塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙運(yùn)動特征初探

塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙運(yùn)動特征初探

由地表土壤風(fēng)化和荒漠化引起的環(huán)境、生態(tài)和氣候問題已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要威脅，越來越受到重視。20世紀(jì)40年代以來,科學(xué)工作者在風(fēng)蝕起沙的動力機(jī)制、影響因子、起沙通量、風(fēng)蝕起沙與邊界層微氣象及其遠(yuǎn)距離輸送的模擬等方面取得了長足的進(jìn)展[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14],為風(fēng)蝕起沙的深入研究奠定了一定的理論基礎(chǔ),也為沙塵天氣的預(yù)警預(yù)報(bào)提供了支撐。但是,由于全球干旱、半干旱區(qū)分布廣泛,其在地理環(huán)境、氣候特征及自然組成等方面存在諸多差異,由此引起的風(fēng)蝕起沙特點(diǎn)及起沙參數(shù)也不盡相同。鑒于此,有必要開展更多的野外觀測試驗(yàn),了解不同沙漠的風(fēng)蝕過程特點(diǎn),確定起沙參數(shù)。目前國內(nèi)針對沙漠地表起沙參數(shù)及起沙輸送開展的長期系統(tǒng)性野外觀測試驗(yàn)并不多,一些地表起沙參數(shù)多采用國外的試驗(yàn)結(jié)果或風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。國外的沙漠在氣候環(huán)境、下墊面狀況等方面與我國沙漠存在諸多差異;風(fēng)洞試驗(yàn)雖然具備可控性,但是無法模擬野外自然環(huán)境。因此,在我國內(nèi)陸沙漠開展系統(tǒng)的野外風(fēng)沙觀測試驗(yàn),準(zhǔn)確測量風(fēng)蝕起沙、輸送過程中的各類參數(shù),對修正我國沙塵暴預(yù)報(bào)模式中相關(guān)的起沙及輸送參數(shù),增強(qiáng)對我國北方天氣上游地區(qū)沙塵暴天氣預(yù)警服務(wù)能力具有重大意義。中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所在“十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“沙塵暴遙感監(jiān)測與預(yù)報(bào)集成技術(shù)研究”子課題“沙塵暴起沙機(jī)理強(qiáng)化觀測試驗(yàn)研究”的支持下,在塔克拉瑪干沙漠的腹地、荒漠過渡帶及綠洲邊緣建立了標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)沙觀測試驗(yàn)場,開展了風(fēng)蝕起沙外場觀測試驗(yàn),獲得了一些有價(jià)值的觀測結(jié)果。同時(shí),也發(fā)現(xiàn)了一些問題,這對于我們今后觀測試驗(yàn)的選址、儀器性能的改進(jìn)有一定的借鑒意義。筆者介紹了塔克拉瑪干沙漠風(fēng)蝕起沙外場觀測試驗(yàn),并對觀測試驗(yàn)中風(fēng)沙運(yùn)動的一些特征進(jìn)行了分析,得出了塔克拉瑪干沙漠風(fēng)蝕起沙初步分析結(jié)果。1試驗(yàn)介紹1.1沙源分布及氣象條件塔克拉瑪干沙漠風(fēng)蝕起沙觀測試驗(yàn)共建立了風(fēng)沙觀測場3處,分別位于沙漠腹地的塔中,沙漠北緣荒漠過渡帶的肖塘及沙漠東部若羌綠洲的邊緣(圖1)。塔中、肖塘風(fēng)沙觀測場建于2008年7月,若羌風(fēng)沙觀測場建于2009年6月。觀測試驗(yàn)全年不間斷地開展,春、夏季為強(qiáng)化觀測期。塔中風(fēng)沙觀測場(38°58′N,83°39′E,海拔1082m)深入塔克拉瑪干沙漠腹地220km,該地區(qū)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(xiàn)為一系列線狀的高大復(fù)合型縱向沙壟與壟間地相間分布,沙壟走向?yàn)镹NE—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(shè)在兩大沙壟間的平坦沙地上。