塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的风动力环境

周成龙，杨兴华，刘厚勇，蒋新波，吴新萍，何 清

（1.塔中气象站，新疆 塔中841000；2.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；3.塔克拉玛干沙漠大气环境试验观测站，新疆 塔中841000）

风沙危害一直是中国十分关注的环境问题之一，由于其发生频率高，影响范围广，对经济建设、社会发展、大气环境以及人民健康带来不利影响［1］，地处塔里木盆地的塔克拉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［2］。许多学者针对南疆沙漠地区起沙风和输沙率进行了计算研究［3－5］，但是由于计算输沙率需要考虑的影响参数通过测量获取比较困难，所以用输沙势来代替输沙率讨论塔中的沙粒输送能力。李红军等［6］利用新疆大量的气象站风观测资料，对全疆的输沙势的时空分布进行了系统的分析。王训明等［7］、张家武等［8］、李恒鹏等［9］对塔中输沙势进行了计算和研究，得出塔中输沙势属于低能区。为了进一步认识塔中的风沙运动规律，利用塔中2006—2012年的气象站观测资料，对塔中地区的输沙势的方向分布做系统分析，为塔中地区的防沙御灾提供一定的科学依据。

1 研究区概况

塔克拉玛干沙漠腹地的塔中地区位于38°58′N，83°39′E，根据塔中气象站的观测资料该地区年平均气温为13.6℃，气温年较差平均在33.0～39.0℃；极端最高气温可达40.0～46.0℃，极端最低气温达－20.0～－25.0℃，其中2008年1月30日09时观察到－32.6℃的极端低温，为建站以来的最低值，该地区的年平均风速为2.3m／s，大风日数为年平均为10.5d［10］。地表土壤被风蚀严重。

2 数据与方法

所用资料为塔中气象站提供的2006—2012年风速和风向数据，以及塔中西站提供2008年9月至2009年8月的2.5，10，20和40cm的土壤湿度数据。由于临界起沙风速是时刻变化的，所以作者利用土壤湿度数据，对每个月的土壤湿度随深度变化进行二次函数拟合，得出每个月的地表土壤湿度，进而利用Shao和Bagnold经验公式计算出1—12月的临界起沙风速，来代替以往的一个经验值以进一步提高数据的准确性（表1）。

表1 沙粒2m高度临界起沙风速u＊月分布

在诸多输沙势计算方法中，Fryberger以Lettau（1978）的输沙率公式为基础提出的输沙势计算方法被广泛接受和应用。本文采用采用Fryberger［11］方法计算了对应时段16个方向的输沙势，输沙势的计算公如下：

式中：DP——输沙势（VU）；V——各级别起沙风速的1min平均值（kn／h）；Vt——临界起沙风速（kn／h）；t——起沙风作用时间。统计观测期间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）。

3 结果与分析

3.1 起沙风风况

风给沙粒发生运移的提供了直接动力，由于只有当风速高于临界起沙风速时，沙粒才能发生运移，所以对起沙风的风况才是重点了解的对象。

塔克拉玛干腹地塔中2006—2012年4个季节塔中起沙风风向以ENE，NE及E为主（图1），春、夏、秋、冬4个季节在这3个风向上所占的频率分别为63.2%，39.5%，69.6%，93.3%。其中夏季除了在ENE，NE及E方向上所占的频率分布较大外，在N，NNE以及NNW方向上所占的频率为41.3%。因此塔中的4季的风向偏东北方向。其余风向所占频率都较小，表明观测点年起沙风风向变化比较单一，这与观测点输沙活动发生方向较为集中的现象一致。影响塔里木盆地的主要大气环流有两支，东部主要受大陆和极地反气旋“东风倒灌”控制，而西部受弱西风环流控制。这种环流形式决定了在整个沙漠中，东部盛行偏东风，而西部盛行偏西风，二者在克里雅河一带汇合形成一个辐合区，因此塔中的风向仪偏东为主［12］，根据塔中观测的数据可以证明这一点。

