塔克拉瑪干沙漠風場特征與沙漠化問題

塔克拉瑪干沙漠風場特征與沙漠化問題

沙漠化：塔克拉瑪干沙漠風是形成地球形狀的基本能量之一，特別是在干旱氣候條件下，這是決定沙漠表面形狀的主要動力。沙海的分布、沙丘形態(tài)、沙丘運動直至沙紋形成均與不同尺度的風場相聯(lián)系。此外,風也是造成風沙危害的直接動力條件。因此,系統(tǒng)研究一個地區(qū)的風場特征,不僅能夠準確掌握風沙地貌形成的動力因素,也能為區(qū)域沙害防治提供科學依據(jù)。塔克拉瑪干沙漠是我國最大的沙漠,面積達到3.5×105km2,是我國沙塵的主要源區(qū)之一,其中沙丘類型齊全、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,堪稱沙丘博物館,加之沙漠周邊分布著眾多歷代古城遺址,一直吸引著國內(nèi)外科研、考古及探險者的關(guān)注。但是,真正開始對該區(qū)域風沙地貌的全面研究要算朱震達等編著的《塔克拉瑪干風沙地貌研究》一書。該書借助航片判讀,首次對沙丘類型、分布格局、運動等方面進行了深入、系統(tǒng)的研究,特別是關(guān)于沙漠西南部沙丘動態(tài)過程的研究,使塔克拉瑪干沙漠風沙地貌研究進入一個嶄新階段。20世紀80年代以后,沙漠油田開發(fā)和沙漠公路的貫通,為整個沙漠特別是沙漠腹地的研究提供了機遇。凌裕泉率先研究了近地表流場特征與輸沙強度的關(guān)系,并對該區(qū)域沙漠化問題作了探討;董治寶等著重研究了沙漠公路沿線風沙活動特征;王訓明等則對沙漠腹地和沙漠東北部的風況特征與沙丘形態(tài)動力學過程進行了研究;陳渭南、李振山、陳廣庭等分別研究了沙漠公路沿線及整個盆地的起沙風況。上述研究均取得了一些重要成果,然而由于塔克拉瑪干沙漠自然環(huán)境惡劣、交通不便、資料缺乏等條件制約,研究多針對點或者線,而對整個面上的風場特征研究相對較少。本文在前人工作的基礎(chǔ)上,利用覆蓋整個沙漠的17個氣象站的風速風向資料,從整體上分析了風場特征的變化規(guī)律,并對風況與沙丘排列方向關(guān)系進行了探討。1資料統(tǒng)計及計算本研究所用風資料來源于覆蓋整個塔克拉瑪干沙漠的17個氣象站風速風向記錄,站點分布如圖1所示。這些站點風速風向資料都是利用16方位自動風速儀進行記錄,風速儀距地面高度均為11.4m,數(shù)據(jù)記錄的時間步長為10min。由于沙漠周邊各站資料記錄年限較長,沙漠公路沿線的肖塘、滿參及塔中3站均是隨著公路修建,從1994年開始設(shè)立并觀測的。為便于比較,所取同步資料年限都為1996~2000年。眾所周知,對風沙地貌及沙害形成具有直接作用的是大于臨界起沙風速的那部分風,因此,在資料統(tǒng)計以前首先要確定臨界起沙風速。根據(jù)前人所作的工作,在塔克拉瑪干沙漠距地面11.4m處,臨界起沙風速一般取6.0m/s。從每個站5年內(nèi)所有記錄中統(tǒng)計大于臨界起沙風速(6.0m/s)的出現(xiàn)次數(shù)N,就可以得到16方位每年平均大于起沙風次數(shù)為N/5,也可以得到各個方位上每年平均起沙風出現(xiàn)次數(shù)。輸沙勢(DP)計算根據(jù)通用公式:DP=V2(V-Vt)t,其中,DP為輸沙勢,為矢量單位(VU),V為大于臨界起動值的風速,Vt為臨界起動風速,單位均為m/s,t為起沙風作用時間,以占全年總時間的百分比表示。合成輸沙勢(RDP)及其方向(RDD)根據(jù)矢量合成法則計算。2古—高空環(huán)流背景分析近地面風場特征與高空環(huán)流形勢密切相關(guān),而大氣環(huán)流的形成與緯度、地形以及地面狀況有密切關(guān)系。