能的增大，才能使沖擊作用顯著以及躍移顆粒轉(zhuǎn)化的概率增加。由此推斷，風(fēng)速達到9.2 m·s-1以上時，對0～5 mm、15～35 mm的輸沙率影響較大，對5～15 mm、35～85 mm的輸沙率影響較小。由于塔中地區(qū)具有“風(fēng)熱同步”現(xiàn)象，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)沙流攜帶的能量有所增加，氣流擾動開始加強，致使不同天氣過程的輸沙率不同[31]。

其中，7月16日、8月4日兩次沙塵暴天氣過程中各高層輸沙率值大小為：5～15 mm>0～5 mm>15～35 mm>35～85 mm，7月31日各高度層的輸沙率值大小為：0～5 mm>15～35 mm>5～15 mm>35～85 mm。風(fēng)速＜7.5 m·s-1時，0～5 mm 和 15～35 mm 輸沙率值相近；風(fēng)速>7.5 m·s-1時，各層輸沙率值逐漸拉開。隨著風(fēng)速的增加，在0～85 mm高度層，0～35 mm的輸沙率變化最為劇烈，說明風(fēng)速主要影響0～35 mm高度層的輸沙率，同時表明風(fēng)沙流運動是一種貼近地表的沙樣搬運過程[32]。

圖4 沙塵暴天氣各層輸沙率隨風(fēng)速的變化情況

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本研究采用微梯度全方位旋轉(zhuǎn)集沙儀將研究高度、天氣過程更精細(xì)化，試圖找出新的規(guī)律。揚沙和沙塵暴天氣過程中，各層輸沙率隨風(fēng)速的變化趨勢基本一致，且隨著風(fēng)速增大，輸沙率也增大，風(fēng)速[33-34]、沙源供應(yīng)量[35]、下墊面狀況[36-37]等因素均可通過影響地表輸沙率而改變風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，它們不僅本身在發(fā)生變化，同時相互又具有促進與制約的關(guān)系。揚沙天氣，起初輸沙率最大值出現(xiàn)在5～15 mm高度，但風(fēng)速達到9.2 m·s-1時，輸沙率最大值卻出現(xiàn)在0～5 mm高度。地貌形態(tài)、地表起伏會導(dǎo)致沙粒躍移軌跡的改變，沿坡向上運動時，顆粒躍移高度小于平坦地表，風(fēng)沙流下層輸沙率相對增加，上層則相對減小。沙塵暴天氣，輸沙率最大值出現(xiàn)在5～15 mm高度，各層沙率若有突變，極可能出現(xiàn)在風(fēng)速達到10 m·s-1以后，但在今后研究中有待繼續(xù)觀測。揚沙與沙塵天氣中輸沙率最小值出現(xiàn)在35～85 mm高度，風(fēng)速小于6.2 m·s-1左右時，揚沙天氣中每層輸沙率變化并不明顯，沙塵暴天氣則為風(fēng)速＜7.2 m·s-1左右。對兩種天氣過程同風(fēng)速下的輸沙率進行比較，發(fā)現(xiàn)各層輸沙率相差比較大，正如馬世威[29]研究表明，在同風(fēng)速下增加氣流中的總沙量，會減弱氣流搬運沙子的能力，從而降低砂粒的搬運高度，從而導(dǎo)致各層輸沙率的多寡。由此可見，沙粒躍移高度與風(fēng)速密切相關(guān)，在沙塵天氣過程的不同時段內(nèi)，受風(fēng)速和沙源供給條件的影響，同一點風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)和輸沙量在不同時段內(nèi)也會發(fā)生顯著變化。塔中地區(qū)近地層沙粒發(fā)生躍移運動時，由于起跳初速度及起躍角較小，彈跳相對較低，分散在較低的空間[38]，然而貼地層氣流所消耗的能量較少，使得躍移沙粒中絕大部分沙量被約束在貼地層。0～85 mm各層輸沙率隨高度變化規(guī)律基本一致，即隨高度增加呈下降趨勢，主要集中于貼地層0～35 mm，5～15 mm處最為突出，觀測結(jié)果與朱震達[39]、Williams[40]多數(shù)顆粒在 0～2 cm 內(nèi)傳輸且90%沙量在0～10 cm內(nèi)傳輸?shù)挠^測結(jié)果相似。鑒于輸沙率受諸多因素影響，若要精確表示風(fēng)速與輸沙率的關(guān)系是相當(dāng)困難的。因此，目前為止，實際研究中對輸沙率的確定，一般仍采用集沙儀在野外直接觀測，然后應(yīng)用相關(guān)分析方法，得出特定條件下輸沙率與風(fēng)速之間的關(guān)系。野外觀測試驗所得的輸沙率數(shù)據(jù)不僅有理論意義，而且是合理制定防止工礦、交通設(shè)施和居民點等不受沙埋的措施的主要依據(jù)，即是風(fēng)沙工程設(shè)計的一個極重要工程參數(shù)，具有重要的實踐意義。

4.2 結(jié)論

（1）0～85 mm高度層內(nèi)，在風(fēng)沙流中搬運的總沙量相近時，隨著風(fēng)速的增加，貼近床面的上層（35～85 mm）無論是絕對的輸沙量、亦是相對的輸沙量都減少。無論總輸沙率有無變化，隨著風(fēng)速的增大，增加了沙粒搬運高度，使近床面氣流中搬運的沙量都相對減少，處于未飽和狀態(tài)，加強了沙質(zhì)地表的可風(fēng)蝕性。

（2）各層輸沙率最大值均出現(xiàn)在風(fēng)速為8 m·s-1左右，波動較為顯著，最小值出現(xiàn)在6.5m·s-1左右，波動不明顯；當(dāng)風(fēng)速＜8 m·s-1時，風(fēng)速對輸沙率的影響高度主要在0～35 mm內(nèi)。

（3）沙塵天氣中，輸沙率隨風(fēng)速的增大而增加，主要集中于貼地層0～35 mm，但各層之間又有明顯的波動變化，最大值出現(xiàn)在5～15 mm高度，最小值出現(xiàn)在35～85 mm高度。揚沙天氣，風(fēng)速>9.2 m·s-1時，輸沙率最大值在0～5 mm處。沙塵暴天氣，各層輸沙率變化趨勢與揚沙天氣相似，拐點風(fēng)速為7.5 m·s-1，＜7.5 m·s-1時，輸沙率增加不顯著，＞7.5 m·s-1，輸沙率增加顯著。