塔克拉玛干沙漠风蚀起沙观测研究——试验介绍与观测结果初报

介绍了中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所在塔克拉玛干沙漠开展的风蚀起沙观测试验。对观测试验所获观测资料进行了初步分析,获得了一些有关塔克拉玛干沙漠风沙运动的特征。主要结果为,下垫面状况影响风沙流结构,塔中、若羌0~100 cm高程风沙流结构完全符合指数分布,肖塘则上部偏离指数分布;3地0~100 cm高程风沙流分别有72.4％、47.3%、62.6%的输沙量分布在0~30 cm高程内;3地风沙流输沙的粒径以细沙、极细沙、粉沙为主,其中极细沙可占到输沙量的43.8%~75.5%;风沙流中贴地层风速廓线受风沙相互作用的影响,不再符合对数分布,更加符合幂函数u=azb分布,拟合系数均大于0.93;沙尘撞击颗粒数与2 m高度风速变化趋势一致,塔中、肖塘、若羌3地的临界摩擦速度分别为0.25 m·s-1,0.27 m·s-1,0.21 m·s-1。     

塔克拉玛干沙漠的起沙风速

起沙风速根据观测高度、风速时距以及流体或冲击起动性质分别确定。本文建立了塔克拉玛干沙漠腹地肖塘地区不同高度、不同时距的流体起动与冲击起动风速的相关方程。结果表明：该地天然沙的瞬时冲击起动风速（２ｍ高度）５．０ｍ／ｓ，流体起动风速６．０ｍ／ｓ；１分钟平均流体起动与冲击起动风速为５．２ｍ／ｓ和４．３ｍ／ｓ。气象站观测高度（１１．４ｍ）瞬时流体起动和冲击起动风速为７．８ｍ／ｓ和６．６ｍ／ｓ；１０分钟平均值为７．４ｍ／ｓ和５．９７（≈６．０）ｍ／ｓ。     

干旱草原地区起沙通量的初步研究

通过宽范围颗粒谱仪WPS以及20 m梯度塔获得的观测资料,计算了朱日和地区沙尘天气下的起沙通量、摩擦速度以及临界摩擦速度,得到以下结论：①起沙通量大小与沙尘天气的强度呈一定的相关关系,随着沙尘天气强度的增大,起沙通量大小也增大。3月26日与4月6日两次沙尘天气下,沙尘暴和扬沙天气的平均起沙通量分别为6.0亿kg·m-2·s-1和4.14亿kg·m-2·s-1。②朱日和地区地表摩擦速度一般都在<1 m·s-1的范围内,n取1或2时,起沙率与Un*线性相关最好。③计算得到了观测粒子段的临界摩擦速度值。临界摩擦速度U*t随着粒径的增加呈先减小后增大趋势。     

塔克拉玛干沙漠腹地塔中一井地区起沙风分析和输沙量的估算

本文通过塔克拉玛干沙漠塔中一井地区气象站的一年多野外实地观测，收集了丰富的风的气资料，在此基础上定量化地描了该地区起沙风的分布状况、风沙流的特点和输流量的数值特征。     

基于模式参数化方案的塔中地区临界起沙阈值分析

利用2009年7月4日~29日塔中野外试验观测数据,基于MARTICORENA和SHAO提出的2种起沙模式参数化方案,初步探讨塔中地区不同沙尘天气临界起沙风速,所得结论如下：（1）非沙尘天气,沙尘撞击颗粒数≤ 10 000;扬沙天气,10 001 ≤沙尘撞击颗粒数≤ 20 000;沙尘暴天气,沙尘撞击颗粒数≥ 20 001。（2）基于MARTICORENA起沙参数化方案,临界起沙风速的平均值为4.88 m·s^-1,基于SHAO起沙参数化方案,临界起沙风速的平均值为6.24 m·s^-1,临界起沙风速在非沙尘天气最大,在沙尘暴天气最小。（3）在观测期间沙尘水平通量为732.9 kg·m^-1,其中非沙尘天气125.2 kg·m^-1,扬沙天气80.9 kg·m^-1,沙尘暴天气526.8 kg·m^-1,SHAO起沙参数化方案适合估算总沙尘水平通量以及非沙尘和扬沙天气的沙尘水平通量,MARTICORENA起沙参数化方案适合估算沙尘暴天气沙尘水平通量。     

盐池地区沙尘暴期间风沙运动若干特征研究

通过沙尘暴期间的实际观测资料,对宁夏盐池地区沙尘暴期间风蚀起沙的几个相关特性进行了研究。结果表明：当地10 m高度的临界起沙速度为5.0 m·s-1,临界摩擦速度为0.32 m·s-1;采用凌裕泉提出的“最大可能输沙量”计算方法,得出盐池地区沙尘暴期间的输沙量为12.42 kg·m-1;当地沙尘气溶胶粒子传输距离为1.4×10⁵~1.4×10⁶ km。     

