塔克拉玛干沙漠腹地起沙阈值计算解析

周成龙，何清，张爱强，刘厚勇，蒋新波，杨兴华*

（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）

塔克拉玛干沙漠腹地起沙阈值计算解析

周成龙1，3，何清2，3，张爱强1，刘厚勇1，蒋新波1，杨兴华2，3*

（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）

临界起沙风速是判别风沙活动能否发生的关键指标，其变化受到地表状况及大气环境的综合影响。为了进一步认识临界起沙风速在野外条件下的变化规律，选取塔克拉玛干沙漠腹地塔中作为研究区，在综合考虑地表土壤粒径、土壤湿度、空气密度等因素的基础上，利用经验公式计算了该地区每月的临界起沙风速。得出：（1）塔中地区2 m高度的临界摩擦速度值介于0.24～0.36 m/s，均值为0.31 m/s；（2）塔中地区2 m高度的临界起沙风速值介于3.9～5.9 m/s，均值为5.1 m/s；（3）塔中地区起沙阈值，最高值出现在夏季，次高值出现在冬季，春季最小。

地表土壤含水率；临界摩擦速度；临界起沙风速

沙粒起动即意味着地表沙粒运移的开始，沙粒由静止开始转化为运动状态的临界风速称为起动风速，一切超过起动风速的风称之为起沙风[1-2]。

塔克拉玛干沙漠是我国沙尘暴发生的中心也是亚洲沙尘暴重要的发生源地[3-5]。对其风沙问题的研究也一直是中国沙漠研究领域的重点。陈渭南等[6]对塔克拉玛干沙漠的起沙风速进行了研究，并给出了不同观测时距以及不同观测高度的冲击起动和流体起动风速的相关方程；Gillette等[7]根据地表土壤风蚀起沙的物理机制，认为沙尘排放量是风速和地表状况的函数；成天涛等[8]利用起沙通量模式估算了浑善达克沙地春季的地表起沙风速；杨兴华等[9]利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的观测资料，对塔中地区春、夏季地表风蚀起沙的临界摩擦速度及变化特征和起沙风速进行了分析研究。何清等[10]利用风蚀传感器所测沙尘暴过程沙粒撞击数与摩擦速度之间的关系给出了塔中的临界摩擦速度。

起沙阈值是研究风蚀起沙的重要参数，它与沙粒粒径、土壤性质、地表植被状况以及土壤含水量有关，因此临界起沙风速和临界摩擦速度的准确求解比较复杂，众多学者虽然给出了各自的理论公式[2，11-12]，但大都用一个定值来定义该地区的起沙阈值。本文选取塔克拉玛干沙漠腹地塔中作为研究区，在综合考虑地表土壤粒径、土壤湿度、空气密度等因素的基础上，利用经验公式计算了该地区每个月的临界起沙风速，为该地区的沙尘暴的预报与防沙治沙工作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。塔中地区是一片流动的沙海，风沙地貌主体为一系列线状的高大复合型纵向沙垄与垄间地相间分布，沙垄走向为NNE-SSW或NE-SW方向，相对高度为40～50 m。垄间平坦低地宽1～3 km，长2～5 km。高大沙垄的前缘分布有低矮的新月形沙丘和沙丘链[13-14]。根据塔中气象站观测资料记载，塔中地区的年平均气温为13.6℃；年平均降水量在25.9 mm左右；年平均风速为2.3 m/s，年大风日数为10.5 d，风向以偏东北和偏西北风为主。

2 数据与方法

所用资料为塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站提供的塔中西站2008年9月—2009年8月的2.5、10、20、40 cm的土壤湿度数据。通过对所提供的土壤湿度数据进行二次函数拟合来求得地表土壤湿度数据，进而利用公式（1）、（2）来计算出临界起沙风速。

Shao[3，11]在经过多次试验和充分考虑地表土壤水分、植被覆盖度等因素对沙粒起动的影响后，提出了沙粒临界摩擦起动速度的表达式：

其中：AN、ε为经验常数，分别取0.012 3、0.165 g·s-2；σ为沙粒密度（2.65 g·cm-3）；ρ为空气密度（0.001 23 g·cm-3）；g是重力加速度；d为沙子的粒径；H（ω）、R（λ）分别表征地表土壤水分与植被覆盖对风蚀起沙的阻碍作用。

