周成龍,楊興華,劉厚勇,蔣新波,吳新萍,何 清
(1.塔中氣象站,新疆 塔中841000;2.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊830002;3.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境試驗觀測站,新疆 塔中841000)
風(fēng)沙危害一直是中國十分關(guān)注的環(huán)境問題之一,由于其發(fā)生頻率高,影響范圍廣,對經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展、大氣環(huán)境以及人民健康帶來不利影響[1],地處塔里木盆地的塔克拉干沙漠是中國最大的沙漠,也是中國沙塵暴的多發(fā)中心之一[2]。許多學(xué)者針對南疆沙漠地區(qū)起沙風(fēng)和輸沙率進行了計算研究[3-5],但是由于計算輸沙率需要考慮的影響參數(shù)通過測量獲取比較困難,所以用輸沙勢來代替輸沙率討論塔中的沙粒輸送能力。李紅軍等[6]利用新疆大量的氣象站風(fēng)觀測資料,對全疆的輸沙勢的時空分布進行了系統(tǒng)的分析。王訓(xùn)明等[7]、張家武等[8]、李恒鵬等[9]對塔中輸沙勢進行了計算和研究,得出塔中輸沙勢屬于低能區(qū)。為了進一步認識塔中的風(fēng)沙運動規(guī)律,利用塔中2006—2012年的氣象站觀測資料,對塔中地區(qū)的輸沙勢的方向分布做系統(tǒng)分析,為塔中地區(qū)的防沙御災(zāi)提供一定的科學(xué)依據(jù)。
塔克拉瑪干沙漠腹地的塔中地區(qū)位于38°58′N,83°39′E,根據(jù)塔中氣象站的觀測資料該地區(qū)年平均氣溫為13.6℃,氣溫年較差平均在33.0~39.0℃;極端最高氣溫可達40.0~46.0℃,極端最低氣溫達-20.0~-25.0℃,其中2008年1月30日09時觀察到-32.6℃的極端低溫,為建站以來的最低值,該地區(qū)的年平均風(fēng)速為2.3m/s,大風(fēng)日數(shù)為年平均為10.5d[10]。地表土壤被風(fēng)蝕嚴(yán)重。
所用資料為塔中氣象站提供的2006—2012年風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù),以及塔中西站提供2008年9月至2009年8月的2.5,10,20和40cm的土壤濕度數(shù)據(jù)。由于臨界起沙風(fēng)速是時刻變化的,所以作者利用土壤濕度數(shù)據(jù),對每個月的土壤濕度隨深度變化進行二次函數(shù)擬合,得出每個月的地表土壤濕度,進而利用Shao和Bagnold經(jīng)驗公式計算出1—12月的臨界起沙風(fēng)速,來代替以往的一個經(jīng)驗值以進一步提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性(表1)。
表1 沙粒2m高度臨界起沙風(fēng)速u*月分布
在諸多輸沙勢計算方法中,F(xiàn)ryberger以Lettau(1978)的輸沙率公式為基礎(chǔ)提出的輸沙勢計算方法被廣泛接受和應(yīng)用。本文采用采用Fryberger[11]方法計算了對應(yīng)時段16個方向的輸沙勢,輸沙勢的計算公如下:
式中:DP——輸沙勢(VU);V——各級別起沙風(fēng)速的1min平均值(kn/h);Vt——臨界起沙風(fēng)速(kn/h);t——起沙風(fēng)作用時間。統(tǒng)計觀測期間各風(fēng)向不同速級起沙風(fēng)的頻率,把相同風(fēng)向各風(fēng)速級出現(xiàn)頻率與平均風(fēng)速分別代入方程(1),所得值相加,即得到某一風(fēng)向的輸沙勢。16個方向的輸沙勢相加得到總輸沙勢,然后進行矢量合成可得到合成輸沙勢(RDP)與輸沙勢合成方向(RDD)。
