新疆塔克拉玛干沙漠塔中地区春夏季风沙特征分析

□徐洁　彭艳梅　张新军

（新疆气象服务中心新疆乌鲁木齐830002）

新疆塔克拉玛干沙漠塔中地区春夏季风沙特征分析

□徐洁彭艳梅张新军

（新疆气象服务中心新疆乌鲁木齐830002）

本文利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中观测资料，对塔中地区春季和夏季风沙特征进行了分析研究。结果表明：塔中春夏季高度风速集中在0～7m/s间，累积频率都在85%以上；风廓线拟合系数为0.9749；0.5m高度3至5级风沙流密度分别为0.1559 g·m-3、0.2133g·m-3、0.6274 g·m-3；2m高度3至6级风沙流密度分别为0.0019 g·m-3、0.0028g·m-3、0.0068 g·m-3、0.0601 g·m-3；塔中风沙观测场0～200cm高程内风沙流的输沙量比重随高度呈指数规律递减，拟合函数为：匝=212.18h-0.918R=0.998。

风廓线；风速段频率；风沙流密度；沙尘通量；塔中

本文DOI编码：10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2015.06.061

塔克拉玛干沙漠是我国第一大沙漠，位于新疆塔里木盆地，是我国沙尘暴中心和亚洲沙尘暴产生的重要源地[1-2]。沙尘暴扬起的沙尘以气溶胶的形态随高空西风环流远距离输送上千公里，影响范围及其广阔。研究该地区的风沙特征，对我国沙尘暴及其气溶胶研究具有重大意义。笔者收集塔中风沙观测场2007年至2009年沙尘高发期春季、夏季8场风沙天气期采集的沙粒、风数据，分析风沙天气时的风场特性、包含风速、风向、风廓线特征，风沙期不同高度处单位采样时间内的沙粒质量、粒径及其与风速的对应关系，并计算风沙流密度。

1　实验场地及数据说明

塔中风沙观测场建于2008年7月，38°58’，83°39’，海拔1 082m，深入塔克拉玛干腹地220km，该地区地表为流沙覆盖，植被覆盖度极低。地貌以沙丘地貌为主，沙丘地貌表现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40～50m。垄间平坦沙地宽1～3km，长2～5km。高大沙垄的前缘分布有低矮的新月型沙丘和沙丘链[3-4]。观测场设在两大沙垄间的平坦沙地上。

根据塔克拉玛干沙漠基本气流走向和风流动走向，安装有贴地层梯度风速仪、BSNE型梯度积沙仪。贴地层梯度风速仪（WAA151，Vailsala），安装高度为5cm、10cm、20cm、40cm、100cm，并在20cm和100cm处安装有风向仪（WAV151，Vailsala），可探测近地层的风廓线。BSNE梯度积沙仪积沙盒的安装高度分别为5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、200cm，积沙盒进沙口2cm×5cm，可同时获取6个高度层的输沙通量。

试验选取2008年7月25日至28日、2008年8月6日至8日、2008年8月18日至20日，2008年8月28日至30日，2009年4月10日至17日，2009年5月17日至21日，2009年5月24日至6月5日，2009年7月3日至9日共计8场风沙天气过程，风速数据按逐分钟收集，积沙仪所收集的风沙流输沙样本人工采集处理，在沙尘天气来临前把积沙盒清理干净，沙尘天气结束后立即取出，装入密封袋，并记录采集时间，沙粒样本分析在中国气象局数目年轮研究重点开放实验室进行。

2　塔中风沙特征分析

2.1塔中风沙观测场春、夏季风速段分析

图1为塔中风沙观测场梯度风观测塔不同高度各风速段频率统计。可以看出，塔中春季、夏季风速段分布趋势基本一致，春季各高度平均风速均高于夏季。春季0.5m至4m平均风速分别为3.18m/s，3.20m/s，3.04m/s，3.59m/s；夏季平均风速分别为2.82m/s，2.78m/s，2.79m/s，3.38m/s,4.32m/s。

图1　春季、夏季塔中风沙观测场各高度风速段频率统计

春季各高度风速都集中在0～7m/s间，夏季各高度风速都集中在0～6m/s间，基本累积频率都在85%以上。

2.2塔中风沙天气风廓线特征分析

表1　塔中春夏季及平均风廓线拟合系数

图2　塔中风沙天气春夏季风廓线图

近地表风速廓线及其变化是揭示近地表气流特性及风沙运动的有效途径之一。风沙流风速廓线是运动沙粒与气流相互作用的产物,由于沙颗粒在风沙流各高度层的分布不均,将导致不同区域不同下垫面风沙流风速的分布存在一定差异,具体情况见表1。整体来看，塔中风速随高度的升高而增大，夏季拟合相关系数较好，R达到0.9 861，春季拟合系数为0.8 668，春夏风沙天气过程总拟合系数为0.9 749。

2.3塔中风沙观测场风沙流密度分析

风沙流密度是指空气运动速度在大于起沙风速的情况下，单位体积空气气流中所含沙子的质量，单位是

假定风沙观测系统上游沙源在短时间内是不发生变化的，在大于起沙风速的同一风速情况下，风沙流密度是相同的，风速越大，风沙流密度越大。基于以上假定及认识，风沙观测仪中某一高度积沙总质量Q1计算公式为

式中，籽i为大于起沙风速情况下某一风速所对应的风沙流密度为风沙观测系统的积沙器进沙口面积为某一高度风沙流密度所对应的风速为在取样时间内起沙风速所持续的时间，s。

在近地层中，风受地面摩擦阻力的影响而速度降低。风速随高度的增加而增大。Bagnold[5]根据流体在起动条件下作用在沙粒上的拖拽力和重力的平衡，导出了均匀沙粒开始移动的流体临界起动速度的表达式:

