塔克拉瑪干沙漠腹地和北緣典型天氣近地層風速廓線特征

李漢林，何 清，金莉莉

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地，新疆 烏魯木齊 830002)

引 言

大氣邊界層是大氣最底層，靠近地球表面、受地面摩擦阻力影響的大氣層區(qū)域，且其中風速等氣象要素的垂直廓線特征一直是大氣科學研究中關注的重點[1-3]。我國西北干旱荒漠地區(qū)由于其獨特的大氣邊界層特征，在我國天氣氣候和環(huán)境系統(tǒng)中占有重要地位。西北干旱區(qū)陸-氣相互作用試驗(NWC-ALIEX)發(fā)展了大氣邊界層局地相似理論，揭示了干旱區(qū)極端深厚大氣邊界層特征[4-6]；TAKEMI[7]利用氣象探空資料研究中國西北干旱區(qū)大氣邊界層特征，從其殘余層特征推測出對流邊界層厚度可超過4 km；喬娟等[8]用L波段雷達探空系統(tǒng)和衛(wèi)星遙感反演溫度廓線，發(fā)現(xiàn)敦煌冬季大氣邊界層厚度只有盛夏的1/4左右，證實了干旱區(qū)盛夏晴天出現(xiàn)深厚對流邊界層具有一定的普遍性。

風速廓線是指風速隨高度的分布曲線，在近地層從弱穩(wěn)定到強逆溫的穩(wěn)定層結(jié)范圍內(nèi)，風速廓線的對數(shù)-線性規(guī)律都是適用的[9-11]。穩(wěn)定層結(jié)時，大氣特性在垂直方向上變化較明顯，需要按照不同的高度層分別研究其風速變化規(guī)律[12]。塔克拉瑪干沙漠大氣邊界層是西北地區(qū)地表起沙并進入大氣環(huán)流的物質(zhì)通道，而風速是起沙的關鍵因素[13]，貼地層風速對形成沙漠表面地形有重要作用[14]；沙漠腹地春季晴天和陰天條件下近地層風速廓線有日夜之分，且近似遵循對數(shù)規(guī)律[15-16]；中低空風速存在冬季隨高度迅速增大，夏季隨高度變化緩慢增加的特征[17]；沙漠腹地晴天夜間穩(wěn)定邊界層頂風速隨時間推移而增大[18]。然而眾多研究中對塔克拉瑪干沙漠北緣與腹地的風速廓線特征的對比研究甚少，近地層風速廓線規(guī)律的研究對于了解近地層氣象學特征，以及深入研究沙漠沙塵暴的形成規(guī)律，為風能資源的開發(fā)利用、環(huán)境污染治理等提供參考[19]。

本文利用中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所塔中和肖塘觀測塔梯度探測系統(tǒng)2018年近地層氣象要素觀測資料，對比分析南北跨距200多km，海拔差155 m的塔克拉瑪干沙漠腹地塔中與北緣肖塘兩地在典型天氣下近地層風速廓線特征，以期為明確塔克拉瑪干沙漠腹地與北緣地區(qū)近地層流場結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，提高對干旱沙漠地區(qū)陸氣過程的認識，從理論上更好地指導防沙治沙工程，并為沙漠地區(qū)的油氣開發(fā)以及風能產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面提供更系統(tǒng)的氣象服務。

1 研究區(qū)域概況

塔克拉瑪干沙漠(36°52′N—42°19′N、75°12′E—88°10′E)位于塔里木盆地中央，南北寬約600 km，東西長約1130 km，總面積約33.76×104km2，是世界第二大沙質(zhì)沙漠，也是中國最大的沙漠。塔中(38°58′N，83°39′E，海拔1099.3 m)地處塔克拉瑪干沙漠腹地，年平均風速2.3 m·s-1，年平均氣溫13.62 ℃，年平均降水量25.9 mm，年蒸發(fā)量高達3798.5 mm，氣候極端干旱，以連片流動沙丘為下墊面，常見天氣為浮塵、揚沙和沙塵暴。肖塘(40°50′N、84°10′E，海拔943.9 m)地處塔克拉瑪干沙漠北緣，氣候干燥，年平均降水量15.2 mm，年均氣溫12.4 ℃，年平均風速2.5 m·s-1，以較平坦的風蝕裸露古河床為下墊面，并覆蓋有稀疏植被，常見天氣有沙塵、塵卷風和沙塵暴[20-21]。

