塔克拉干沙漠腹地沙塵暴天氣下風速脈動特征

鄭先念, 楊興華, 何 清,4, 金莉莉, 楊 帆,艾力·買買提依明, 周成龍, 張建濤

(1.新疆氣候中心, 烏魯木齊 830002; 2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所, 烏魯木齊 830002;3.中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地, 新疆 塔中 841000; 4.新疆氣象臺, 烏魯木齊 830002)

瞬時風速和平均風速隨時間的變化總趨勢是一致的，風沙研究中通常將平均風速代替瞬時風速來研究風對輸沙量的影響，這種處理易于掌握風沙運移的宏觀特征[1]。但也有局限性，因為自然狀態(tài)下引起沙粒運動的風幾乎是湍流的，各點的流速大小和方向隨時間脈動表現(xiàn)出一定的陣性特征[2]。如果不考慮風速脈動，根據(jù)定常風速計算得到的地表輸沙過程是平穩(wěn)的，而野外實際輸沙過程非平穩(wěn)且具有一定結(jié)構(gòu)特征[3]。并且風速變化的周期、頻率對輸沙量有很大影響[4]，因此需要考慮風速的脈動性。前人研究還發(fā)現(xiàn)風速脈動使床面沙粒受到躍移上升力和剪切力，引發(fā)沙粒振動，使沙粒易于起運[5]，影響沙粒的躍移軌跡，且風速脈動與輸沙率之間具有良好的相關(guān)關(guān)系，而沙粒的運動又可以影響風速脈動，進而影響沙粒自身的輸移[6]。所以湍流對于風沙輸移有重要的意義。

脈動風速在沙漠一綠洲過渡帶典型下墊面(裸樣沙地、檉柳樣地和駱駝刺樣地)上都近似服從高斯分布，風速脈動規(guī)律沒有因植被的存在而發(fā)生改變[7]，在晴天和沙塵暴天氣下，近地表風速與風速脈動強度呈正相關(guān)，并受到沙塵一定的抑制作用[8]。風速脈動強度和風速脈動的相對值整體上都隨著植被覆蓋面積的增大呈增大趨勢[9]。而在戈壁地表風速脈動具有非平穩(wěn)性，隨著風速增強而增大，尤其是在大風天氣下研究風蝕不能忽略風速的脈動性[10]。同時，通過對北方兩次沙塵天氣的研究發(fā)現(xiàn)，沙塵暴期間大氣中可吸入顆粒物的濃度與風速存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[11]。能見度、PM10，PM2.5也隨風速脈動而產(chǎn)生波動變化，地面風速、PM10，PM2.5之間相互作用，呈明顯脈動特征[12]。

作為世界第二大流動沙漠，塔克拉瑪干沙漠不僅是我國沙塵暴頻發(fā)地區(qū)之一，也是亞洲沙塵暴產(chǎn)塵的重要源地，該地區(qū)大風條件下?lián)P起的沙塵會隨著高空西風環(huán)流影響整個東亞地區(qū)。然而，前人針對野外沙塵暴天氣條件下的沙漠腹地近地表80 m高度范圍的風速脈動特征及影響的研究較少。鑒于此，通過野外實測塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵暴天氣條件下的風速資料分析不同高度風速脈動特征，完善了沙漠腹地風與沙粒運動的關(guān)系、防沙治沙以及風沙互饋機制等方面的研究[13]，為進一步研究湍流情況下風蝕和風揚粉塵釋放奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區(qū)(83°39′E，38°58′N)。該地區(qū)氣候極端干旱，植被稀少，地表為流沙覆蓋，只有塔中作業(yè)區(qū)所在的壟間地有人工建造面積約為2×2 km2地形呈NE—WS走向的人工綠地，種植有梭梭、檉柳、駱駝刺和一些野生蘆葦?shù)裙躺衬秃的望}堿的植物，生長高度夏秋兩季高度可達2 m左右，覆蓋度較高。試驗站位于塔中作業(yè)區(qū)內(nèi)東面為高大縱向沙隴，西面為坡度相對平緩的縱向沙隴，北面距沙漠公路1.2 km，沙漠公路兩側(cè)也是人工種植的固沙植物，其余多為流沙地表；該區(qū)年平均氣溫為13.6℃，極端最高氣溫達46.0℃，極端最低氣溫達-32.0℃；平均年降水量25.9 mm左右，平均年蒸發(fā)量高達3 812.3 mm；平均年風速為2.3 m/s，平均年揚沙日數(shù)為59.6 d，平均年沙塵暴日數(shù)為15.8 d，主導風向以NE，NNE主[14]。

