塔里木盆地塔中地區地表沙氣象站觀測結果分析

新疆是中國最大的沙漠省份，也是影響沙帶的最嚴重地區。沙帶總面積為839.33mm。因此，有必要對沙帶進行研究，防止沙帶，為工農業生產提供沙帶風險天氣的報警和報告。上述工作首先應對該地區的沙帶環境有一定的了解。塔中地區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,該地區已經成為我國重要的油氣生產基地之一。因此,對該地區的風沙環境進行研究不但具有理論價值,而且可以為油氣田生產生活提供服務。雖然塔克拉瑪干沙漠一直是中國沙漠科學研究的重點區域之一,但是針對沙漠腹地塔中地區的風沙環境進行的研究尚少。趙景峰等對塔中一井的輸沙率進行了估算;何清、薛紅等對塔中地區沙塵暴天氣過程的氣象氣候學特征進行了研究。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有所涉及。綜上所述,已開展的有關塔中地區風沙環境的研究工作多是單方面、單因子的或者只是捎帶進行的,尚缺乏對該地區風沙環境較為全面的研究。本文根據塔中氣象站建站以來的氣象數據及野外觀測試驗,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變化等方面入手,對塔中地區近10a來的風沙環境進行了較為系統的分析。1沙壟緣生長方向塔中地區地表為流沙覆蓋,地貌以沙丘地貌為主。沙丘地貌表現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,群落結構簡單,植被覆蓋度極低。近些年隨著人類活動的增多,在塔中油田作業區和生活區周圍及沙漠公路兩旁人工種植了一些梭梭、紅柳等植物,并鋪設了草方格,使得該地區的下墊面有一定的改變,也在一定程度上抑制了該地區的沙丘地貌的變化速度。2地表沙源沙源的粒徑和形態地表沙源的粒度特征不僅可以反映沙漠形成的古地理環境,而且是影響風沙運動的重要參數。圖1、2為塔中地區地表沙源的粒度參數曲線。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,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。塔中地區的沙塵天氣較多,除了春季的系統性沙塵暴以外,夏季也常常發生局地性沙塵暴,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,這說明塔中地區沙漠下墊面的均一性較好。3塔中地區月平均氣溫和氣溫變化風是干旱地區地貌的主要營力,也是風沙活動的動力來源。圖3為塔中地區1999—2008年的年平均風速和年平均氣溫。塔中地區的年平均風速均在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變暖的研究結果具有不一致性。塔中地區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℃,這應是該年冬季沙漠腹地的極端低溫所致。圖4為塔中地區1999—2008年的月平均風速與氣溫變化曲線。塔中地區月平均風速的年變化呈單峰分布,峰值一般出現在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。同時常常產生熱對流風,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,它是衡量區域風沙活動強度的重要指標。李紅軍根據塔中氣象站的資料對塔中地區的輸沙勢進行了研究。研究表明,塔中地區的年合成輸沙勢RDP=4.6,合成輸沙方向RDD=224°,與該地區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律、解決風沙工程問題的關鍵指標之一,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。Bagnold根據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(=0.4)。塔中地區地表沙粒粒徑較為均勻,因此該公式適合該地區起沙風速的計算。我們通過經驗公式估算和儀器測量求得塔中地區春、夏季的ut為0.25m·s-1,可求得塔中地區2m高度的臨界起沙風速約為4.1m·s-1,該結果與吳正在新疆莎車測得結果相符,比李江風等在塔中地區測試得到的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,所以結果比本文結果大是正常的。同時,作者也進行過多次實地觀測,在塔中地區,2m高的風速為3.9m·s-1或4.0m·s-1左右時,地面會出現起沙現象。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潛在的環境分析指標風沙運動發生在特定的環境下,因此這個環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,一個地區發生風沙運動的潛在可能性程度,是評價某一地區潛在風沙運動災害的主要指標之一。對于其求值,聯合國糧農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為月潛在蒸發量(mm);Pi為月平均降水量(mm);d為月天數。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)式計算出塔中地區近10a的平均年風蝕氣候因子指數為28.3,氣候侵蝕力不算嚴重,該值與董玉祥等人的研究結果一致。在季節分布上,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值的季節分布與塔中地區風速、溫度等氣候因子相對應。6浮塵、揚沙和泥沙的季節性分布圖7為塔中1997—2008年年沙塵天氣日數年際變化曲線。由圖可知年浮塵與沙塵暴日數年際變化非常大,且變化趨勢相反,年揚沙日數的年際變化相對較小。1997—2008年年浮塵日數平均為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年際變化圖中可以看出,從1997年到2004年除2003年年浮塵日數明顯偏少外,其他年份變化不大,但自2005年后年浮塵日數明顯增多。塔中1997—2008年年揚沙日數平均為59.6d,年揚沙日數呈波動式上升趨勢。塔中1997—2008年年沙塵暴日數平均為15.7d,1998年最多為36d,是12a年平均日數的2倍多,2001年最少僅為8d。總的來說近10a來塔中地區沙塵天氣中浮塵、揚沙出現日數呈上升趨勢。圖8是塔中地區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沙塵天氣的多發季節。其中3—8月的浮塵日數占全年的75%,揚沙日數占全年的84%,沙塵暴日數高達96%。春、夏季是沙塵天氣的高發季節,這與天氣背景和環流形勢密不可分。春季是過渡季節,是環流的調整時期,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,強天氣系統移動速率很快,寒潮天氣也頻頻出現,所以春季相對于其他季節風要更多、更強,沙塵天氣發生更頻繁。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的風沙環境進行了分析,得到以下結論:(1)塔中地區地表沙源屬于細砂、極細砂,沙粒分布相對集中,分選情況好,塔中地區沙漠下墊面的均一性較好,說明該地區風沙活動較為頻繁,風力對該區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源。(2)近些年隨著人類活動的增多,在塔中油田作業區、生活區周圍及沙漠公路兩旁進行了人工綠化,并鋪設了草方格。下墊面的改變,