騰格里沙漠沙塵暴天氣動力要素特征研究

呂 萍，董治寶，張正偲，趙愛國

(中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室，甘肅蘭州730000)

風是塑造地表景觀的主要外營力之一，也是沙粒發生運動的動力因素[1]。因受地表摩擦力及熱力作用的影響，湍流運動是近地層大氣的固有屬性。湍流是流體在特定條件下所表現出的一種特殊、隨機的但具有一定規律的運動現象，大氣作湍流運動時，各點的速度大小和方向都是隨時間脈動的，表現出一定的陣性，它在大氣邊界層內扮演著極其重要的角色。地表與大氣之間的物質與能量的交換、傳輸就主要是通過湍流輸送來實現的。湍流輸送越強，大氣與地表之間的物質與能量的交換、傳輸活動就越強，反之，二者之間的相互作用就越弱。近地層搬運沙粒的風，幾乎全部是湍流的，湍流動量下傳是地表起沙揚塵的有效機理[2-4]。

在風沙兩相流的運動中，風速改變最顯著的作用就是影響床面沙粒所受到的剪切力[5]。而剪切力與輸沙率密切相關，特別是反映床面處剪切力大小的摩阻速度直接出現在諸多輸沙率公式中。根據風與沙之間的相互作用，地表沙粒在受到風剪切力作用而起跳的同時，會對風產生一定的阻滯作用，即沙粒運動對風也會產生一定的影響[6-16]。

以往對于沙塵暴發生過程中近地層微氣象要素特征的研究主要集中于利用國家標準氣象臺站的測風數據。我們知道，國家標準氣象臺站多建在遠離沙漠源區的地區，限制了人們關于沙塵源區沙塵暴發生時近地層微氣象要素特征的研究。另一方面，以往關于沙塵暴過程中地面摩阻速度、空氣動力學粗糙度以及床面剪切力的變化特征研究的報道也不多見。

有鑒于此，本文擬利用中國科學院風沙科學觀測場風沙觀測塔觀測系統的沙塵暴觀測資料，對騰格里沙漠地區沙塵暴天氣過程地面摩阻速度、空氣動力學粗糙度以及床面剪切力的變化特征進行詳細分析，為深入理解風沙互饋作用機制及防沙工程的合理設計提供更為可靠的理論依據。

1 實驗場地及計算方法

騰格里沙漠位于阿拉善高原東南部(37°32′—40°00′N ，102°15′—105°41′E)，東界賀蘭山，東南角分別到黃河邊，西北以雅布賴山與巴丹吉林沙漠相隔，南側為祁連山脈。沙漠面積為4.27×104km2，約占全國沙漠總面積的6.2%，是我國第4大沙漠。

中國科學院風沙科學觀測場位于騰格里沙漠東南緣中衛市的西北角。觀測場內是經過平整的水平觀測場，分為風沙運動、沙塵暴、風沙地貌動力3個觀測區和防沙工程、風沙危害2個實驗區。場內有一個48 m高的風沙綜合觀測塔，觀測項目主要包括:2層風向，9層風速，6層溫、濕度。風速傳感器依次安裝在鐵塔的 48 ，32，24，16，12 ，8，4 ，2，1 m 高的位置 ，風向傳感器安裝在16 m和12 m的高度處。實驗觀測為24 h連續、自動觀測，自動記錄，在對觀測數據進行分析時進行30 min滑動平均處理。

本文擬利用風沙科學觀測場的觀測資料對2005年4月8日騰格里沙漠地區一次沙塵暴過程過境時地面摩阻速度、空氣動力學粗糙度以及床面剪切力特征進行分析。計算方法如下:

根據近地面層Monin—Obukhov相似性理論，有以下關系式:

其中:

2 結果與分析

圖1給出了風沙觀測塔記錄的2005年4月8日一次沙塵暴過程8個高度的水平風場隨時間演變情況。從圖1中可以發現，不同高度層之間的風速變化不但具有很好的相關性，而且相關性非常顯著。其中表1為不同高度層風速之間的相關系數，可以看到，其相關系數值都大于0.9，說明不同高度層之間風速的變化具有很好的同步性。

地表土壤風蝕起沙過程實質上是運動的空氣流與地表微粒在界面上相互作用的動力過程。對于單個土壤微粒，其能否脫離地表決定于所受空氣動力和阻力的合力。在風沙物理學中，摩阻速度被用來反映微粒所受到的空氣動力作用的大小，圖2為沙塵暴過程地面摩阻速度隨時間演變情況，直線為平均值。可以看到，摩阻速度并不是保持一成不變，而是圍繞著平均值處在不斷變化之中，這是由于地表沙粒在吸收風的能量而起跳的同時，會對風產生一定的阻滯作用，即沙粒運動對風也會產生一定的影響，結果導致風動力不斷發生變化。

圖3同時給出了作用在沙粒上的剪切力變化示意圖。當氣流中存在運動顆粒時，大量的顆粒被起動、加速，從而對氣流產生相應的作用力，使剪切力發生變化。

圖1 不同高度水平風場的時間演變

圖2 地表摩阻速度隨時間變化

表1 不同高度風速相關性分析

圖3 地表剪切力隨時間變化

從空氣動力學角度來講，空氣動力學粗糙度是氣/固界面上“無滑移”層的厚度，即流體質點的速度與未受擾動的流體速度幾乎相同的高度。任何影響“無滑移”區與外部區域之間能量交換的因素都會影響到空氣動力學粗糙度的厚度，即空氣動力學粗糙度不但取決于地表的粗糙性質，而且決定于流經地表的流體的性質，其大小從一定程度上反映了近地表氣流與下墊面之間的物質與能量的交換、傳輸強度以及它們之間相互作用的特征。圖4給出了空氣動力學粗糙度隨時間演變情況，受運動沙粒的影響，空氣動力學粗糙度在平均值上下發生不斷變化，而且粗糙度與風剪切力兩次峰值的出現時間幾乎同步，即12:59分和17:11分，說明局地起沙是沙塵的重要貢獻之一，即騰格里沙漠是重要的沙塵源區之一。

圖4 空氣動力學粗糙度變化

3 結論

利用風沙科學觀測場的觀測資料對2005年4月8日騰格里沙漠地區一次沙塵暴過程過境時地面摩阻速度、空氣動力學粗糙度以及床面剪切力的變化特征進行了分析，結果發現:在沙塵暴過境時，地面摩阻速度、空氣動力學粗糙度以及床面剪切力并不是保持一成不變，而是在平均值上下隨時間不斷發生變化，而且粗糙度與風剪切力兩次峰值的出現時間幾乎同步;各高度層風速之間相關系數都大于0.9，具有很顯著的相關性。

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