塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗成果概述?

何清，金莉莉

(中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所，塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地，新疆 烏魯木齊830002)

0 引言

塔克拉瑪干沙漠面積33.76×104km2，是我國最大的沙漠，地理位置處于東經(jīng)77°～90°、北緯37°～41°之間，位于中國新疆南部塔里木盆地，東西長約1 070 km，南北寬410 km[1]．塔克拉瑪干沙漠沙塵天氣發(fā)生期持續(xù)時間長，跨越了整個春夏季節(jié)，而且西風帶可以將特強沙塵暴天氣形成的沙塵帶至數(shù)千公里以外，對我國東部區(qū)域乃至全球氣候和環(huán)境的變化都有著直接的影響．

20世紀80年代以來，中國科學家基于短期觀測先后開展了有關(guān)塔克拉瑪干沙漠的考察研究，取得了沙漠氣候領(lǐng)域的基礎(chǔ)性成果．中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所自2002年組建以來，在塔克拉瑪干沙漠開展了不同強度沙塵暴天氣野外強化觀測，獲取了沙塵暴的分級試驗指標．自2005年起，在中國氣象局和財政部的共同資助下，烏魯木齊沙漠氣象研究所先后在塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠和內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠建立了以梯度通量塔為核心的沙漠邊界層氣象觀測試驗站和風沙觀測試驗場，建成了南北縱向剖面的近地邊界層大氣觀測網(wǎng)絡(luò)，為開展沙漠及其周邊地區(qū)重大災(zāi)害性天氣預(yù)報預(yù)警提供了基礎(chǔ)資料和關(guān)鍵技術(shù)支撐．隨著沙漠大氣綜合觀測研究平臺的建立，適用于沙漠地區(qū)的邊界層探測技術(shù)和集成方法的研發(fā)，沙漠邊界層系統(tǒng)性的監(jiān)測資料和理論研究，許多諸如沙漠起伏地表非均勻性、近地層到邊界層結(jié)構(gòu)變化認識、沙漠陸面過程在氣候系統(tǒng)中的作用等問題逐步深入推進，同時，開展沙漠地氣相互作用和起沙輸送過程觀測試驗，發(fā)展和研究較為準確的描述沙漠陸面過程數(shù)值模式和參數(shù)化方案，從而為沙漠災(zāi)害性天氣的精細化觀測和中尺度數(shù)值預(yù)報模式改進提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)支撐．

鑒于此，本文試圖對塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗及有關(guān)科學問題深入思考的基礎(chǔ)上，歸納塔克拉瑪干沙漠氣象取得的研究成果及面臨的關(guān)鍵科學問題，初步提出破解非均勻下墊面沙漠氣象關(guān)鍵科學問題的基本思路，為今后繼續(xù)深入開展沙漠氣象研究提供參考．

1 塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地

中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地位于沙漠腹地塔中石油作業(yè)區(qū)，地理位置為38°58′N，83°39′E，海拔1 099.3 m．試驗基地始建于1996年7月，1999年1月1日正式納入中國氣象局國家基本氣象站，2002年建立中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所塔中大氣環(huán)境觀測試驗站，2008年納入中國氣象局國家基準氣象站，目前該站是世界上唯一深入流動沙漠腹地200 km以上的大氣科學綜合觀測試驗站，該站已連續(xù)觀測20多年．中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地觀測結(jié)果可代表塔克拉瑪干沙漠區(qū)域的大氣物理和大氣環(huán)境基本特征．基于該試驗基地觀測資料的對流動性沙漠下墊面陸氣相互作用、沙漠邊界層與湍流、沙漠大氣成分濃度及其變化研究具有代表性和參考價值，是研究流動沙漠大氣邊界層物理過程、流沙陸面過程、沙塵大氣環(huán)境十分理想的天然試驗場．該試驗基地的全邊界層探測及多種試驗數(shù)據(jù)分析得到的沙漠天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征在南疆具有區(qū)域代表性．長期的沙漠定位觀測將有力地推動我國沙漠氣象學領(lǐng)域基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作扎實開展．

