塔里木盆地多種沙源類型沙通量異變特征研究

霍 文，何 清，楊興華，艾力·買買提明，黃有志

（1.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆 塔中841000；3.布爾津縣氣象局，新疆 布爾津836600）

眾所周知，沙漠作為一種特殊的下墊面形式，通過大氣動力的作用以及不同沙漠的局地微氣候或者局地天氣孕育了沙塵暴、濃浮塵、揚沙等災害性天氣，不斷影響著周邊以及下游地區。事實上，沙漠氣候和沙漠天氣對非沙漠地區以及全球的的綜合影響是十分顯著的。關于沙漠的研究國外有很多的先驅者，Aufrere于1928—1934年間利用當時可以收集到的氣象資料，試圖建立沙丘形態、走向與風況的關系，這是有關沙漠氣象研究由定性向定量轉變的初步嘗試，雖然并不完善，卻是重要的研究思想突破［1］。1929—1930年，Bagnold在利比亞沙漠中進行了人類最早的汽車沙漠考察，并從沙粒的運動特征著手進行研究［2］，他于1935年在英國劍橋大學建立了第一個用于風沙研究的風洞，并創造性地應用和推廣了流體力學原理，建立了風沙物理學，并著《風沙和荒漠沙丘物理學》（The Physics of Blown Sandand Desert Dunes）一書。隨著國內外沙塵暴的廣泛研究以及預報業務的客觀需要，更多的預報模型得以開發，如前蘇聯科學家提出的波查羅夫（Bocharov）模型，德克薩斯理工大學提出的侵蝕分析模型（TEAM），澳大利亞科學家提出的風蝕評價模型（WEAM）、美國農業部的修正風蝕方程（RWEQ）和風蝕預報系統（WEPS）等。關于風蝕模擬的代表成果集中反映在《風蝕物理學及其模擬》（Physics and Modeling of Wind Erosion）一書中［3］。沙塵災害預報質量和準確率的提高在于模式中起沙計算模塊的不斷改進，即物理化起沙參數的不斷優化，起沙參數在不同的沙漠區域各異，需要大量的野外試驗與理論相結合不斷的更新和量化確定。目前，仍有許多學者致力于風蝕、地表起沙參數等方面的深入研究［4－15］，但是地表起沙是一個極為復雜的物理過程，加之世界沙漠分布廣泛，沙漠地區自然條件苛刻，不利于科學家深入研究，很多的研究局限于沙漠的外圍或者個別沙漠腹地，因此地表起沙物理特性的研究還任重而道遠。

同時，沙害問題依然是人們和全社會關注的重點，研究沙塵災害的環境意義和社會效益不再贅述，實際上災害性沙塵暴天氣的預報工作才是氣象科研工作者的重中之重，還需要有關精密的、確切的資料。沙塵天氣過程中沙塵通量的準確計算是一個極為關鍵的地表起沙參數問題，目前的很多沙塵天氣數值預報模式及起沙模式的計算值與實際值存在很大的差異，有很多空報、漏報情況。需要許多學者為數值模式的改進提供較為準確的代表性區域的參數計算方法或者實測值及計算值。本文基于此目的，結合實驗觀測給出塔里木盆地多種沙源類型沙通量的計算值，以期為相關數值模式預報參數化方案的改進、為沙塵天氣預報準確率的提高盡微薄之力。

1 資料與方法

1.1 觀測場概況

在沙漠地區研究沙塵天氣及近地層沙塵物質的運動特征、物理過程、起沙參數需要長期的、實時的觀測數據，基礎性科研成果的獲取必須基于長期系統的基礎性觀測研究。中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所先后于2008年7月在塔中沙漠腹地、2008年9月在肖塘沙漠北緣過渡帶、2009年6月在若羌綠洲邊緣沙地、2010年5月在策勒綠洲荒漠過渡帶、塔里木盆地不同沙塵源地建立了4個風沙觀測試驗場，獲取了寶貴的塔里木盆地多種沙源類型的實時觀測數據，用于科研基礎研究。其中，塔中風沙觀測場（38°58′N，83°39′E，海拔1 082m）深入塔克拉瑪干沙漠腹地220km，該地區地表為流沙覆蓋，植被覆蓋度極低。地貌以沙丘地貌為主，沙丘地貌表現為一系列線狀的高大復合型縱向沙壟與壟間地相間分布，沙壟走向為NNE—SSW或EN—SW方向，相對高度為40～50m。壟間平坦沙地寬1～3km，長2～5km。高大沙壟的前緣分布有低矮的新月形沙丘和沙丘鏈。觀測場設在兩大沙壟間的平坦沙地上。該地區地表沙源的平均粒徑為136μm［16］，且分選情況較好。肖塘風沙觀測場（40°49′N，84°17′E，海拔1 099m）地處塔克拉瑪干沙漠北緣荒漠過渡帶上，下墊面為平坦的風蝕裸露古河床。往北2km為胡楊林，西距沙漠公路約1km，周圍有新月形沙丘和復合型新月形沙丘鏈，一般寬6～15m，高1～10m。復合型沙丘單體走向為NW—SE，其間廣泛分布有土平地、風蝕殘丘等地貌類型。該區域地表沙源平均粒徑為159 μm［16］，由于地處沙漠邊緣過渡帶和下伏河床沉積土，沙樣分選較差。若羌風沙觀測場位于若羌綠洲邊緣的沙地上（39°24′N，88°15′E，海拔798m），觀測場周邊地勢平坦開闊，地表裸露。地表沙粒較細且均勻，平均粒徑僅103μm［16］，分選比較好。策勒風沙觀測場（37°02′37″N，80°40′52″E，海拔1 328m），地勢平坦開闊，地表狀況為自然平沙地，周邊自然分布灌叢沙包，平均粒徑僅115μm［16］，分選比較好。