2 數(shù) 據(jù)

所用資料為塔克拉瑪干沙漠北緣肖塘梯度鐵塔和沙漠腹地塔中梯度鐵塔(圖1)風速觀測資料，其中塔中80 m梯度鐵塔為10層(0.5 m、1 m、2 m、4 m、10 m、20 m、32 m、47 m、63 m、80 m)，肖塘100 m梯度鐵塔為11層(0.5 m、1 m、2 m、4 m、10 m、20 m、32 m、47 m、63 m、80 m和100 m)，鐵塔探測近地層1 h風速變化。為保證對比時高度的一致性，剔除肖塘梯度鐵塔100 m高度風速數(shù)據(jù)。肖塘和塔中梯度鐵塔風速傳感器均采用國際公認的先進探測傳感器。二維超聲風速傳感器為英國GILL公司生產(chǎn)的Wind Observer 65，風速量程為0～65 m·s-1，最高分辨率為0.01 m·s-1。2018年1—5月塔中80 m梯度鐵塔47 m高度處數(shù)據(jù)缺失，數(shù)據(jù)處理時剔除。時間采用地方時，塔中地方時與北京時差為2 h 25 min 47 s，肖塘地方時與北京時差為2 h 22 min 48 s。

典型晴天結(jié)合晴空指數(shù)0.7以上和總云量0成指標進行綜合判別，選取2018年1月、4月、7月和9月中所有典型晴天的平均狀態(tài)分別代表塔中和肖塘冬季、春季、夏季和秋季晴天，兩地四季晴天氣象參數(shù)見表1；選取全年內(nèi)總云量10成的所有天氣平均狀態(tài)代表典型陰天；選取全年內(nèi)所有降水天氣的平均狀態(tài)代表降水典型天氣；選取全年內(nèi)所有浮塵和揚沙天氣的平均狀態(tài)代表浮塵和揚沙典型天氣；平均狀態(tài)文中采用小時平均數(shù)據(jù)。選取2018年5月24日塔中和肖塘兩地過境的一次沙塵暴過程作為典型沙塵暴天氣。

圖1 觀測站點位置(a)和塔中(b)、肖塘(c)梯度觀測塔(陰影為海拔高度，單位：m)Fig.1 Location of observation stations (a) and observation towers at Tazhong (b) and Xiaotang (c)(the shaded for altitude, Unit: m)

表1 塔中和肖塘地區(qū)典型晴天氣象要素Tab.1 The meteorological elements under typical sunny weather condition in Tazhong and Xiaotang areas

3 結(jié)果與討論

3.1 晴天天氣下近地層風速日變化四季對比

圖2為2018年塔中和肖塘地區(qū)春季典型晴天近地層風速日變化?？梢钥闯觯泻托ぬ链杭镜湫颓缣焱粫r次風速隨高度的增高而增大，32 m為風速轉(zhuǎn)換層，高層(63～80 m)風速明顯大于低層(0.5～32 m)，夜間(20:00—08:00)上下層風速差較大，白天(08:00—20:00)上下層風速差較小，這是因為白天邊界層更強的湍流運動，造成上下層動量交換強度大于夜間。0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中最大風速13.55 m·s-1出現(xiàn)在17:00 80 m高度處，最小風速0.26 m·s-1出現(xiàn)在05:00貼地層0.5 m高度處，而肖塘最大風速9.58 m·s-1出現(xiàn)在03:00 80 m高度處，最小風速0.65 m·s-1出現(xiàn)在00:00 0.5 m高度處(表2)。