2005年以來，在中國氣象局和財政部的資助下，以塔克拉瑪干沙漠腹地塔中作為試驗基地，先后建立了80 m梯度鐵塔通量探測系統(tǒng)、輻射探測系統(tǒng)、渦動相關(guān)探測系統(tǒng)以用于觀測塔克拉瑪干沙漠近地層結(jié)構(gòu)、水熱通量交換以及地表輻射能量收支．同時，引入系留氣艇探測系統(tǒng)、風廓線雷達探測系統(tǒng)和無人機探測邊界層氣象要素和沙塵濃度垂直分布．2016年在財政部的資助下，在塔中以北約220 km處肖塘流沙下墊面建立100 m梯度鐵塔通量探測系統(tǒng)（40°49′N、84°18′E，海拔932 m)，形成了沙漠腹地和北部過渡帶邊界層探測對比系統(tǒng)．

圖1 塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地位置

2 塔克拉瑪干沙漠氣象研究成果概述

20世紀70年代以來以Charney為代表的一批科學家對撒哈拉沙漠和薩赫勒地區(qū)干旱氣候形成動力學機制的反照率、熱量平衡等因素做了大量研究，發(fā)現(xiàn)高反照率使沙漠形成熱匯和空氣下沉，從而導致降水減少；反之，則降水增加[2,3]．20世紀80年代以來，Henderson Sellers[4]、Cunnington[5]等對不同下墊面反照率均進行了細致的分析研究；Hwang[6]進行了土壤濕度對裸露土表面能量平衡影響研究；Warner[7]的研究囊括了沙漠氣候的所有方面，內(nèi)容涉及大尺度和局部尺度干旱的成因、沙漠降水特征、沙塵暴、沙漠氣候變化、沙漠化、沙漠陸面物理學、沙漠大氣數(shù)值模擬及沙漠氣候?qū)θ祟惖挠绊懀峁┝耸澜缁哪貐^(qū)氣候和表面屬性的概要．

20世紀30年代以來，沙塵暴或風沙運動研究手段有了重要的進展．Bagnold的著作為風沙物理學研究奠定了基礎(chǔ)[8]．這些試驗方法在20世紀70年代以前是研究沙塵暴或發(fā)生運動的主要手段，被Chepil[9]，雅庫波夫[10]，河村龍馬[11]，Zingg[12]，Owen[13]等學者沿用．20世紀80年代后期，特別是20世紀90年代以來，由于科技水平的發(fā)展，高頻率、自動化、微小尺度的監(jiān)測儀不斷被用于風沙運動的研究中，如高速攝影監(jiān)測系統(tǒng)等[14]．

新疆作為全國荒漠面積最大的省區(qū)，有一些學者早期開展了一些邊界層與地氣相互作用的考察研究，其主要在荒漠邊緣區(qū)進行．20世紀80年代以后對塔克拉瑪干沙漠進行的綜合科學考察研究，主要研究了沙漠中諸如沙塵暴、塵卷風、風沙、強烈干旱、高溫、嚴寒、強光輻射等嚴酷環(huán)境問題，初步認識了塔克拉瑪干沙漠天氣氣候動力和熱力機制．

2.1 沙漠氣候與沙塵環(huán)境

塔克拉瑪干沙漠近50年氣候總體呈較明顯的“暖濕化”趨勢，年平均氣溫在1970年突變性地升高，降水量表現(xiàn)出增加趨勢，降水日數(shù)呈減小趨勢，降水量在1981年突變性地增多，而潛在蒸散量和地表干燥度在1981年突變性地減小．氣溫、降水、潛在蒸散量和地表干燥度分別存在準3 a、8 a的年際尺度和16 a～23 a的年代際尺度的周期性變化[15,16]．

2004年1月至2009年12月，塔克拉瑪干沙漠腹地浮塵、揚沙日數(shù)呈上升趨勢，沙塵暴日數(shù)呈下降趨勢．春、夏季沙塵天氣頻繁，總懸浮顆粒物（TSP）月平均質(zhì)量濃度高值主要集中在3—9月，其中4月和5月濃度最高（4 m高度PM10月平均質(zhì)量濃度為846.0 μg·m?3），隨后逐漸減低．塔克拉瑪干沙漠的沙塵暴多為系統(tǒng)性沙塵暴，沙塵暴期間沙塵顆粒物濃度最高，且風速越大顆粒物濃度越高，80 m高度PM10濃度遠高于PM2.5和PM1.0濃度，而80 m高度PM2.5和PM1.0質(zhì)量濃度明顯低于4 m高度的，且沙塵濃度日變化規(guī)律與風速的晝夜變化完全一致[17?21]．風速達到3.6 m·s?1之后黑碳氣溶膠濃度隨風速不斷增大，不同風向時黑碳氣溶膠濃度水平有較明顯的差異[22?24]．