1.2 儀器與數據獲取

塔中、肖塘、策勒和若羌風向、風速數據來自MetOne公司生產的010C／020C風速／風向傳感器。觀測場實地安裝高度為5，10，20，50，100，200cm，風向安裝高度為20，200cm，在200cm高度安裝有空氣溫濕度傳感器，用于監測沙塵天氣過程中貼地層風速廓線特征。H11—LIN型風蝕傳感器由美國Sensit公司生產，可以更加精細化地監測、研究地表沙粒活動。觀測場實地傳感器的安裝高度為5，10cm，可測量沙塵天氣過程的沙塵撞擊顆粒數、撞擊動能及沙粒運動速度，風蝕傳感器上端有一個環狀壓電式晶片（直徑為25mm，高為13mm），當沙粒撞擊在晶片上時，會輸出脈沖信號給數據采集器，記錄下撞擊顆粒的數目，并記為一次躍移活動，數據采集頻率設為1 Hz。經過實驗室標定Sensit對直徑大于50μm沙粒的撞擊具有很好的反應。Sensit傳感器經過長期野外試驗驗證，對地表沙粒躍移運動的測量效果良好，結合貼地層風速梯度儀，可求出沙塵天氣過程的起沙臨界摩擦速度。塔中、若羌、肖塘和策勒平均粒徑的計算使用英國Malvern公司生產的Mastersizer 2000型激光粒度儀進行測量，粒度參數計算方法如下：

粒度參數指從累積曲線上求出來的能表示樣品粒度分布特征的數值，例如橫坐標為粒徑大小，縱坐標為粒度頻率累積分布即為累積百分含量。樣品累積曲線中的5%處的粒徑大小并換算為φ值即可用φ5表示，其他以此類推。

由于各個風沙觀測場地域以及儀器損壞等原因，本文以實際觀測已有的資料為基礎，通過撞擊顆粒數連續性強，數據穩定等特點分別遴選出4個風沙觀測場代表性沙塵暴過程，塔中（2009年5月26日）、肖塘（2009年7月17日）、若羌（2010年5月8日）、策勒（2010年8月24日）的一個對時數據作為樣本分析。本文考慮到由于地域和天氣的差異，下墊面條件的不同，做垂直沙通量與水平沙通量的橫向比較的可比性不強，因此給出風速參考標準，可以界定在貼地面同等高度，同等風速條件下各個實驗區域沙塵通量方向上的差別。

1.3 沙通量計算方法與臨界摩擦速度

沙塵通量可以分為水平沙塵通量，即輸沙率與垂直輸沙通量，分別用Q與F表示，Q的物理意義是與水平風向垂直從地表到觀測高度范圍內單位寬度單位時間通過的沙粒質量，Q是沙粒漂移強度q（z）沿高度的積分［17］；F的物理意義是某一高度處與地表面平行的單位面積內單位時間地表向大氣中輸送的塵粒質量［15］。關于沙通量的量綱國內外研究尚未統一，本文為了方便，均采用國際通用單位kg／（m·s）表示。關于水平沙塵通量Q（輸沙率）的計算方法，國內外很多學者通過大量的野外觀測研究與風洞模擬研究總結出各自的計算公式（表1），根據塔中地區實測沙塵通量與理論沙塵通量的比較，Bagnold與Zingg公式的結果都比實測的要偏小，Zingg的結果最小，而Kawamura公式的結果則偏大，只有Lettau公式的計算結果與實測最接近，風速20.0m／s以下的時候，兩條曲線幾乎重合，當風速大于20.0m／s的時候，實測結果又比Lettau的結果稍微偏大，不過仍然很接近［18］，因此本文計算水平輸沙量Q時采用Lettau公式。關于垂直輸沙通量F的計算，Lu等［19］、Marticorena等［20］、Shao［21－22］、Gillette等［23］都進行了研究，并建立了自己的計算模型。其中Lu、Marticorena和Shao的輸沙通量模式理論較為完善，但是模式形式比較復雜，計算中需要的參數較多且有的參數很難確定，實際運用中有很大難度，而Gillette等的計算方案在形式上非常簡單，只需要u＊和u＊t兩個參數，比較適合簡單或近似的估算，因此本文計算垂直輸沙量F時采用Gillette等公式，其公式具體如下：