塔克拉瑪干沙漠地處36°~42°N之間,從行星風系來看,高空環(huán)流主要受中緯度西風帶影響。然而,由于塔里木盆地三面環(huán)山,周圍地形特別是青藏高原對環(huán)流形勢有著直接影響,這主要表現(xiàn)在緯向環(huán)流的破壞與重建。冬季塔克拉瑪干沙漠大部分處于蒙古—西伯利亞大陸高壓的西南緣,僅沙漠的西部邊緣受西風的影響。從冬季(1月)1500m高空氣流線的分布來看,在94°E附近有一條NNE—SSW的氣流輻散線,在83°E附近是一個氣流輻合區(qū),因此冬季期間塔克拉瑪干沙漠尼雅河以東盛行偏東氣流,以西盛行偏西氣流(西北風)。夏季副熱帶高壓帶北移,西風盛行帶也隨之北進,但因西風環(huán)流在近地面部分受到西天山及帕米爾高原的阻擋,發(fā)生偏折,一支通過帕米爾高原山口進入塔里木盆地,使塔克拉瑪干沙漠西部盛行西風及西北風。另一支進入準噶爾盆地繞過較低的東天山,轉(zhuǎn)入塔里木盆地,使塔克拉瑪干沙漠東部夏季仍盛行東北風。從夏季(7月)1500m高空氣流線的分布情況來看,在克里雅河附近也有一條氣流輻合線,因此,在夏季時期克里雅河以西的地區(qū)盛行偏西北風和西風,以東盛行東北風。春秋季節(jié)同樣也受這兩種風的影響,但其分布界線在尼雅河和克里雅河之間擺動,所以這一帶地區(qū)形成風向的交替作用。此外,由于周圍山地的影響,上述盛行風系在山麓地帶遭受破壞變成地方性風系,但其影響范圍僅限于沙漠邊緣地區(qū),如天山南麓的偏北風、昆侖山北麓的偏南風及西南風等。3主風向空間分布表1是沙漠各站起沙風16方位頻數(shù)統(tǒng)計結(jié)果,從中不難看出,整個沙漠風系以偏東北和偏西北風為主。偏東北風作用范圍包括沙漠東部、中部及北部偏東區(qū)域;偏西北風作用區(qū)域包括沙漠西部、西南部及南部偏西區(qū)域。將整個沙漠的兩組主風向偏東北風(NNE,NE,ENE)和偏西北風(WNW,NW,NNW)分別進行統(tǒng)計,則不難發(fā)現(xiàn)整個沙漠主風向空間變化規(guī)律。圖2和圖3是沙漠橫向(從東到西)及縱向(從南到北)主風向出現(xiàn)頻數(shù)百分比對比圖。從東西方向?qū)Ρ冉Y(jié)果(圖2)來看,不管是北部邊緣、南部邊緣還是中部,都呈現(xiàn)了從東到西,偏東北風所占比例遞減而偏西北風所占比例遞增規(guī)律。這說明在整個沙漠中,從東到西,東北風系影響逐漸減弱而西北風系影響逐漸加強。從南北方向來看(圖3),兩組主風向變化也存在著明顯規(guī)律,不過東、中、西部情況各有不同。從東部來看,基本呈現(xiàn)由北到南東北風逐漸加強而西北風逐漸減弱趨勢;中部以塔中為界,其北部從肖塘、滿參到塔中東北風逐漸加強,西北風總體相差不大,而其南部從塔中到民豐一線,東北風及西北風的影響都相應(yīng)減小;西部邊緣從北到南東北風所占比例依次減少,西北風所占比例依次增加。4沙漠輸沙勢若羌區(qū)域風沙活動強度表示方法很多,輸沙勢(DP)即是其中非常重要的指標,也是目前風沙活動強度計算應(yīng)用最多的方法。從計算結(jié)果(圖4)看出,塔克拉瑪干沙漠輸沙勢若羌最大,達399VU,莎車最小,只有5.4VU,其他站大多小于100VU。按照Fryberger劃分標準,除若羌地區(qū)外,沙漠整體處于低風能環(huán)境。在區(qū)域分布上,沙漠東部及中部區(qū)域較大,西部及南部較小。從該圖還可以看出,除個別站外,大多數(shù)站RDP/DP值都在0.5以上,說明整個塔克拉瑪干沙漠風向以單峰或銳雙峰為主。5沙化學模型及方向計算沙丘排列方向從一個側(cè)面反映了風沙活動的空間變化特征,揭示了風速水平梯度變化和方向變化。早在1870年,沙丘排列方向與風的關(guān)系就引起了地貌學家的注意。