新疆准噶尔盆地荒漠-绿洲过渡带风况特征与输沙势分析

新疆准噶尔盆地荒漠-绿洲过渡带风况特征与输沙势分析

沙害一直是中国面临的环境问题之一。由于其影响频繁、影响广泛，对经济发展、社会发展、环境和人民健康带来有利影响。特别是近年来，沙害频繁发生，引起了国家的高度重视。塔克拉玛干沙漠南缘荒漠-绿洲过渡带是我国风沙危害较为严重的地区之一。由于自然植被受到自然和人为因素的干扰,使得地表裸露,土地荒漠化程度加剧,沙尘天气频繁发生。风沙危害一直影响着当地人民的生产生活,严重制约了经济的发展。因此,研究塔克拉玛干沙漠南缘荒漠-绿洲过渡带的风沙活动过程,对当地风沙危害的防治有着重要的理论和实际意义。风是塑造地表形态的基本营力之一,是造成风沙危害的直接动力条件,而一定强度的起沙风又是土壤风蚀和沙尘天气发生的主要因素。输沙势又称输沙风能,表示潜在的最大输沙量,输沙势和合成输沙势是衡量一个地区风沙活动强度及风沙地貌演变的重要指标。风能是输沙势指数计算的关键变量。由此,探讨研究区的风况及输沙状况有助于深入了解区域风沙活动过程,解释沙尘天气频繁发生的原因,为研究区沙害防治提供科学理论依据。1气象站点及资料说明策勒县位于塔克拉玛干沙漠南缘与昆仑山北麓之间,地理位置80°03′24″~82°10′34″E,35°17′55″~39°30′00″N。属典型内陆暖温带荒漠气候,夏季炎热,干旱少雨,光热充足,日照时间长,昼夜温差大,极端最高气温41.9℃,极端最低气温-23.9℃,水资源时空分布不均。由于地处塔里木盆地两大主导风向(NW,NE)的下风区域,形成了长达1400km的风沙线,风沙灾害频繁,多年平均大风日数为4d,最多年份达16d,多年平均沙尘日数25.2d,最多年份高达59d,每年8级以上大风3~9次。在历史上策勒县城曾3次因风沙埋没而被迫迁移,风沙灾害天气严重制约着当地社会经济的发展。本文以中国科学院策勒荒漠草地生态系统国家野外观测研究站2005-2006年的气象资料为依据,对风况特征和输沙势以及植被的生长状况进行分析,研究该区的风沙活动及其与植被生长过程的耦合关系。本研究采用的风速、风向原始资料,均来源于中国科学院策勒荒漠草地生态系统国家野外观测研究站(2005-2006年)自动气象站,气象站地理坐标为80°43′E,37°00′N。风速、风向数据由16方位自动风速仪记录,风杯距地面高度为10m,风向数据用0°~360°方位角表示。2起沙风风速特征由于对风沙地貌及沙害形成具有直接作用的是大于临界起沙风风速的风,在资料统计前首先要确定区域临界起沙风速。根据有关研究,塔克拉玛干沙漠南缘临界起沙风速一般取6m/s。先将每年的原始风速、风向数据取10min平均,再统计分析2005-2006年2年的平均值。为了明确起沙风的分布特征,并基于计算合成输沙势的需要,仅分析起沙风的风向变率。先选择原始数据中≥6m/s的风速,逐月统计N,NNE,NE,ENE,E,ESE,SE,SSE,S,SSW,SW,WSW,W,WNW,NW和NNW16个方位的起沙风,并计算不同方位起沙风的平均风速、最大风速及出现频率。其次,为了明确起沙风的风速变化特征,统计每月≥6m/s的起沙风风速平均值、最大值及起沙风占全年起沙风的频率。植被生长发育过程以野外调查为主,从植物开始萌芽到生长期末,记录每个物候时期的长势变化情况。3风灾3.1研究区的风季及风向分布特征由图1可以看出,策勒县起沙风风向以W及WNW为主,W频率占年起沙频率的69%,WNW频率占17%;WSW和NW所占频率很小,分别为5.79%及5.85%,表明策勒常年风向变化范围较小,风向比较单一。