塔克拉瑪干沙漠腹地近地表輸沙方向探測研究

楊興華，周成龍，楊 帆，霍 文，艾力·買買提依明，何 清，劉新春

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象局，新疆 烏魯木齊830002）

風沙活動是全球干旱和半干旱地區常見的地表過程之一，由其引起的沙塵輸送不僅影響著氣候變化[1]和生態環境[2]，并導致了農田與道路掩埋、土壤流失及沙漠化[3-4]。因此，近幾十年來風沙活動對于地貌學、氣候學、氣象學、生態學及環境科學的影響和意義受到了廣泛的關注[5]。在風沙活動研究中，起沙參數、風沙流結構包括沙塵通量的垂線分布及沙塵粒子的粒徑變化等的觀測往往是人們關注的重點[6]。然而，輸沙方向的觀測與研究也是風沙活動研究的重要內容之一，其控制著沙丘形態及沙丘移動方向[7-11]，更是設置防沙工程的重要參考依據。受到探測手段與技術的限制，前期輸沙方向的研究均以起沙風風向或者輸沙勢為替代指標[12-16]，以起沙風風向出現的時次代表輸沙時長，以輸沙勢代表輸沙強度或者輸沙量大小。然而已有研究表明某一區域的臨界起沙風速受氣象、土壤、植被等環境因素的影響[17-20]，存在著一定的變化范圍[21-24]。因此，選取某一風速值為臨界起沙風速，進而以該風速值為標準確定起沙風、進行輸沙勢計算，然后判定輸沙方向的方法，必然存在一定的不確定性，然而這種不確定性究竟有多大，目前尚不清楚。

本研究的目的是利用塔克拉瑪干沙漠風沙觀測試驗中風沙活動探測儀器測量的沙粒實時運動數據，結合同步測量的氣象、土壤環境等數據，對研究區近地表輸沙方向特征進行分析研究；并基于輸沙方向的觀測事實，評估以起沙風風向和輸沙勢為指標判定輸沙方向方法的不確定性。

1 數據與方法

1.1 研究區介紹

觀測試驗在塔克拉瑪干沙漠腹地塔中開展。塔克拉瑪干沙漠是世界第二大流動沙漠，整個沙漠年均沙塵暴和揚沙天氣超過40 d[25]。它是東亞地區最大的沙塵氣溶膠排放源地，年均沙塵氣溶膠排放量達187.31 Tg，占東亞地區沙塵氣溶膠總量的35.0%左右[26-27]。塔中深入沙漠腹地220 km，年均氣溫為12.1 ℃，年均降水量25.9 mm，蒸發量卻高達3600 mm，年均沙塵天氣日數達172.7 d。試驗點為塔中一平坦沙地，地表沙粒主要由細砂（50.6%）和極細砂（41.9%）組成，平均粒徑為147 um[28]。

1.2 觀測試驗與數據

觀測試驗開展時間為2008 年3 月1 日—2018 年2 月28 日。試驗設備包括1 座2 m 高度氣象塔，可測量2 m 高度風速與風向（WAA151 Vaisala），1.5 m高度大氣水汽壓和氣溫（H mP45D Vaisala），0.015 m深度土壤濕度（CS616 Campbell）；1 套沙粒躍移傳感器，可記錄距地面0.05 m 高度沙粒運動情況（Sensit USA）；1 套數據采集器（CR1000 Campbell），可對數據進行儲存和處理（圖1）。所有試驗要素的采集頻率均為1 Hz，然后根據研究需要將其處理為1 min或者1 h 數據。

圖1 試驗點塔中位置示意圖及試驗儀器實景

1.3 起沙風與輸沙勢的判定

塔中地區2 m 高度分鐘臨界起沙風速存在季節變化，春、夏、秋、冬季分別為6.1、6.5、5.8 m/s 和5.1 m/s，平均值為5.9 m/s[29]。利用同步觀測的2 m高度1 min 風速、風向數據，確定觀測期間不同方向起沙風出現的頻次，進而確定不同方向輸沙時長。