隨后,許多學者對沙丘排列方向與風的關(guān)系提出了不同觀點,比如盛行風向、強風、起沙風合成方向等。Rubin等人通過野外觀測及水槽實驗證實,沙丘的排列方向主要由主、次輸沙方向的夾角γ及二者的輸沙比率決定,其走向與最大輸沙總量垂直(圖5)。為此,他們還提出了下面的模型來計算已知風況下沙丘的排列方向:tanα=±R+|cosγ||sinγ|(1)tanα=±R+|cosγ||sinγ|(1)式(1)中,α為主要輸沙方向與床面走向之間的夾角,R為主、次方向輸沙比率,γ為主、次輸沙方向間的夾角。公式中角度以順時針方向為正,當γ值在0°~90°時,α值取負號,當γ值在90°~180°時,α值取正號。為了更好地說明影響塔克拉瑪干沙漠沙丘排列的主要因素,分別對一些站的盛行風、合成起沙風、合成輸沙勢及最大輸沙總量等幾個方向參數(shù)分別進行了統(tǒng)計和計算(表2)。其中盛行風向以16個方位中起沙風出現(xiàn)頻率最大的方位為準;起沙風及輸沙勢的合成方向計算根據(jù)矢量合成法則;最大輸沙總量方向根據(jù)Rubin模型計算;沙丘迎風坡方向數(shù)據(jù)來自朱震達等。將上面得到的各個站附近沙丘走向與盛行風向、合成起沙風向、合成輸沙方向及最大輸沙總量方向分別進行比較,就可以確定影響沙丘排列的主要風況參數(shù)。從表2可以看出,雖然沙丘迎風坡方向與各計算參數(shù)總趨勢都保持一致,但也存在明顯差異。其中盛行風向與沙丘迎風坡方向的夾角在3°~53°之間;起沙風合成方向與沙丘迎風坡方向的夾角介于0.4°~35°之間;合成輸沙勢方向與沙丘迎風坡方向夾角為1°~37°之間,而最大輸沙總量方向與沙丘排列方向有極好的相關(guān)關(guān)系,二者夾角一般都小于5°,說明塔克拉瑪干沙漠沙丘迎風坡方向與最大輸沙總量方向保持一致。6沙區(qū)近地面風場特征的變化塔克拉瑪干沙漠獨特的地理位置導(dǎo)致獨特的高空環(huán)流形勢,進而決定著近地面風場特征,并最終對沙丘排列方向產(chǎn)生了直接影響。整個沙漠主要受東北和西北兩大風系的影響,東北風勢力較強,影響區(qū)域以沙漠東部為主,西北風較弱,影響區(qū)域以沙漠西部為主。但總的來說,與其他沙漠相比,塔克拉瑪干沙漠屬于低能環(huán)境,風向也呈現(xiàn)出單峰和銳雙峰特征,風場強度在區(qū)域分布上則存在著東部和中部較大,西部與西南部較小的特點。通過幾個風場方向參數(shù)與沙丘排列方向關(guān)系分析表明,沙丘排列方向與最大輸沙總量方向最為接近。上面的研究可以對塔克拉瑪干沙漠風沙地貌演變和沙害防治提供一些有益的參考。鑒于資料限制,關(guān)于風場時空變化規(guī)律的研究主要借助于分析1500m環(huán)流形勢以及17個氣象站的風資料得到,要更好地掌握近地面風場特征的變化規(guī)律,今后應(yīng)該主要從動力模擬方面著手,對此問題做出更全面的分析。沙丘排列方向與風場關(guān)系分析主要是基于塔克拉瑪干沙漠邊緣地區(qū),而這些地區(qū)的主要沙丘形態(tài)多為新月形沙丘及沙丘鏈。對于沙漠中的一些復(fù)雜沙丘形態(tài),其排列方向除了風的作用外,還與沙丘的發(fā)育程度及地形影響有關(guān)。比如,復(fù)合沙壟主體排列方向雖與最大輸沙總量方向保持一致,但其上覆沙丘由于受到次生氣流的影響,也可能出現(xiàn)與主體沙丘排列方向不一致,甚至是相反的情況。還有,麻扎塔格山兩側(cè)的沙丘排列也與周圍沙丘有著明顯差異。但是,如果從另一個方面來考慮的話,我們可以說,不管是次生氣流的影響還是地形的作用,都是通過改變局部氣流的方向與速度場來實現(xiàn)的,因此它們的排列方向也應(yīng)該遵循著上述法