沙塵氣溶膠輸送至空中，改變了太陽輻射在地表的吸收和能量分配，這種特殊的天氣背景必然使得塔克拉瑪干沙漠的熱力作用有其自身的特殊性[25]．塔克拉瑪干沙漠腹地氣溶膠對635 nm太陽輻射的散射作用最大，其次是525 nm，最小為450 nm．以上三波段散射系數(shù)日變化與PM10質(zhì)量濃度一致，呈單峰變化：夜間高、白天低；三波段散射系數(shù)年變化基本一致，都與PM10變化接近；三波段散射系數(shù)均是沙塵暴下最大，揚沙次之，浮塵最小；三波段散射系數(shù)與PM10質(zhì)量濃度都呈顯著正相關(guān)，PM10質(zhì)量濃度與525 nm散射系數(shù)相關(guān)程度最大，450 nm次之，635 nm最小[26?28]．

在沙塵事件集中爆發(fā)的兩個主要區(qū)域（皮山—和田—民豐和肖塘—塔中），平均每年沙塵事件發(fā)生天數(shù)超過80天．該地區(qū)為沙塵暴、揚沙天氣最高的區(qū)域，但沙塵天氣發(fā)生的區(qū)域不同，沙塵暴天氣的中心在沙漠的北部（肖塘，46.9天），然而揚沙天氣的中心位置（皮山，86.4天）及浮塵事件活躍頻繁地區(qū)（民豐，113.5天）分別位于沙漠的西南部和南部邊緣．1961年至2010年沙塵暴的發(fā)生普遍減少，其中1961年至1979年發(fā)生揚沙呈上升趨勢，隨后總體呈減小趨勢．主要是沙塵事件的時間變化受大風和日氣溫的影響，其平均相關(guān)系數(shù)分別為0.46和-0.41[29]．

2.2 沙漠陸氣相互作用

2.2.1 沙漠大氣邊界層

在沙漠大氣邊界層領(lǐng)域，國內(nèi)外學者先后開展了大量的研究，取得了一些重要的研究成果．撒哈拉沙漠觀測到高達5.5 km的深厚對流邊界層，并且殘余層結(jié)構(gòu)清晰[30]，中國河西走廊地區(qū)觀測到超過4 000 m厚的對流邊界層[31]，且蘇從先等[32]于20世紀80年代在干旱區(qū)邊界層的綠洲首次發(fā)現(xiàn)了“冷島效應(yīng)”結(jié)構(gòu)．胡隱樵等[33]在20世紀90年代的“黑河試驗”中發(fā)現(xiàn)了鄰近綠洲的荒漠大氣逆濕現(xiàn)象，并總結(jié)出綠洲與荒漠相互作用下的熱力內(nèi)邊界層特征．中國敦煌發(fā)現(xiàn)該地區(qū)夏季晴空會出現(xiàn)超過4 000 m厚的對流邊界層，并且夜間穩(wěn)定邊界層高度也可超過1 000 m[34?37]；中國巴丹吉林沙漠在夏季晴天對流混合層可以達到3 000 m高度[38]，而在塔克拉瑪干沙漠腹地夏季晴空湍流發(fā)展劇烈，對流邊界層發(fā)展極為深厚，最大高度可達到4 km[39?41]，夜間穩(wěn)定邊界層月平均厚度為570 m、殘余混合層的平均厚度為2 700 m，殘余逆溫層頂蓋的平均厚度為350 m[42]．沙漠腹地人工綠地存在較強的“冷島效應(yīng)”和“濕島效應(yīng)”[43]．塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地中心和邊緣地帶局地小氣候主要表現(xiàn)在較高的風速和春、夏、秋季濕度上，而氣溫和冬季濕度分別主要受逆溫和逆濕的影響[44]．

2.2.2 沙漠陸面過程

塔克拉瑪干沙漠腹地夏季夜間近地層存在逆溫現(xiàn)象，日間氣溫變化情況與此相反；地表輻射平衡以正值為主，地表熱量交換以湍流感熱占主導地位，地表感熱和潛熱隨著太陽高度角而變化，潛熱最大值出現(xiàn)在凌晨，感熱峰值出現(xiàn)在正午[45]．塔克拉瑪干沙漠地表感熱通量和潛熱通量的分布存在較大的季節(jié)性和區(qū)域性差異，春季感熱通量在沙漠北部有減弱的、沙漠南部有增強的趨勢，春季潛熱通量在沙漠北部、西北部有減弱的趨勢，沙漠南部、東南部有增強的趨勢，而冬、夏、秋季變化趨勢不是很大[46?47]．在沙漠腹地人工綠地與自然沙面，地表熱量輸送主要以感熱輸送為主，但自然沙面感熱通量更高、潛熱通量更低[48]．

