塔克拉瑪干沙漠腹地起沙閾值計(jì)算解析

周成龍，何清，張愛強(qiáng)，劉厚勇，蔣新波，楊興華*

（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(yàn)觀測(cè)站，新疆 塔中 841000）

塔克拉瑪干沙漠腹地起沙閾值計(jì)算解析

周成龍1，3，何清2，3，張愛強(qiáng)1，劉厚勇1，蔣新波1，楊興華2，3*

（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(yàn)觀測(cè)站，新疆 塔中 841000）

臨界起沙風(fēng)速是判別風(fēng)沙活動(dòng)能否發(fā)生的關(guān)鍵指標(biāo)，其變化受到地表狀況及大氣環(huán)境的綜合影響。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)臨界起沙風(fēng)速在野外條件下的變化規(guī)律，選取塔克拉瑪干沙漠腹地塔中作為研究區(qū)，在綜合考慮地表土壤粒徑、土壤濕度、空氣密度等因素的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了該地區(qū)每月的臨界起沙風(fēng)速。得出：（1）塔中地區(qū)2 m高度的臨界摩擦速度值介于0.24～0.36 m/s，均值為0.31 m/s；（2）塔中地區(qū)2 m高度的臨界起沙風(fēng)速值介于3.9～5.9 m/s，均值為5.1 m/s；（3）塔中地區(qū)起沙閾值，最高值出現(xiàn)在夏季，次高值出現(xiàn)在冬季，春季最小。

地表土壤含水率；臨界摩擦速度；臨界起沙風(fēng)速

沙粒起動(dòng)即意味著地表沙粒運(yùn)移的開始，沙粒由靜止開始轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的臨界風(fēng)速稱為起動(dòng)風(fēng)速，一切超過起動(dòng)風(fēng)速的風(fēng)稱之為起沙風(fēng)[1-2]。

塔克拉瑪干沙漠是我國沙塵暴發(fā)生的中心也是亞洲沙塵暴重要的發(fā)生源地[3-5]。對(duì)其風(fēng)沙問題的研究也一直是中國沙漠研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。陳渭南等[6]對(duì)塔克拉瑪干沙漠的起沙風(fēng)速進(jìn)行了研究，并給出了不同觀測(cè)時(shí)距以及不同觀測(cè)高度的沖擊起動(dòng)和流體起動(dòng)風(fēng)速的相關(guān)方程；Gillette等[7]根據(jù)地表土壤風(fēng)蝕起沙的物理機(jī)制，認(rèn)為沙塵排放量是風(fēng)速和地表狀況的函數(shù)；成天濤等[8]利用起沙通量模式估算了渾善達(dá)克沙地春季的地表起沙風(fēng)速；楊興華等[9]利用塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區(qū)的觀測(cè)資料，對(duì)塔中地區(qū)春、夏季地表風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度及變化特征和起沙風(fēng)速進(jìn)行了分析研究。何清等[10]利用風(fēng)蝕傳感器所測(cè)沙塵暴過程沙粒撞擊數(shù)與摩擦速度之間的關(guān)系給出了塔中的臨界摩擦速度。

起沙閾值是研究風(fēng)蝕起沙的重要參數(shù)，它與沙粒粒徑、土壤性質(zhì)、地表植被狀況以及土壤含水量有關(guān)，因此臨界起沙風(fēng)速和臨界摩擦速度的準(zhǔn)確求解比較復(fù)雜，眾多學(xué)者雖然給出了各自的理論公式[2，11-12]，但大都用一個(gè)定值來定義該地區(qū)的起沙閾值。本文選取塔克拉瑪干沙漠腹地塔中作為研究區(qū)，在綜合考慮地表土壤粒徑、土壤濕度、空氣密度等因素的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了該地區(qū)每個(gè)月的臨界起沙風(fēng)速，為該地區(qū)的沙塵暴的預(yù)報(bào)與防沙治沙工作提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠腹地的塔中地區(qū)位于38°58＇N，83°39＇E。塔中地區(qū)是一片流動(dòng)的沙海，風(fēng)沙地貌主體為一系列線狀的高大復(fù)合型縱向沙壟與壟間地相間分布，沙壟走向?yàn)镹NE-SSW或NE-SW方向，相對(duì)高度為40～50 m。壟間平坦低地寬1～3 km，長2～5 km。高大沙壟的前緣分布有低矮的新月形沙丘和沙丘鏈[13-14]。根據(jù)塔中氣象站觀測(cè)資料記載，塔中地區(qū)的年平均氣溫為13.6℃；年平均降水量在25.9 mm左右；年平均風(fēng)速為2.3 m/s，年大風(fēng)日數(shù)為10.5 d，風(fēng)向以偏東北和偏西北風(fēng)為主。

