塔克拉玛干沙漠腹地近地表输沙方向探测研究

杨兴华，周成龙，杨 帆，霍 文，艾力·买买提依明，何 清，刘新春

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆气象局，新疆 乌鲁木齐830002）

风沙活动是全球干旱和半干旱地区常见的地表过程之一，由其引起的沙尘输送不仅影响着气候变化[1]和生态环境[2]，并导致了农田与道路掩埋、土壤流失及沙漠化[3-4]。因此，近几十年来风沙活动对于地貌学、气候学、气象学、生态学及环境科学的影响和意义受到了广泛的关注[5]。在风沙活动研究中，起沙参数、风沙流结构包括沙尘通量的垂线分布及沙尘粒子的粒径变化等的观测往往是人们关注的重点[6]。然而，输沙方向的观测与研究也是风沙活动研究的重要内容之一，其控制着沙丘形态及沙丘移动方向[7-11]，更是设置防沙工程的重要参考依据。受到探测手段与技术的限制，前期输沙方向的研究均以起沙风风向或者输沙势为替代指标[12-16]，以起沙风风向出现的时次代表输沙时长，以输沙势代表输沙强度或者输沙量大小。然而已有研究表明某一区域的临界起沙风速受气象、土壤、植被等环境因素的影响[17-20]，存在着一定的变化范围[21-24]。因此，选取某一风速值为临界起沙风速，进而以该风速值为标准确定起沙风、进行输沙势计算，然后判定输沙方向的方法，必然存在一定的不确定性，然而这种不确定性究竟有多大，目前尚不清楚。

本研究的目的是利用塔克拉玛干沙漠风沙观测试验中风沙活动探测仪器测量的沙粒实时运动数据，结合同步测量的气象、土壤环境等数据，对研究区近地表输沙方向特征进行分析研究；并基于输沙方向的观测事实，评估以起沙风风向和输沙势为指标判定输沙方向方法的不确定性。

1 数据与方法

1.1 研究区介绍

观测试验在塔克拉玛干沙漠腹地塔中开展。塔克拉玛干沙漠是世界第二大流动沙漠，整个沙漠年均沙尘暴和扬沙天气超过40 d[25]。它是东亚地区最大的沙尘气溶胶排放源地，年均沙尘气溶胶排放量达187.31 Tg，占东亚地区沙尘气溶胶总量的35.0%左右[26-27]。塔中深入沙漠腹地220 km，年均气温为12.1 ℃，年均降水量25.9 mm，蒸发量却高达3600 mm，年均沙尘天气日数达172.7 d。试验点为塔中一平坦沙地，地表沙粒主要由细砂（50.6%）和极细砂（41.9%）组成，平均粒径为147 um[28]。

1.2 观测试验与数据

观测试验开展时间为2008 年3 月1 日—2018 年2 月28 日。试验设备包括1 座2 m 高度气象塔，可测量2 m 高度风速与风向（WAA151 Vaisala），1.5 m高度大气水汽压和气温（H mP45D Vaisala），0.015 m深度土壤湿度（CS616 Campbell）；1 套沙粒跃移传感器，可记录距地面0.05 m 高度沙粒运动情况（Sensit USA）；1 套数据采集器（CR1000 Campbell），可对数据进行储存和处理（图1）。所有试验要素的采集频率均为1 Hz，然后根据研究需要将其处理为1 min或者1 h 数据。

图1 试验点塔中位置示意图及试验仪器实景

1.3 起沙风与输沙势的判定

塔中地区2 m 高度分钟临界起沙风速存在季节变化，春、夏、秋、冬季分别为6.1、6.5、5.8 m/s 和5.1 m/s，平均值为5.9 m/s[29]。利用同步观测的2 m高度1 min 风速、风向数据，确定观测期间不同方向起沙风出现的频次，进而确定不同方向输沙时长。