該地區(qū)地表沙源的平均粒徑為136μm,且分選情況較好。塔中地區(qū)年平均氣溫為13.6℃;年平均降水量在25.9mm左右;塔中地區(qū)的年平均風(fēng)速為2.3m·s-1,年大風(fēng)日數(shù)平均為10.5d,風(fēng)向以偏東北和偏西北風(fēng)為主;年揚(yáng)沙日數(shù)平均為59.6d,年沙塵暴平均日數(shù)為15.8d。肖塘風(fēng)沙觀測場(40°49′N,84°17′E,海拔1099m)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(fēng)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(fù)合型新月形沙丘鏈,一般寬6～15m,高1～10m。復(fù)合型沙丘單體走向?yàn)镹W—SE,其間廣泛分布淤土平地、風(fēng)蝕殘丘等地貌類型。該區(qū)域地表沙源平均粒徑為159μm,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。肖塘年沙塵暴日數(shù)平均為41.6d。若羌風(fēng)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(xì)且均勻,平均粒徑僅103μm,分選比較好。該區(qū)高溫且氣候干旱,年平均氣溫為11.8℃;年降水量平均為29.4mm;年平均風(fēng)速為2.6m·s-1。由于地處塔克拉瑪干沙漠的上風(fēng)方,風(fēng)沙天氣較多,年沙塵暴日數(shù)平均為14.6d,年沙塵天氣日數(shù)平均為103.8d。1.2試驗(yàn)儀器和儀器每個(gè)觀測場都根據(jù)塔克拉瑪干沙漠基本氣流走向和風(fēng)沙流動走向,安裝了風(fēng)蝕傳感器,貼地層梯度風(fēng)速儀,土壤溫、濕度傳感器,BSNE型梯度積沙儀,貼地積沙儀,方口積沙儀,全方位積沙儀,蠕移積沙儀(圖2)。另外,塔中與肖塘風(fēng)沙觀測場還安裝了渦動相關(guān)探測系統(tǒng)。參照國際慣例,風(fēng)蝕傳感器(H11-LIN,Sensit)安裝高度為5cm、10cm,用于探測貼地層沙塵顆粒撞擊數(shù)量和撞擊動能,與貼地層梯度風(fēng)速探測系統(tǒng)、積沙儀測得的風(fēng)速、輸沙通量等數(shù)據(jù)相互結(jié)合,可確定臨界摩擦速度、起沙風(fēng)速、沙粒運(yùn)動速度等動力學(xué)參數(shù);貼地層梯度風(fēng)速儀(WAA151,Vaisala)安裝高度為5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、200cm,并在20cm、200cm處安裝風(fēng)向儀(WAV151,Vaisala),用于探測貼地層風(fēng)速廓線與計(jì)算摩擦速度;在土壤的0cm、5cm、10cm深度處安裝土壤溫度傳感器(109L,Campbell),在2.5cm、5cm處安裝土壤濕度傳感器(CS616,Campbell),監(jiān)測風(fēng)蝕起沙前后土壤溫度、土壤濕度等參數(shù)的變化,確定風(fēng)蝕起沙土壤溫度及水分參數(shù);BSNE梯度積沙儀積沙盒的安裝高度分別為5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、200cm,可同時(shí)收集6個(gè)高度層的輸沙通量(塔中80m梯度鐵塔安裝了7層BSNE型單層積沙儀,可獲取近地層懸移輸沙量廓線。);貼地積沙儀可監(jiān)測地面0～5cm的輸沙通量與風(fēng)沙流特征,分為0～0.5cm、0.5～1cm、1～2cm、2～5cm4層;方口積沙儀可監(jiān)測0～100cm單方向的輸沙通量與風(fēng)沙流特征,共50層,進(jìn)沙口2cm×2cm;全方位積沙儀、蠕移積沙儀可監(jiān)測風(fēng)沙流輸沙的方位變化,測得的數(shù)據(jù)與風(fēng)向、風(fēng)速建立關(guān)系;塔中、肖塘風(fēng)沙觀測場渦動相關(guān)探測系統(tǒng)安裝高度為300cm(超聲風(fēng)速溫度儀CSAT3,Campbell;二氧化碳/水汽脈動分析儀LI-7500,Campbell),用于監(jiān)測沙塵起沙前后湍流動能、湍流通量和摩擦速度的變化。