巴丹吉林沙漠腹地大沙枣地中海及其周边的风沙环境

巴丹吉林沙漠腹地大沙枣地中海及其周边的风沙环境

自古以来，沙山与湖泊共存。在非洲北部的北撒哈拉沙漠和南部的纳米比沙漠,澳大利亚沙漠中都有湖泊分布。在我国,以巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠最为典型。巴丹吉林沙漠中发育了世界上最高大的沙山,沙丘高度达500m左右。与高大沙山相伴而生的湖泊众多,其中面积超过1km2的湖泊有5个,最大的是诺尔图,水域面积达1.5km2,水深16m。腾格里沙漠是我国湖泊群分布最多的沙漠,大小湖泊有422个之多。湖泊虽受沙丘围困,但始终未被流沙所掩埋,一直是学术界关注却悬而未决的科学问题。沙山-湖泊热力内边界层物理过程的复杂性主要有以下三方面原因。首先,湖泊水体的比热容是流沙的4.35倍(水体比热容为4.2×103J·kg-1·℃-1,流沙比热容9.66×102J·kg-1·℃-1)。在相同的外界条件下,湖面和沙面的气温相差很大,致使湖泊和沙丘表面在相同高度上产生气压差,引起热力环流,导致气压场的空间分异。其次,沙山和湖泊由于所处地势高差引起局地环流,形成昼夜风向相反的“山风”和“谷风”。白天沙面升温快,在近地表形成相对低压区,而湖面升温慢,近地表形成相对高压区,从而产生从湖泊吹向沙山的“谷风”;夜晚,因沙面降温快,湖面降温慢,分别形成相对高压区和低压区,出现由沙山吹向湖泊的“山风”。“谷风”有时高达7~10m/s,远大于沙粒起动风速。为了研究湖泊与沙山长期共存的机理,我们选择巴丹吉林沙漠腹地的大沙枣海子作为观测研究区,从沙山-湖泊近地表风沙动力环境的角度做一初步的探讨。1观测区地质概况巴丹吉林沙漠位于内蒙古高原西部,行政区隶属于内蒙古额济纳旗和阿拉善右旗,沙漠面积为4.92×104km2,是我国第二大流动性沙漠。由于受蒙古高压的影响,巴丹吉林沙漠春季大风、沙尘暴频繁。大风日数集中分布区位于沙漠西侧额济纳旗的呼鲁赤古特,年均大风日数高达108.2d。沙漠及其周边各站点年均风速多大于4.0m/s,其中,位于沙漠西北边缘的拐子湖,达4.59m/s。巴丹吉林沙漠沙丘规模宏大,多以高大沙山为主。沙山丘间地大小湖泊分布众多,主要分布在沙漠的东南部。本次试验研究区位于阿拉善右旗东北缘的伊和吉格德,俗称大沙枣海子(102°8.9′N,39°46.1′E),湖泊水域面积约1.4km2,东西最大距离1.6km,南北最宽处约1.1km。观测区深入沙漠腹地约43km,距阿拉善右旗直线距离达75km。该观测点受人为干扰相对较少,是研究沙山-湖泊陆气过程和近地表风沙动力环境的理想场所。本次观测时段选择湖泊与沙山地表反射、气温和局地环流等热力参数反差比较剧烈的夏季。分别在湖泊中心及其四周架设了自动气象观测站,仪器架设位置如图1所示。湖泊中心测点用超声系统观测(CR5000),湖泊四周用小型自动气象站观测(AWS1-4)。风速、风向传感器架设高度统一距地表2m,数据采集时间步长为15min采集一次。2区域风2.1平均风速与起沙风次数由于受沙山-湖泊局地地形的影响,研究区各测点的平均风速差别很大。表1为巴丹吉林沙漠腹地大沙枣海子中心及其外围5个观测站的平均风速和起沙风次数。与巴丹吉林沙漠周边的拐子湖和阿右旗等地同期气象资料相比,研究区5个测点平均风速相对较小。这主要是受巴丹吉林沙漠东南缘高大沙山的影响,间于沙山内部的湖泊区风速相对较小。8月份,拐子湖和阿右旗平均风速分别为4.77m/s和4.11m/s,远大于沙漠腹地的大沙枣海子。就湖泊与其外围四个测点的平均风速分布来看,总体趋势是湖泊中心的平均风速略小于外围沙山处。8月份湖泊中心平均风速为1.89m/s,相对较小,而湖泊外围平均风速高达2.50m/s。