（2）式中，Ut为沙粒起动速度（m/s-1）；为临界摩擦速度（m·S-1）；Z为计算高度（m）；k为卡曼常数（取3.62×10-3）。根据杨兴华、何清等[6]人在塔中地区春夏风蚀起沙研究中，取Bagnold、Marticorena、Shao三种计算临界摩擦速度U*t结果取平均0.26m/s，为塔中地区春夏季临界摩擦速度。

将0.26 m·S-1代入（2）得，塔中0.5m、1m、2m起沙速度分别为3.2 m/s、3.6 m/s、4.1m/s。

根据2008年至2009年8场风沙天气过程观测数据，按照蒲福风力等级，将风速划分为4个风级档，认为在同一级风速范围内风沙流密度籽是一样的，籽1、籽2、籽3分别对应的取值区间为[该高度起沙风速，5.4m/ s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]、[10.8 m/s，13.8 m/s]。

0.5m高度风沙流密度计算：

籽0.5,3、籽0.5,4、籽0.5,5分别为[3.2 m/s，5.4 m/s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]风速段，代入（1）式中，可得塔中0.5m高度不同3级、4级、5级风所对应的风沙流密度。联立方程如下：

1m高度风沙流密度计算：

妆1,3、籽1,4、籽1,5、籽1,6分别为[3.6 m/s，5.4 m/s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]、[10.8 m/s，13.8 m/ s]风速段，代入（1）式中，可得塔中1m高度不同3级、4级、5级、6级风所对应的风沙流密度。联立方程如下：

2m高度风沙流密度计算：

妆2,3、籽2,4、籽2,5、籽2,6分别为[4.1 m/s，5.4 m/s]、[5.5 m/s，7.9 m/s]、[8.0 m/s，10.7 m/s]、[10.8 m/s，13.8 m/ s]风速段，代入（1）式中，可得塔中2m高度不同3级、4级、5级、6级风所对应的风沙流密度。联立方程如下：

经过多次算式及分析，塔中试验站0.5m、1m、2m高度3级至6级风速段风沙流密度见下表：

表2　塔中风沙观测场风沙流密度

由表可以看出，随着风速的增大，风沙流密度呈逐渐增大趋势，随着高度增加，风沙流密度逐渐减少。

2.4塔中风沙期沙粒与风速特征分析

风沙流是气流、砂粒和下垫面三者相互作用的产物，它的发生和发展过程，包括3个相互联系而又相互区别的阶段，即通常所说的吹蚀、搬运和堆积的统一过程，其过程复杂多变[7-9]。风沙流结构是指风沙流中沙量在竖直面高度上的分布规律，吴正等科技工作者研究认为，气流搬运的沙量绝大部分(90%)是在离沙质的地表30cm高度内通过，其中又特别集中分布在0～10cm的气流层内，约占80%[10]。因此，测定了近地表0～200cm高度范围的输沙量，分析该高度范围内风沙流结构。结果表明：研究区的输沙量77.1%集中在0～10cm内，90.0%集中在0～20cm内，该结果这与吴正等的观测的结论基本一致。

将输沙量比重与高度进行了回归拟合，研究区输沙量比重与高度之间的最佳拟合函数为幂函数，其0.01显著性水平上的相关系数(R)高达0.998，表明研究区0～200cm高程内风沙流的输沙量比重随高度呈指数规律递减，拟合函数为：

式中，匝为输沙量比重或相对输沙率（%），h为距地面的高度（cm），R为相关系数。

结束语

本文以世界著名的、深入塔克拉玛干沙漠腹地、地形开阔、多沙尘暴天气的塔中为研究对象，以严把数据质量控制为着眼点进行了深入分析和研究。该研究的实施取得的主要成果如下：

1）塔中春季、夏季风速段分布趋势基本一致，春季各高度平均风速均高于夏季。春季各高度风速都集中在0～7m/s间，夏季各高度风速都集中在0～6m/s间。基本累积频率都在85%以上。

2）塔中风沙观测场风速随高度的升高而增大，夏季拟合相关系数较好，R达到0.9861，春季拟合系数为0.8668，春夏风沙天气过程总拟合系数为0.9749。

3）塔中风沙观测场风沙流密度分析，随着风速的增大，风沙流密度呈逐渐增大趋势，随着高度增加，风沙流密度逐渐减少。0.5m高度3至5级风沙流密度分别为0.1559 g·m-3、0.2133g·m-3、0.6274 g·m-3；2m高度3至6级风沙流密度分别为0.0019 g·m-3、0.0028g·m-3、0.0068 g·m-3、0.0601 g·m-3。

图3　不同高度范围内输沙量随高度的累计比重

4）塔中风沙观测场沙量比重与高度回归拟合最佳拟合函数为幂函数，其0.01显著性水平上的相关系数(R)高达0.998，表明研究区0～200cm高程内风沙流的输沙量比重随高度呈指数规律递减，拟合函数为：匝=212.18h-0.918R=0.998

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1004-7026（2015）06-0098-03中国图书分类号：K921/927

A

徐洁（1981.12-），女，浙江嵊州人，硕士，工程师，从事专业天气预报与服务，研究方向：环境气象、能源与交通气象；彭艳梅（1987.9-），女，重庆人，硕士，工程师，从事专业天气预报与服务，研究方向：环境气象、专业气象预报与服务；张新军（1985.11-），男，甘肃武威人，本科，工程师，从事专业天气预报与服务，研究方向：专业气象预报与服务。