塔克拉玛干沙漠北缘春季风沙活动特征

塔克拉玛干沙漠北缘春季风沙活动特征

沙害活动是干旱和半干旱地区沙地和沙漠近地表物质运动的主要形式。它周而复始地改变、塑造着下垫面形态,也会造成道路、村庄、农田等掩埋及区域生态环境恶化、大气质量下降等风沙灾害。因此,研究风沙活动不仅可以揭示地貌形态变化原因及规律,也可为区域风沙灾害防治提供一定的理论参考。地处塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠是中国最大的沙漠,也是中国沙尘暴的多发中心之一。对其风沙问题的研究一直是中国沙漠研究领域的热点。20世纪60年代,以朱震达等为代表的学者就对沙漠西南缘策勒的沙丘变化进行了研究,并于80年代出版了《塔克拉玛干风沙地貌研究》一书。凌裕泉等研究了塔克拉玛干沙漠近地表流场特征与风沙活动强度的关系;陈渭南等、李振山等通过野外观测试验对沙漠地区的起沙风速进行了研究。沙漠公路贯通以后,Dong等、Wang等对沙漠公路沿线及沙漠腹地的风沙活动特征进行了研究;俎瑞平等借助沙漠内部及周边的气象站观测资料,对沙漠地区的风沙活动强度进行了估算。近年来,有关塔克拉玛干沙漠风沙活动问题的研究依旧活跃。以中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所为代表的沙漠气象研究团队,以塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站为试验基地,涵盖沙漠腹地塔中,北缘荒漠过渡带肖塘、哈德、东缘若羌,对自然条件下的风沙活动开展了较为长期的野外观测,获取了一些新的认识。荒漠过渡带是沙漠与绿洲的分界线,其在下垫面、区域小气候及风沙活动规律等方面都有自己的特点。由于荒漠过渡带背靠沙漠,面向绿洲,这里发生的风沙活动会更加直接地对绿洲区的自然环境与社会生产造成影响。因此,对荒漠过渡带的风沙活动开展研究,掌握其规律,为绿洲区外围防沙固沙工作提供支撑显得更为迫切。选取塔克拉玛干沙漠北缘荒漠过渡带的肖塘为研究区,利用2007年4月15日—5月14日沙尘暴野外强化观测试验获取的数据,对沙漠北缘荒漠过渡带春季的风沙活动特征进行了研究。1地表沙化的季节变化肖塘地处塔克拉玛干沙漠北部边缘,距离塔里木河约40km,是典型的沙漠腹地-荒漠-绿洲过渡带。观测试验点位于距离沙漠公路肖塘1号井1000m的沙漠中。地处古河床的南岸,北距胡杨林约2km,是沙漠与荒漠的交汇处。下垫面为平坦沙地,部分地区有古河床裸露,周围有新月形沙丘和复合型新月形沙丘链,一般宽6~15m,高1~10m。地表土壤粒度组成以细沙(125~250μm)、极细沙(62.5~125μm)为主,占78.5%;中沙(250~500μm)占14.3%,粉沙(3.9~62.5μm)占6.1%,不含粗沙,黏土(0.02~3.9μm)含量在0.5%~0.8%。该地区年平均风速为2.5m·s-1,春、夏季最大,冬季最小,秋季介于中间(图1)。气温变化与风速相似,以6—7月最大,12月至翌年1月最小,春季升温快,秋季降温快,风速与气温变化存在着明显的同步性。统计肖塘地区1992—2002年11a的沙尘天气资料发现,肖塘年均沙尘暴42d,最多年份出现在1994年,达71d之多,最少年份是1992年,全年仅为23d,最多年与最少年的值相差两倍多;沙尘暴集中分布在6、7月,其中6月最多平均为9d。从季节变化看,一年四季当中均有沙尘暴发生,春季平均为14d,占全年的33%,夏季平均为21d,占全年的50%,秋季平均为6d,占全年的14%。冬季平均为1d,占全年的3%。对比上文中肖塘地区风速、气温的月变化,可以发现沙尘暴具有相似的分布趋势,风、温同步现象有助于风沙运动的发生。2集沙和跃移运动测量观测项目主要包括近地面风、温、湿等主要气象要素、风沙流输沙及地表风沙跃移活动。其中,风速数据通过梯度自动气象站获取,观测高度为0.5、1、2、4、10m,数据记录的时间步长为1min。近地表风沙流输沙的观测采用BSNE梯度集沙仪开展,该集沙仪由美国德克萨斯州DonaldFryrear发明设计。BSNE集沙仪的集沙盒进沙口宽2cm,高5cm。集沙盒上方有60目的网筛覆盖,使空气流过时,空气中的沙物质可以留在集沙盒中。经过测试集沙效率达到90%,且与风速无关。本次试验中集沙盒的安装高度为20、50、100cm,观测连续进行,输沙通量为观测期间的总和。风沙跃移运动由Sensit-H11B型撞击传感器进行监测,传感器的感应头安装高度距离地表5cm。