根據風蝕傳感器中的計算公式本文將摩擦速度的計算公式做簡單變換，具體如下：

式中：k——卡曼常數取值0.4；z——高度取值2m；u——z處即2m高的風速；z0——地表粗糙度。鑒于策勒、若羌風沙觀測場所獲取的數據無法計算z0，本文考慮策勒、若羌與塔中自然平緩沙地上（B站）標校自動站地表狀況相似，因此利用西側2.2km處的兩層風、溫同步資料，對塔中地區的地表粗糙度長度z0進行確定。計算得出年平均粗糙長度z0為1.175×10－4m。塔克拉瑪干沙漠北部肖塘地區年平均粗糙度為6.05×10－5m［24］，C2是經驗常數，近似取1.4×10－15g·cm－6·s3。

表1 代表性輸沙率模型

塔中、肖塘、若羌3地的臨界摩擦速度分別在0.25，0.27，0.21m／s左右時，地表有沙粒起動。因此可以近似地認為塔中、肖塘、若羌3地的臨界摩擦速度分別為0.25，0.27，0.21m／s［25］。如圖1所示，根據H11—LIN型風蝕傳感器所測得的撞擊顆粒數與摩擦速度做相關計算得出策勒的臨界摩擦速度為0.22m／s。

圖1 策勒風蝕傳感器所測的摩擦速度與顆粒撞擊數的關系

2 結果與分析

在以下的表述過程中，參數單位統一為國際標準單位的量綱kg／（m·s），F量級為10－8kg／（m2·s），Q的量級為10－4kg／（m·s），為了方便比較分析，下述的F和Q省略單位和量級。由圖2—5可知，垂直沙通量的分布時間段多集中于白天及午后，這與沙塵暴多發于這一時間段有關。若羌的垂直沙通量F要明顯大于策勒、肖塘、塔中等地區。在地面2m出風速達到2m／s時，若羌F值接近于50，最大，策勒在7.5左右次之，塔中和肖塘比較接近于3左右；在貼地面2m處的風速達到6m／s時，若羌F值達到150最大，策勒F為20，塔中F為10，肖塘F為10。由于起沙量的大小主要取決于風速和沙粒粒徑，肖塘本地的沙塵粒徑要小于塔中，在風速大小基本一致的情況下，垂直沙通量F卻大致相同，這很好的印證了垂直沙通量F還受到下墊面、地形以及地表土壤含水率等因素的影響。4個站垂直沙通量F與風速都表現出較好的線性相關，風速遞增，垂直沙通量遞增；風速遞減，垂直沙通量遞減。

圖2 2010年5月8日若羌垂直沙通量F與風速日變化

圖3 2010年8月24日策勒垂直沙通量F與風速日變化

圖4 2010年7月17日肖塘垂直沙通量F與風速日變化

圖5 2010年5月26日塔中垂直沙通量F與風速日變化

從圖6—9可知，水平沙塵通量Q與實測2m處風速具有一致性，水平沙塵通量Q值隨風速的變化而變化，水平沙塵通量Q集中在天氣過境時，時間節點多在午后，為沙塵暴的高發時段。整個水平沙塵通量的量級要大于垂直沙塵通量。當貼地面風速在2 m／s左右時，若羌Q值在100左右，策勒Q值在40左右，塔中和肖塘在20左右，塔中Q值稍大；當貼地面的風速在4m／s時，若羌Q值在300左右，策勒Q值在80左右，塔中和肖塘在40左右，塔中Q值較大；當貼地面的風速在6m／s時，若羌Q值在400左右，策勒Q值在125左右，塔中Q值在70左右和肖塘Q值在65左右。可見在相同風速下，若羌Q值最大，策勒次之，塔中第三，肖塘最小。在風速遞增幅度相同條件下，若羌Q值遞增幅度最大，策勒次之，塔中、肖塘基本相同。當貼地面風速遞增2m／s，若羌的Q值遞增速率約為100，策勒約為40，塔中、肖塘約為20。臨界摩擦速度、粒徑、風速、土壤含水量都是輸沙量的決定性因素，在本文4個實驗區域中風速等同條件下，沙地的土壤含水率基本相同，值趨于零，臨界摩擦速度及粒徑大小成為主導因素，在若羌臨界摩擦速度最小，策勒較大，塔中第三，肖塘最大的條件下，沙塵通量值出現了上述結果。但是平均粒徑只代表這一區域的平均狀況，并不能較好地詮釋相對細顆粒和相對粗顆粒的百分比含量，每次過程采樣也不能完全界定其大小，存在一定難度，所以平均粒徑大小的影響程度只能作為定性參考，定量化計算尚需努力。

