塔克拉玛干沙漠腹地风蚀起沙特征观测研究

刘娅楠，钟昕洁，马 凯，杨芳芳，仇会民

（巴音郭楞蒙古自治州气象局，新疆 库尔勒841000）

土壤风蚀活动在干旱和半干旱地区时有发生[1]，它所产生的沙尘气溶胶是目前大气中气溶胶的主要来源[2]，并对全球物理、化学和生物循环有重要影响[3]。沙尘气溶胶及沙尘暴的研究作为一个全球变化及其环境问题的重要前沿性领域引起了广泛关注。塔克拉玛干沙漠是中国最大的流动性沙漠，也是亚洲主要的沙尘源区之一，严重影响着下游地区的气候环境[4]。因此，塔克拉玛干地区的沙尘研究在我国沙尘天气和大气环境研究中占有重要地位。

通常基于临界起沙风速和风速2个参数，进而获取沙尘持续时间和沙尘水平通量来描述风蚀起沙特征[5-7]。近年来，中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所沙漠边界层气象研究团队开展了大量相关方面的研究工作[8-16]。周成龙等[14-16]对比分析不同临界起沙风速的参数化方案，筛选出了适合塔中地区临界起沙风速的参数方案，并给出Shao参数化方案适合估算总沙尘水平通量及非沙尘和扬沙天气的沙尘水平通量，Marticorena参数化方案适合估算沙尘暴天气的沙尘水平通量。但目前，对塔克拉玛干沙漠腹地风蚀起沙研究依然缺乏长时间序列且更为细致的解析。

塔克拉玛干沙漠植被覆盖度极低，物种贫乏，群落结构简单。地表沙粒主要以细沙和极细沙为主。塔中气象站位于塔克拉玛干沙漠腹地，是国内唯一深入沙漠腹地的基准气象站，常年的连续观测为本研究提供了非常宝贵的第一手观测资料。基于塔中气象站多年的观测资料，发现塔中地区年平均蒸发量＞3 800 mm，但年平均降水量仅有26 mm[17]，年平均沙尘暴日数为16 d，沙尘是塔中地区的主要天气现象[18]。鉴于此，本研究利用塔中气象站2009—2018年的地面观测资料细致解析塔克拉玛干沙漠腹地的风蚀起沙特征，以期为该地区防沙治沙以及沙尘暴预警提供一定的科学依据。

1 数据与方法

本研究选取塔中气象站2009—2018年的小时地面观测资料，包括风速，风向等。获得的长期连续观测数据每年由专人进行质量控制，保证了数据的真实性和可信度。

1.1 临界起沙风速

式（1）中，u*t（d）是光滑地表的临界摩擦风速[19-20]，fλ（λ）是粗糙度的修正方程[21-22]，fw（w）是土壤湿度的修正方程[23-24]。式（2）中，B是摩擦雷诺数（B=adx+b，其中a=1 331 cm-x，b=0.38，x=1.56），K=[（σgd/ρ）0.5（1+0.006/σg（d）2.5）]0.5，g是重力加速度，σ是沙粒密度，ρ是空气密度，d是沙粒粒径。式（4）中，w是土壤的重量含水率，w′是临界土壤的重量含水率（w′=0.001 4（%clay）2+0.17（%clay））。临界风速（ut）与临界摩擦风速（u*t）可以通过公式（5）相互转换，其中，k是卡曼常数（0.4），z是高度，z0是空气动力粗糙度。