2 數(shù)據(jù)與方法

所用資料為塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站提供的塔中西站2008年9月—2009年8月的2.5、10、20、40 cm的土壤濕度數(shù)據(jù)。通過對(duì)所提供的土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)擬合來求得地表土壤濕度數(shù)據(jù)，進(jìn)而利用公式（1）、（2）來計(jì)算出臨界起沙風(fēng)速。

Shao[3，11]在經(jīng)過多次試驗(yàn)和充分考慮地表土壤水分、植被覆蓋度等因素對(duì)沙粒起動(dòng)的影響后，提出了沙粒臨界摩擦起動(dòng)速度的表達(dá)式：

其中：AN、ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取0.012 3、0.165 g·s-2；σ為沙粒密度（2.65 g·cm-3）；ρ為空氣密度（0.001 23 g·cm-3）；g是重力加速度；d為沙子的粒徑；H（ω）、R（λ）分別表征地表土壤水分與植被覆蓋對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙作用。

Bagnold在提出沙粒臨界起動(dòng)速度公式的基礎(chǔ)上，又根據(jù)風(fēng)速隨高程變化的方程，提出了任何高程z的流體起動(dòng)風(fēng)速的公式：

式中，ut為沙粒起動(dòng)速度（m·s-1）；u*t為臨界起動(dòng)風(fēng)速（m·s-1）；z為計(jì)算高度（m）；k為卡曼常數(shù)（= 0.4）。塔中地區(qū)的地表沙粒粒徑較為均勻，因此該公式適合對(duì)該地區(qū)起沙風(fēng)速的計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表土壤含水率的計(jì)算

3.1.1 地表土壤含水率

關(guān)于地表土壤水分對(duì)沙粒運(yùn)移的影響，F(xiàn)ecan[15]、Dong[16]等都進(jìn)行了研究，并給出了相應(yīng)的計(jì)算模型，Shao[17]在Fecan研究的基礎(chǔ)上制定了地表土壤水分對(duì)風(fēng)蝕起沙影響的參數(shù)表（表1）。Fecan和Dong的具體表達(dá)式為：

其中，H（w）表征地表土壤水分對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙作用；w表示地表沙粒的含水率；w＇是土壤含水率對(duì)風(fēng)蝕起沙是否具有明顯阻礙作用的臨界值；a，b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其取值決定于土壤類型；clay%是地表土壤中粘粒的質(zhì)量百分含量；k是比例系數(shù)，為顆粒粒級(jí)的函數(shù)，一般在1.5～3.0之間。表1是Shao的風(fēng)蝕起沙方案中對(duì)不同土壤類型的w＇、a、b的取值，其中w、w＇取的是體積分?jǐn)?shù)。由表可以看出砂土類的含水率對(duì)風(fēng)蝕起沙是否具有明顯阻礙作用的臨界值最小，僅為5‰，隨著土壤類型由砂質(zhì)轉(zhuǎn)為粘土，其臨界值也隨著增大，重性粘土的值最大，可以達(dá)到17.1%，這說明對(duì)于風(fēng)蝕起沙，砂土對(duì)含水率的響應(yīng)最為敏感。

表1 地表土壤水分對(duì)風(fēng)蝕起沙影響的參數(shù)

3.1.2 地表土壤含水率的計(jì)算

本文分別對(duì)2008年9月—2009年8月2.5 cm、10 cm、20 cm，40 cm的月平均土壤濕度進(jìn)行了二次函數(shù)擬合：

式中，θ（h）為對(duì)應(yīng)深度的土壤濕度（‰）；h為距離地表的深度（cm）；a、b、c為待定參數(shù)，由實(shí)測(cè)土壤濕度的擬合方程確定。通過擬合（表2）可以發(fā)現(xiàn)1—12月的土壤濕度數(shù)據(jù)都可以用二次函數(shù)較好地?cái)M合，其中4—12月的擬合相關(guān)系數(shù)R2可以達(dá)到0.9以上。

表2 土壤濕度隨深度分布的二次函數(shù)擬合系數(shù)

通過函數(shù)擬合，得出了2008年9月—2009年8月的地表土壤濕度見表3。

表3 各月的地表土壤濕度

3.2 臨界摩擦速度的求取

塔中地區(qū)的重力加速度g近似地為9.7975m·s-2；沙粒粒徑d平均為136 μm；通過計(jì)算得到2008年9月—2009年8月地表土壤濕度的數(shù)據(jù)根據(jù)公式（3、4）得出每個(gè)月的H（ω），而塔中地區(qū)的植被覆蓋率可以近似地認(rèn)為是零，所以R（λ）的值等于1。本文在充分考慮地表土壤濕度的情況下，通過（1）式計(jì)算得到每個(gè)月的臨界摩擦速度（表4）。

表4 各月的臨界摩擦速度

圖1是風(fēng)蝕傳感器所測(cè)得沙粒撞擊數(shù)與摩擦速度的關(guān)系，由圖可知，當(dāng)u*t>0.20 m·s-1時(shí)沙粒開始移動(dòng)，u*t>0.30 m·s-1，沙塵移動(dòng)速度加快，撞擊顆粒數(shù)增加。符合Shao經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來的結(jié)果，為此，在這里取這12個(gè)u*t的值為塔中地區(qū)每個(gè)月的臨界摩擦速度。