2.2.2.1 沙漠太陽輻射

塔克拉瑪干沙漠受人類活動的影響非常小，太陽輻射的影響因子主要與云和沙塵氣溶膠有關(guān)[49]．塔克拉瑪干沙漠腹地總輻射、散射輻射和水平面直接輻射平均年總量分別為6 619 MJ·m?2、3 507.8 MJ·m?2和2 203.5MJ·m?2，典型晴天總輻射日峰值分別為散射輻射的2.4倍和直接輻射的1.5倍，沙塵暴天散射輻射值增加到與總輻射基本一致[50]．沙漠腹地的散射輻射表現(xiàn)為秋、冬季增加，并隨太陽高度角的增大呈指數(shù)遞增，大氣質(zhì)量的增加而迅速降低[51]．沙漠腹地紫外輻射平均年總量為320.7 MJ·m?2，最大值為62.5 W·m?2（6月），最小值為29.3 W·m?2（12月）；戶外紫外線（UVB）輻射年總量為8.59 MJ·m?2，全年峰值（6月份）為2.51 W·m?2．春、夏季沙塵頻發(fā)使紫外輻射日變化波動較大，在浮塵天、揚沙天和沙塵暴天，紫外輻射相對衰減26%、38%和45 %，沙塵導致的紫外輻射衰減是云量導致的紫外輻射衰減的2～4倍[52,53]．

2.2.2.2 沙漠土壤熱力作用

塔克拉瑪干沙漠腹地平均土壤熱容量、熱傳導率和熱擴散率分別為1.559（±0.140）×106J·m?3·K?1、0.234（±0.021）W·m?1·K?1和1.504（±0.110）×107m?2·s?1；土壤熱容量和熱傳導率具有明顯的季節(jié)性變化，冬季值穩(wěn)定且低而夏季值不穩(wěn)定且高[54]．塔克拉瑪干沙漠地表發(fā)射率在靠近綠洲的地表最高，達到0.93，在綠洲與沙漠過渡帶為0.91～0.92，沙漠其它地區(qū)為0.90～0.91，而沙漠腹地區(qū)域小于0.90[55]．塔克拉瑪干沙漠腹地和北緣地表反照年平均值為0.27[56]，反照率日均值的季節(jié)性變化明顯，冬季高、夏季低．沙漠腹地積雪覆蓋期間地表反照率在0.18～0.97之間，日均值為0.60，其日變化更偏向反“J”型，呈現(xiàn)出上午大于傍晚的形態(tài)，平均早晚較差為0.13．積雪地表反照率與地表溫度表現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.71，與5 cm深度土壤濕度呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.74[57]．塔克拉瑪干沙漠北緣不同天條件下，氣地表反照率也不同，雨天減小，雪天增大．晴空指數(shù)≤0.3時，地表反照率波動很大，土壤濕度對沙漠北緣地表反照率日變化有影響，且地表反照率對0.097～0.13范圍內(nèi)的淺層土壤濕度響應(yīng)敏感[56]．沙漠北緣地表反照率（α）和比輻射率（ε）分別為0.27和0.91，這與塔克拉瑪干沙漠腹地及北美大盆地沙漠一致，且α和ε值可從遙感產(chǎn)品獲取[58]．

塔克拉瑪干沙漠腹地1 cm處土壤熱通量年平均值為1.9 W·m?2，年最大值為334.1 W·m?2，年最小值為-184.2 W·m?2，基本表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季；土壤熱通量的各土層具有明顯的日變化特征，并在不同天氣情況下的日變化特征有一定的差異，在1 cm處受天氣影響最顯著[59]．在日變化尺度上，沙漠腹地和北緣土壤熱通量有明顯日變化特征，1月沙漠腹地土壤熱通量日平均變化幅度小于北緣，4月兩地土壤熱通量變化幅度較為接近，7、10月腹地土壤熱通量變化幅度明顯高于北緣[60]．