風(fēng)給沙粒發(fā)生運移的提供了直接動力,由于只有當(dāng)風(fēng)速高于臨界起沙風(fēng)速時,沙粒才能發(fā)生運移,所以對起沙風(fēng)的風(fēng)況才是重點了解的對象。
塔克拉瑪干腹地塔中2006—2012年4個季節(jié)塔中起沙風(fēng)風(fēng)向以ENE,NE及E為主(圖1),春、夏、秋、冬4個季節(jié)在這3個風(fēng)向上所占的頻率分別為63.2%,39.5%,69.6%,93.3%。其中夏季除了在ENE,NE及E方向上所占的頻率分布較大外,在N,NNE以及NNW方向上所占的頻率為41.3%。因此塔中的4季的風(fēng)向偏東北方向。其余風(fēng)向所占頻率都較小,表明觀測點年起沙風(fēng)風(fēng)向變化比較單一,這與觀測點輸沙活動發(fā)生方向較為集中的現(xiàn)象一致。影響塔里木盆地的主要大氣環(huán)流有兩支,東部主要受大陸和極地反氣旋“東風(fēng)倒灌”控制,而西部受弱西風(fēng)環(huán)流控制。這種環(huán)流形式?jīng)Q定了在整個沙漠中,東部盛行偏東風(fēng),而西部盛行偏西風(fēng),二者在克里雅河一帶匯合形成一個輻合區(qū),因此塔中的風(fēng)向儀偏東為主[12],根據(jù)塔中觀測的數(shù)據(jù)可以證明這一點。
圖1 2006-2012年塔中地區(qū)四季起沙風(fēng)玫瑰圖
塔中2006—2012年地區(qū)月起沙風(fēng)頻率占全年總起沙風(fēng)頻率百分比起伏波動較大(圖2)。其中4,5,6月頻率較高,分別各占16.1%,31.3%,12.5%,1,2,12月共占全年的1.7%。有效起沙風(fēng)的月平均風(fēng)速在5.3~7.3m/s變動,變幅較大大,表明此區(qū)起沙風(fēng)較不穩(wěn)定。春季和夏季相對其他季節(jié)高一些,其中7,8月平均風(fēng)速分別為7.19和7.27m/s,盡管冬季的月平均風(fēng)速在6.0m/s左右,但由于其出現(xiàn)頻率太低,因此不足以表示整個月的起風(fēng)情況。由圖2可見,春、夏季節(jié)不僅有效起沙風(fēng)發(fā)生的次數(shù)較多,而且風(fēng)速較大,因此風(fēng)沙活動頻繁。相對來說,秋、冬季風(fēng)沙活動則較弱。一年之中引起風(fēng)蝕作用的風(fēng)沙流活動多集中春季和夏季。因此在研究該區(qū)風(fēng)沙流活動規(guī)律時應(yīng)以春夏兩季的風(fēng)場作為主要分析目標(biāo)。
圖2 塔中地區(qū)2006-2012年氣象站月均風(fēng)速(有效起沙風(fēng))及頻率
輸沙勢(drift potential,DP)表示潛在的最大輸沙量,在數(shù)值上以矢量單位(VU)表示[13]。羅盤16方向輸沙勢的合成方向與合成矢量,稱作合成輸沙方向(resultant drift direction,RDD)和合成輸沙勢(resultant drift potential,RDP)[14]。RDP/DP稱為方向變率指數(shù),起沙風(fēng)的方向變率越大,與它相關(guān)的RDP/DP越小。輸沙勢及合成輸沙勢是衡量一個地區(qū)風(fēng)沙活動強度及風(fēng)沙地貌演變的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)[15-17]。合成輸沙方向決定一個地區(qū)風(fēng)沙危害的方式[13]。
3.2.1 輸沙勢的方向分布 根據(jù)公式(1),計算塔中地區(qū)2006—2012年的輸沙勢。通過計算可以得到2006—2012年總輸沙勢為1 595.1VU,合成輸沙勢為945.2VU,合成方向為47.9°,年平均輸沙勢為227.4VU,合成輸沙勢為136.6VU,合成方向為47.7°,方向變頻指數(shù)RDP/DP為0.6。