图1 2006－2012年塔中地区四季起沙风玫瑰图

塔中2006—2012年地区月起沙风频率占全年总起沙风频率百分比起伏波动较大（图2）。其中4，5，6月频率较高，分别各占16.1%，31.3%，12.5%，1，2，12月共占全年的1.7%。有效起沙风的月平均风速在5.3～7.3m／s变动，变幅较大大，表明此区起沙风较不稳定。春季和夏季相对其他季节高一些，其中7，8月平均风速分别为7.19和7.27m／s，尽管冬季的月平均风速在6.0m／s左右，但由于其出现频率太低，因此不足以表示整个月的起风情况。由图2可见，春、夏季节不仅有效起沙风发生的次数较多，而且风速较大，因此风沙活动频繁。相对来说，秋、冬季风沙活动则较弱。一年之中引起风蚀作用的风沙流活动多集中春季和夏季。因此在研究该区风沙流活动规律时应以春夏两季的风场作为主要分析目标。

图2 塔中地区2006－2012年气象站月均风速（有效起沙风）及频率

3.2 输沙势

输沙势（drift potential，DP）表示潜在的最大输沙量，在数值上以矢量单位（VU）表示［13］。罗盘16方向输沙势的合成方向与合成矢量，称作合成输沙方向（resultant drift direction，RDD）和合成输沙势（resultant drift potential，RDP）［14］。RDP／DP称为方向变率指数，起沙风的方向变率越大，与它相关的RDP／DP越小。输沙势及合成输沙势是衡量一个地区风沙活动强度及风沙地貌演变的重要判断标准［15－17］。合成输沙方向决定一个地区风沙危害的方式［13］。

3.2.1 输沙势的方向分布 根据公式（1），计算塔中地区2006—2012年的输沙势。通过计算可以得到2006—2012年总输沙势为1 595.1VU，合成输沙势为945.2VU，合成方向为47.9°，年平均输沙势为227.4VU，合成输沙势为136.6VU，合成方向为47.7°，方向变频指数RDP／DP为0.6。

2006—2012年年平均输沙势集中在N，NNE，NE，ENE，E及NNW这6个风向上，输沙势为183.9VU共计占到80.70%，其中NE，ENE，E方向所占比重为52%（图3）。由于夏季的风向在N，NNE以及NNW方向上所占的频率为41.29%，所以在这3个风向上的输沙势也比较大。在SE，SSE，S，SSW这4个方向上的输沙势最小，所占比重仅为3.4%。由风向分布可以看出输沙势的分布和风向分布基本保持较好的相关性，即塔中地区的潜在输沙能力和风向分布基本保持吻合。

图3 塔中地区2006－2012年不同方向的年平均输沙势

3.2.2 输沙势的月分布 塔中输沙势的月分布以3—8月为主，其中这6个月的的输沙势为206.4VU，占全年的总输沙势的90.59%，合成输沙势为123.3VU，合成方向为50.25°。1，2，12月最小，仅占全年的0.41%（图4），即输沙势主要集中在春夏季。合成输沙势春季最大（3，4，5月），年平均为123.7VU，夏季（6，7，8月）其次，年平均为82.3VU，冬季（1，2，12月）最少仅为1.1VU。这与李红军等［6］对整个新疆输沙势的分析所得到的结果是一致的。从表2中可以看出方向变频指数，冬季最大，其次是夏季，春秋的方向变频指数基本相同。通过4个季节及全年的RDP／DP指数可以得出整个塔中的起沙风的方向变频较小。

图4 塔中地区合成输沙势的年内变化

3.2.3 输沙势的季节分布 由表2可见，春季输沙势为123.7VU，合成输沙势为71.3VU，合成输沙方向为31°。风向变率指数为0.58，说明春季风况较为简单。统计结果显示，春季NE，ENE，E这3个方向输沙势分别为18.4，38和25VU，各占全季节输沙势的14.9%，30.7%和20.3%。分析风况可知，此季节塔中地区偏东北风风频率较高和风力较强，致使出现在这3个方向上风的输沙能力比其他方向明显偏大的状况。

表2 2006－2012年塔中地区输沙势的年均季节分布

夏季输沙势为82.3VU，合成输沙势为59.7VU，合成输沙方向为70.7°。风向变率指数为0.73，说明风况较春季简单。夏季输沙方向主要集中在N，NNE，NE这3个方向上，输沙势分别为15.4，21.9，16.3VU，分别占全季的18.8%，26.6%，19.8%塔中夏季偏东风方向输沙势明显减弱，仅占全季输沙势的11.1% 。西北偏北方向的输沙势也较大，占全季的10.9%。这说明塔中地区夏季北风和东北偏北方向风频率高，风力强劲，使偏北方向输沙势明显高于其他方向。

