塔克拉干沙漠腹地沙塵暴天氣下風(fēng)速脈動特征

鄭先念, 楊興華, 何 清,4, 金莉莉, 楊 帆,艾力·買買提依明, 周成龍, 張建濤

(1.新疆氣候中心, 烏魯木齊 830002; 2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所, 烏魯木齊 830002;3.中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗基地, 新疆 塔中 841000; 4.新疆氣象臺, 烏魯木齊 830002)

瞬時風(fēng)速和平均風(fēng)速隨時間的變化總趨勢是一致的，風(fēng)沙研究中通常將平均風(fēng)速代替瞬時風(fēng)速來研究風(fēng)對輸沙量的影響，這種處理易于掌握風(fēng)沙運移的宏觀特征[1]。但也有局限性，因為自然狀態(tài)下引起沙粒運動的風(fēng)幾乎是湍流的，各點的流速大小和方向隨時間脈動表現(xiàn)出一定的陣性特征[2]。如果不考慮風(fēng)速脈動，根據(jù)定常風(fēng)速計算得到的地表輸沙過程是平穩(wěn)的，而野外實際輸沙過程非平穩(wěn)且具有一定結(jié)構(gòu)特征[3]。并且風(fēng)速變化的周期、頻率對輸沙量有很大影響[4]，因此需要考慮風(fēng)速的脈動性。前人研究還發(fā)現(xiàn)風(fēng)速脈動使床面沙粒受到躍移上升力和剪切力，引發(fā)沙粒振動，使沙粒易于起運[5]，影響沙粒的躍移軌跡，且風(fēng)速脈動與輸沙率之間具有良好的相關(guān)關(guān)系，而沙粒的運動又可以影響風(fēng)速脈動，進而影響沙粒自身的輸移[6]。所以湍流對于風(fēng)沙輸移有重要的意義。

脈動風(fēng)速在沙漠一綠洲過渡帶典型下墊面(裸樣沙地、檉柳樣地和駱駝刺樣地)上都近似服從高斯分布，風(fēng)速脈動規(guī)律沒有因植被的存在而發(fā)生改變[7]，在晴天和沙塵暴天氣下，近地表風(fēng)速與風(fēng)速脈動強度呈正相關(guān)，并受到沙塵一定的抑制作用[8]。風(fēng)速脈動強度和風(fēng)速脈動的相對值整體上都隨著植被覆蓋面積的增大呈增大趨勢[9]。而在戈壁地表風(fēng)速脈動具有非平穩(wěn)性，隨著風(fēng)速增強而增大，尤其是在大風(fēng)天氣下研究風(fēng)蝕不能忽略風(fēng)速的脈動性[10]。同時，通過對北方兩次沙塵天氣的研究發(fā)現(xiàn)，沙塵暴期間大氣中可吸入顆粒物的濃度與風(fēng)速存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[11]。能見度、PM10，PM2.5也隨風(fēng)速脈動而產(chǎn)生波動變化，地面風(fēng)速、PM10，PM2.5之間相互作用，呈明顯脈動特征[12]。

作為世界第二大流動沙漠，塔克拉瑪干沙漠不僅是我國沙塵暴頻發(fā)地區(qū)之一，也是亞洲沙塵暴產(chǎn)塵的重要源地，該地區(qū)大風(fēng)條件下?lián)P起的沙塵會隨著高空西風(fēng)環(huán)流影響整個東亞地區(qū)。然而，前人針對野外沙塵暴天氣條件下的沙漠腹地近地表80 m高度范圍的風(fēng)速脈動特征及影響的研究較少。鑒于此，通過野外實測塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵暴天氣條件下的風(fēng)速資料分析不同高度風(fēng)速脈動特征，完善了沙漠腹地風(fēng)與沙粒運動的關(guān)系、防沙治沙以及風(fēng)沙互饋機制等方面的研究[13]，為進一步研究湍流情況下風(fēng)蝕和風(fēng)揚粉塵釋放奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區(qū)(83°39′E，38°58′N)。該地區(qū)氣候極端干旱，植被稀少，地表為流沙覆蓋，只有塔中作業(yè)區(qū)所在的壟間地有人工建造面積約為2×2 km2地形呈NE—WS走向的人工綠地，種植有梭梭、檉柳、駱駝刺和一些野生蘆葦?shù)裙躺衬秃的望}堿的植物，生長高度夏秋兩季高度可達2 m左右，覆蓋度較高。試驗站位于塔中作業(yè)區(qū)內(nèi)東面為高大縱向沙隴，西面為坡度相對平緩的縱向沙隴，北面距沙漠公路1.2 km，沙漠公路兩側(cè)也是人工種植的固沙植物，其余多為流沙地表；該區(qū)年平均氣溫為13.6℃，極端最高氣溫達46.0℃，極端最低氣溫達-32.0℃；平均年降水量25.9 mm左右，平均年蒸發(fā)量高達3 812.3 mm；平均年風(fēng)速為2.3 m/s，平均年揚沙日數(shù)為59.6 d，平均年沙塵暴日數(shù)為15.8 d，主導(dǎo)風(fēng)向以NE，NNE主[14]。