圖3為2018年塔中和肖塘地區(qū)夏季典型晴天近地層風速日變化?？梢钥闯?，塔中和肖塘夏季典型晴天低層風速白天大于夜間，高層風速夜間大于白天。0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中從08:00開始風速增大，肖塘從09:00開始風速增大，隨著太陽高度角的逐漸增大，大氣湍流交換加強，各層風速開始迅速增大，塔中最大風速7.58 m·s-1出現(xiàn)在23:00 80 m高度處，最小風速0.18 m·s-1出現(xiàn)在22:00 0.5 m高度處，而肖塘最大風速8.20 m·s-1出現(xiàn)在02:00 80 m高度處，最小風速為0.30 m·s-1出現(xiàn)在00:00 0.5 m高度處(表2)。進入夜間，地面輻射冷卻，湍流交換減弱，風速逐漸減小，其中0.5～10 m高度風速減小趨勢最明顯，塔中平均風速在1 h內(nèi)減小0.82 ～1.04 m·s-1，肖塘平均風速在1 h內(nèi)減小1.00～1.86 m·s-1。

圖2 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)春季典型晴天近地層風速日變化Fig.2 The diurnal variation of near-surface wind speed under typical sunny weather condition in spring in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

表2 塔中和肖塘地區(qū)典型晴天風速變化Tab.2 The variation of wind speed under typical sunny weather condition in Tazhong and Xiaotang area

圖3 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)夏季典型晴天近地層風速日變化Fig.3 The diurnal variation of near-surface wind speed under typical sunny weather condition in summer in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

圖4為 2018年塔中和肖塘地區(qū)秋季典型晴天近地層風速日變化?？梢钥闯?，與夏季相似，塔中和肖塘秋季典型晴天低層風速白天大于夜間，高層風速夜間大于白天。0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中從07:00開始風速增大，肖塘從10:00開始風速增大，白天風速增加幅度比夜間小，塔中最大風速8.66 m·s-1出現(xiàn)在22:00 80 m高度，最小風速0.16 m·s-1出現(xiàn)在23:00 0.5 m高度處，而肖塘最大風速6.77 m·s-1出現(xiàn)在00:00 80 m高度處，最小風速0.16 m·s-1出現(xiàn)在20:00 0.5 m高度處。塔中和肖塘秋季典型晴天風速仍然保持隨高度增高而增大的趨勢，塔中夏季典型晴天全天各高度上的風速曲線比秋季更緊密，肖塘則相反，說明塔中80 m內(nèi)風速差夏季比秋季小，肖塘80 m內(nèi)風速差夏季比秋季大。

圖5為2018年塔中和肖塘地區(qū)冬季典型晴天近地層風速日變化。可以看出，2018年塔中和肖塘地區(qū)冬季典型晴天各高度風速值較其他季節(jié)偏小，0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中近地層風速最大不超過6 m·s-1。肖塘風速最大不超過5 m·s-1，塔中從09:00開始風速增大，肖塘從10:00開始風速增大，塔中最大風速5.47 m·s-1出現(xiàn)在00:00 80 m高度處，最小風速0.18 m·s-1出現(xiàn)在09:00 0.5 m高度處，而肖塘最大風速4.30 m·s-1出現(xiàn)在06:00 80 m高度處，最小風速0.15 m·s-1出現(xiàn)在03:00 0.5 m高度處。

綜上所述，在近地層0.5～80 m上下層之間有兩種變化狀態(tài)，高層風速夜間大于白天，低層風速白天大于夜間。塔中和肖塘風速冬季最小，夏季較大，呈典型的內(nèi)陸型風速特征。

圖4 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)秋季典型晴天近地層風速日變化Fig.4 The diurnal variation of near-surface wind speed under typical sunny weather condition in autumn in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

圖5 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)冬季典型晴天近地層風速日變化Fig.5 The diurnal variation of near-surface wind speed under typical sunny weather condition in winter in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

3.2 晴天近地層風速廓線季節(jié)變化

表3列出2018年塔中和肖塘地區(qū)不同典型天氣條件下的近地層風速?？梢钥闯?，春季典型晴天塔中和肖塘平均風速分別為2.34和1.91 m·s-1。0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中23:00風速梯度(80 m與0.5 m高度風速差值)最大(7.56 m·s-1)，06:00風速梯度最小為3.02 m·s-1；肖塘00:00風速梯度最大為5.85 m·s-1，20:00風速梯度最小為2.65 m·s-1，塔中整體風速梯度大于肖塘。同時因沙漠地表白天近地層大氣層結(jié)穩(wěn)定，湍流交換微弱，夜間大氣層結(jié)不穩(wěn)定，湍流加強，導致兩地夜間風速皆大于白天[22]。

