塔克拉瑪干沙漠腹地風蝕起沙特征觀測研究

劉婭楠，鐘昕潔，馬 凱，楊芳芳，仇會民

（巴音郭楞蒙古自治州氣象局，新疆 庫爾勒841000）

土壤風蝕活動在干旱和半干旱地區時有發生[1]，它所產生的沙塵氣溶膠是目前大氣中氣溶膠的主要來源[2]，并對全球物理、化學和生物循環有重要影響[3]。沙塵氣溶膠及沙塵暴的研究作為一個全球變化及其環境問題的重要前沿性領域引起了廣泛關注。塔克拉瑪干沙漠是中國最大的流動性沙漠，也是亞洲主要的沙塵源區之一，嚴重影響著下游地區的氣候環境[4]。因此，塔克拉瑪干地區的沙塵研究在我國沙塵天氣和大氣環境研究中占有重要地位。

通常基于臨界起沙風速和風速2個參數，進而獲取沙塵持續時間和沙塵水平通量來描述風蝕起沙特征[5-7]。近年來，中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所沙漠邊界層氣象研究團隊開展了大量相關方面的研究工作[8-16]。周成龍等[14-16]對比分析不同臨界起沙風速的參數化方案，篩選出了適合塔中地區臨界起沙風速的參數方案，并給出Shao參數化方案適合估算總沙塵水平通量及非沙塵和揚沙天氣的沙塵水平通量，Marticorena參數化方案適合估算沙塵暴天氣的沙塵水平通量。但目前，對塔克拉瑪干沙漠腹地風蝕起沙研究依然缺乏長時間序列且更為細致的解析。

塔克拉瑪干沙漠植被覆蓋度極低，物種貧乏，群落結構簡單。地表沙粒主要以細沙和極細沙為主。塔中氣象站位于塔克拉瑪干沙漠腹地，是國內唯一深入沙漠腹地的基準氣象站，常年的連續觀測為本研究提供了非常寶貴的第一手觀測資料。基于塔中氣象站多年的觀測資料，發現塔中地區年平均蒸發量＞3 800 mm，但年平均降水量僅有26 mm[17]，年平均沙塵暴日數為16 d，沙塵是塔中地區的主要天氣現象[18]。鑒于此，本研究利用塔中氣象站2009—2018年的地面觀測資料細致解析塔克拉瑪干沙漠腹地的風蝕起沙特征，以期為該地區防沙治沙以及沙塵暴預警提供一定的科學依據。

1 數據與方法

本研究選取塔中氣象站2009—2018年的小時地面觀測資料，包括風速，風向等。獲得的長期連續觀測數據每年由專人進行質量控制，保證了數據的真實性和可信度。

1.1 臨界起沙風速

式（1）中，u*t（d）是光滑地表的臨界摩擦風速[19-20]，fλ（λ）是粗糙度的修正方程[21-22]，fw（w）是土壤濕度的修正方程[23-24]。式（2）中，B是摩擦雷諾數（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是空氣密度，d是沙粒粒徑。式（4）中，w是土壤的重量含水率，w′是臨界土壤的重量含水率（w′=0.001 4（%clay）2+0.17（%clay））。臨界風速（ut）與臨界摩擦風速（u*t）可以通過公式（5）相互轉換，其中，k是卡曼常數（0.4），z是高度，z0是空氣動力粗糙度。