1.2 沙尘水平通量

其中，Q是沙尘水平通量，ρ是空气密度，g是重力加速度，u*是摩擦风速，u*t是临界摩擦风速，E是地表土壤风蚀率，c是常数。

1.3 起沙持续时间

当风速大于或等于临界起沙风速时，记作一次风蚀起沙事件，否则，则没有发生风蚀起沙事件[22]。

1.4 变异系数

其中，CV为变异系数，σ为标准差，μ为平均值。

2 结果与分析

2.1 临界起沙风速

当风速大于等于临界起沙风速时，地表会发生风蚀现象，因此准确获取临界起沙风速是分析风蚀起沙的首个重要环节。图1给出塔中地区临界起沙风速在不同季节的日变化情况，最大值均出现在09：00—10：00（北京时，下同），最小值出现在00：00和23：00。临界起沙风速在春季，为4.67～4.82 m/s，夏季增大至4.80～4.92 m/s，秋季为4.62～4.78 m/s，冬季最小，为4.47～4.62 m/s，因此临界起沙风速表现出明显的季节变化特征，夏季＞春季＞秋季＞冬季。周成龙等[11，15-16]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，利用经验公式给出了塔中地区的临界起沙风速，二者结果基本一致。

图1 塔中地区临界起沙风速的日变化

2.2 年际变化

图2a给出了塔中地区2009—2018年沙尘水平通量不同季节的年际变化，春、夏季沙尘水平通量占全年总量的88.7%。春、夏、秋和冬季的沙尘水平通量的平均值为分别为2 638.9、3 298.9、641.2和118.8 kg/m2。图2b给出了塔中地区2009—2018年起沙持续时间不同季节的年际变化。春、夏、秋和冬季的起沙持续时间的平均值为分别为291.5、336.7、122.3和33.2 h，春、夏季起沙持续时间站全年总时长的80.2%。因此，塔中地区的风蚀事件主要出现在春、夏季，很少出现在秋、冬季，尤其是冬季。且夏季的沙尘水平通量和起沙持续时间要明显高于春季。陶健红[25]利用1960—2005年西北地区135个台站的沙尘日数资料分析给出了沙尘天气主要发生在春季。这主要是因为塔中特殊下垫面在夏季给沙尘天气的发生提供了足够的热力条件。同时也解释了尽管冬季的临界起沙风速最小，但由于地表的温度较低，在同样动力条件下，风蚀事件难以发生。

图2 塔中地区沙尘水平通量（a）与起沙持续时间（b）的年际变化

变异系数可以准确的表示样本之间的差异，Wilding表示当CV值＜0.35时，样品之间的变化很小。沙尘水平通量春、夏、秋和冬季的CV值分别为0.26、0.26、0.51和0.50。结果表明沙尘水平通量在春夏季，年际波动较小，相对较稳定。相反在沙尘的少发季节，年际变化波动大，相对不稳定。例如，2016年冬季的沙尘水平通量为260.4 kg/m2，但2015年冬季的沙尘水平通量仅为4.7 kg/m2，二者相差54倍。起沙持续时间，春、夏、秋和冬季的CV值分别为0.16、0.14、0.21和0.35。结果表明，起沙持续时间的年际变化较沙尘水平通量相对较稳定，尤其是春、夏季的起沙持续时间，差异性最小，即使是冬季，起沙持续时间表现也相对较稳定。

2.3 时次变化

图3a给出了塔中地区沙尘水平通量不同季节的日变化，春季和夏季在11：00出现的沙尘水平通量最大，分别占日总量的9.1%和8.5%；秋季和冬季在10：00出现的沙尘水平通量最大，分别占日总量的13.8%和20.5%。从发生时段上，春季，64.2%的沙尘水平通量发生在05：00—13：00；夏季07：00—15：00是出现沙尘水平通量最多时段，占日总量的61.5%。秋季75.2%的沙尘水平通量出现04：00—12：00，冬季沙尘水平通量发生最集中，74.6%的沙尘水平通量出现06：00—11：00。图3b给出了塔中地区起沙持续时间不同季节的日变化。春季在10：00出现的起沙持续时间最大，占日总持续时间的8.5%；夏季在12：00最大，占日总持续时间的6.8%；秋季和冬季在10：00出现最大值，分别占日总持续时间的11.8%和18.1%。从发生时间段上，春、夏季03：00—13：00最易出现起沙现象，分别占日总起沙持续时间的75.7%和65.5%。秋季，75.0%的起沙现象出现在04：00—11：00；冬季75.3%的起沙现象出现在06：00—11：00。