半干旱区沙尘天气近地层湍流通量及起沙研究

利用2005年春季朱日和气象站20 m气象塔的观测资料,结合同期的PM10质量浓度资料,分析了半干旱地区不同沙尘天气下近地层湍流通量的变化特征以及PM10质量浓度与起沙之间的关系。结果表明,动量通量在15:00左右达到极大值;感热通量在白天为正值,中午12:00左右达到峰值,而晚上变为负值,并在凌晨达到谷值;由于3月份下垫面湿度大,导致潜热通量经常全天为正值,并在16:00左右达到峰值;PM10质量浓度与摩擦速度的二次方呈正比,临界起沙风速和临界摩擦速度分别为7 m·s－1和0.7 m·s－1。     

沙土含水率对起沙临界风速影响

根据重力、凝聚力与拖曳力的力矩平衡关系，推导出起沙临界风速与粒径和沙土含水率的关系，并分析了含水率对起沙临界风速的定量作用     

塔克拉玛干沙漠南缘风沙跃移运动研究——以策勒为例

 利用Sensit传感器、BSNE集沙仪、全方位跃移集沙仪结合2 m气象塔,于2010年7月5日至8月24日在策勒绿洲-荒漠过渡带开展了风沙跃移运动强化观测试验,分析了该区域风沙跃移运动的部分特征。结果表明:①试验点2 m高度临界跃移起动1 h平均风速为5.0 m·s-1;跃移颗粒数与风速呈现较好的幂函数关系;②跃移输沙量的方向分布以偏西方向为主,主要集中在SW、WSW、W、WNW、NW5个方位,共计占到80.9%;③跃移运动在一日之内的任何时间段都可能发生,发生频率较高的时段集中在白天的11:00—19:00;④观测期间0～40 cm高度范围的跃移输沙通量为199.4 kg·m-1。     

塔克拉玛干沙漠起沙风况

塔克拉玛干沙漠大部分地区以东北风系为主,西南边缘由西北风系控制,西北边缘多以北风为主,南部边缘均有一定数量的偏南风出现。麦盖提、金星和民丰一带为东北风系和西北风系交替控制。有５种风况类型：窄风况型、宽风况型、双风况型、三风况型和多风况型,分别对应复合型横向、斜向、纵向沙垄、星状沙丘和穹状沙丘,起沙风速基本以若羌为高值区向沙漠西部减少。     

若干风蚀粉尘释放模型述评

粉尘气溶胶对大气、陆地和海洋多方面的影响促进了粉尘释放的模拟研究。Gillette和美国FPA的粉尘释放模型相对地比较简单，主要考虑了摩阻速度和土壤质地对粉尘释放的影响，没有考虑粉尘释放过程的微观机制；邵亚平和Alfaro等人的DPM粉尘释放模型都通过土壤粒度分布、粗糙度和起动摩阻速度等参数表达了地表特征对粉尘释放的影响，且都描述了粉尘释放的微观机制。20多年来粉尘释放的模拟研究取得了重要进展，主要表现在通过室内和野外实验证实了粉尘释放的主要机制为跃移颗粒的冲击，并分别从粉尘的结合能与跃移颗粒动能及跃移颗粒产生的弹坑体积角度来描述这个微观机制。然而所有的模拟工作只是从某一方面反映了粉尘释放过程，对粉尘释放机制还没有完全了解清楚，特别的是目前关于粉尘结合能研究还有很大的不确定性，这也是粉尘释放模型需要改进的地方。     

塔克拉玛干沙漠腹地复合型纵向沙垄区近地层沙尘水平通量及粒度特征

利用BSNE梯度集沙仪采集塔克拉玛干沙漠腹地复合型纵向沙垄区近地层80m高度内秋季不同高度的沙尘物质,探讨沙尘天气下水平输沙通量差异及沙尘的粒度特征。结果表明：由于受到复合型纵向沙垄的影响,沙尘天气过程近地层沙尘水平通量并不遵循幂函数或指数函数分布,在20m以下随高度增加而降低,在32~63m随高度增加而增大,并且在24m和63m两个高度处出现转折点。各层沙尘平均粒径64~80μm,以极细沙为主,分选系数0.96~1.12,分选性中等偏差。粒径频率曲线呈双峰分布,主峰值出现在80~110μm,次峰值在10~12μm,反映了沙尘组成的复杂性,远源沙尘在各高度层的变化幅度较小,以局地和区域源为主。沙尘水平通量与沙尘粒度变化表明沙尘天气主导风速风向、强烈的上升运动及纵向沙垄是影响沙尘水平通量垂直差异的重要因素。     

塔克拉玛干沙漠地区沙尘暴研究进展

作为中国最大的沙漠和世界第二大流动性沙漠,塔克拉玛干沙漠是中国主要沙尘暴中心和黄土沉积的物源区之一,在中国北方乃至欧亚大陆自然环境和生态格局中具有重要影响,研究塔克拉玛干沙漠地区的沙尘暴具有十分重要的理论与实践意义。本文综述了塔克拉玛干沙漠地区沙尘暴过程及数值模拟预报研究的主要进展,阐明了沙尘暴的成因,进而总结了沙尘暴孕育发展的主要特征,提出了塔克拉玛干沙漠地区沙尘暴研究中亟待解决的科学问题。     