這些儀器的安裝可監(jiān)測分析塔克拉瑪干沙漠不同區(qū)域不同沙塵天氣的沙塵顆粒物撞擊數(shù)量、動能、近地層和貼地層輸沙通量等,為沙塵暴監(jiān)測預(yù)警提供新型基礎(chǔ)參數(shù)。1.3積沙儀測量樣品采集風(fēng)蝕傳感器,貼地層梯度風(fēng)速儀,土壤溫、濕度傳感器,渦動相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量、采集、運(yùn)算和存儲都是24h連續(xù)進(jìn)行,均由數(shù)據(jù)采集器完成(CR1000&CR5000,Campbell)。數(shù)據(jù)分為秒級、分鐘平均及小時(shí)平均。積沙儀所收集的風(fēng)沙流輸沙樣本需要人工采集處理,在沙塵天氣來臨前把積沙盒清理干凈,沙塵天氣結(jié)束后立即取出,裝入密封袋,并記錄采集時(shí)間,沙塵天氣延續(xù)的時(shí)間以及風(fēng)況。沙樣粒度分析在中國氣象局烏魯木齊樹木年輪理化研究重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,分析儀器為激光粒度儀(Mastersizer2000)。2一些觀測結(jié)果的初步報(bào)告2.1沙流結(jié)構(gòu)2.1.1輸沙量比重變化風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)對了解風(fēng)蝕起沙過程中沙粒的運(yùn)動特性、搬運(yùn)過程、侵蝕危害有著重要的意義。目前,風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)模型大致可以分為3類:指數(shù)分布型、上部符合指數(shù)分布但近床面偏離指數(shù)分布;后者又可以分為偏大型和偏小型。我們利用野外觀測試驗(yàn)數(shù)據(jù),對塔中、肖塘、若羌3個(gè)風(fēng)沙觀測場所在地區(qū)的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,并對數(shù)值進(jìn)行了擬合,結(jié)果見圖3(均為3次以上觀測數(shù)據(jù)的平均)。由圖可知,3地各高度層輸沙量百分比隨高度的變化非常一致,即隨著高度增加,輸沙量百分比呈下降趨勢。塔中,若羌兩地30cm以下輸沙量比重隨高度增減變化迅速,30cm以上變化較平緩;肖塘地區(qū)則是10cm以下輸沙量比重變化劇烈。從擬合曲線看,塔中、若羌兩地0～100cm高程的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)完全符合指數(shù)分布,擬合曲線與測量值的相關(guān)性非常好,R2都大于0.99;肖塘地區(qū)的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)卻是12cm以下符合指數(shù)分布,12～58cm部分比指數(shù)分布偏大,60cm以上又比指數(shù)分布偏小。肖塘地區(qū)風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的這一特點(diǎn)可能與積沙儀上風(fēng)方的小沙包有關(guān),小沙包中上部的沙粒被風(fēng)吹起,直接在距離地面一定的高度運(yùn)動,風(fēng)沙流中輸沙量的分布發(fā)生變化,造成風(fēng)沙流輸沙在一定高度偏離指數(shù)分布。表1給出了塔中、肖塘、若羌3地觀測的0～100cm不同高度氣流層內(nèi)輸沙量的分布。由表可知,在各高度層中0～10cm的輸沙量最多,0～20cm的輸沙量分別占總輸沙量的64.3%、37.5%、51.9%,0～30cm占到總輸沙量的72.4%、47.3%、62.6%,這與吳正等觀測的氣流所搬運(yùn)沙量的90%在離地表30cm以下的結(jié)果存在一定差異。這應(yīng)該與地表沙源粒徑有關(guān),一定風(fēng)速下,氣流沒有足夠的能量把較粗的沙粒帶到較高的高度,其運(yùn)動只能集中在近地表;氣流可以把較細(xì)的沙粒帶到較高的高度,這樣上層的輸沙量就會增大,對比塔中、若羌各高度層的輸沙量及表2中的粒度組成可以證實(shí)這一點(diǎn)。