图3表明风蚀事件更容易发生在白天，夜间由于近地层大气层结稳定，阻止了沙尘的释放。同时沙尘水平通量与起沙持续时间并未表现出一一对应关系。沙尘水平通量的大小除了取决于持续时间，同时也与风速大小相关。周成龙等[18]通过天气现象统计出塔中的沙尘天气最容易出现在午后和傍晚阶段。事实上，出现沙尘天气并不一定会出现风蚀事件。例如，静稳条件下的浮尘天气，或者尽管起沙持续时间很长但风速较小，同样沙尘水平通量的值可能会很小。因此二者的结果是不矛盾的。

图3 塔中地区沙尘水平通量（a）及起沙持续时间（b）的日变化

2.4 方向分布

图4给出了塔中地区沙尘水平通量和起沙持续时间在不同季节的方向分布。从整体来看，它们具有较好的一致性，主要分布在偏东和偏北方向上。

从季节分布来看，春季沙尘水平通量和起沙持续时间主要集中在NE、ENE和E 3个方向（偏东方向），其沙尘水平通量分别为21.7%、26.2%和13.9%，起沙持续时间分别为18.4%、32.3%和16.3%。其次为偏北方向，15.5%的沙尘水平通量和9.9%的起沙持续时间出现在N和NNE上。夏季沙尘水平通量和起沙持续时间主要集中在NNW、N、NNE和NE 4个方向（偏北方向），其沙尘水平通量分别占11.6%、23.3%、19.4%和19.8%，起沙持续时间分别占7.6%、15.8%、14.7%和19.8%。其次为偏东方向，15.5%的沙尘水平通量和23.5%的起沙持续时间出现在ENE和E上。秋、冬季沙尘水平通量和起沙持续时间分布较集中，主要出现在NE、ENE和E 3个方向上，尤其是冬季，83.19%的沙尘水平通量和80.42%的起沙持续时间都出现在这3个方向上。

图4的结果与塔中观测的沙尘天气的方向分布是一致的，塔中常年主导风向以E、ENE、N和NNE 4个方向为主[18]。由于影响塔里木盆地的主要大气环流有2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，塔中地区的风蚀主要集中在偏东和偏北方向[26]。

图4 塔中地区沙尘水平通量（a）及起沙持续时间（b）的方向分布

3 结论

基于塔中气象站2009—2018年的地面观测资料，分析塔克拉玛干腹地的风蚀起沙特征，得出以下结论：

（1）塔中地区临界起沙风速具有明显的季节性差异。最大值出现在夏季，为4.80～4.92 m/s；最小值出现在冬季，为4.47～4.62 m/s；临界起沙风速的日变化呈单峰分布，最大值出现在09：00—10：00。

（2）春、夏季是风蚀的多发季节。春、夏季沙尘水平通量的平均值分别为2 638.9、3 298.9 kg/m2，起沙持续时间的平均值分别为291.5、336.7 h。春、夏季风蚀事件的年际变化比秋、冬季节更稳定，波动更小。

（3）沙尘水平通量和起沙持续时间更容易出现在白天。春季的风蚀主要发生在偏东方向上，61.8%的沙尘水平通量和67.0%的起沙持续时间集中在NE、ENE和E 3个方向上；夏季的风蚀主要发生在偏北方向，74.1%的沙尘水平通量和57.9%的起沙持续时间出现在NNW、N、NNE和NE 4个方向。秋、冬季相比春、夏季，沙尘水平通量和起沙持续时间出现的更集中，尤其是冬季，83.19%的沙尘水平通量和80.42%的起沙持续时间都出现在NE、ENE和E三个方向上。