塔里木盆地塔中地區(qū)地表沙氣象站觀測結(jié)果分析

塔里木盆地塔中地區(qū)地表沙氣象站觀測結(jié)果分析

新疆是中國最大的沙漠省份，也是影響沙帶的最嚴重地區(qū)。沙帶總面積為839.33mm。因此，有必要對沙帶進行研究，防止沙帶，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供沙帶風險天氣的報警和報告。上述工作首先應(yīng)對該地區(qū)的沙帶環(huán)境有一定的了解。塔中地區(qū)是以塔中氣象站和塔中一井(83°39′E,38°58′N)為中心的附近區(qū)域,地處塔克拉瑪干沙漠腹地。地表基本上為流沙覆蓋,植被稀少,是研究流動沙漠腹地風沙運動的理想基地。同時,近些年隨著石油鉆探及開采工作的開展,該地區(qū)已經(jīng)成為我國重要的油氣生產(chǎn)基地之一。因此,對該地區(qū)的風沙環(huán)境進行研究不但具有理論價值,而且可以為油氣田生產(chǎn)生活提供服務(wù)。雖然塔克拉瑪干沙漠一直是中國沙漠科學研究的重點區(qū)域之一,但是針對沙漠腹地塔中地區(qū)的風沙環(huán)境進行的研究尚少。趙景峰等對塔中一井的輸沙率進行了估算;何清、薛紅等對塔中地區(qū)沙塵暴天氣過程的氣象氣候?qū)W特征進行了研究。另外,陳渭南等對塔克拉瑪干沙漠起沙風速進行的研究,韓致文、張家武、俎瑞平、李紅軍等學者對塔克拉瑪干沙漠的起沙風況、沙丘地貌及輸沙勢進行的研究也都對塔中地區(qū)有所涉及。綜上所述,已開展的有關(guān)塔中地區(qū)風沙環(huán)境的研究工作多是單方面、單因子的或者只是捎帶進行的,尚缺乏對該地區(qū)風沙環(huán)境較為全面的研究。本文根據(jù)塔中氣象站建站以來的氣象數(shù)據(jù)及野外觀測試驗,從地形地貌、地表沙源的粒徑、風況、氣溫、起沙風速、風蝕氣候因子以及沙塵天氣的年際和年內(nèi)變化等方面入手,對塔中地區(qū)近10a來的風沙環(huán)境進行了較為系統(tǒng)的分析。1沙壟緣生長方向塔中地區(qū)地表為流沙覆蓋,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合型縱向沙壟與壟間地相間分布,沙壟走向為NNE-SSW或EN-SW方向,相對高度為40~50m。壟間平坦低地寬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。以前沙漠腹地的植被種類貧乏,群落結(jié)構(gòu)簡單,植被覆蓋度極低。近些年隨著人類活動的增多,在塔中油田作業(yè)區(qū)和生活區(qū)周圍及沙漠公路兩旁人工種植了一些梭梭、紅柳等植物,并鋪設(shè)了草方格,使得該地區(qū)的下墊面有一定的改變,也在一定程度上抑制了該地區(qū)的沙丘地貌的變化速度。2地表沙源沙源的粒徑和形態(tài)地表沙源的粒度特征不僅可以反映沙漠形成的古地理環(huán)境,而且是影響風沙運動的重要參數(shù)。圖1、2為塔中地區(qū)地表沙源的粒度參數(shù)曲線。這些樣本包括了沙丘沙、沙壟沙以及沙丘、沙壟間平坦沙地的沙,它們的特征可以代表塔中地區(qū)地表沙源的粒度特征,沙樣的平均粒徑大都集中在2~4φ(63~250μm)范圍內(nèi),主要集中在3φ左右,屬于細砂、極細砂。對17個沙源沙樣的粒徑取均值,得到塔中地區(qū)地表沙源的近似平均粒徑d≈2.88φ(136μm)。17個沙源沙樣的標準偏差全在0.8φ以下,表明分布相對集中;分選情況好,且分布范圍小,表明沙源具有單一性,沙源的均一性較好。塔中地區(qū)的沙塵天氣較多,除了春季的系統(tǒng)性沙塵暴以外,夏季也常常發(fā)生局地性沙塵暴,在風力的長期作用下,極細顆粒被風力搬運流失,遺留相對較粗顆粒較多,因此,分選情況良好。