秋季输沙势为20.3VU，合成输沙势为12.6VU，合成输沙方向为38.7°。风向变率指数为0.62，说明风况比较简单。分析可知此季节风向分布和春季基本相同主要也以NE，ENE，E这3个方向为主，这3个方向输沙势为分别为3.0，5.2和2.9VU，分别占全季输沙势的14.9%，25.5%，14.2%。虽然这3个方向的风频分布和春季基本一致，但是风力较春季明显下降，这是由于季节上的区别。

冬季输沙势与春，秋两季特点基本一致，只是风况更加简单，输沙势降低。冬季输沙势为1.1VU，合成输沙势为1VU，风向变率指数为0.9，接近1。分析可知，方向变率指数如此高，是因为此季N，NNE，NE这3个方向上的输沙势几乎占了全季输沙势的全部。这个3个方向输沙势为1.07VU，占此季输沙势的93.5%。

春季和夏季是沙尘天气的高发季节，这与天气背景和环流形势密不可分。春季是过渡季节，是环流的调整时期，冷空气残余势力与暖空气相互消长，天气更替频繁，温度变化幅度较大，强天气系统移动速率很快，寒潮天气也频频出现，所以春季相对于其他季节风要更多、更强，沙尘天气发生更频繁。夏季近地面空气升温速度快，近地层的空气升温较慢，随高度递增形成一个温差很大的温度梯度层，造成垂直方向上的热对流不稳定，容易形成局地的沙尘天气。这与所得出来的结论是相吻合的。

以上可以说明，塔中地区春、夏、秋、冬4个季节的输沙势差异较大，但是输沙的方向都集中在了N，NNE，NE这3个方向上（如表3所示）。

表3 塔中地区2006－2012年输沙势在不同方向的季节分布 VU

3.2.4 输沙势的年际变化 在本研究所采用的7a时间内，年输沙势最大值出现在2006年，为298.2VU；年输沙势最小值出现在2012年，为189.6VU。年合成输沙势最大值出现在2006年，为160.2VU；最小值出现在2009年，为101.1VU（图5）。输沙势在2006年为最高值，在2009年为次高值，输沙势在2006—2008年和2009—2012年是逐年降低的。合成输沙势则最小值出现在2009年即从2006—2009年是呈逐年下降趋势，但从2009—2012年则呈上升趋势。2009—2012年的年输沙势和年合成输沙势呈相反变化趋势，因此年输沙势与年合成输沙势没有直接联系。各年合成输沙方向介于30°～53.1°，为偏东北方向。

图5 塔中地区2006－2012年输沙势和合成输沙势

4 结论

（1）塔中地区2006—2012年春、夏、秋、冬的风向分布主要以ENE，NE及E为主，这3个风向上所占的频率分别为63.22%，39.54%，69.61%，93.33%，其中夏季除了在ENE，NE及E方向上所占的频率分布较大外，在N，NNE以及NNW方向上所占的频率为41.29%。

（2）输沙势的月份主要集中在3—8月的，输沙势为206.4VU，占全年的总输沙势的90.59%，合成输沙势为123.3VU，合成方向为50.25°。1，2，12月最小，仅占全年的0.41%。合成输沙势春季最大，年平均为71.3VU，夏季其次，年平均为59.7VU，冬季最少仅为1VU。四季输沙势方向主要集中在ENE，NE及E方向上，和起沙风向有较好的吻合。

（3）2006—2012年年平均输沙势为227.4VU，合成输沙势为136.6VU，合成方向51.83°，方向变频指数RDP／DP为0.6。年输沙势最大值出现在2006年，为298.2VU；最小值出现在2012年，为189.6VU；和成输沙势最大值出现在2006年，为160.2VU；最小值出现在2009年，为101.1VU。合成年输沙方向介于30°～53.1°，为偏东北方向。

（4）春、夏、秋、冬4个季节的方向变频指数RDP／DP都相对较大，这说明塔中起沙风向的变频较小，风况较为单一。通过本文可以得出对塔中地区防护工程设计中，应重点考虑ENE，NE及E这3组风春夏季的输沙能力大小，并结合实际的沙源状况进行分析研究，以便能取得较好的防护效果。

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