1.2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

采用風(fēng)速和風(fēng)向資料來自于安裝在沙壟間谷地的80 m鐵塔梯度探測系統(tǒng)，鐵塔共有10個呈對數(shù)間距分布的測量梯度，高度分別為0.5 m，1 m，2 m，4 m，10 m，20 m，32 m，47 m，63 m和80 m，因為風(fēng)速在近地層呈對數(shù)分布。探測的基本要素為：溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和水平風(fēng)向等。其中風(fēng)速儀采用英國Gill公司生產(chǎn)的WindObserver Ⅱ型二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，啟動風(fēng)速0.01 m/s,風(fēng)速量程為0～75 m/s；風(fēng)向測量范圍0°～359°，分辨率為1°，觀測的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)有3 s數(shù)據(jù)、5 s數(shù)據(jù)、10 s數(shù)據(jù)和分鐘平均數(shù)據(jù)及小時平均數(shù)據(jù)。本文計算風(fēng)速脈動特征采用3 s間隔觀測的數(shù)據(jù)，分別選取了北京時間2018年5月20日15：26—15：35風(fēng)向為NNE，5月24日16：39—16：48風(fēng)向為ENE的兩次典型沙塵暴天氣的數(shù)據(jù)；計算風(fēng)速脈動與能見度，PM10，PM2.5關(guān)系采用的是1 min間隔觀測的風(fēng)速數(shù)據(jù)(為了與能見度、PM10，PM2.5采集間隔時間一致)，PM10，PM2.5采用的是Grimm180觀測的1 min間隔的數(shù)據(jù)，選取的是2018年5月24日15：36—18：15(北京時)一次沙塵暴過程的數(shù)據(jù)。

脈動風(fēng)速值以瞬時風(fēng)速與相應(yīng)時段10 min平均風(fēng)速之差表示，用以反映風(fēng)速波動幅度；以脈動風(fēng)速的均方根表示風(fēng)速脈動強度(uv)：

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速脈動

圖1，2可看出，不同高度風(fēng)速脈動值在時間序列上波動性均具有一致性，即同步增大或減小，脈動頻率不穩(wěn)定，無明顯周期性，說明自然風(fēng)除具有脈動性外，還有間歇性特點。2次沙塵暴天氣過程的風(fēng)速脈動最大波動幅度分別為13.59 m/s和10.09 m/s，最小值波動幅度分別也達到了7.53 m/s，6.58 m/s，這么大的脈動風(fēng)速對輸沙過程定會產(chǎn)生很大的影響，因為根據(jù)定常風(fēng)速計算得到的地表輸沙過程是平穩(wěn)的，而野外實際輸沙過程非平穩(wěn)且具有一定結(jié)構(gòu)特征[3]。同時,相鄰高度間均具有顯著相關(guān)性，經(jīng)計算相關(guān)系數(shù)均大于0.49、5月20日相鄰高度相關(guān)性在0.49以上、5月24日相鄰高度相關(guān)性在0.62以上，不同高度間相關(guān)性不是很顯著，高度間隔越大相關(guān)性越不顯著。

圖1 5月20日沙塵暴天氣條件下風(fēng)速脈動變化

圖2 5月24日沙塵暴天氣條件下風(fēng)速脈動變化

各高度層脈動風(fēng)速概率分布近似符合高斯函數(shù)，且高度越高，概率分布擬合曲線越陡，脈動風(fēng)速分布越集中。2次沙塵暴天氣下風(fēng)速脈動的波動范圍在0.5～10 m高度層內(nèi)均隨高度的增高而增大，以0.5 m高度的風(fēng)速脈動強度與其他高度的表現(xiàn)最顯著，風(fēng)速脈動值在0.5 m高度層分別為-3.21～4.32 m/s，-2.77～3.81 m/s，到了10 m高度層上為-5.91～5.16 m/s，-4.78～5.49 m/s；而在32～80 m高度層上脈動風(fēng)速的波動范圍隨著高度越高而減小，20 m高度層的波動范圍5月20日為-6.42～4.99 m/s，5月24日為-4.50～4.42 m/s，80 m高度層的波動范圍5月20日為-4.04～3.97 m/s，5月24日為-4.76～3.16 m/s。由此進一步驗證脈動風(fēng)速的分布規(guī)律與高度無關(guān)，高度僅對脈動風(fēng)速的波動范圍和概率分布的集中性產(chǎn)生影響。