風速隨高度的變化很大程度上取決于大氣層結(jié)的穩(wěn)定性，由于夜間和白天大氣層結(jié)性質(zhì)明顯不同，可分為夜間穩(wěn)定層結(jié)的風速廓線和白天不穩(wěn)定層結(jié)的風速廓線[23]。夜間地面輻射冷卻，近地層大氣呈現(xiàn)逆溫特征，溫度層結(jié)不利于湍流發(fā)展。圖6為2018年塔中和肖塘地區(qū)春季典型晴天近地層風速廓線?？梢钥闯?，02:00—08:00，塔中風速廓線向下凹，說明此時塔中地區(qū)近地層大氣層結(jié)處于穩(wěn)定狀態(tài)，而肖塘全天內(nèi)的風速廓線向上凹，說明肖塘地區(qū)近地層大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)[24]。塔中各層風速較肖塘復雜，00:00—08:00層結(jié)越來越穩(wěn)定，風速變小，加上周圍地形及下墊面的影響，使其風速廓線在4 m處出現(xiàn)拐點，拐點以下高度風速基本符合對數(shù)規(guī)律，拐點以上風速符合對數(shù)-線性規(guī)律。

表3 2018年塔中和肖塘地區(qū)不同典型天氣下近地層風速Tab.3 The near-surface wind speed under different typical weather conditions in Tazhong and Xiaotang area in 2018

圖6 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)春季典型晴天近地層風速廓線Fig.6 The profiles of near-surface layer wind speed under typical sunny weather condition in spring in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

肖塘地區(qū)為荒漠-綠洲復雜下墊面，風速廓線比塔中更為平滑，06:00和08:00塔中風速廓線在4 m、10 m、20 m、32 m和63m處皆存在紊亂拐點。10:00—18:00塔中和肖塘10 m以上高度，風速隨高度變化較小，風速廓線近似呈鉛直分布，這是由于白天受太陽輻射影響，近地層大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著不穩(wěn)定度的增大，湍流混合作用因熱力不穩(wěn)定而不斷加強，上下層之間動量交換增大，導致風速切變不斷減小。

夏季晴天，0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中和肖塘日平均風速分別為2.09和2.34 m·s-1，塔中23:00風速梯度最大為7.38 m·s-1，06:00風速梯度最小為1.21 m·s-1；肖塘02:00風速梯度最大為7.48 m·s-1，10:00風速梯度最小為0.40 m·s-1。這說明位于沙漠腹地的裸沙地塔中具有較強的沙漠氣候特點，而位于沙漠北緣的肖塘地區(qū)，由于更靠近綠洲，地面的稀疏植被增大了地表粗糙度Z0，降低地表風速 ，這種效應造成植被覆蓋的地表和裸地之間的小氣候差異。同時因夏季氣溫升高，肖塘地區(qū)近地層動力湍流運動增大，平均風速和風速梯度皆大于塔中。

圖7為2018年塔中和肖塘地區(qū)夏季典型晴天近地層風速廓線?？梢钥闯?，夏季典型晴天，塔中和肖塘白天和夜間風速廓線的分布差異很大。塔中地區(qū)02:00—10:00風速廓線無明顯分布規(guī)律，風速梯度變化范圍為0.70～2.02 m·s-1。肖塘地區(qū)20:00至次日06:00，風速隨高度增高而增大，這是由于入夜后出現(xiàn)逆溫并不斷加強，層結(jié)作用很弱，貼地層趨于靜風。08:00—18:00，10 m以上風速隨高度變化較小，風速廓線呈鉛直分布，風速隨高度的分布偏離對數(shù)規(guī)律。肖塘和塔中兩地風速廓線皆在4 m高度出現(xiàn)拐點，拐點以上風速廓線偏離對數(shù)規(guī)律，拐點以下風速基本符合對數(shù)規(guī)律。

值得注意的是，在春季和夏季典型晴天下，塔中最大梯度皆出現(xiàn)在23:00，這是由于地表是裸沙的塔中地表粗糙度小于有稀疏植被覆蓋的肖塘，導致其最大風速出現(xiàn)時間比肖塘提前1～2 h。