其工作原理是当地表跃移沙粒撞击在传感器感应头上时,感应器就会发出一个脉冲信号,数据采集器则会记录下此信号,记为监测到一颗跃移沙粒。该仪器虽然可以记录监测到的跃移撞击颗粒数,却不能获取跃移起沙量。数据记录步长为1s,然后,根据研究需要再处理成min或h数据。3结果分析3.1风速时距的影响起沙风速是研究风沙活动最重要,也是最基础的参数之一。当风速增大到某一临界值时,地表的沙粒就会脱离静止而进入运动状态,我们称此临界风速为起沙风速。只有当风速大于或等于起沙风速时,才会有风沙运动的发生。陈渭南等通过野外人工观测表明,肖塘地区2m高度瞬时冲击起动风速值变化于4.8~5.3m·s-1,平均为5.0m·s-1;2m高度1min时距的冲击起动风速为4.3m·s-1,流体起动临界值为5.2m·s-1。我们利用H11B型撞击传感器对肖塘地区的风沙跃移进行了监测,给出了肖塘地表沙粒跃移数与2m高度1s、1min平均风速的关系(图2)。由1s风速与跃移颗粒数的关系(图2A)可知,当风速小于4.0m·s-1时,传感器没有监测到地表沙粒发生跃移运动,当风速增大到4.9~5.0m·s-1左右时传感器开始监测到地表开始有沙粒发生跃移运动,当风速增大到6.0m·s-1左右时,地表跃移沙粒急剧增加,在此我们认定2m高度1s时距的起沙风速为4.9~5.0m·s-1,这一结果与陈渭南等测量的该地区瞬时冲击起动风速值较为接近,只是仪器无法区分冲击起动和流体起动。同理,由1min平均风速与跃移颗粒数的关系(图2B)可求得起沙风速为4.4m·s-1。由以上分析可以看出,随着风速时距的拉长,起沙风速呈下降趋势,因为风速在平均过程中随着时距增加,风速的脉动幅度降低,隐藏了风速与沙粒起动之间的真实信息。对于图中地表跃移撞击颗粒数较高值出现在风速为8.0~10.0m·s-1的问题,应该是风速特别大时,地表起沙量较大,空气中的沙尘颗粒浓度较大,撞击到传感器感应头时,由于感应器分辨率不够,一次不能分辨不出那么多撞击脉冲,仪器会自动记为一次脉冲,从而导致在风速较大时,所测跃移颗粒偏少。我们将选用1min的起沙风速值即4.4m·s-1来计算风沙运动的相关参数。3.2泥沙特征统计野外强化观测试验时段内(2007年4月15日—5月14日)的起沙风(≥4.4m·s-1)作用时间为7199min,计119.9h,占观测时段总时间的16.7%。表1给出了观测期间不同等级起沙风速的百分比。其中,4.4~5.4m·s-1的风速出现频率最高,占该时间段起沙风速的44.2%;5.4~6.4m·s-1的次之,占27.1%;接下来依次为6.4~7.4m·s-1、7.4~8.4m·s-1、8.4~9.4m·s-1、9.4~10.4m·s-1,大于10.4m·s-1的仅有15min。该区域2m高度起沙风主要集中在4.4~8.4m·s-1范围内,占到95.7%,风速越大出现的频率越低。图3给出了强化观测期间起沙风速的日分布。由图可知,一天24h均有起沙风出现,风沙活动在一天之中任何时间都可能会发生。观测期间起沙风出现频率较高的有两个时段,一是01:00—04:59,共计25.1%;其次是07:00—10:59,占到21.7%;最小值出现在12:00—12:59,仅占2.0%,总体上午后至傍晚这段时间起沙风出现的频率相对较低。这一分布特点与一般认为由于热力对流作用导致的起沙大多发生在午后至傍晚这段时间的观点不一致。分析其原因,我们知道荒漠过渡带地处绿洲与沙漠的中间地带,夜间时沙漠地区降温比荒漠过渡带迅速,荒漠过渡带比绿洲区迅速,这样荒漠过渡带与沙漠、绿洲都存在着较大的温度梯度,由此会产生较大的风,而荒漠过渡带正处于中间,夜间风速较大,导致起沙风多出现在凌晨。图4给出了观测期间肖塘起沙风的方位变化。起沙风风向以偏东风为主,其中,ENE、E、ESE3个方位占到全部起沙风的44.2%,这与整个盆地的地面风场一致。肖塘2007年4月15日—5月14日沙尘暴强化观测试验期间共计发生沙尘暴19次,总时数4104min,从历时分布情况看最长时数达873min,最短的只有6min,平均216min。沙尘暴发生期间86%的风速集中在4.4~8.4m·s-1范围内;风向集中在ENE、E和ESE3个方位,合计占50.0%,以上两点与整个观测期风速、风向的变化特征非常一致。只是起沙风的日变化分布与整个观测期的有一定差异,沙尘暴期间起沙风主要分布在22:00—01:59与16:00—19:59两个时段,分别占到24.5%、23.2%。