1.2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

采用風速和風向資料來自于安裝在沙壟間谷地的80 m鐵塔梯度探測系統(tǒng)，鐵塔共有10個呈對數(shù)間距分布的測量梯度，高度分別為0.5 m，1 m，2 m，4 m，10 m，20 m，32 m，47 m，63 m和80 m，因為風速在近地層呈對數(shù)分布。探測的基本要素為：溫度、濕度、氣壓、風速和水平風向等。其中風速儀采用英國Gill公司生產(chǎn)的WindObserver Ⅱ型二維風速風向傳感器，啟動風速0.01 m/s,風速量程為0～75 m/s；風向測量范圍0°～359°，分辨率為1°，觀測的風速和風向數(shù)據(jù)有3 s數(shù)據(jù)、5 s數(shù)據(jù)、10 s數(shù)據(jù)和分鐘平均數(shù)據(jù)及小時平均數(shù)據(jù)。本文計算風速脈動特征采用3 s間隔觀測的數(shù)據(jù)，分別選取了北京時間2018年5月20日15：26—15：35風向為NNE，5月24日16：39—16：48風向為ENE的兩次典型沙塵暴天氣的數(shù)據(jù)；計算風速脈動與能見度，PM10，PM2.5關(guān)系采用的是1 min間隔觀測的風速數(shù)據(jù)(為了與能見度、PM10，PM2.5采集間隔時間一致)，PM10，PM2.5采用的是Grimm180觀測的1 min間隔的數(shù)據(jù)，選取的是2018年5月24日15：36—18：15(北京時)一次沙塵暴過程的數(shù)據(jù)。

脈動風速值以瞬時風速與相應時段10 min平均風速之差表示，用以反映風速波動幅度；以脈動風速的均方根表示風速脈動強度(uv)：

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 風速脈動

圖1，2可看出，不同高度風速脈動值在時間序列上波動性均具有一致性，即同步增大或減小，脈動頻率不穩(wěn)定，無明顯周期性，說明自然風除具有脈動性外，還有間歇性特點。2次沙塵暴天氣過程的風速脈動最大波動幅度分別為13.59 m/s和10.09 m/s，最小值波動幅度分別也達到了7.53 m/s，6.58 m/s，這么大的脈動風速對輸沙過程定會產(chǎn)生很大的影響，因為根據(jù)定常風速計算得到的地表輸沙過程是平穩(wěn)的，而野外實際輸沙過程非平穩(wěn)且具有一定結(jié)構(gòu)特征[3]。同時,相鄰高度間均具有顯著相關(guān)性，經(jīng)計算相關(guān)系數(shù)均大于0.49、5月20日相鄰高度相關(guān)性在0.49以上、5月24日相鄰高度相關(guān)性在0.62以上，不同高度間相關(guān)性不是很顯著，高度間隔越大相關(guān)性越不顯著。

圖1 5月20日沙塵暴天氣條件下風速脈動變化

圖2 5月24日沙塵暴天氣條件下風速脈動變化

各高度層脈動風速概率分布近似符合高斯函數(shù)，且高度越高，概率分布擬合曲線越陡，脈動風速分布越集中。2次沙塵暴天氣下風速脈動的波動范圍在0.5～10 m高度層內(nèi)均隨高度的增高而增大，以0.5 m高度的風速脈動強度與其他高度的表現(xiàn)最顯著，風速脈動值在0.5 m高度層分別為-3.21～4.32 m/s，-2.77～3.81 m/s，到了10 m高度層上為-5.91～5.16 m/s，-4.78～5.49 m/s；而在32～80 m高度層上脈動風速的波動范圍隨著高度越高而減小，20 m高度層的波動范圍5月20日為-6.42～4.99 m/s，5月24日為-4.50～4.42 m/s，80 m高度層的波動范圍5月20日為-4.04～3.97 m/s，5月24日為-4.76～3.16 m/s。由此進一步驗證脈動風速的分布規(guī)律與高度無關(guān)，高度僅對脈動風速的波動范圍和概率分布的集中性產(chǎn)生影響。