1.2 沙塵水平通量

其中，Q是沙塵水平通量，ρ是空氣密度，g是重力加速度，u*是摩擦風速，u*t是臨界摩擦風速，E是地表土壤風蝕率，c是常數。

1.3 起沙持續時間

當風速大于或等于臨界起沙風速時，記作一次風蝕起沙事件，否則，則沒有發生風蝕起沙事件[22]。

1.4 變異系數

其中，CV為變異系數，σ為標準差，μ為平均值。

2 結果與分析

2.1 臨界起沙風速

當風速大于等于臨界起沙風速時，地表會發生風蝕現象，因此準確獲取臨界起沙風速是分析風蝕起沙的首個重要環節。圖1給出塔中地區臨界起沙風速在不同季節的日變化情況，最大值均出現在09：00—10：00（北京時，下同），最小值出現在00：00和23：00。臨界起沙風速在春季，為4.67～4.82 m/s，夏季增大至4.80～4.92 m/s，秋季為4.62～4.78 m/s，冬季最小，為4.47～4.62 m/s，因此臨界起沙風速表現出明顯的季節變化特征，夏季＞春季＞秋季＞冬季。周成龍等[11，15-16]綜合考慮地表土壤粒徑、土壤濕度、空氣密度等因素的基礎上，利用經驗公式給出了塔中地區的臨界起沙風速，二者結果基本一致。

圖1 塔中地區臨界起沙風速的日變化

2.2 年際變化

圖2a給出了塔中地區2009—2018年沙塵水平通量不同季節的年際變化，春、夏季沙塵水平通量占全年總量的88.7%。春、夏、秋和冬季的沙塵水平通量的平均值為分別為2 638.9、3 298.9、641.2和118.8 kg/m2。圖2b給出了塔中地區2009—2018年起沙持續時間不同季節的年際變化。春、夏、秋和冬季的起沙持續時間的平均值為分別為291.5、336.7、122.3和33.2 h，春、夏季起沙持續時間站全年總時長的80.2%。因此，塔中地區的風蝕事件主要出現在春、夏季，很少出現在秋、冬季，尤其是冬季。且夏季的沙塵水平通量和起沙持續時間要明顯高于春季。陶健紅[25]利用1960—2005年西北地區135個臺站的沙塵日數資料分析給出了沙塵天氣主要發生在春季。這主要是因為塔中特殊下墊面在夏季給沙塵天氣的發生提供了足夠的熱力條件。同時也解釋了盡管冬季的臨界起沙風速最小，但由于地表的溫度較低，在同樣動力條件下，風蝕事件難以發生。

圖2 塔中地區沙塵水平通量（a）與起沙持續時間（b）的年際變化

變異系數可以準確的表示樣本之間的差異，Wilding表示當CV值＜0.35時，樣品之間的變化很小。沙塵水平通量春、夏、秋和冬季的CV值分別為0.26、0.26、0.51和0.50。結果表明沙塵水平通量在春夏季，年際波動較小，相對較穩定。相反在沙塵的少發季節，年際變化波動大，相對不穩定。例如，2016年冬季的沙塵水平通量為260.4 kg/m2，但2015年冬季的沙塵水平通量僅為4.7 kg/m2，二者相差54倍。起沙持續時間，春、夏、秋和冬季的CV值分別為0.16、0.14、0.21和0.35。結果表明，起沙持續時間的年際變化較沙塵水平通量相對較穩定，尤其是春、夏季的起沙持續時間，差異性最小，即使是冬季，起沙持續時間表現也相對較穩定。

2.3 時次變化

圖3a給出了塔中地區沙塵水平通量不同季節的日變化，春季和夏季在11：00出現的沙塵水平通量最大，分別占日總量的9.1%和8.5%；秋季和冬季在10：00出現的沙塵水平通量最大，分別占日總量的13.8%和20.5%。從發生時段上，春季，64.2%的沙塵水平通量發生在05：00—13：00；夏季07：00—15：00是出現沙塵水平通量最多時段，占日總量的61.5%。秋季75.2%的沙塵水平通量出現04：00—12：00，冬季沙塵水平通量發生最集中，74.6%的沙塵水平通量出現06：00—11：00。圖3b給出了塔中地區起沙持續時間不同季節的日變化。春季在10：00出現的起沙持續時間最大，占日總持續時間的8.5%；夏季在12：00最大，占日總持續時間的6.8%；秋季和冬季在10：00出現最大值，分別占日總持續時間的11.8%和18.1%。從發生時間段上，春、夏季03：00—13：00最易出現起沙現象，分別占日總起沙持續時間的75.7%和65.5%。秋季，75.0%的起沙現象出現在04：00—11：00；冬季75.3%的起沙現象出現在06：00—11：00。