Bagnold在提出沙粒临界起动速度公式的基础上，又根据风速随高程变化的方程，提出了任何高程z的流体起动风速的公式：

式中，ut为沙粒起动速度（m·s-1）；u*t为临界起动风速（m·s-1）；z为计算高度（m）；k为卡曼常数（= 0.4）。塔中地区的地表沙粒粒径较为均匀，因此该公式适合对该地区起沙风速的计算。

3 结果与分析

3.1 地表土壤含水率的计算

3.1.1 地表土壤含水率

关于地表土壤水分对沙粒运移的影响，Fecan[15]、Dong[16]等都进行了研究，并给出了相应的计算模型，Shao[17]在Fecan研究的基础上制定了地表土壤水分对风蚀起沙影响的参数表（表1）。Fecan和Dong的具体表达式为：

其中，H（w）表征地表土壤水分对风蚀起沙的阻碍作用；w表示地表沙粒的含水率；w＇是土壤含水率对风蚀起沙是否具有明显阻碍作用的临界值；a，b为经验常数，其取值决定于土壤类型；clay%是地表土壤中粘粒的质量百分含量；k是比例系数，为颗粒粒级的函数，一般在1.5～3.0之间。表1是Shao的风蚀起沙方案中对不同土壤类型的w＇、a、b的取值，其中w、w＇取的是体积分数。由表可以看出砂土类的含水率对风蚀起沙是否具有明显阻碍作用的临界值最小，仅为5‰，随着土壤类型由砂质转为粘土，其临界值也随着增大，重性粘土的值最大，可以达到17.1%，这说明对于风蚀起沙，砂土对含水率的响应最为敏感。

表1 地表土壤水分对风蚀起沙影响的参数

3.1.2 地表土壤含水率的计算

本文分别对2008年9月—2009年8月2.5 cm、10 cm、20 cm，40 cm的月平均土壤湿度进行了二次函数拟合：

式中，θ（h）为对应深度的土壤湿度（‰）；h为距离地表的深度（cm）；a、b、c为待定参数，由实测土壤湿度的拟合方程确定。通过拟合（表2）可以发现1—12月的土壤湿度数据都可以用二次函数较好地拟合，其中4—12月的拟合相关系数R2可以达到0.9以上。

表2 土壤湿度随深度分布的二次函数拟合系数

通过函数拟合，得出了2008年9月—2009年8月的地表土壤湿度见表3。

表3 各月的地表土壤湿度

3.2 临界摩擦速度的求取

塔中地区的重力加速度g近似地为9.7975m·s-2；沙粒粒径d平均为136 μm；通过计算得到2008年9月—2009年8月地表土壤湿度的数据根据公式（3、4）得出每个月的H（ω），而塔中地区的植被覆盖率可以近似地认为是零，所以R（λ）的值等于1。本文在充分考虑地表土壤湿度的情况下，通过（1）式计算得到每个月的临界摩擦速度（表4）。

表4 各月的临界摩擦速度

图1是风蚀传感器所测得沙粒撞击数与摩擦速度的关系，由图可知，当u*t>0.20 m·s-1时沙粒开始移动，u*t>0.30 m·s-1，沙尘移动速度加快，撞击颗粒数增加。符合Shao经验公式计算出来的结果，为此，在这里取这12个u*t的值为塔中地区每个月的临界摩擦速度。

图1 风蚀传感器所测的摩擦速度与颗粒撞击数[18]

这一结果比申彦波等[19]采用（1）式的计算方法，得到的敦煌戈壁地表土壤的临界起动速度0.43 m·s-1小，比杨兴华[20]求的0.24 m·s-1值大，虽然作者与杨兴华都考虑到了土壤湿度，但是作者利用现有的资料作函数拟合计算得到了地表土壤湿度，杨兴华是利用了经验值得到H（ω）的值为1，因此作者所取得的值比0.24 m·s-1大是正常的。敦煌戈壁地表被细石子和可移动的沙粒覆盖，粗糙度比较大，所以它的临界摩擦速度也较大。由于临界摩擦速度受多重因素的影响，所以分别把12个月的临界起动速度作为塔中地区每个月沙粒的流体临界起动速度是合理的，取值的大小也是可信的。