2.2 風速脈動強度

從表1，2可知，2次沙塵暴天氣條件下，隨著高度的降低和風速平均值減小，風速脈動強度呈先增長后降低的趨勢，側(cè)面驗證了風速脈動范圍隨高度的增大而先增后減小的規(guī)律。具體表現(xiàn)為，5月20日的沙塵暴天氣下，除2 min和10 min時段的外，其他各時段在20 m高度層上風速脈動強度達到最大值，在0.5～20 m高度范圍內(nèi)均隨高度的增高而增大、在20～80 m范圍內(nèi)整體呈減小后增大的趨勢，2 min和10 min時段則是在10 m高度上增長到最大值隨后呈曲線增大的變化趨勢。5月24日的沙塵暴天氣下，除2 min，4 min和5 min時段外，同樣在其他各時段風速脈動強度在20 m高度達到最大值，在0.5～20 m高度范圍內(nèi)呈隨高度的增高而增大、而20～80 m高度范圍內(nèi)脈動強度呈先降低后增的規(guī)律。2 min，4 min和5 min時段則是在10 m高度上增長到最大值隨后呈曲線增大的趨勢。因為風速脈動強度隨著不同高度間風速增加的幅度而變化。

在同一高度層和時距上，風速脈動強度與平均風速正相關(guān)，即風速脈動強度值隨平均風速值的增大而增大，如10 m高度層10 min時距上風速平均值分別為5月20日11.97 m/s，5月24日9.24 m/s，相對應風速脈動強度值分別為2.41 m/s，2.09 m/s，風速脈動、風速脈動強度均與風速相關(guān)，風速越大，風速脈動和風速脈動強度越大。相同高度不同時距上，風速脈動強度隨平均風速的變化上比較復雜，總體呈現(xiàn)出時距越長風速脈動強越大，如10 m高度層風速脈動強度值，在1 min時距為5月20日是1.52 m/s，5月24日是0.90 m/s，而增10 min時距為5月20日增到1.60 m/s，5月24日增到1.21 m/s，同時，風速平均值隨時距增長則呈現(xiàn)出減小的變化規(guī)律。因為不同時距的風況資料反應真實情況的準確度不同[17]平均風速時距越小，越接近瞬時風速狀態(tài)，所以計算平均風速的時段越小，算出的輸沙率的值更精確。

表1 5月20日沙塵暴天氣下不同高度平均風速、脈動強度和湍流度隨時間的變化

同樣，2次沙塵暴天氣下的湍流度0.04～0.35之間變化，屬于高湍流強度，80 m高度范圍內(nèi)均與高度成反比關(guān)系，隨著高度的增高而減?。坏讓?.5 m和1 m高度湍流度較大，原因是檉柳和梭梭等植物冠層對該高度層平均風速消減的結(jié)果。

2.3 風速脈動與水平能見度、PM10，PM2.5濃度變化

圖3看出，沙塵暴發(fā)生前，能見度都保持在1 100 m以上，PM10濃度維持在4 000 μg/m3以下波動，PM2.5濃度在800 μg/m3以下。沙塵暴發(fā)生時，PM10濃度在瞬間上升到4 500 μg/m3，PM2.5濃度也上升到800 μg/m3以上，沙塵暴過程中能見度降到700 m以下。沙塵暴后，轉(zhuǎn)化成揚沙天氣，空氣中含有大量的氣溶膠，短時間內(nèi)能見度還比較低，但開始呈現(xiàn)上升趨勢，PM10，PM2.5濃度最大值區(qū)域?qū)芤姸茸畹蛥^(qū)域，沙塵暴過程中，能見度都維持在1 000 m以下，而PM10濃度值多次達到峰值6 500 μg/m3，PM2.5濃度值也多次達到1 000 μg/m3以上，峰值到達了1 355.9 μg/m3。沙塵暴過后能見度呈上升趨勢，對應PM10，PM2.5濃度值呈波動下降趨勢，因為沙塵暴結(jié)束后天氣轉(zhuǎn)為揚沙天氣。