輸沙勢表示潛在的輸沙能力，是衡量區域風沙活動強度的重要指標。在本文中，輸沙勢的計算采用Fryberger 等給出的計算公式[12]：

式中，DP 為輸沙勢，為矢量單位（VU）；V 為各級別起沙風速的1 min 平均值；Vt 為臨界起沙風速，塔中地區2 m 高度分鐘臨界起沙風速春、夏、秋和冬季分別為6.1、6.5、5.8 m/s 和5.1 m/s，平均值為5.9 m/s[29]；t 為起沙風作用時間，以占全年總時間的百分比表示；在該公式中V 與Vt的單位為kn/h（海里或節每小時）。統計觀測期間研究區各風向不同速級起沙風的頻率，把相同風向各風速級出現頻率與平均風速分別代入方程（1），所得值相加，即得到某一風向的輸沙勢。

2 結果與討論

圖2 給出了塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月10 a 的小時風沙活動及氣象（氣溫、大氣水汽壓及風速）、土壤（土壤濕度）條件變化。風沙活動（包括起沙顆粒數和起沙時長）的高值區均發生在春、夏季，這與研究區春夏季風速較大、氣溫較高進而導致沙塵天氣頻發的氣候特點一致[25]。但與大氣水汽壓和土壤濕度的對應關系并不顯著，特別是土壤濕度。研究區降水主要集中在夏季，土壤濕度的高值均出現在夏季，但是受到降水總量的限制，土壤濕度基本上保持在2.0%左右，最大土壤濕度僅為20.0%左右，且維持時間較短，表明單次相對較高的土壤濕度事件對于季節尺度的風沙活動帶來的抑制作用并不顯著。研究區10 a 間累計發生風沙活動3 609.8 h，約占總觀測時長的4.1%，其中，春、夏、秋、冬四季起沙時間分別占全部起沙時間的39.2%、45.1%、11.8%和3.8%；起沙顆粒數分別占40.0%、49.6%、8.7%和1.7%，與起沙時間的季節變化一致。Stout[30]在美國田納西州鹽湖地區觀測到的起沙時長約占總觀測時長的1.4%；Yang 等[20]在中國古爾班通古特沙漠觀測到的起沙時長約占總觀測時長的0.047%，均低于塔克拉瑪干沙漠。干燥的氣候環境、裸露的流沙地表及較細小的地表沙粒，使得塔克拉瑪干沙漠更容易滿足風沙活動發生的條件。

圖2 塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月小時風沙活動及氣象（氣溫、大氣水汽壓及風速）、土壤（土壤濕度）條件變化

圖3 給出了各風向起沙時長和起沙顆粒數百分比及各風向對應的平均氣溫、水汽壓、風速和土壤濕度。研究區風沙活動發生時以吹偏北和偏東風為主，起沙時長的高值（大于16 個方向的平均值6.3%）主要發生在N-ESE 風向，6 組風向對應的起沙時長共計占到68.8%；其中，NNE 方向最大，占到19.2%，其次為E 方向，占到16.2%，S 方向最小，僅占1.0%。以起沙風風向為判定標準而統計的研究區起沙時長分布結果表明[31]：N-ESE 6 組風向對應的起沙時長占到75.3%，高于本研究的統計結果；最大起沙時長發生在NE 方向，最小起沙時長出現在SSE 方向，均與本研究不一致；且以起沙風風向為判定標準在一定程度上低估了WSW-NNW 5 組風向的起沙時長貢獻。由于俎瑞平等使用的資料時段為1996—2000 年，與本研究時間上不同步，本文將利用同步觀測的2 m 高度風速、風向資料再次進行統計分析。

起沙顆粒數與起沙時長在各方向上的百分比存在顯著差異，較大的起沙顆粒數主要發生在N-E 和NW-NNW 方向，7 組風向對應的起沙顆粒數比重達71.4%；其中，NNE 方向最大，占到16.1%，其次為N方向，占到15.2%，SSE 方向最小，僅為0.39%。與起沙時長相比，W 方向起沙顆粒數所占比重明顯增加，其中WSW、W、NW 等方向的比重增加顯著；而擁有最大起沙顆粒數的NNE 方向，起沙時長僅占7.7%。起沙顆粒數與起沙時長雖然緊密相關，但還受到風速的影響，特別是陣性大風[24，31]。