由偏度和峰度曲線可以看出,17個沙源沙樣大都屬于近對稱,只有一個屬于正偏,說明沙粒較為均勻;沙樣的峰度多屬于中等,反映了頻率曲線上的峰值較低,標準偏差較小,分選情況較好,這說明塔中地區(qū)沙漠下墊面的均一性較好。3塔中地區(qū)月平均氣溫和氣溫變化風是干旱地區(qū)地貌的主要營力,也是風沙活動的動力來源。圖3為塔中地區(qū)1999—2008年的年平均風速和年平均氣溫。塔中地區(qū)的年平均風速均在2.5m·s-1以下,1999—2002年年均風速呈增長趨勢,2002年達到最大值,從2002—2008年呈逐年下降趨勢,2008年的年平均風速為10a間的最小值,在1.5m·s-1左右。塔中地區(qū)1999—2008年的年平均氣溫在10.0~13.0℃之間波動,這與近些年南疆盆地持續(xù)變暖的研究結(jié)果具有不一致性。塔中地區(qū)10a的年平均氣溫為12.1℃,且年平均氣溫變化幅度較小,與10a的平均值相比,振幅在±1.0℃左右。2008年的年平均氣溫最低,為10.7℃,這應(yīng)是該年冬季沙漠腹地的極端低溫所致。圖4為塔中地區(qū)1999—2008年的月平均風速與氣溫變化曲線。塔中地區(qū)月平均風速的年變化呈單峰分布,峰值一般出現(xiàn)在6—7月,風速可達3.0m·s-1左右。這是因為在夏季,沙漠增熱作用明顯,受副熱帶熱低壓控制,對流作用強,而成為低壓輻合區(qū)。同時常常產(chǎn)生熱對流風,因此風速較大。冬季風速最小,這是由于冬季受蒙古高壓控制,盆地冷空氣堆積作用,致使風速減小。沙漠腹地的月平均氣溫變化與風速變化具有相似性,春季的3、4、5月份月平均氣溫持續(xù)升高,到夏季的7月達到全年的最高值,為28.4℃,然后月平均氣溫逐漸降低,冬季的1月降至全年最低,為-9.8℃。氣溫年較差大,平均在33.0~39.0℃。圖5為塔中地區(qū)1999—2008年風向和起沙風向,圖6為2008年4—8月的風向和起沙風向。由圖可知,塔中地區(qū)常年和春夏季都盛行偏東風,而且起沙風向與盛行方向一致。其中NNE、NE、ENE和E4個風向占到年風向、年起沙風向的59.5%和61.8%,占2008年4—8月風向和起沙風向的51.3%和63%。這與整個塔克拉瑪干沙漠區(qū)域的年盛行風向一致,這種特點主要是由于地形的影響形成的。輸沙勢表示風力潛在的輸沙能力,單位以矢量VU表示,它是衡量區(qū)域風沙活動強度的重要指標。李紅軍根據(jù)塔中氣象站的資料對塔中地區(qū)的輸沙勢進行了研究。研究表明,塔中地區(qū)的年合成輸沙勢RDP=4.6,合成輸沙方向RDD=224°,與該地區(qū)的盛行風向及起沙風向一致。4計算沙粒擊穿速度m起沙風速是研究風沙運動規(guī)律、解決風沙工程問題的關(guān)鍵指標之一,它與下墊面狀況、沙粒粒徑及沙粒的含水率等多種因素有關(guān)。Bagnold根據(jù)流體在起動條件下作用在沙粒上的拖拽力和重力的平衡,導出了均勻沙粒開始移動的流體臨界起動速度的表達式:式中,ut為沙粒起動速度(m·s-1);u*t為臨界摩擦速度(m·s-1);z為計算高度(m);k為卡曼常數(shù)(=0.4)。塔中地區(qū)地表沙粒粒徑較為均勻,因此該公式適合該地區(qū)起沙風速的計算。我們通過經(jīng)驗公式估算和儀器測量求得塔中地區(qū)春、夏季的ut為0.25m·s-1,可求得塔中地區(qū)2m高度的臨界起沙風速約為4.1m·s-1,該結(jié)果與吳正在新疆莎車測得結(jié)果相符,比李江風等在塔中地區(qū)測試得到的5.5~7.0m·s-1小,因為文獻測試的是粒徑為500~1000μm沙粒的起沙風速,所以結(jié)果比本文結(jié)果大是正常的。同時,作者也進行過多次實地觀測,在塔中地區(qū),2m高的風速為3.9m·s-1或4.0m·s-1左右時,地面會出現(xiàn)起沙現(xiàn)象。當然,秋、冬季時,由于氣溫降低,湍流運動相對減弱,地表的含水率相對增大,這一時期的起沙風速會有所增大。