2.2 風(fēng)速脈動強度

從表1，2可知，2次沙塵暴天氣條件下，隨著高度的降低和風(fēng)速平均值減小，風(fēng)速脈動強度呈先增長后降低的趨勢，側(cè)面驗證了風(fēng)速脈動范圍隨高度的增大而先增后減小的規(guī)律。具體表現(xiàn)為，5月20日的沙塵暴天氣下，除2 min和10 min時段的外，其他各時段在20 m高度層上風(fēng)速脈動強度達到最大值，在0.5～20 m高度范圍內(nèi)均隨高度的增高而增大、在20～80 m范圍內(nèi)整體呈減小后增大的趨勢，2 min和10 min時段則是在10 m高度上增長到最大值隨后呈曲線增大的變化趨勢。5月24日的沙塵暴天氣下，除2 min，4 min和5 min時段外，同樣在其他各時段風(fēng)速脈動強度在20 m高度達到最大值，在0.5～20 m高度范圍內(nèi)呈隨高度的增高而增大、而20～80 m高度范圍內(nèi)脈動強度呈先降低后增的規(guī)律。2 min，4 min和5 min時段則是在10 m高度上增長到最大值隨后呈曲線增大的趨勢。因為風(fēng)速脈動強度隨著不同高度間風(fēng)速增加的幅度而變化。

在同一高度層和時距上，風(fēng)速脈動強度與平均風(fēng)速正相關(guān)，即風(fēng)速脈動強度值隨平均風(fēng)速值的增大而增大，如10 m高度層10 min時距上風(fēng)速平均值分別為5月20日11.97 m/s，5月24日9.24 m/s，相對應(yīng)風(fēng)速脈動強度值分別為2.41 m/s，2.09 m/s，風(fēng)速脈動、風(fēng)速脈動強度均與風(fēng)速相關(guān)，風(fēng)速越大，風(fēng)速脈動和風(fēng)速脈動強度越大。相同高度不同時距上，風(fēng)速脈動強度隨平均風(fēng)速的變化上比較復(fù)雜，總體呈現(xiàn)出時距越長風(fēng)速脈動強越大，如10 m高度層風(fēng)速脈動強度值，在1 min時距為5月20日是1.52 m/s，5月24日是0.90 m/s，而增10 min時距為5月20日增到1.60 m/s，5月24日增到1.21 m/s，同時，風(fēng)速平均值隨時距增長則呈現(xiàn)出減小的變化規(guī)律。因為不同時距的風(fēng)況資料反應(yīng)真實情況的準(zhǔn)確度不同[17]平均風(fēng)速時距越小，越接近瞬時風(fēng)速狀態(tài)，所以計算平均風(fēng)速的時段越小，算出的輸沙率的值更精確。

表1 5月20日沙塵暴天氣下不同高度平均風(fēng)速、脈動強度和湍流度隨時間的變化

同樣，2次沙塵暴天氣下的湍流度0.04～0.35之間變化，屬于高湍流強度，80 m高度范圍內(nèi)均與高度成反比關(guān)系，隨著高度的增高而減小；底層0.5 m和1 m高度湍流度較大，原因是檉柳和梭梭等植物冠層對該高度層平均風(fēng)速消減的結(jié)果。

2.3 風(fēng)速脈動與水平能見度、PM10，PM2.5濃度變化

圖3看出，沙塵暴發(fā)生前，能見度都保持在1 100 m以上，PM10濃度維持在4 000 μg/m3以下波動，PM2.5濃度在800 μg/m3以下。沙塵暴發(fā)生時，PM10濃度在瞬間上升到4 500 μg/m3，PM2.5濃度也上升到800 μg/m3以上，沙塵暴過程中能見度降到700 m以下。沙塵暴后，轉(zhuǎn)化成揚沙天氣，空氣中含有大量的氣溶膠，短時間內(nèi)能見度還比較低，但開始呈現(xiàn)上升趨勢，PM10，PM2.5濃度最大值區(qū)域?qū)?yīng)能見度最低區(qū)域，沙塵暴過程中，能見度都維持在1 000 m以下，而PM10濃度值多次達到峰值6 500 μg/m3，PM2.5濃度值也多次達到1 000 μg/m3以上，峰值到達了1 355.9 μg/m3。沙塵暴過后能見度呈上升趨勢，對應(yīng)PM10，PM2.5濃度值呈波動下降趨勢，因為沙塵暴結(jié)束后天氣轉(zhuǎn)為揚沙天氣。