秋季晴天0.5～80 m，塔中平均風速大于肖塘，分別為2.50和1.49 m·s-1。塔中22:00風速梯度最大為8.45 m·s-1，肖塘00:00風速梯度最大為6.38 m·s-1，兩地皆在10:00風速梯度最小，分別為1.45和0.13 m·s-1。

圖8為2018年塔中和肖塘地區(qū)秋季典型晴天近地層風速廓線?？梢钥闯觯泻托ぬ寥旄鲿r刻風速廓線在近地層4 m處皆出現(xiàn)拐點，塔中在02:00—06:00風速廓線向下凹，大氣層結(jié)處于穩(wěn)定狀態(tài)，08:00—10:00風速廓線分布波動較大，12:00—00:00風速廓線向上凹，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；肖塘在02:00—06:00風速廓線向上凹，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，12:00—18:00拐點以上風速廓線呈鉛直分布，22:00—23:00風速廓線在32 m處再次出現(xiàn)拐點，拐點以上風速隨高度的增高而減小。

圖7 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)夏季典型晴天近地層風速廓線Fig.7 The profiles of near-surface layer wind speed under typical sunny weather condition in summer in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

冬季晴天，0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中和肖塘平均風速較小，分別為1.08和1.99 m·s-1，塔中00:00風速梯度最大為5.13 m·s-1，10:00風速梯度最小為0.11 m·s-1；肖塘02:00風速梯度最大為4.45 m·s-1，16:00風速梯度最小為0.65 m·s-1，塔中平均風速梯度大于肖塘。

圖9為2018年塔中和肖塘地區(qū)冬季典型晴天近地層風速廓線。可以看出，夜間塔中風速廓線拐點高于肖塘，白天兩地風速廓線拐點出現(xiàn)高度一致。塔中10:00—14:00風速隨高度變化較小，夜間各時刻風速隨高度增高而增大，拐點出現(xiàn)在32 m處。肖塘00:00—06:00風速廓線在32 m處出現(xiàn)拐點，10:00—18:00風速廓線在4 m處出現(xiàn)拐點，拐點以上風速變化不明顯，夜間20:00、22:00和23:00 3個時刻風速廓線相似，皆在10 m處出現(xiàn)拐點，10 m以上風速廓線近似呈鉛直分布。

圖8 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)秋季典型晴天近地層風速廓線Fig.8 The profiles of near-surface layer wind speed under typical sunny weather condition in autumn in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

圖9 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)冬季典型晴天近地層風速廓線Fig.9 The profiles of near-surface layer wind speed under typical sunny weather condition in winter in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

3.3 降水天氣條件下近地層風速廓線

降水天氣下，0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中和肖塘平均風速分別為3.55和2.43 m·s-1，平均風速塔中大于肖塘。塔中在14:00風速梯度最大為5.48 m·s-1，06:00風速梯度最小為3.72 m·s-1，肖塘夜間02:00風速梯度最大為5.84 m·s-1，18:00風速梯度最小為0.40 m·s-1。沙漠降水通常比較分散和孤立，塔克拉瑪干沙漠的降水主要發(fā)生在夏季，其他季節(jié)幾乎無降水，30%的降水量屬局部小尺度對流性降水。塔中和肖塘夏季平均降水強度較弱，24 h降水量皆小于5.0 mm，屬小雨。

圖10為2018年塔中和肖塘地區(qū)降水天氣下近地層風速廓線。可以看出，塔中降水天氣下風速廓線向上凹，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。肖塘06:00—08:00風速廓線向下凹，大氣層結(jié)處于穩(wěn)定狀態(tài)，風速較小， 06:00風速廓線在47 m處存在微弱拐點，拐點以上風速隨高度增高有所增大。

圖10 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)降水天氣下近地層風速廓線Fig.10 The profiles of near-surface layer wind speed under typical rainy weather condition in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

3.4 陰天天氣下近地層風速廓線

陰天天氣下，0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中和肖塘平均風速較大，分別為4.96和3.52 m·s-1。塔中和肖塘全天內(nèi)的風速廓線分布存在一致性，皆在00:00風速梯度最大分別為8.21和7.29 m·s-1，08:00風速梯度最小，分別為2.63和1.35 m·s-1。