输沙势表示潜在的输沙能力，是衡量区域风沙活动强度的重要指标。在本文中，输沙势的计算采用Fryberger 等给出的计算公式[12]：

式中，DP 为输沙势，为矢量单位（VU）；V 为各级别起沙风速的1 min 平均值；Vt 为临界起沙风速，塔中地区2 m 高度分钟临界起沙风速春、夏、秋和冬季分别为6.1、6.5、5.8 m/s 和5.1 m/s，平均值为5.9 m/s[29]；t 为起沙风作用时间，以占全年总时间的百分比表示；在该公式中V 与Vt的单位为kn/h（海里或节每小时）。统计观测期间研究区各风向不同速级起沙风的频率，把相同风向各风速级出现频率与平均风速分别代入方程（1），所得值相加，即得到某一风向的输沙势。

2 结果与讨论

图2 给出了塔克拉玛干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月10 a 的小时风沙活动及气象（气温、大气水汽压及风速）、土壤（土壤湿度）条件变化。风沙活动（包括起沙颗粒数和起沙时长）的高值区均发生在春、夏季，这与研究区春夏季风速较大、气温较高进而导致沙尘天气频发的气候特点一致[25]。但与大气水汽压和土壤湿度的对应关系并不显著，特别是土壤湿度。研究区降水主要集中在夏季，土壤湿度的高值均出现在夏季，但是受到降水总量的限制，土壤湿度基本上保持在2.0%左右，最大土壤湿度仅为20.0%左右，且维持时间较短，表明单次相对较高的土壤湿度事件对于季节尺度的风沙活动带来的抑制作用并不显著。研究区10 a 间累计发生风沙活动3 609.8 h，约占总观测时长的4.1%，其中，春、夏、秋、冬四季起沙时间分别占全部起沙时间的39.2%、45.1%、11.8%和3.8%；起沙颗粒数分别占40.0%、49.6%、8.7%和1.7%，与起沙时间的季节变化一致。Stout[30]在美国田纳西州盐湖地区观测到的起沙时长约占总观测时长的1.4%；Yang 等[20]在中国古尔班通古特沙漠观测到的起沙时长约占总观测时长的0.047%，均低于塔克拉玛干沙漠。干燥的气候环境、裸露的流沙地表及较细小的地表沙粒，使得塔克拉玛干沙漠更容易满足风沙活动发生的条件。

图2 塔克拉玛干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月小时风沙活动及气象（气温、大气水汽压及风速）、土壤（土壤湿度）条件变化

图3 给出了各风向起沙时长和起沙颗粒数百分比及各风向对应的平均气温、水汽压、风速和土壤湿度。研究区风沙活动发生时以吹偏北和偏东风为主，起沙时长的高值（大于16 个方向的平均值6.3%）主要发生在N-ESE 风向，6 组风向对应的起沙时长共计占到68.8%；其中，NNE 方向最大，占到19.2%，其次为E 方向，占到16.2%，S 方向最小，仅占1.0%。以起沙风风向为判定标准而统计的研究区起沙时长分布结果表明[31]：N-ESE 6 组风向对应的起沙时长占到75.3%，高于本研究的统计结果；最大起沙时长发生在NE 方向，最小起沙时长出现在SSE 方向，均与本研究不一致；且以起沙风风向为判定标准在一定程度上低估了WSW-NNW 5 组风向的起沙时长贡献。由于俎瑞平等使用的资料时段为1996—2000 年，与本研究时间上不同步，本文将利用同步观测的2 m 高度风速、风向资料再次进行统计分析。

起沙颗粒数与起沙时长在各方向上的百分比存在显著差异，较大的起沙颗粒数主要发生在N-E 和NW-NNW 方向，7 组风向对应的起沙颗粒数比重达71.4%；其中，NNE 方向最大，占到16.1%，其次为N方向，占到15.2%，SSE 方向最小，仅为0.39%。与起沙时长相比，W 方向起沙颗粒数所占比重明显增加，其中WSW、W、NW 等方向的比重增加显著；而拥有最大起沙颗粒数的NNE 方向，起沙时长仅占7.7%。起沙颗粒数与起沙时长虽然紧密相关，但还受到风速的影响，特别是阵性大风[24，31]。