3.3 临界起沙风速的计算

把上文中所求得的塔中地区风蚀起沙的临界摩擦速度的值代入（2）式，可求得塔中地区2 m高度的每个月的临界起沙风速（表5）。

表5 各月的临界起沙风速

根据图（2）可以看出夏季和冬季临界起沙风速要比春秋季的值要大，其原因是根据塔中气象站观测资料显示，该地区的降水主要集中在夏季，土壤湿度大，地表土壤水分对风蚀起沙的阻碍作用就大，因此夏季起沙风速相对较大；冬季气温低，湍流运动弱，热力因素对沙粒起动的贡献小，所以冬季的起沙风速也相对春秋季节较大。

图2 塔中地区各月沙粒起动速度

夏季虽然摩擦速度大，却是沙尘暴多发季节，冬季则相反几乎很少发生沙尘暴现象，这是由于地面热通量能够导致地面风速、层结不稳定度、地面摩擦速度等沙尘暴重要影响因子出现白天增强、夜间减弱的变化，进而影响沙尘暴的强度波动[20]。

4 结论

起沙阈值受地表植被、土壤含水率以及地表沙粒粒径的影响，应该是一个变化的值，作者根据拟合得到的地表土壤湿度分别求得每个月的起沙阈值。

（1）塔中地区1—12月的临界摩擦速度分别为：0.32、0.34、0.34、0.27、0.24、0.31、0.36、0.36、0.28、0.27、0.29、0.31 m·s-1。

（2）塔中地区2 m高度的1—12月临界起沙风速分别为5.4、5.6、5.6、4.6、3.9、5.1、5.9、5.9、4.6、4.5、4.8、5.2 m·s-1。

（3）塔中地区临界起沙风速的最高值出现在夏季，次高值在冬季，最小值出现在春季。

起沙阈值受下垫面情况的影响，变化性相对较大，是一个很难把控的参数，同时也是沙粒运移领域研究的一个难点。本文仅从地表土壤含水率上做了一定的修订，当然如果能更加全面地考虑到其他影响因素，起沙阈值的求解将会更加准确，这点作者在以后的研究当中应充分考虑到。而对于所求的起沙阈值的可信度，作者也是利用了风蚀传感器所测得的沙粒撞击数与与摩擦速度之间的关系来进行比较验证。沙粒之间的相互碰撞以及冲击，是引发沙粒运动的重要方式，所以沙粒的冲击起动速度的研究对风沙运动的研究有重要意义。

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The Analytical Calculation of the Threshold for Dust Emission in the Hinterland of the Taklimakan Desert

ZHOU Chenglong1，3，HE Qing2，3，ZHANG Aiqiang1，LIU Houyong1，JIANG Xinbo1，YANG Xinghua2，3
（1.Tazhong Meteorological Station，Tazhong 841000，China；2.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；3.Desert Atmosphere and Environment Observation Experiment of Taklimakan Station，Tazhong 841000，China）

The threshold sand-moving wind speed is a key indicator of the sand activities，it can determine the activities，it will change with the surface conditions and atmospheric environment.To further understand the variation of the threshold sand-moving wind speed under field conditions，This paper selected Tazhong of the hinterland of Taklimakan Desert as the research Area，on the basis of considering the size of the surface soil，soil moisture,air density and other factors，the paper use the empirical formula to calculate the threshold sand-moving wind speed of each month in this area。The conclusions are as follows：（1）the fluid critical threshold sand moving wind speed of 2 m height ranged from 0.24 m/s to 0.36 m/s at Tazhong，the mean is 0.31 m/s；（2）the threshold sandmoving wind speed of 2 m height is between 3.9 m/s and 5.9 m/s at Tazhong，the mean is 5.1 m/s；（3）in all of the threshold for dust emission,the maximum is in summer,the second highest in winter,and spring is the minimum.Thus it can provide scientific methods for the prevention and control the sandstorm at Tazhong area.

surface soil moisture；threshold friction velocity；the threshold sand-moving wind speed

P931.3

A

1002-0799（2014）05-0053-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.05.010

2014-04-14；

2014-05-14

新疆维吾尔自治区自然科学基金（2013211B39）。

周成龙（1986-），男，助理研究员，主要从事地面气象综合观测和沙尘暴及大气成份的监测。E-mail：baohululdacheng@163.com

杨兴华（1982-），男，副研究员，主要从事沙漠气象研究。E-mail：yangxh@idm.cn

周成龙，何清，张爱强，等.塔克拉玛干沙漠腹地起沙阈值计算解析[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（5）：53-57.