分析圖4，5可知，風(fēng)速波動與PM10，PM2.5/能見度分別呈現(xiàn)明顯的正/反向變化，風(fēng)速波動與PM10，PM2.5濃度增大，能見度減小，其中PM10達到6 500 μg/m3時不隨風(fēng)速的變化而變化。沙塵暴發(fā)生時，瞬時風(fēng)速峰值達到10.50 m/s時，PM10，PM2.5的濃度值最高處于6 500 μg/m3，1 355.9 μg/m3，能見度也達到最低值。地面產(chǎn)生強風(fēng)，使得沙塵粒子懸浮在空氣中，一旦風(fēng)速減小，受到重力沉降作用，懸浮在近地面的PM10，PM2.5迅速增加。此后伴隨著風(fēng)速的周期波動，PM10，PM2.5的濃度也相應(yīng)作出調(diào)整，直到沙塵結(jié)束減小到3 000 μg/m3，6 009 μg/m3，能見度又升回1 000 m以上。由于沙塵暴結(jié)束后天氣轉(zhuǎn)為揚沙天氣，所以沙塵暴過后，風(fēng)速沒有驟減，而是隨時間的變化呈波動減小。

表2 5月24日沙塵暴天氣下不同高度平均風(fēng)速、脈動強度和湍流度隨時間的變化

圖3 能見度與PM10，PM2.5變化

圖4 地面風(fēng)速與PM10，PM2.5隨時間的變化

圖5 地面風(fēng)速與能見度隨時間的變化

圖6 風(fēng)速脈動與PM10，PM2.5隨時間變化

為了更加詳細了解風(fēng)速脈動對PM10，PM2.5濃度值的影響，圖6給出他們之間的關(guān)系。從圖6可見，本次沙塵暴出現(xiàn)時，風(fēng)速脈動最大值達到2.93 m/s，對應(yīng)PM10，PM2.5濃度值也達到了第一次的峰值，隨后風(fēng)速脈動仍然存在，其值基本維持在-2.75～3.45 m/s，PM10，PM2.5濃度值隨之出現(xiàn)躍增趨勢，而負風(fēng)速脈動除少數(shù)幾個點外均未出現(xiàn)PM10，PM2.5濃度值相應(yīng)增加現(xiàn)象。根據(jù)風(fēng)速脈動定義，風(fēng)速脈動為正值，意味著短時間內(nèi)的瞬時風(fēng)速大于平均風(fēng)速，因此能搬運沙粒的數(shù)量較多，相應(yīng)空氣中PM10，PM2.5濃度值增大。

3 討 論

通過對塔克拉瑪干沙漠塔中地區(qū)人工綠地的風(fēng)速脈特征分析發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速脈動強度隨高度的變化方面與前人[7-8]在塔克拉瑪干沙漠南緣分析得出的隨高度的降低而降低不同,筆者認為，一方面這是由于所選的高度層不同，本文所選的是近地層80 m高度范圍。另一方面是本文研究區(qū)的下墊面為植被覆蓋的壟間谷地地形。至于不同風(fēng)速下(5月20日的風(fēng)速明顯比5月24日的大)風(fēng)速脈動強度隨高度和的變化在1 min、和2 min，4 min，5 min，10 min時段與其他時段變化上不一致，這主要是瞬時風(fēng)速具陣性特征所致。

PM10和PM2.5在沙塵暴發(fā)生和結(jié)束時的變化與沈潔等在民勤研究的結(jié)果不同，筆者認為，一是二者研究時所用時間尺度不同，本文采用的是分鐘數(shù)據(jù)，而沈潔等用的是小時數(shù)據(jù)；二是本文研究僅研究沙塵暴過程的變化情況，沙塵暴開始前和結(jié)束后都是揚沙天氣，因此沒出現(xiàn)突增突降現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1) 脈動風(fēng)速相鄰高度間均具有顯著相關(guān)性，高度間隔越大相關(guān)性越不顯著。脈動風(fēng)速近似符合高斯函數(shù)。風(fēng)速脈動隨高度的變化上，呈現(xiàn)出在0.5～32 m高度層脈動風(fēng)速的波動范圍整體上隨高度的增高而增大，而在32～80 m高度層脈動風(fēng)速的波動范圍與高度成反比，高度越高，波動范圍越小。

(2) 風(fēng)速脈動強度在0.5～20 m高度范圍內(nèi)呈隨高度的增高而增大、而20～80 m高度范圍內(nèi)脈動強度呈先降低后增的規(guī)律。同一高度層上風(fēng)速平均值隨時距增長則呈現(xiàn)出減小的變化規(guī)律。2次沙塵暴天氣下的湍流度在0.04～0.35之間變化，屬于高湍流強度，80 m高度范圍內(nèi)均與高度成反比關(guān)系，并隨著高度的增高而減小。

(3) 沙塵暴過程中地面風(fēng)速的大小對水平能見度、PM10，PM2.5具有直接影響。因為風(fēng)對沙塵粒子的搬運具有直接動力作用，所以風(fēng)速脈動變化與水平能見度呈現(xiàn)反比關(guān)系，與PM10，PM2.5呈正比關(guān)系。