起沙时长与起沙颗粒数的方向分布具有明显的季节变化（图4）。起沙时长，春季时高值出现在NEESE 四组风向，夏季出现在N-ESE 6 组风向，秋季为N、NE-ESE、SW-WSW 和NW-NNW 9 组风向，冬季为NNE-E 4 组风向，分别占到63.0%、70.6%、78.2%和85.8%；春、夏、秋和冬四季起沙时长最大、最小风向分别为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%）。四季起沙时长风向分布相比，冬季最为集中，春季次之，秋季最为分散；同时，春、秋季SSW-WNW 风向起沙时长贡献明显大于夏冬季。起沙颗粒数，春季高值区出现在N-E 和WSW-WNW 8 组风向，夏季为N-NE 和NW-NNW 5 组风向，秋季为N、SW-WSW 和NW-NNW 5 组风向，冬季为NNE-E 4 组方风向，分别占到80.5%、83.8%、76.0%和89.8%；春、夏、秋、冬四季起沙时长最大、最小风向分别为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%）。四季起沙颗粒数风向分布相比，冬季最为集中，夏季次之，春季最为分散；同时，春、秋季SSWWNW 风向起沙时长贡献明显大于夏冬季。

图3 塔克拉玛干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月风沙输送方向分布及各方向对应的平均气温、水汽压、风速和土壤湿度

图4 塔克拉玛干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月风沙输送方向分布的季节变化

图5 塔克拉玛干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月起沙风（a）和输沙势（b）方向分布、起沙风累计时长与起沙时间相关性（c）、输沙势与起沙量相关性（d）

图5 给出了塔克拉玛干沙漠腹地塔中2008 年3 月—2018 年2 月基于季节起沙风速和平均起沙风速统计的十六方位起沙风和输沙势百分比，并对起沙风累计时长与起沙时长、输沙势与起沙颗粒数相关性进行了拟合分析。利用季节起沙风速和平均起沙风速统计的起沙风风向分布频率差异较小，而输沙势则在NNE 和NNW 两个方向上存在较大差异。对比图3 中输沙时长在各方向上的分布，起沙风风向在各方位上的分布与其基本一致，起沙风的高值也集中在N-ESE 风向，NNE 方向最大，其次为E 方向，S 方向最小；利用季节速和平均起沙风速统计的起沙风风向分布均与实测结果具有较好的一致性，相关系数r 均约为0.94，说明是否考虑起沙风速的季节变化，对统计结果影响较小。对比图3 中实测起沙量在各方向上的分布，利用季节起沙风速统计计算的结果优于平均起沙风速，相关系数r 分别为0.93 和0.84，说明起沙风速的变化对输沙势的统计计算存在较大影响。

3 结论

利用塔克拉玛干沙漠腹地2008 年3 月—2018 年2 月实时探测的近地表沙粒运动数据，结合同步观测的气象和土壤等环境数据，分析了研究区近地表输沙方向特征，并基于输沙方向的观测事实，评估了以起沙风风向和输沙势为指标判定输沙方向方法的不确定性。结果表明：

（1）研究区10 a 间累计发生风沙活动3 609.8 h，约占总观测时长的4.1%，春、夏、秋、冬四季起沙时长分别占全部起沙时长的39.2%、45.1%、11.8%和3.8%；起沙颗粒数的季节变化与起沙时长一致。

（2）研究区起沙时长的高值主要发生在N-ESE风向，6 组风向对应的起沙时长共计占到68.8%，其中，NNE 方向最大，S 方向最小；起沙颗粒数与起沙时长在各方向上的百分比存在显著差异，较大的起沙颗粒数主要发生在N-E 和NW-NNW 方向，NNE方向最大，SSE 方向最小；起沙时长与起沙颗粒数的方向分布具有明显的季节变化，四季起沙时长风向分布相比，冬季最为集中，春季次之，秋季最为分散；四季起沙颗粒数风向分布相比，冬季最为集中，夏季次之，春季最为分散。

（3）输沙时长在各方向上的分布与起沙风在各方位上的分布基本一致，两者的相关系数r 达到了0.94；如果考虑起沙风风速变化，输沙势与各方向的输沙量百分比分布则更加一致，相关系数r 可达0.93。