起沙時長與起沙顆粒數的方向分布具有明顯的季節變化（圖4）。起沙時長，春季時高值出現在NEESE 四組風向，夏季出現在N-ESE 6 組風向，秋季為N、NE-ESE、SW-WSW 和NW-NNW 9 組風向，冬季為NNE-E 4 組風向，分別占到63.0%、70.6%、78.2%和85.8%；春、夏、秋和冬四季起沙時長最大、最小風向分別為ENE/S （24.2%/0.8%）、N/SSW（14.8%/0.8%）、ENE/S（11.7%/1.2%）和ENE/SSE（31.6%/0.1%）。四季起沙時長風向分布相比，冬季最為集中，春季次之，秋季最為分散；同時，春、秋季SSW-WNW 風向起沙時長貢獻明顯大于夏冬季。起沙顆粒數，春季高值區出現在N-E 和WSW-WNW 8 組風向，夏季為N-NE 和NW-NNW 5 組風向，秋季為N、SW-WSW 和NW-NNW 5 組風向，冬季為NNE-E 4 組方風向，分別占到80.5%、83.8%、76.0%和89.8%；春、夏、秋、冬四季起沙時長最大、最小風向分別為ENE/SE（16.2%/0.3%）、NNE/S（30.8%/0.2%）、NW/S（24.6%/1.2%）和ENE/SE（39.3%/0.1%）。四季起沙顆粒數風向分布相比，冬季最為集中，夏季次之，春季最為分散；同時，春、秋季SSWWNW 風向起沙時長貢獻明顯大于夏冬季。

圖3 塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月風沙輸送方向分布及各方向對應的平均氣溫、水汽壓、風速和土壤濕度

圖4 塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月風沙輸送方向分布的季節變化

圖5 塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月起沙風（a）和輸沙勢（b）方向分布、起沙風累計時長與起沙時間相關性（c）、輸沙勢與起沙量相關性（d）

圖5 給出了塔克拉瑪干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月基于季節起沙風速和平均起沙風速統計的十六方位起沙風和輸沙勢百分比，并對起沙風累計時長與起沙時長、輸沙勢與起沙顆粒數相關性進行了擬合分析。利用季節起沙風速和平均起沙風速統計的起沙風風向分布頻率差異較小，而輸沙勢則在NNE 和NNW 兩個方向上存在較大差異。對比圖3 中輸沙時長在各方向上的分布，起沙風風向在各方位上的分布與其基本一致，起沙風的高值也集中在N-ESE 風向，NNE 方向最大，其次為E 方向，S 方向最小；利用季節速和平均起沙風速統計的起沙風風向分布均與實測結果具有較好的一致性，相關系數r 均約為0.94，說明是否考慮起沙風速的季節變化，對統計結果影響較小。對比圖3 中實測起沙量在各方向上的分布，利用季節起沙風速統計計算的結果優于平均起沙風速，相關系數r 分別為0.93 和0.84，說明起沙風速的變化對輸沙勢的統計計算存在較大影響。

3 結論

利用塔克拉瑪干沙漠腹地2008 年3 月—2018 年2 月實時探測的近地表沙粒運動數據，結合同步觀測的氣象和土壤等環境數據，分析了研究區近地表輸沙方向特征，并基于輸沙方向的觀測事實，評估了以起沙風風向和輸沙勢為指標判定輸沙方向方法的不確定性。結果表明：

（1）研究區10 a 間累計發生風沙活動3 609.8 h，約占總觀測時長的4.1%，春、夏、秋、冬四季起沙時長分別占全部起沙時長的39.2%、45.1%、11.8%和3.8%；起沙顆粒數的季節變化與起沙時長一致。

（2）研究區起沙時長的高值主要發生在N-ESE風向，6 組風向對應的起沙時長共計占到68.8%，其中，NNE 方向最大，S 方向最小；起沙顆粒數與起沙時長在各方向上的百分比存在顯著差異，較大的起沙顆粒數主要發生在N-E 和NW-NNW 方向，NNE方向最大，SSE 方向最小；起沙時長與起沙顆粒數的方向分布具有明顯的季節變化，四季起沙時長風向分布相比，冬季最為集中，春季次之，秋季最為分散；四季起沙顆粒數風向分布相比，冬季最為集中，夏季次之，春季最為分散。

（3）輸沙時長在各方向上的分布與起沙風在各方位上的分布基本一致，兩者的相關系數r 達到了0.94；如果考慮起沙風風速變化，輸沙勢與各方向的輸沙量百分比分布則更加一致，相關系數r 可達0.93。