5潛在的環(huán)境分析指標風沙運動發(fā)生在特定的環(huán)境下,因此這個環(huán)境的氣候要素是影響風沙運動的重要因素。風蝕性氣候因子是包括影響風沙運動的風、降水、氣溫、濕度等因子的綜合。它表明了在這些氣候要素的綜合作用下,一個地區(qū)發(fā)生風沙運動的潛在可能性程度,是評價某一地區(qū)潛在風沙運動災(zāi)害的主要指標之一。對于其求值,聯(lián)合國糧農(nóng)組織提供了改進后相對成熟的計算公式:式中,u為2m高處的月平均風速(m·s-1);ETPi為月潛在蒸發(fā)量(mm);Pi為月平均降水量(mm);d為月天數(shù)。其中,ETPi可用程天文等人的氣溫相對濕度公式求得:式中,Ti為月平均氣溫;ri為月平均相對濕度。利用(2)、(3)式計算出塔中地區(qū)近10a的平均年風蝕氣候因子指數(shù)為28.3,氣候侵蝕力不算嚴重,該值與董玉祥等人的研究結(jié)果一致。在季節(jié)分布上,夏季最大,C值平均為13.9;春季和秋季次之,C值平均為9.9、3.8;冬季最小,C值平均僅為0.7。C值的季節(jié)分布與塔中地區(qū)風速、溫度等氣候因子相對應(yīng)。6浮塵、揚沙和泥沙的季節(jié)性分布圖7為塔中1997—2008年年沙塵天氣日數(shù)年際變化曲線。由圖可知年浮塵與沙塵暴日數(shù)年際變化非常大,且變化趨勢相反,年揚沙日數(shù)的年際變化相對較小。1997—2008年年浮塵日數(shù)平均為97.4d,2003年最少僅為49d,2007年最多為161d。從塔中年沙塵天氣日數(shù)年際變化圖中可以看出,從1997年到2004年除2003年年浮塵日數(shù)明顯偏少外,其他年份變化不大,但自2005年后年浮塵日數(shù)明顯增多。塔中1997—2008年年揚沙日數(shù)平均為59.6d,年揚沙日數(shù)呈波動式上升趨勢。塔中1997—2008年年沙塵暴日數(shù)平均為15.7d,1998年最多為36d,是12a年平均日數(shù)的2倍多,2001年最少僅為8d。總的來說近10a來塔中地區(qū)沙塵天氣中浮塵、揚沙出現(xiàn)日數(shù)呈上升趨勢。圖8是塔中地區(qū)1997—2008年浮塵、揚沙、沙塵暴的逐月分布曲線。由圖可知,浮塵、揚沙和沙塵暴主要分布在3—8月,即春夏季是塔中地區(qū)沙塵天氣的多發(fā)季節(jié)。其中3—8月的浮塵日數(shù)占全年的75%,揚沙日數(shù)占全年的84%,沙塵暴日數(shù)高達96%。春、夏季是沙塵天氣的高發(fā)季節(jié),這與天氣背景和環(huán)流形勢密不可分。春季是過渡季節(jié),是環(huán)流的調(diào)整時期,冷空氣殘余勢力與暖空氣相互消長,天氣更替頻繁,溫度變化幅度較大,強天氣系統(tǒng)移動速率很快,寒潮天氣也頻頻出現(xiàn),所以春季相對于其他季節(jié)風要更多、更強,沙塵天氣發(fā)生更頻繁。夏季近地面空氣升溫速度快,隨高度遞增形成一個溫差很大的溫度梯度層,造成垂直方向上的熱對流不穩(wěn)定,近地層湍流加強,梯度風就很容易形成局地的沙塵天氣。7沙活動的頻繁影響通過對塔中氣象站近10a來氣象資料的分析與野外觀測試驗,對沙漠腹地塔中地區(qū)的風沙環(huán)境進行了分析,得到以下結(jié)論:(1)塔中地區(qū)地表沙源屬于細砂、極細砂,沙粒分布相對集中,分選情況好,塔中地區(qū)沙漠下墊面的均一性較好,說明該地區(qū)風沙活動較為頻繁,風力對該區(qū)域下墊面地形的變化具有重要的影響作用。同時,較細小的地表沙源也為風沙運動提供了豐富的沙物質(zhì)源。(2)近些年隨著人類活動的增多,在塔中油田作業(yè)區(qū)、生活區(qū)周圍及沙漠公路兩旁進行了人工綠化,并鋪設(shè)了草方格。下墊面的改變,