2.2.2.3 沙漠二氧化碳和臭氧濃度

塔克拉瑪干沙漠腹地地表白晝吸收CO2、夜間排放CO2，且吸收強度大于排放強度，CO2通量受大氣穩(wěn)定性影響較大[61]．沙漠腹地土壤呼吸速率整體偏低，但具有明顯的晝夜波動性和季節(jié)變化特征[62]．而沙漠北緣鹽堿地和流沙地的土壤呼吸速率較低[63]．土壤呼吸和微弱的氣象條件相互作用，共同調(diào)節(jié)和控制近地層CO2的濃度變化[64]．冬季土壤呼吸日變化呈現(xiàn)出顯著的單峰曲線，土壤呼吸速率與各層氣溫、0 cm地表溫度之間均具有極其顯著或顯著的正線性關(guān)系，與5 cm土壤濕度之間具有較明顯的線性關(guān)系，且0 cm地表溫度對其貢獻最大[65]．

塔克拉瑪干沙漠腹地地表臭氧的平均濃度在33.8 μg·m?3～65.3 μg·m?3之間，其平均值為49.0±0.45.μg·m?3；臭氧濃度變化具有周末效應(yīng)現(xiàn)象，即夜間變化平緩，白天變化劇烈，09:00前后達到最低值，18:00前后達到最高值．沙塵暴期間，臭氧濃度下降明顯[18]．

2.2.2.4 沙漠陸面過程關(guān)鍵參數(shù)

塔克拉瑪干沙漠腹地動力學粗糙度的范圍是2.7 ×10?5m～8.0× 10?5m，最佳值是3.88 ×10?5m[54]．塔克拉瑪干沙漠北緣動力學粗糙度（z0m）的最佳值為5.858×10?3m，與Mojave沙漠、秘魯沙漠、索諾蘭沙漠、黑河地區(qū)、巴丹吉林沙漠相似．塔克拉瑪干沙漠北緣熱力學粗糙度（z0h）的峰值為1.965×10?4m，與塔克拉瑪干沙漠腹地不同．年平均熱傳輸附加阻尼（kB?1）為2.5，與黑河地區(qū)地氣相互作用實驗研究（HEIFE）的戈壁及沙漠不同，但與青藏高原和國際水文和大氣先行性試驗（HAPEX）中的荒漠草原相似．z0m和z0h日變化不明顯，但季節(jié)變化明顯，熱傳輸附加阻尼(kB?1)日變化和季節(jié)變化均不明顯．z0m受到局地風向影響明顯．在盛行風向和反盛行風向有許多起伏的沙丘，與z0m峰值方向一致．湍流動力輸送系數(shù)（Cd）和湍流熱力輸送系數(shù)（Ch）日平均值（24小時）分別為6.34×10?3和5.96×10?3，高于塔克拉瑪干沙漠腹地和戈壁區(qū)域，與HEIFE沙漠相似．在盛行風向下（NNE—ESE），根據(jù)相似理論，平均Cd和Ch具有相同的量級．在不同風向下，Cd和Ch與風速（U）、穩(wěn)定度參數(shù)（z/L）的關(guān)系是不同的．當風速低于3 m·s?1時，且其最小值達到1 m·s?1～2 m·s?1時，Cd和Ch迅速降低．應(yīng)該指出，使用感熱通量估算的ε值比使用其它方法估算要好[58]．

2.2.2.5 沙漠湍流通量

沙漠腹地湍渦特征長度尺度在弱不穩(wěn)定或近中性條件時最大，隨不穩(wěn)定程度的增強有明顯減小的趨勢，隨穩(wěn)定程度的增加有先迅速減小后緩慢增加的趨勢[66]．近地層風速在沙塵暴過境期間具有先降低后增大的特點．在10 m高度上，動量向下輸送明顯，熱量輸送只有很小的上升趨勢；沙塵暴過境前，近地面為弱穩(wěn)定的逆溫層，空氣處于暖干的狀態(tài)，10 m高度上垂直氣流表現(xiàn)為系統(tǒng)性的下沉運動，隨著沙塵暴爆發(fā)，湍流交換顯著增強，氣流有上升運動趨勢，但強度不大，仍以水平湍能為主[67]．

在沙漠北緣大部分情況下湍流速度譜分布滿足-2/3冪指數(shù)率，垂直方向高頻段慣性副區(qū)符合程度更高，水平方向次之；CO2和H2O濃度則符合程度較低；溫度譜與無因次頻率總體上都具有很好的相關(guān)性．垂直風速與徑向風速的協(xié)譜斜率擬合值大多數(shù)情況下更接近-1，而在近中性層結(jié)條件下更符合-4/5斜線．穩(wěn)定層結(jié)條件下的協(xié)譜峰值比不穩(wěn)定層結(jié)時更大，且約大一個量級；不穩(wěn)定層結(jié)條件下高頻段協(xié)譜近直線型下降．u譜對應(yīng)的譜峰波長隨穩(wěn)定度增加而減小，v譜和T譜對應(yīng)的譜峰波長隨穩(wěn)定度的增加沒有規(guī)律性增減；u、v、w和T譜譜峰波長分別約67 m～827 m、69 m～2 417 m、4 m～54 m和12 m～661 m[68]．