2006—2012年年平均輸沙勢集中在N,NNE,NE,ENE,E及NNW這6個風(fēng)向上,輸沙勢為183.9VU共計占到80.70%,其中NE,ENE,E方向所占比重為52%(圖3)。由于夏季的風(fēng)向在N,NNE以及NNW方向上所占的頻率為41.29%,所以在這3個風(fēng)向上的輸沙勢也比較大。在SE,SSE,S,SSW這4個方向上的輸沙勢最小,所占比重僅為3.4%。由風(fēng)向分布可以看出輸沙勢的分布和風(fēng)向分布基本保持較好的相關(guān)性,即塔中地區(qū)的潛在輸沙能力和風(fēng)向分布基本保持吻合。
圖3 塔中地區(qū)2006-2012年不同方向的年平均輸沙勢
3.2.2 輸沙勢的月分布 塔中輸沙勢的月分布以3—8月為主,其中這6個月的的輸沙勢為206.4VU,占全年的總輸沙勢的90.59%,合成輸沙勢為123.3VU,合成方向為50.25°。1,2,12月最小,僅占全年的0.41%(圖4),即輸沙勢主要集中在春夏季。合成輸沙勢春季最大(3,4,5月),年平均為123.7VU,夏季(6,7,8月)其次,年平均為82.3VU,冬季(1,2,12月)最少僅為1.1VU。這與李紅軍等[6]對整個新疆輸沙勢的分析所得到的結(jié)果是一致的。從表2中可以看出方向變頻指數(shù),冬季最大,其次是夏季,春秋的方向變頻指數(shù)基本相同。通過4個季節(jié)及全年的RDP/DP指數(shù)可以得出整個塔中的起沙風(fēng)的方向變頻較小。
圖4 塔中地區(qū)合成輸沙勢的年內(nèi)變化
3.2.3 輸沙勢的季節(jié)分布 由表2可見,春季輸沙勢為123.7VU,合成輸沙勢為71.3VU,合成輸沙方向為31°。風(fēng)向變率指數(shù)為0.58,說明春季風(fēng)況較為簡單。統(tǒng)計結(jié)果顯示,春季NE,ENE,E這3個方向輸沙勢分別為18.4,38和25VU,各占全季節(jié)輸沙勢的14.9%,30.7%和20.3%。分析風(fēng)況可知,此季節(jié)塔中地區(qū)偏東北風(fēng)風(fēng)頻率較高和風(fēng)力較強,致使出現(xiàn)在這3個方向上風(fēng)的輸沙能力比其他方向明顯偏大的狀況。
表2 2006-2012年塔中地區(qū)輸沙勢的年均季節(jié)分布
夏季輸沙勢為82.3VU,合成輸沙勢為59.7VU,合成輸沙方向為70.7°。風(fēng)向變率指數(shù)為0.73,說明風(fēng)況較春季簡單。夏季輸沙方向主要集中在N,NNE,NE這3個方向上,輸沙勢分別為15.4,21.9,16.3VU,分別占全季的18.8%,26.6%,19.8%塔中夏季偏東風(fēng)方向輸沙勢明顯減弱,僅占全季輸沙勢的11.1% 。西北偏北方向的輸沙勢也較大,占全季的10.9%。這說明塔中地區(qū)夏季北風(fēng)和東北偏北方向風(fēng)頻率高,風(fēng)力強勁,使偏北方向輸沙勢明顯高于其他方向。
秋季輸沙勢為20.3VU,合成輸沙勢為12.6VU,合成輸沙方向為38.7°。風(fēng)向變率指數(shù)為0.62,說明風(fēng)況比較簡單。分析可知此季節(jié)風(fēng)向分布和春季基本相同主要也以NE,ENE,E這3個方向為主,這3個方向輸沙勢為分別為3.0,5.2和2.9VU,分別占全季輸沙勢的14.9%,25.5%,14.2%。雖然這3個方向的風(fēng)頻分布和春季基本一致,但是風(fēng)力較春季明顯下降,這是由于季節(jié)上的區(qū)別。