分析圖4，5可知，風速波動與PM10，PM2.5/能見度分別呈現(xiàn)明顯的正/反向變化，風速波動與PM10，PM2.5濃度增大，能見度減小，其中PM10達到6 500 μg/m3時不隨風速的變化而變化。沙塵暴發(fā)生時，瞬時風速峰值達到10.50 m/s時，PM10，PM2.5的濃度值最高處于6 500 μg/m3，1 355.9 μg/m3，能見度也達到最低值。地面產(chǎn)生強風，使得沙塵粒子懸浮在空氣中，一旦風速減小，受到重力沉降作用，懸浮在近地面的PM10，PM2.5迅速增加。此后伴隨著風速的周期波動，PM10，PM2.5的濃度也相應作出調(diào)整，直到沙塵結(jié)束減小到3 000 μg/m3，6 009 μg/m3，能見度又升回1 000 m以上。由于沙塵暴結(jié)束后天氣轉(zhuǎn)為揚沙天氣，所以沙塵暴過后，風速沒有驟減，而是隨時間的變化呈波動減小。

表2 5月24日沙塵暴天氣下不同高度平均風速、脈動強度和湍流度隨時間的變化

圖3 能見度與PM10，PM2.5變化

圖4 地面風速與PM10，PM2.5隨時間的變化

圖5 地面風速與能見度隨時間的變化

圖6 風速脈動與PM10，PM2.5隨時間變化

為了更加詳細了解風速脈動對PM10，PM2.5濃度值的影響，圖6給出他們之間的關(guān)系。從圖6可見，本次沙塵暴出現(xiàn)時，風速脈動最大值達到2.93 m/s，對應PM10，PM2.5濃度值也達到了第一次的峰值，隨后風速脈動仍然存在，其值基本維持在-2.75～3.45 m/s，PM10，PM2.5濃度值隨之出現(xiàn)躍增趨勢，而負風速脈動除少數(shù)幾個點外均未出現(xiàn)PM10，PM2.5濃度值相應增加現(xiàn)象。根據(jù)風速脈動定義，風速脈動為正值，意味著短時間內(nèi)的瞬時風速大于平均風速，因此能搬運沙粒的數(shù)量較多，相應空氣中PM10，PM2.5濃度值增大。

3 討 論

通過對塔克拉瑪干沙漠塔中地區(qū)人工綠地的風速脈特征分析發(fā)現(xiàn)，在風速脈動強度隨高度的變化方面與前人[7-8]在塔克拉瑪干沙漠南緣分析得出的隨高度的降低而降低不同,筆者認為，一方面這是由于所選的高度層不同，本文所選的是近地層80 m高度范圍。另一方面是本文研究區(qū)的下墊面為植被覆蓋的壟間谷地地形。至于不同風速下(5月20日的風速明顯比5月24日的大)風速脈動強度隨高度和的變化在1 min、和2 min，4 min，5 min，10 min時段與其他時段變化上不一致，這主要是瞬時風速具陣性特征所致。

PM10和PM2.5在沙塵暴發(fā)生和結(jié)束時的變化與沈潔等在民勤研究的結(jié)果不同，筆者認為，一是二者研究時所用時間尺度不同，本文采用的是分鐘數(shù)據(jù)，而沈潔等用的是小時數(shù)據(jù)；二是本文研究僅研究沙塵暴過程的變化情況，沙塵暴開始前和結(jié)束后都是揚沙天氣，因此沒出現(xiàn)突增突降現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1) 脈動風速相鄰高度間均具有顯著相關(guān)性，高度間隔越大相關(guān)性越不顯著。脈動風速近似符合高斯函數(shù)。風速脈動隨高度的變化上，呈現(xiàn)出在0.5～32 m高度層脈動風速的波動范圍整體上隨高度的增高而增大，而在32～80 m高度層脈動風速的波動范圍與高度成反比，高度越高，波動范圍越小。

(2) 風速脈動強度在0.5～20 m高度范圍內(nèi)呈隨高度的增高而增大、而20～80 m高度范圍內(nèi)脈動強度呈先降低后增的規(guī)律。同一高度層上風速平均值隨時距增長則呈現(xiàn)出減小的變化規(guī)律。2次沙塵暴天氣下的湍流度在0.04～0.35之間變化，屬于高湍流強度，80 m高度范圍內(nèi)均與高度成反比關(guān)系，并隨著高度的增高而減小。

(3) 沙塵暴過程中地面風速的大小對水平能見度、PM10，PM2.5具有直接影響。因為風對沙塵粒子的搬運具有直接動力作用，所以風速脈動變化與水平能見度呈現(xiàn)反比關(guān)系，與PM10，PM2.5呈正比關(guān)系。