圖1 風(fēng)蝕傳感器所測(cè)的摩擦速度與顆粒撞擊數(shù)[18]

這一結(jié)果比申彥波等[19]采用（1）式的計(jì)算方法，得到的敦煌戈壁地表土壤的臨界起動(dòng)速度0.43 m·s-1小，比楊興華[20]求的0.24 m·s-1值大，雖然作者與楊興華都考慮到了土壤濕度，但是作者利用現(xiàn)有的資料作函數(shù)擬合計(jì)算得到了地表土壤濕度，楊興華是利用了經(jīng)驗(yàn)值得到H（ω）的值為1，因此作者所取得的值比0.24 m·s-1大是正常的。敦煌戈壁地表被細(xì)石子和可移動(dòng)的沙粒覆蓋，粗糙度比較大，所以它的臨界摩擦速度也較大。由于臨界摩擦速度受多重因素的影響，所以分別把12個(gè)月的臨界起動(dòng)速度作為塔中地區(qū)每個(gè)月沙粒的流體臨界起動(dòng)速度是合理的，取值的大小也是可信的。

3.3 臨界起沙風(fēng)速的計(jì)算

把上文中所求得的塔中地區(qū)風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度的值代入（2）式，可求得塔中地區(qū)2 m高度的每個(gè)月的臨界起沙風(fēng)速（表5）。

表5 各月的臨界起沙風(fēng)速

根據(jù)圖（2）可以看出夏季和冬季臨界起沙風(fēng)速要比春秋季的值要大，其原因是根據(jù)塔中氣象站觀測(cè)資料顯示，該地區(qū)的降水主要集中在夏季，土壤濕度大，地表土壤水分對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙作用就大，因此夏季起沙風(fēng)速相對(duì)較大；冬季氣溫低，湍流運(yùn)動(dòng)弱，熱力因素對(duì)沙粒起動(dòng)的貢獻(xiàn)小，所以冬季的起沙風(fēng)速也相對(duì)春秋季節(jié)較大。

圖2 塔中地區(qū)各月沙粒起動(dòng)速度

夏季雖然摩擦速度大，卻是沙塵暴多發(fā)季節(jié)，冬季則相反幾乎很少發(fā)生沙塵暴現(xiàn)象，這是由于地面熱通量能夠?qū)е碌孛骘L(fēng)速、層結(jié)不穩(wěn)定度、地面摩擦速度等沙塵暴重要影響因子出現(xiàn)白天增強(qiáng)、夜間減弱的變化，進(jìn)而影響沙塵暴的強(qiáng)度波動(dòng)[20]。

4 結(jié)論

起沙閾值受地表植被、土壤含水率以及地表沙粒粒徑的影響，應(yīng)該是一個(gè)變化的值，作者根據(jù)擬合得到的地表土壤濕度分別求得每個(gè)月的起沙閾值。

（1）塔中地區(qū)1—12月的臨界摩擦速度分別為：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）塔中地區(qū)2 m高度的1—12月臨界起沙風(fēng)速分別為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）塔中地區(qū)臨界起沙風(fēng)速的最高值出現(xiàn)在夏季，次高值在冬季，最小值出現(xiàn)在春季。

起沙閾值受下墊面情況的影響，變化性相對(duì)較大，是一個(gè)很難把控的參數(shù)，同時(shí)也是沙粒運(yùn)移領(lǐng)域研究的一個(gè)難點(diǎn)。本文僅從地表土壤含水率上做了一定的修訂，當(dāng)然如果能更加全面地考慮到其他影響因素，起沙閾值的求解將會(huì)更加準(zhǔn)確，這點(diǎn)作者在以后的研究當(dāng)中應(yīng)充分考慮到。而對(duì)于所求的起沙閾值的可信度，作者也是利用了風(fēng)蝕傳感器所測(cè)得的沙粒撞擊數(shù)與與摩擦速度之間的關(guān)系來進(jìn)行比較驗(yàn)證。沙粒之間的相互碰撞以及沖擊，是引發(fā)沙粒運(yùn)動(dòng)的重要方式，所以沙粒的沖擊起動(dòng)速度的研究對(duì)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的研究有重要意義。

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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

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（2013211B39）。

周成龍（1986-），男，助理研究員，主要從事地面氣象綜合觀測(cè)和沙塵暴及大氣成份的監(jiān)測(cè)。E-mail：baohululdacheng@163.com

楊興華（1982-），男，副研究員，主要從事沙漠氣象研究。E-mail：yangxh@idm.cn

周成龍，何清，張愛強(qiáng)，等.塔克拉瑪干沙漠腹地起沙閾值計(jì)算解析[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（5）：53-57.