2.3 風沙物理研究

2.3.1 地表環(huán)境特征

塔克拉瑪干沙漠地表土壤平均粒度為15.6 μm～250 μm，為細砂（125 μm～250 μm）、極細砂（62.5 μm～125μm）、粗粉砂（31 μm～62.5 μm）、中粉砂（15.6 μm～31 μm）或者是其混合體[69]，其中，沙漠腹地和北緣貼地層（2 m高度以下）風沙流輸沙以細砂（125 μm～250 μm）、極細砂（62.5 μm～125 μm）與粉砂為主，其中極細砂最多，占到輸沙量的43.8%～75.5%．各高度層中，粗砂（>250 μm）的含量極少[70]．風沙流所搬運的沙粒的平均粒度都集中在62.5～125 μm的極細砂范圍內(nèi)，所有沙樣的粒度都隨著高度呈遞減分布，近地面5 cm的平均粒度最大，2 m高度的平均粒度最小，說明在其它條件相同的情況下，粒度小的沙粒可以跳得更高[71]．

塔克拉瑪干沙漠腹地粒徑大于0.3 mm的沙粒透明度較好，也有少量的沙粒透明度較差，如紅色和黑色的沙粒，沙粒的表面磨蝕較為明顯，棱角較少，圓度較好．圓度值分布相對集中，大都在0.7～1.0之間，并且圓度值在0.8～0.9之間的沙粒比例最大，尤其以5 cm、10 cm和200 cm高度上的沙粒最為明顯；粒徑在0.125～0.3 mm之間的沙粒形狀各種各樣．沙粒的圓度值集中分布在0.7～1.0之間，圓度值小于0.7的沙粒占到了41.49 %；粒徑在0.074 mm～0.125 mm之間的沙粒中條形沙粒增多，沙粒的形狀更加復雜，表面的磨蝕也越來越輕，棱角也更加尖銳[72]．

2.3.2 風沙通量研究

塔克拉瑪干沙漠腹地0 cm～100 cm風沙流結(jié)構(gòu)完全符合指數(shù)分布，北緣則沒有這樣的特征．風沙流輸沙的粒徑以細沙、極細沙、粉沙為主，其中極細沙占輸沙量的43.8%～75.5%．輸沙量隨高度的增加呈下降趨勢，沙漠腹地風沙運動主要集中在近地表20 cm～30 cm范圍內(nèi)，0 cm的輸沙量可作為蠕移沙量，其約占總輸沙量的11.6%，風沙流的蠕移輸沙量方向分布與風向分布存在較大的差異．風沙流中貼地層風速廓線受風沙相互作用的影響，不再符合對數(shù)分布，更加符合冪函數(shù)分布（u=azb），擬合系數(shù)均大于0.93[70,71]．

沙漠腹地起沙風向和輸沙勢主要分布在ENE、NE及E這3個方向上[73]．沙塵天氣（沙塵暴和揚沙）過程中，隨著風速的增大，各高度層的輸沙量也隨之增大；兩種天氣過程中，沙粒的平均粒徑在垂直高度上均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢．利用Hsensit風蝕傳感器、風速儀、微梯度集沙儀器觀測的資料分析發(fā)現(xiàn)，85 mm高度范圍內(nèi)，隨風速的增加，躍移量/蠕移量之比呈負冪數(shù)函數(shù)下降，當風速在8.5 m·s?1左右時，躍移量/蠕移量之比約為8～10；風速達到6.9 m·s?1時，總躍移量最大值達1 952.01 g；風速達到7.6 m·s?1時，總?cè)湟屏孔畲笾颠_211.79g．總躍移量和總?cè)湟屏康谋戎惦S風速的增加呈指數(shù)遞減，典型天氣過程中不同風速下的總躍移量和總?cè)湟屏勘戎导s為8～24．隨風速的增大，輸沙量越來越集中在0 mm～35 mm范圍內(nèi)．集沙總量與Sensit風蝕傳感器所記錄的躍移顆粒數(shù)具有較好的線性關(guān)系，R2值平均為0.605 3，全自動集沙儀在5 cm高度上的平均集沙效率為94.3%，觀測期間，不同沙塵天氣過程的沙塵輸送量之間存在顯著差異，過寬2 cm×高5 cm截面的沙塵最大水平通量約為190.335 kg，其最小值為1.2 kg．沙塵天氣中，輸沙率的最大值出現(xiàn)在5 mm～15 mm高度，最小值出現(xiàn)在35 mm～85 mm高度．揚沙天氣中，風速大于9.2 m·s?1時，輸沙率最大值出現(xiàn)在0 mm～5 mm處．沙塵暴天氣中，拐點風速為7.5 m·s?1，其小于7.5 m·s?1時，輸沙率的增加不顯著，大于7.5 m·s?1時，輸沙率的增加顯著[74?78]．利用BSNE集沙儀觀測到沙丘頂部和平沙地沙塵水平通量均隨高度呈顯著降低趨勢，在這兩種下墊面條件下，沙塵水平通量隨高度的變化均較好地符合冪函數(shù)關(guān)系[79]．