圖6 2010年5月8日若羌水平沙通量Q與風速日變化

圖7 2010年5月24日策勒水平沙通量Q與風速日變化

圖8 2010年7月17日肖塘水平沙通量Q與風速日變化

圖9 2010年5月26日塔中水平沙通量Q與風速日變化

3 結論

塔里木盆地多種沙源類型的沙塵通量（F與Q）值均與實測2m處風速變化趨勢一致，水平沙塵通量的量級要大于垂直沙塵通量。在相同風速下，若羌沙塵通量最大，策勒次之，塔中第三，肖塘最小。在風速遞增幅度相同條件下，若羌水平沙塵通量遞增幅度最大，策勒次之，塔中、肖塘基本相同。本文沙通量的計算值與楊興華［15］相較，F與Q 的量級處于同一水平，F值相近，Q值稍小；與成天濤［7］相較，塔里木盆地輸沙量要大于渾善達克沙地，這是由臨界起沙風速較小，粒徑較細引起的；與申彥波［12］相較，塔里木盆地4個代表站點的F與Q平均值的量級分別為10－8kg／（m2·s），10－4kg／（m·s）與敦煌戈壁計算的順風向沙粒通量和垂直塵粒通量平均值的量級一致。

4 討論

就本文采用的計算輸沙量的方法而言，臨界摩擦速度、粒徑、風速都是輸沙量的決定性影響因素，風的動力作用不僅僅表現為風速、風向數值的變化，還有很多間接作用。風可以塑造沙丘的形態，風是大自然的搬運工，沙塵粒度的組份，與風的起動與遷移有著重要的聯系，沙塵顆粒能否被搬運，很大程度上取決于風速的大小。沙塵粗顆粒不能長期在空氣中懸浮搬運，大部分在地面跳躍遷移，沙塵細顆粒或者極細顆粒可以隨風做長途懸浮搬運，假設研究區域的盛行風向具有較好的一致性，那么沙地長期風化的結果就是平均粒徑增大，導致輸沙量減小。臨界摩擦速度與輸沙量成反比關系，粒徑與輸沙量成反比關系，而風速與輸沙量為正比關系，但是臨界摩擦速度取值與粒徑值與風速又有著較為復雜的關系，還有其它影響要素，如液態或者固態降水改變了表層土壤含水率從而導致臨界摩擦速度增大，輸沙量減小。不同于臨界起沙風速，地面起沙率和垂直起沙障礙物高度的增大而減少，另外植物株間距或障礙物間距也是一個重要的影響因素［7］。因此，輸沙量的很多計算公式都是經驗性的總結，鑒于各個研究區域下墊面環境的差異性及地表形態微變化，所有的經驗性公式都有著自己的適用性和局限性。風蝕起沙的臨界摩擦速度、起沙風速以及沙塵通量，也隨著天氣系統動力、熱力條件改變而改變、也隨著地表狀況變化而變化。因此，沙通量變化不確定性會直接影響到沙塵數值預報模式的參數化方案的改進，期望能通過大量的野外試驗來確定和驗證沙通量的變化閾值。

在沙塵暴數值預報模式中，u＊t是判定起沙過程的重要參量，一般通過參數化方案實時計算得出。本文所計算的u＊t是典型地點典型過程的臨界摩擦速度。通過對同一次過程野外試驗獲取的u＊t和模式計算出的u＊t進行比較，找出其中的差異，探索其原因，從而可為模式相關參數化方案的優化提供依據。水平沙塵通量Q計算方案的選取本身就是一個與實驗結合的檢驗工作，本文利用Lettau水平沙塵通量公式正是我們研究團隊在典型沙塵暴過程中實測收集的結果與多種計算方案擬合檢驗后的最優選取，可為改進沙塵暴數值模式沙塵通量預報參數化方案提供參考。

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