从起沙风次数的统计情况来看,由于受湖泊水面的影响,从沙山外围至湖泊中心,起沙风次数呈同心圆状减少。在观测期间,湖泊中心起沙风次数分别为30d,28d和40d,远低于湖泊外围沙山处。2.2关于沙粒粒径和含水率的关系在计算区域风沙活动强度时,往往更多的考虑超过沙粒起动的风速,即起沙风。起沙风况直接决定区域风沙活动的强度和输沙方向,进而影响沙丘形态变化及其演变,是研究风沙运动规律、解决风沙工程问题的关键指标之一。它与沙粒粒径、下垫面性质、沙粒含水率等多种因素有关。本文在参照前人野外观测与风洞实验的基础上,将巴丹吉林沙漠腹地大沙枣海子临界起沙风速定为5.0m/s,并对其进行有关风沙活动强度的统计与计算。为了更直观的反映大沙枣海子及其外围起沙风的空间分布,我们统计了各测点大于起沙风速的平均值,即2m高度处大于起沙风速的所有风速的平均值。从图2可以看出,湖泊外围大于起沙风的平均值相对较高。从沙漠外围至湖泊中心,大于起沙风速的平均值逐渐减小。大沙枣海子5号测点处风速为5.62m/s,而位于湖泊外围沙漠处4个测点的对应值均高于该值,风速最大处位于2号测点,达6.01m/s。2.3湖泊外围起沙方向从图3起沙风玫瑰空间分布来看,大沙枣海子及其外围各测点风向变化比较明显。湖泊中心5号测点起沙风向相对比较单一,主要以ESE,SE和SSE风为主,分别占23.56%,29.32%和15.47%,起沙风合成方向为316°,以东南风为主。而湖泊外围4个测点处起沙风合成方向集中在333°~352°,相对湖泊中心5号测点,合成输沙方向向两侧偏转。由此可见:由于受高大沙山-湖泊地貌格局的影响,大沙枣海子周边局地环流非常明显。湖泊外围1号测点主导起沙风向以SSW-SSE为主,占全方位总量的52.53%。其次,东北风相对较强,占20.28%。2号测点主导起沙风向发生偏转,主要集中在S方向,占43.28%。位于湖泊西北角的3号测点,S方向起沙风频率只有4.05%,急剧减少,而NE和SW方向,起沙风次数有所增加。4号测点处,单一E方向起沙风较多,占29.45%,其次为偏西风,SSW-SSE方向起沙风频率合计达40.49%。3沙漠低能环境输沙势(driftpotential,简写为DP)是衡量区域风沙活动强度及风沙地貌演变的重要指标,应用非常广泛。大沙枣海子及其外围各测点输沙势差异很大(图4)。在本次观测期间,位于湖泊外围的3号和1号测点输沙势DP相对较大,分别为45.01VU和43.69VU。位于湖泊中心的5号测点输沙势DP相对较小,只有25.58VU。根据Fryberger提出的平均风能变幅分类标准,巴丹吉林沙漠腹地的大沙枣海子风能属于低能环境。由于受沙山-湖泊局地地形的影响,合成输沙势RDP和合成方向变化较大。总体来看,大沙枣海子西侧受高大沙山的影响较大,合成输沙方向以东南向为主,1号和2号测点处的RDD分别为348.10°和339.86°。大沙枣海子东侧,合成输沙方向以西南方向为主,3号和4号测点处的RDD分别为23.49°和62.35°。而湖泊中心的5号测点合成输沙方向以东北向为主,RDD为220.08°。由于受沙山-湖泊景观格局的影响,大沙枣海子及其外围沙山的局地环流非常明显(图5)。合成输沙方向自湖泊中心向外围呈反向发散分布,可以间接说明巴丹吉林沙漠的湖泊与沙山共存的缘由。4湖泊外围沙山和大沙枣子两侧沙山区域输沙方向特征由于受沙山-湖泊交错分布景观格局的影响,巴丹吉林沙漠腹地大沙枣海子局地平均风速、起沙风玫瑰以及输沙势的空间变化很大。相同高度,湖泊中心处平均风速略低于外围沙山处。由于受湖泊水面的影响,从沙山外围至湖泊中心,起沙风次数呈同心圆状减少。湖泊中心起沙风向相对单一,起沙风合成方向为316°,以东南风为主。湖泊外围各测点输沙势差异很