塔克拉玛干沙漠腹地边界层风场特征

利用CFL-03边界层风廓线雷达在塔中开展了边界层风场探测研究,根据2010年4月1日至2010年11月30日连续的边界层风场探测资料,分析了塔克拉玛干沙漠腹地大气边界层风场时空分布特征,得到了4月至11月各月的高空风廓线。结果表明,塔中春秋季风场结构类似,中高层多为西风,风速较大,低层多为东风,风速较小,整层风速与高度成正比;夏季高层风速变小,低层风速增大,东风层增厚,夏季塔中地区上空100～200 m高度层存在明显风速切变带。     

Dust storms evolution in Taklimakan Desert and its correlation with climatic parameters

Based on the sand dust storms data and climatic data in 12 meteorological stations around sand dust storm originating areas of the Taklimakan Desert, we analyzed the trends of the number of dust storm days from 1960 to 2005 as well as their correlations with temperature, precipitation, wind speed and the number of days with mean wind speed ≥ 5 m/s. The results show that the frequency of dust storm events in the Taklimakan region decreased with the elapse of time. Except Ruoqiang and Minfeng, in the other 10 meteorological stations, the frequency of dust storm events reduces, and in 4 meteorological stations of Kuqa, Korla, Kalpin and Hotan, the frequency of dust storm events distinctly decreases. The temperature has an increasing trend, while the average wind speed and the number of days with mean wind speed ≥ 5 m/s have decreasing trends. The correlation analysis between the number of days of dust storms and climatic parameters demonstrates that wind speed and the number of days with mean wind speed ≥ 5 m/s have strong positive correlation with the number of days of dust storms, with the correlations coefficients being 0.743 and 0.720 (p<0.01), respectively, which indicates that strong wind is the direct factor resulting in sand dust storms. Whereas precipitation has significant negative correlation with the number of days of dust storms (p<0.01), and the prior annual precipitation has also negative correlation, which indicates that the prior precipitation restrains the occurrence of sand dust storms, but this restraining action is weaker than the same year’s precipitation. Temperature has negative correlation with the number of dust storm days, with a correlations coefficient of –0.433 (p<0.01), which means that temperature change also has impacts on the occurrence of dust storm events in the Taklimakan region.     

塔克拉玛干沙漠沙尘演变及气候因素分析

Based on the sand dust storms data and climatic data in 12 meteorological stations around sand dust storm originating areas of the Taklimakan Desert, we analyzed the trends of the number of dust storm days from 1960 to 2005 as well as their correlations with temperature, precipitation, wind speed and the number of days with mean wind speed 〉 5 m/s. The results show that the frequency of dust storm events in the Taklimakan region decreased with the elapse of time. Except Ruoqiang and Minfeng, in the other 10 meteorological stations, the frequency of dust storm events reduces, and in 4 meteorological stations of Kuqa, Korla, Kalpin and Hotan, the frequency of dust storm events distinctly decreases. The temperature has an increasing trend, while the average wind speed and the number of days with mean wind speed ≥ 5 m/s have decreasing trends. The correlation analysis between the number of days of dust storms and climatic parameters demonstrates that wind speed and the number of days with mean wind speed 〉 5 m/s have strong positive correlation with the number of days of dust storms, with the correlations coefficients being 0.743 and 0.720 （p〈0.01）, respectively, which indicates that strong wind is the direct factor resulting in sand dust storms. Whereas precipitation has significant negative correlation with the number of days of dust storms （p〈0.01）, and the prior annual precipitation has also negative correlation, which indicates that the prior precipitation restrains the occurrence of sand dust storms, but this restraining action is weaker than the same year＇s precipitation. Temperature has negative correlation with the number of dust storm days, with a correlations coefficient of -0.433 （p〈0.01）, which means that temperature change also has impacts on the occurrence of dust storm events in the Taklimakan region.     

塔克拉玛干沙漠风况特征研究

通过17个站1996-2000年风资料的统计和计算,对塔克拉玛干沙漠风况特征进行研究,结果发现：(1)塔克拉玛干沙漠作用风系以东北风和西北风为主,在纵向和横向上主风向都呈现出明显变化规律;(2)输沙势计算结果表明,除若羌地区外整个塔克拉玛干沙漠处于低风能环境;(3)大多数区域RDP／DP值都大于0．5,呈现单峰或锐双峰特征。     

塔克拉玛干沙漠肖塘地区空气动力学粗糙度分析

利用塔克拉玛干沙漠北部肖塘地区梯度自动站2007年1月1日至2007年5月31日的观测数据,计算出该区域中性条件下粗糙度范围是1.00×10-11~1.65×10-3 m,平均粗糙度为6.05×10-5 m,接近沙粒粒径的1/30,与平坦沙面粗糙度相似。摩擦速度的范围是0.14~2.33 m·s-1,平均值1.24 m·s-1。粗糙度随下垫面性质变化明显,与稳定度呈正相关,与风速呈负相关,摩擦速度随粗糙度增大而减小。