塔克拉瑪干沙漠風(fēng)場特征與沙漠化問題

塔克拉瑪干沙漠風(fēng)場特征與沙漠化問題

沙漠化：塔克拉瑪干沙漠風(fēng)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(fēng)場相聯(lián)系。此外,風(fēng)也是造成風(fēng)沙危害的直接動力條件。因此,系統(tǒng)研究一個地區(qū)的風(fēng)場特征,不僅能夠準(zhǔn)確掌握風(fēng)沙地貌形成的動力因素,也能為區(qū)域沙害防治提供科學(xué)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(fēng)沙地貌的全面研究要算朱震達等編著的《塔克拉瑪干風(fēng)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(fēng)沙地貌研究進入一個嶄新階段。20世紀(jì)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(fēng)沙活動特征;王訓(xùn)明等則對沙漠腹地和沙漠東北部的風(fēng)況特征與沙丘形態(tài)動力學(xué)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速風(fēng)向資料,從整體上分析了風(fēng)場特征的變化規(guī)律,并對風(fēng)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(fēng)資料來源于覆蓋整個塔克拉瑪干沙漠的17個氣象站風(fēng)速風(fēng)向記錄,站點分布如圖1所示。這些站點風(fēng)速風(fēng)向資料都是利用16方位自動風(fēng)速儀進行記錄,風(fēng)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(fēng)沙地貌及沙害形成具有直接作用的是大于臨界起沙風(fēng)速的那部分風(fēng),因此,在資料統(tǒng)計以前首先要確定臨界起沙風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)次數(shù)為N/5,也可以得到各個方位上每年平均起沙風(fēng)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(fēng)速,Vt為臨界起動風(fēng)速,單位均為m/s,t為起沙風(fēng)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(fēng)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(fēng)系來看,高空環(huán)流主要受中緯度西風(fēng)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(fēng)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(fēng))。夏季副熱帶高壓帶北移,西風(fēng)盛行帶也隨之北進,但因西風(fēng)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(fēng)及西北風(fēng)。另一支進入準(zhǔn)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(fēng)。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(fēng)和西風(fēng),以東盛行東北風(fēng)。春秋季節(jié)同樣也受這兩種風(fēng)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(fēng)向的交替作用。此外,由于周圍山地的影響,上述盛行風(fēng)系在山麓地帶遭受破壞變成地方性風(fēng)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(fēng)、昆侖山北麓的偏南風(fēng)及西南風(fēng)等。3主風(fēng)向空間分布表1是沙漠各站起沙風(fēng)16方位頻數(shù)統(tǒng)計結(jié)果,從中不難看出,整個沙漠風(fēng)系以偏東北和偏西北風(fēng)為主。偏東北風(fēng)作用范圍包括沙漠東部、中部及北部偏東區(qū)域;偏西北風(fēng)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(fēng)向偏東北風(fēng)(NNE,NE,ENE)和偏西北風(fēng)(WNW,NW,NNW)分別進行統(tǒng)計,則不難發(fā)現(xiàn)整個沙漠主風(fēng)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(fēng)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(fēng)所占比例遞減而偏西北風(fēng)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(fēng)系影響逐漸減弱而西北風(fēng)系影響逐漸加強。從南北方向來看(圖3),兩組主風(fēng)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(fēng)逐漸加強而西北風(fēng)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(fēng)逐漸加強,西北風(fēng)總體相差不大,而其南部從塔中到民豐一線,東北風(fēng)及西北風(fēng)的影響都相應(yīng)減小;西部邊緣從北到南東北風(fēng)所占比例依次減少,西北風(fēng)所占比例依次增加。4沙漠輸沙勢若羌區(qū)域風(fēng)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(biāo),也是目前風(fēng)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(biāo)準(zhǔn),除若羌地區(qū)外,沙漠整體處于低風(fēng)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(fēng)向以單峰或銳雙峰為主。5沙化學(xué)模型及方向計算沙丘排列方向從一個側(cè)面反映了風(fēng)沙活動的空間變化特征,揭示了風(fēng)速水平梯度變化和方向變化。早在1870年,沙丘排列方向與風(fēng)的關(guān)系就引起了地貌學(xué)家的注意。隨后,許多學(xué)者對沙丘排列方向與風(fēng)的關(guān)系提出了不同觀點,比如盛行風(fēng)向、強風(fēng)、起沙風(fēng)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(fēng)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(dāng)γ值在0°~90°時,α值取負(fù)號,當(dāng)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(fēng)、合成起沙風(fēng)、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(fēng)向以16個方位中起沙風(fēng)出現(xiàn)頻率最大的方位為準(zhǔn);起沙風(fēng)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(fēng)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(fēng)向、合成起沙風(fēng)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(fēng)況參數(shù)。從表2可以看出,雖然沙丘迎風(fēng)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(fēng)向與沙丘迎風(fēng)坡方向的夾角在3°~53°之間;起沙風(fēng)合成方向與沙丘迎風(fēng)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(fēng)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(fēng)坡方向與最大輸沙總量方向保持一致。6沙區(qū)近地面風(fēng)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(fēng)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(fēng)系的影響,東北風(fēng)勢力較強,影響區(qū)域以沙漠東部為主,西北風(fēng)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(fēng)向也呈現(xiàn)出單峰和銳雙峰特征,風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)資料得到,要更好地掌握近地面風(fēng)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(fēng)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(fēng)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