垂直沙通量隨風速增加而增加，最大通量集中在午后．當2 m風速為2 m·s?1時，沙漠腹地和北緣垂直沙塵通量接近3 kg·m?2；當2 m風速為6 m·s?1時，腹地和北緣垂直沙塵通量為10 kg·m?2，而水平沙塵通量的量級大于垂直沙塵通量．當風速為2 m·s?1時，腹地和北緣水平沙塵通量為20 kg·m?2左右，其中腹地的值稍大；當風速為4 m·s?1時，腹地和北緣水平沙塵通量為40 kg·m?2左右，其中腹地的值較大；當風速為6 m·s?1時，腹地和北緣水平沙塵通量值分別為70 kg·m?2左右和65 kg·m?2左右[80]．

沙漠腹地沙塵暴平均粒徑在70 μm～85 μm的范圍，由于沙丘和山谷的存在，近地層水平沙塵通量在較低高度內(nèi)隨著高度的增加而增加，但在32 m以上基本不變．邊界層垂直分布受風速控制，平均通量值在8 kg·m?2～14 kg·m?2范圍內(nèi)變化．粉塵粒徑PM100及以下的占采集樣品的60%～80%，其中PM0?2.5為0.9%～2.5%、PM0?10為3.5%～7.0%、PM0?20為5.0%～14.0%、PM0?50為20%～40%．沙塵垂直通量勢平均為0.29 kg·m?2左右，從80 m向行星上層邊界層和自由大氣輸送小于PM20的顆粒[81]．

2.3.3 近地層起沙輸送機制

塔克拉瑪干沙漠腹地平均風蝕氣候因子指數(shù)（評價某一地區(qū)潛在風蝕能力的主要指標）值全年為28.3、夏季為13.9、冬季為0.7．地表粗糙度平均值為6.32 10?5m×10?5m，由于地表粗糙度小，該地區(qū)的土壤風蝕程度加重了[82]．塔克拉瑪干沙漠腹地的臨界摩擦速度為0.24 m·s?1，楊興華等[83]發(fā)現(xiàn)Lettau輸沙率公式的計算結(jié)果與實測值最接近．春夏季地表起沙的臨界摩擦速度為0.26 m·s?1，2 m高度的臨界起沙風速約為4.1 m·s?1；沙塵通量的變化與風速及摩擦速度的變化具有一致性．周成龍等[73]綜合考慮了地表土壤粒徑、土壤濕度、空氣密度等因素，得出沙漠腹地2 m高度的臨界摩擦速度值（0.24 m·s?1～0.36 m·s?1）和臨界起沙風速值（3.9 m·s?1～5.9m·s?1，均值為5.1 m·s?1）；沙漠腹地起沙閾值、最高值出現(xiàn)在夏季，次高值出現(xiàn)在冬季，最小高值出現(xiàn)在春季．

利用不同時間步長獲取的臨界起沙風速具有一定的差異，隨著時間步長的縮小，臨界起沙風速的獲取越來越細化．在不同的參數(shù)化方案中，臨界起沙風速值不同，基于Marticorena和Shao方案得到的臨界起沙風速均值分別為4.88 m·s?1和6.24 m·s?1[84?85]．通過H11LIN型風蝕傳感器獲得的沙漠腹地最小起沙風速和臨界起動摩擦速度分別為6.0 m·s?1和0.25 m·s?1[86]．