冬季輸沙勢與春,秋兩季特點基本一致,只是風(fēng)況更加簡單,輸沙勢降低。冬季輸沙勢為1.1VU,合成輸沙勢為1VU,風(fēng)向變率指數(shù)為0.9,接近1。分析可知,方向變率指數(shù)如此高,是因為此季N,NNE,NE這3個方向上的輸沙勢幾乎占了全季輸沙勢的全部。這個3個方向輸沙勢為1.07VU,占此季輸沙勢的93.5%。
春季和夏季是沙塵天氣的高發(fā)季節(jié),這與天氣背景和環(huán)流形勢密不可分。春季是過渡季節(jié),是環(huán)流的調(diào)整時期,冷空氣殘余勢力與暖空氣相互消長,天氣更替頻繁,溫度變化幅度較大,強天氣系統(tǒng)移動速率很快,寒潮天氣也頻頻出現(xiàn),所以春季相對于其他季節(jié)風(fēng)要更多、更強,沙塵天氣發(fā)生更頻繁。夏季近地面空氣升溫速度快,近地層的空氣升溫較慢,隨高度遞增形成一個溫差很大的溫度梯度層,造成垂直方向上的熱對流不穩(wěn)定,容易形成局地的沙塵天氣。這與所得出來的結(jié)論是相吻合的。
以上可以說明,塔中地區(qū)春、夏、秋、冬4個季節(jié)的輸沙勢差異較大,但是輸沙的方向都集中在了N,NNE,NE這3個方向上(如表3所示)。
表3 塔中地區(qū)2006-2012年輸沙勢在不同方向的季節(jié)分布 VU
3.2.4 輸沙勢的年際變化 在本研究所采用的7a時間內(nèi),年輸沙勢最大值出現(xiàn)在2006年,為298.2VU;年輸沙勢最小值出現(xiàn)在2012年,為189.6VU。年合成輸沙勢最大值出現(xiàn)在2006年,為160.2VU;最小值出現(xiàn)在2009年,為101.1VU(圖5)。輸沙勢在2006年為最高值,在2009年為次高值,輸沙勢在2006—2008年和2009—2012年是逐年降低的。合成輸沙勢則最小值出現(xiàn)在2009年即從2006—2009年是呈逐年下降趨勢,但從2009—2012年則呈上升趨勢。2009—2012年的年輸沙勢和年合成輸沙勢呈相反變化趨勢,因此年輸沙勢與年合成輸沙勢沒有直接聯(lián)系。各年合成輸沙方向介于30°~53.1°,為偏東北方向。
圖5 塔中地區(qū)2006-2012年輸沙勢和合成輸沙勢
(1)塔中地區(qū)2006—2012年春、夏、秋、冬的風(fēng)向分布主要以ENE,NE及E為主,這3個風(fēng)向上所占的頻率分別為63.22%,39.54%,69.61%,93.33%,其中夏季除了在ENE,NE及E方向上所占的頻率分布較大外,在N,NNE以及NNW方向上所占的頻率為41.29%。
(2)輸沙勢的月份主要集中在3—8月的,輸沙勢為206.4VU,占全年的總輸沙勢的90.59%,合成輸沙勢為123.3VU,合成方向為50.25°。1,2,12月最小,僅占全年的0.41%。合成輸沙勢春季最大,年平均為71.3VU,夏季其次,年平均為59.7VU,冬季最少僅為1VU。四季輸沙勢方向主要集中在ENE,NE及E方向上,和起沙風(fēng)向有較好的吻合。
(3)2006—2012年年平均輸沙勢為227.4VU,合成輸沙勢為136.6VU,合成方向51.83°,方向變頻指數(shù)RDP/DP為0.6。年輸沙勢最大值出現(xiàn)在2006年,為298.2VU;最小值出現(xiàn)在2012年,為189.6VU;和成輸沙勢最大值出現(xiàn)在2006年,為160.2VU;最小值出現(xiàn)在2009年,為101.1VU。合成年輸沙方向介于30°~53.1°,為偏東北方向。
(4)春、夏、秋、冬4個季節(jié)的方向變頻指數(shù)RDP/DP都相對較大,這說明塔中起沙風(fēng)向的變頻較小,風(fēng)況較為單一。通過本文可以得出對塔中地區(qū)防護工程設(shè)計中,應(yīng)重點考慮ENE,NE及E這3組風(fēng)春夏季的輸沙能力大小,并結(jié)合實際的沙源狀況進行分析研究,以便能取得較好的防護效果。
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