至于肖塘下層輸沙量所占比重嚴(yán)重偏小的現(xiàn)象仍與積沙儀上風(fēng)方的小沙包有關(guān)。對3地風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征值λ進(jìn)行了計(jì)算,發(fā)現(xiàn)3地的風(fēng)沙運(yùn)動以風(fēng)蝕過程為主,但肖塘的λ值均比塔中、若羌偏小,這應(yīng)該與肖塘風(fēng)沙觀測場下墊面為平坦的風(fēng)蝕裸露古河床,沙源不如塔中、若羌豐富有關(guān)。2.1.2材料中的極細(xì)沙、粉沙及砂體風(fēng)沙流中不僅輸沙量隨高度發(fā)生變化,運(yùn)動沙粒的粒徑在垂向分布上也存在差異。表2給出了塔中、肖塘、若羌3地各高度層輸沙的粒徑組成。可以看出,3地風(fēng)沙流輸沙以細(xì)沙(250～125μm)、極細(xì)沙(125～62.5μm)與粉沙為主,其中極細(xì)沙最多,占到輸沙量的43.8%～75.5%。具體分布上3地又存在一定的差別,總趨勢為:細(xì)沙含量,塔中>肖塘>若羌;極細(xì)沙含量,若羌>肖塘>塔中;粉沙及黏土(<62.5μm)的含量除塔中5cm、10cm兩個(gè)高度層的含量較少,其他都基本相近。3地各高度層中、粗沙(>250μm)的含量極少,若羌風(fēng)沙流輸沙中不含中、粗沙。隨著高度的增加,3地風(fēng)沙流輸沙中的細(xì)沙、極細(xì)沙含量基本呈下降趨勢,粉沙及黏土的含量則呈上升趨勢。2.2cm高度近地表風(fēng)速廓線及其變化是揭示近地表氣流特性及風(fēng)沙運(yùn)動的有效途徑之一。風(fēng)沙流風(fēng)速廓線是運(yùn)動沙粒與氣流相互作用的產(chǎn)物,由于沙顆粒在風(fēng)沙流各高度層的分布不均,將導(dǎo)致不同區(qū)域不同下墊面風(fēng)沙流風(fēng)速的分布存在一定差異,具體情況見圖4。圖4A為塔中、肖塘、若羌3地各自3次沙塵天氣過程中不同風(fēng)速的1h平均。由圖可知,3地都在近地面20cm高度內(nèi),風(fēng)速隨高度的增加變化比較劇烈。超過20cm高度,風(fēng)速隨高度的增加變化減緩。50cm與100cm兩個(gè)高度層的風(fēng)速幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài),隨高度的變化較平緩。結(jié)合3地風(fēng)沙流結(jié)構(gòu),把5～100cm的風(fēng)速變化與其對應(yīng)高度層輸沙量對比,可發(fā)現(xiàn):0～20cm范圍內(nèi)風(fēng)速變化急劇主要是輸沙量與風(fēng)速不是簡單的線性關(guān)系引起的,即隨著風(fēng)速的變化,風(fēng)沙流的能量分布變化很大,導(dǎo)致在0～20cm高度范圍內(nèi),輸沙量變化很大,進(jìn)而對風(fēng)速廓線產(chǎn)生很大的影響。20～100cm這一高度層內(nèi),粒徑較粗的沙粒減少,且其輸沙量隨高度增長的變化相差不大,對風(fēng)速的影響較小,這一特點(diǎn)從肖塘地區(qū)風(fēng)速廓線的分布中體現(xiàn)的更加明顯。由于氣流與沙粒之間的相互作用,影響到風(fēng)速變化,從而導(dǎo)致風(fēng)沙流中的風(fēng)速廓線在半對數(shù)紙上不再是直線,而是略微凸向?qū)?shù)軸的曲線(圖4B),這一現(xiàn)象與王洪濤等風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果相符。同時(shí)可以看出,由于風(fēng)速不同、下墊面不同,曲線凸起的程度也不同,這說明了風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)與風(fēng)沙流速度對風(fēng)沙相互作用的影響可以通過風(fēng)速廓線表現(xiàn)出來。對以上風(fēng)速廓線進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)用冪函數(shù)u=azb擬合效果最好,詳細(xì)的擬合系數(shù)見表3。2.3塔中、肖塘風(fēng)蝕傳感器的撞擊動能分析在不考慮下墊面、土壤性質(zhì)及土壤水分等影響因子時(shí),風(fēng)是沙粒運(yùn)動的主要影響因子,對起沙與否,起沙量的多少具有決定意義。