塔克拉瑪干沙漠躍移運動往往易發(fā)生在白天，躍移最活躍的時間為地方時11:30左右到16:30左右．從2008年9月1日至2010年8月31日，躍移運動占全年總時間的3 %以上，并在春季和夏季的有大風運動月份趨于達到峰值．然而，在冬季風速較弱的幾個月里，躍移運動往往是最不活躍的．在極端干旱的塔中地區(qū)，降水因素對減少沙粒躍移運動沒有顯著作用[87?88]．

Stout開發(fā)的高斯時間分數(shù)等效法（間隔為1天），得到的摩擦速度閾值為3.03 m·s?1～5.62 m·s?1（野外試驗觀測方法），Kurosak方法得出的值為3.71 m·s?1～5.74 m·s?1（統(tǒng)計計算方法），Marticorena和Shao模型給出的值分別為4.87 m·s?1～4.90 m·s?1和5.82 m·s?1～6.78 m·s?1（模型參數(shù)化的方法）[85]．Stout、Kurosak、Marticorena和Shao方法的總水平沙塵通量估計值分別為1 311.9 kg·m?1、1 166.4 kg·m?1、1 279.9 kg·m?1和661.6 kg·m?1，而觀測值為732.9 kg·m?1．基于Stout、Kurosak、Marticorena和Shao方法的估計值和觀測值的相關(guān)系數(shù)分別為0.75、0.79、0.77和0.83．Stout、Kurosak、Marticorena和Shao方法根據(jù)摩擦速度閾值估算的風沙躍移持續(xù)時間分別為8 211min、6 575 min、7 567 min和3 463 min，而正確的時間分別為6 208 min、5 646 min、5 986 min和3 346 min．

風蝕的閾值（TWV）主要發(fā)生在白天（08:00～20:00），TWV以上風速頻率表現(xiàn)出較大的季節(jié)變異性：春季（6.4%）>夏季（5.6%）>秋季（1.7%）>冬季（0.8%）．累計起沙（DUP）在6月17日達50%，而9月1日增加至90%．從2008年9月1日至2010年8月31日，均在4月1日至7月31日進行了觀測，2年觀測的結(jié)果均顯示產(chǎn)生了75.4%的DUP．研究表明，不同的風速時間分辨率會影響DUP的計算，當風速測量持續(xù)1分鐘時，DUP為9.93×106m3·s?3，持續(xù)5分鐘時DUP為8.96×106m3·s?3，持續(xù)10分鐘時DUP為8.51×106m3·s?3，持續(xù)15分鐘時DUP為8.32×106m3·s?3；DUP的季節(jié)變化規(guī)律呈：冬季>夏季>秋季>春季．通過對晝夜DUP和不同觀測時段風速的分析，發(fā)現(xiàn)主要偏差發(fā)生在清晨和晚上．如果在10分鐘或更長的時間間隔內(nèi)測量平均風速，則評估風塵運動造成的損害會存在一定誤差[89]．

3 結(jié)語

中國氣象局在塔克拉瑪干沙漠腹地建立了中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所塔中大氣環(huán)境觀測試驗站，在塔克拉瑪干沙漠及周邊地區(qū)陸氣相互作用、天氣氣候形成動力學機制、大氣環(huán)境和沙漠區(qū)地表起沙及其輸送機理等方面進行了長達十幾年的研究，在沙漠氣候與環(huán)境、沙漠陸氣相互作用、風沙物理學等方面取得了較為系統(tǒng)的成果．但還存在系統(tǒng)性不夠完善、問題的揭示與理解不足、對野外實測的各類要素數(shù)據(jù)的分析不夠深入、利用不充分等問題．

為了滿足國家在區(qū)域發(fā)展、防災(zāi)減災(zāi)、氣象服務(wù)、科學研究等方面日益增長的需求，需加強陸氣相互作用研究和地表起沙輸送過程觀測試驗，增強綜合觀測資料的應(yīng)用能力，完善沙漠地區(qū)氣候變化特征、風沙運移規(guī)律及沙漠微氣象特點等方面的研究；同時需要獲取改進區(qū)域數(shù)值預(yù)報模式所需的關(guān)鍵陸面過程參數(shù)以及結(jié)合遙感技術(shù)手段提高模式預(yù)報的能力；還需要利用現(xiàn)代空天地觀測手段結(jié)合大數(shù)據(jù)處理方法，圍繞沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠輻射強迫和沙漠大氣之間的復雜耦合系統(tǒng)正、負反饋作用影響機理等科學問題進行深入研究．