圖11為2018年塔中和肖塘地區(qū)陰天天氣下近地層風速廓線。可以看出，在陰天天氣下，塔中和肖塘兩地在早晚過渡時段風速廓線分布特征相似，廓線均向上凹，說明近地層大氣層結(jié)皆處于不穩(wěn)定狀態(tài)。全天內(nèi)各時刻滿足風速隨高度增高而變大的對數(shù)規(guī)律。塔中和肖塘風速廓線分別在2 m和4 m處存在拐點，且兩地白天近地層拐點以上風速差異很小，拐點以下高度兩地風速隨高度增高而增大。夜間兩地風速廓線皆不滿足對數(shù)規(guī)律，是由于近地層大氣處于逆溫狀態(tài)，溫度層結(jié)不利于湍流運動的發(fā)展。由于肖塘地面稀疏灌木植被增大了地面粗糙度，導致其任一高度的風速要比地表平滑的塔中同一高度的風速小，而且愈靠近地表兩地差別愈大。

3.5 浮塵天氣下近地層風速廓線

浮塵天氣下，0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中和肖塘平均風速分別為2.70和2.34 m·s-1，塔中04:00風速梯度最大為6.45 m·s-1，20:00風速梯度最小為3.09 m·s-1，肖塘00:00風速梯度最大為6.47 m·s-1，10:00風速梯度最小為0.27 m·s-1。

圖12為2018年塔中和肖塘地區(qū)浮塵天氣下近地層風速廓線。可以看出，在浮塵天氣下，白天塔中各高度層風速變化微小，平均風速為3.11 m·s-1，大于塔克拉瑪干沙漠臨界起沙閾值3.0 m·s-1[24]。肖塘08:00—18:00風速廓線在4 m處存在拐點，拐點以上高度層風速基本保持不變，平均風速為2.29 m·s-1，小于臨界起沙風速。夜間塔中和肖塘風速廓線均向上凹，說明兩地夜間近地層皆處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)陰天天氣下近地層風速廓線Fig.11 The profiles of near-surface layer wind speed under typical cloudy condition in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

圖12 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)浮塵天氣下近地層風速廓線Fig.12 The profiles of near-surface layer wind speed under floating dust condition in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

3.6 揚沙天氣下近地層風速廓線對比

揚沙天氣下，0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中和肖塘平均風速分別為3.85和4.15 m·s-1，肖塘大于塔中，且兩地平均風速均大于塔克拉瑪干沙漠臨界起沙閾值3.0 m·s-1[24]。塔中18:00風速梯度最大為7.77 m·s-1，06:00風速梯度最小為2.08 m·s-1，肖塘12:00風速梯度最大為7.57 m·s-1，18:00風速梯度最小為0.77 m·s-1。圖13為2018年塔中和肖塘地區(qū)揚沙天氣下近地層風速廓線?？梢钥闯觯ぬ梁退袃傻仫L速廓線滿足風速隨高度增高而增大的對數(shù)規(guī)律。

3.7 沙塵暴天氣下近地層風速廓線

沙塵暴天氣下，風速顯著增大，0.5～80 m范圍內(nèi)，塔中和肖塘平均風速較大，分別為5.42和6.40 m·s-1。塔中風速梯度14:00最大，高達8.19 m·s-1，18:00風速梯度最小為3.68 m·s-1，肖塘風速梯度10:00最大，高達10.18 m·s-1，23:00風速梯度最小，為1.76 m·s-1。

圖13 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)揚沙天氣下近地層風速廓線Fig.13 The profiles of near-surface layer wind speed under blowing sand condition in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

2018年5月24日塔中沙塵過境時段為14:24—15:11和16:06—17:22，水平能見度為511 m；肖塘沙塵暴過境時段為08:43—09:21和10:12—16:26，兩個時段水平能見度分別為100 m和50 m。