3.3最大可能输沙势与最大输沙量输沙势与最大可能输沙量是衡量区域风沙活动强度非常重要的指标。输沙势表示潜在的输沙能力;而最大可能输沙量则是根据试验所得输沙率公式来计算一个区域的最大输沙量。在文中,输沙势的计算采用Fryberger给出的计算公式:式中:DP为输沙势,为矢量单位(VU);V为各级别起沙风速的1min平均值;Vt为临界起沙风速,肖塘地区2m高度1min的临界起沙风速为4.4m·s-1;t为起沙风作用时间,以频率表示;在该公式中V与Vt的单位为km·h-1(海里或每小时),因此,计算前需将风速进行换算。统计沙尘暴强化观测期间肖塘各风向不同速级起沙风的频率,把相同风向各风速级出现频率与平均风速分别代入方程(1),所得值相加,即得到某一风向的输沙势。16个方向的输沙势相加得到总输沙势,然后进行矢量合成可得到合成输沙势(RDP)与输沙势合成方向(RDD)。文中最大可能输沙量的计算利用凌裕泉提出的最大输沙率公式:式中:q为输沙率,单位为g·cm-1·min-1;V,Vt分别为肖塘地区2m高度1min平均起沙风速和临界起沙风速。该公式经过风洞实验验证,在沙坡头、敦煌莫高窟两地的输沙量计算中取得了较好结果。根据公式(2)计算得到不同风速的输沙率,并乘以相应时间,就得到16个方位的输沙量。然后依据矢量合成法则,可以得到合成输沙量与合成输沙方向。表2给出了肖塘地区观测期间输沙势与最大可能输沙量的计算结果。观测期间肖塘地区的总输沙势为80.8VU,主要分布在ENE、E、ESE、WSW、W和WNW6个方位,共计占到73.3%,与起沙风的分布相比,WSW、W和WNW3个方位所占比例明显提高。观测期间的合成输沙势为13.7VU,合成输沙方向为241°。相对于李红军等利用气象站观测的1h风速数据计算得到肖塘地区年合成输沙势在10.0VU左右;俎瑞平等利用气象站观测的10min风速数据计算出该地区年输沙势为63.0VU,合成输沙势为32.8VU,笔者的计算结果偏大,推究其原因应该是所选风速数据时距及起沙风速值的差异造成的。所用风速数据为1min时距,起沙风速为4.4m·s-1,相对于10min、1h时距风速数据,起沙风速5.0m·s-1的计算结果理应偏大。同样,由于所用风速数据时距的不同,李红军与俎瑞平计算出的年合成输沙势相差两倍以上,由此可知,数据时距的差异对计算结果影响很大。观测期间肖塘地区最大可能输沙总量达1921.8kg·m-1,这一数值比塔里木盆地边缘一些绿洲的年输沙量都大,由此也可看出,肖塘地区风沙活动的强度之大。有关这一区域的输沙量一些学者也进行了研究,王训明等利用野外实测数据拟合的输沙率公式计算得到肖塘地区年输沙量为3800kg·m-1;韩致文等利用Bagnold的输沙率公式计算出肖塘地区年输沙量为3456kg·m-1;俎瑞平利用凌裕泉最大输沙率公式计算出肖塘地区年最大可能输沙量为6692kg·m-1。由于所选数据、计算公式的差异,计算结果的可比性较差。笔者计算的输沙量空间分布与输沙势一致,仍然以ENE、E、ESE、WSW、W和WNW6个方位为主,占到全部输沙量的74.3%。合成输沙量为286.8kg·m-1,合成输沙方向为235°,与输沙势的合成方向一致。3.4输沙通量的拟合方程观测期间利用BSNE集沙仪收集了20、50、100cm高度的输沙样品,集沙盒进沙口的面积为10cm2。肖塘地区1m以下不同高度的输沙通量符合如下方程的分布:式中:q(z)为对应高度的输沙通量(kg·m-2);z为距离地面的高度(cm);a,b为待定系数,由实测输沙通量的拟合方程确定。根据方程(3)可以推导出0~200cm高度的输沙量:式中:Q为0~200cm高度间的输沙量(kg·m-1)。根据观测期间收集的20、50、100cm高度输沙通量进行拟合,求得系数a,b分别为1227、-0.5827。然后通过方程(4)求得观测期间0~200cm高度的输沙量为239.5kg·m-1,该值远小于利用凌裕泉最大输沙率公式计算的结果。4于动风速时间和输沙量初步研究了塔克拉玛干沙漠荒漠过渡带肖塘地区春季的风沙活动特征,发现起沙风速临界值随着风速时距的变化而变化,时距越长起沙风速临界值越低,与真实起沙风速临界值的偏差也越大。肖塘地区春季2m高度1s时距的起沙风速为4.9~5.0m·s-1,这一结果与陈渭南等测量的该地区瞬时冲击起动风速值较为接近;1min时距的起沙风速临界值为4.4m·s-1。该区域春季起沙风速多集中在4.4~8.4m·s-1范围内,风速越大出现的频率越低。观测期间肖塘荒漠过渡带的起沙风多出现午夜至凌晨这一时段,而午后至傍晚