圖5給出了塔中、肖塘、若羌3地2009年夏季各一次沙塵天氣過程中2m高度風(fēng)速與5cm高度風(fēng)蝕傳感器所測沙塵撞擊顆粒數(shù)的變化曲線。可以看出,3地的撞擊顆粒數(shù)隨風(fēng)速變化一致,基本上都隨著風(fēng)速的增強(qiáng)而增大。塔中、肖塘兩地的風(fēng)速5m·s-1左右時(shí),沙粒開始移動,風(fēng)速到達(dá)10m·s-1時(shí),撞擊顆粒數(shù)急劇上升,只是肖塘所監(jiān)測到的顆粒數(shù)與塔中存在量級差距。若羌5cm風(fēng)蝕傳感器在風(fēng)速5m·s-1左右時(shí)只監(jiān)測到零星的幾個(gè)撞擊顆粒(值太小,圖中難以看出),風(fēng)速在15～20m·s-1時(shí),監(jiān)測到的撞擊顆粒才逐步增多。這種現(xiàn)象應(yīng)該是風(fēng)蝕傳感器對不同粒徑沙粒撞擊動能感應(yīng)的靈敏度造成的。由表2中3地5cm的粒度組成可知,塔中地區(qū)5cm風(fēng)沙流輸沙中中沙的平均含量為2.1%,細(xì)沙為40.5%,肖塘的中沙平均僅0.4%,若羌不含中沙,其細(xì)沙的含量僅為27.1%、14.5%,而極細(xì)沙卻占到72.5%～82.6%。同樣的撞擊動能,粒徑相對較粗的沙粒只需較小的運(yùn)動速度就可獲得,而粒徑相對較小的沙粒則需要很大的運(yùn)動速度,從而需要的風(fēng)速也更大。因此,風(fēng)蝕傳感器在塔中地區(qū)對風(fēng)蝕起沙的監(jiān)測效果優(yōu)于肖塘、若羌。另外,有研究表明較小沙粒的內(nèi)部黏性力對其起支配作用,沙粒粒徑越小,起動風(fēng)速反而越大。這也可能是肖塘、若羌只監(jiān)測到較少撞擊顆粒數(shù)的原因。2.4地沙粒撞擊與臨界速度臨界摩擦速度是研究風(fēng)蝕起沙過程的重要參數(shù),它與沙粒粒徑、土壤性質(zhì)、地表植被狀況以及土壤的含水量有關(guān),因此,臨界摩擦速度的準(zhǔn)確求解比較復(fù)雜。雖然一些學(xué)者也給出了各自的理論公式,但是公式估算具有一定的經(jīng)驗(yàn)性與區(qū)域限制性,不一定能很好地適用于我國的沙漠。圖6給出了風(fēng)蝕傳感器所測圖5中3次沙塵天氣過程的沙粒撞擊數(shù)與摩擦速度。由圖可知,隨著摩擦速度的增大,撞擊顆粒數(shù)也增多,塔中、肖塘、若羌3地的摩擦速度分別在0.25m·s-1,0.27m·s-1,0.21m·s-1左右時(shí),地表有沙粒起動。因此,我們可以近似地認(rèn)為塔中、肖塘、若羌3地的臨界摩擦速度分別為0.25m·s-1,0.27m·s-1,0.21m·s-1,不排除有較小沙粒運(yùn)動風(fēng)蝕傳感器監(jiān)測不到的情況,因此,3地確切的臨界摩擦速度有可能比上述3個(gè)值稍小。由此看來,塔克拉瑪干沙漠的起沙臨界摩擦速度比其他地區(qū)偏小,這與地表沙源粒徑及下墊面狀況密切相關(guān)。3未固結(jié)風(fēng)速傳感器的應(yīng)用該文介紹了塔克拉瑪干沙漠風(fēng)蝕起沙觀測試驗(yàn),并從風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、風(fēng)沙流風(fēng)速廓線、臨界摩擦速度等方面對觀測試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了初步分析,更多的有關(guān)風(fēng)蝕起沙的研究內(nèi)容,如臨界起沙的土壤水分、湍流與風(fēng)蝕起沙及沙塵通量等將會在今后陸續(xù)發(fā)表。通過分析,獲得了對塔克拉瑪干沙漠風(fēng)蝕起沙的一些認(rèn)識。同時(shí),也使我們認(rèn)識到觀測試驗(yàn)中存在的問題與不足,例如風(fēng)沙流觀測中,積沙儀周邊應(yīng)盡量平坦開闊,這樣才能獲得更加真實(shí)反映野外風(fēng)沙流狀況的數(shù)據(jù);風(fēng)沙流輸沙樣本的取樣間隔應(yīng)縮短至分鐘,與風(fēng)速結(jié)合,才能對風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)與風(fēng)速的關(guān)系有更加精細(xì)化的認(rèn)識;H11LIN型風(fēng)蝕傳