圖14為2018年塔中和肖塘地區(qū)沙塵暴天氣下近地層風速廓線。可以看出，沙塵暴天氣下，塔中和肖塘兩地全天內(nèi)各時刻風速隨高度增高而增大。肖塘和塔中的風速廓線皆向上凹，說明沙塵暴天氣下兩地近地層的大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。沙塵暴整個過程分為爆發(fā)前、過境時和間歇過渡時段。沙塵暴過境時風速要大于爆發(fā)前和間歇過渡時段。風速是起沙的直接動力條件，塔中和肖塘在沙塵暴爆發(fā)期間風速顯著增大，10 m平均風速分別為8.57和11.79 m·s-1，超過塔克拉瑪干沙漠沙塵暴爆發(fā)風速8.0 m·s-1，且在80 m處達最大，導致沙塵在空中懸浮距離增大，形成大規(guī)模起沙現(xiàn)象。在沙塵暴爆發(fā)前塔中風速逐漸增大，過境時風速廓線在貼地層4 m處出現(xiàn)拐點，拐點以上風速隨高度的增加滿足對數(shù)加線性規(guī)律，沙塵暴過境后，風速逐減小。肖塘在沙塵暴爆發(fā)前風速廓線出現(xiàn)起伏，近地層風速較小為2.93 m·s-1，已接近3.0 m·s-1的臨界起沙閾值[25]，隨著湍流加強，高層風速最先開始變大，隨著動量向下傳輸，近地面風速也開始增大，風切變明顯加強，沙塵暴結(jié)束后，風速廓線趨于垂直，風速變化幅度小。

3.8 有、無沙塵天氣下近地層風速廓線擬合

風速廓線擬合主要滿足對數(shù)規(guī)律和指數(shù)規(guī)律，對數(shù)規(guī)律和指數(shù)規(guī)律是以半經(jīng)驗理論為基礎，依據(jù)莫寧-奧布霍夫相似理論體系建立起來的風速隨高度變化的模型或改進模型。由于中性層結(jié)時大氣熱力湍流微弱，湍流運動完全取決于動力因子作用，此時的風廓線可以表示為

圖15為塔中和肖塘近地層中性層結(jié)時平均風速以及對數(shù)擬合?？梢钥闯?，塔中和肖塘近地層為中性層結(jié)時，有、無沙塵天氣下風速廓線均呈對數(shù)分布，且擬合出的決定系數(shù)R2都在0.99以上。

圖16為塔中和肖塘近地層非中性層結(jié)時平均風速以及指數(shù)擬合?？梢钥闯?，擬合結(jié)果較好，塔中和肖塘在非中性層結(jié)時風速廓線呈指數(shù)分布，擬合出的決定系數(shù)R2較高。

圖14 2018年塔中(a)和肖塘(b)地區(qū)沙塵暴天氣下近地層風速廓線Fig.14 The profiles of near-surface layer wind speed under sand and dust storm weather condition in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

圖15 塔中(a)和肖塘(b)近地層中性層結(jié)時平均風速以及對數(shù)擬合Fig.15 Mean wind speed and logarithmic fitting in neutral stratification near surface in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas

圖16 塔中(a)和肖塘(b)近地層非中性層結(jié)時平均風速以及指數(shù)擬合Fig.16 Mean wind speed and exponential fitting in non-neutral stratification near surface in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas

4 結(jié) 論

(1)在各種典型天氣下，塔中和肖塘地區(qū)風速廓線在4 m高度處皆出現(xiàn)拐點，拐點以上風速廓線滿足對數(shù)-線性規(guī)律，拐點以下基本滿足對數(shù)規(guī)律。

(2)在晴天天氣下塔中和肖塘各季節(jié)平均風速夏季>春季>秋季>冬季，白天受太陽輻射影響，近地層大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著不穩(wěn)定度的增大，湍流混合作用因熱力不穩(wěn)定而不斷加強，上下層之間動量交換增大，導致風速切變不斷減小。

(3)塔中和肖塘在沙塵暴爆發(fā)期間風速顯著增大，平均風速分別為8.57和11.79 m·s-1，超過塔克拉瑪干沙漠沙塵暴爆發(fā)風速8.0 m·s-1，且在80 m高度處達到最大風力，導致沙塵在空中懸浮距離增大，形成大規(guī)模起沙現(xiàn)象，且兩地平均風速沙塵暴>揚沙>浮塵。

(4)塔中和肖塘近地層為中性層結(jié)時風速廓線符合對數(shù)分布，非中性層結(jié)時符合指數(shù)分布，且擬合出的相關系數(shù)都較高。