圖3表明風蝕事件更容易發生在白天，夜間由于近地層大氣層結穩定，阻止了沙塵的釋放。同時沙塵水平通量與起沙持續時間并未表現出一一對應關系。沙塵水平通量的大小除了取決于持續時間，同時也與風速大小相關。周成龍等[18]通過天氣現象統計出塔中的沙塵天氣最容易出現在午后和傍晚階段。事實上，出現沙塵天氣并不一定會出現風蝕事件。例如，靜穩條件下的浮塵天氣，或者盡管起沙持續時間很長但風速較小，同樣沙塵水平通量的值可能會很小。因此二者的結果是不矛盾的。

圖3 塔中地區沙塵水平通量（a）及起沙持續時間（b）的日變化

2.4 方向分布

圖4給出了塔中地區沙塵水平通量和起沙持續時間在不同季節的方向分布。從整體來看，它們具有較好的一致性，主要分布在偏東和偏北方向上。

從季節分布來看，春季沙塵水平通量和起沙持續時間主要集中在NE、ENE和E 3個方向（偏東方向），其沙塵水平通量分別為21.7%、26.2%和13.9%，起沙持續時間分別為18.4%、32.3%和16.3%。其次為偏北方向，15.5%的沙塵水平通量和9.9%的起沙持續時間出現在N和NNE上。夏季沙塵水平通量和起沙持續時間主要集中在NNW、N、NNE和NE 4個方向（偏北方向），其沙塵水平通量分別占11.6%、23.3%、19.4%和19.8%，起沙持續時間分別占7.6%、15.8%、14.7%和19.8%。其次為偏東方向，15.5%的沙塵水平通量和23.5%的起沙持續時間出現在ENE和E上。秋、冬季沙塵水平通量和起沙持續時間分布較集中，主要出現在NE、ENE和E 3個方向上，尤其是冬季，83.19%的沙塵水平通量和80.42%的起沙持續時間都出現在這3個方向上。

圖4的結果與塔中觀測的沙塵天氣的方向分布是一致的，塔中常年主導風向以E、ENE、N和NNE 4個方向為主[18]。由于影響塔里木盆地的主要大氣環流有2支，東部主要受大陸和極地反氣旋“東風倒灌”控制，而西部受弱西風環流控制。這種環流形式決定了在整個沙漠中，東部盛行偏東風，而西部盛行偏西風，二者在克里雅河一帶匯合形成一個輻合區，因此，塔中地區的風蝕主要集中在偏東和偏北方向[26]。

圖4 塔中地區沙塵水平通量（a）及起沙持續時間（b）的方向分布

3 結論

基于塔中氣象站2009—2018年的地面觀測資料，分析塔克拉瑪干腹地的風蝕起沙特征，得出以下結論：

（1）塔中地區臨界起沙風速具有明顯的季節性差異。最大值出現在夏季，為4.80～4.92 m/s；最小值出現在冬季，為4.47～4.62 m/s；臨界起沙風速的日變化呈單峰分布，最大值出現在09：00—10：00。

（2）春、夏季是風蝕的多發季節。春、夏季沙塵水平通量的平均值分別為2 638.9、3 298.9 kg/m2，起沙持續時間的平均值分別為291.5、336.7 h。春、夏季風蝕事件的年際變化比秋、冬季節更穩定，波動更小。

（3）沙塵水平通量和起沙持續時間更容易出現在白天。春季的風蝕主要發生在偏東方向上，61.8%的沙塵水平通量和67.0%的起沙持續時間集中在NE、ENE和E 3個方向上；夏季的風蝕主要發生在偏北方向，74.1%的沙塵水平通量和57.9%的起沙持續時間出現在NNW、N、NNE和NE 4個方向。秋、冬季相比春、夏季，沙塵水平通量和起沙持續時間出現的更集中，尤其是冬季，83.19%的沙塵水平通量和80.42%的起沙持續時間都出現在NE、ENE和E三個方向上。