由于近地面风场特征与高空环流形势密切相关,而大气环流的形成与纬度、地形以及地面状况有密切的关系。研究位于37°N,从行星风系来看,高空环流主要受中纬度西风带影响。因为其北依塔克拉玛干沙漠,南依昆仑山,因此,在近地表存在气流辐合线,并受昆仑山北坡的影响,从而形成这种风向分布状况。由表1可以看出,研究区的风季主要集中在春夏两季,且风向主要分布在WSW-NW之间。夏季起沙风发生的频率最多,春季次之,秋冬季较少。春季各风向起沙风累积频率为10.75%,其中,风向为W,WNW最多,其频率分别达4.2%和2.95%;WSW和NW所占频率分别为0.90%和2.04%;其余12个风向的风所占比率较小。夏季各风向起沙风累积频率为17.66%,比春季高7个百分点,主要集中在WSW,W,WNW,NW,累积频率达13.73%,其余12个风向的起沙风累积频率达3.93%。秋季起沙风发生的频率较小,累积达8.89%。冬季发生起沙风的频率较少,仅占1.70%。3.2课程思想压力的月际变化平均风速是衡量风沙活动强度的指标之一,一般有年平均、月平均与日平均之分。图2(a)是研究区2005-2006年起沙风风速与温度的月平均变化状况,图2(b)是起沙风频率的月平均变化状况。由图2(a)可以看出,起沙风的平均风速和最大风速的变化趋势相似,呈不明显的双峰型。一年之中起沙风的月平均风速变幅在6.14~7.90m/s之间波动,从2月开始缓慢增大,4月达到最大值7.90m/s后,又开始缓慢减小,到6月出现一个低谷7.22m/s,之后又开始缓慢上升,7月又达到一个高值7.90m/s,而后减缓。因此,一年之中春夏两季起沙风的平均风速较大,秋冬两季较小,且在4月和7月出现两个最高值。春季起沙风的平均风速为7.31m/s,夏季为7.54m/s,秋季为6.62m/s,冬季为6.90m/s。从起沙风年内出现的最大风速来看,夏季的最大值大于春季,4月达12.83m/s,5月达到13.16m/s。各月起沙风平均风速和气温对比发现,风速和气温的变化存在同步性,即“风热同步”现象。气温从1月开始增大,4~8月达到相对稳定,7月达到最大值25.44℃,9月开始减小。对气温与平均风速进行相关分析,两者呈显著相关(P<0.01)。图2(b)是起沙风频率的月际变化图,研究区各月起沙风速及出现的频率存在着一定的差异。从起沙风年内出现的频率看,多发生在夏季,春秋两季次之。其中,夏季6月发生的频率最高,占全年起沙风频率的26.20%,其次是春季的5月,所占频率为20.45%,而在7~8月所占频率达到了15.19%和15.49%,9月占6.77%。与起沙风平均风速和最大风速对比发现,起沙风的最大值多出现在4~5月,平均风速变化较平稳。因此,起沙风速与其发生的频率并不一致。4输沙势与合成输沙方向输沙势(driftpotential,简称DP)又称输沙风能,表示潜在的最大输沙量,在数值上以矢量单位(vectorunit,简写VU)表示。16个方向输沙势的合成方向与合成矢量称作合成输沙方向(resultantdriftdirection,简称RDD)和合成输沙势(resultantdriftpotential,简称RDP)。RDP/DP称为方向变率指数,起沙风的方向变率越大,与它相关的RDP/DP越小。输沙势及合成输沙势是衡量一个地区风沙活动强度及风沙地貌演变的重要判断指标。合成输沙方向决定一个地区风沙危害的方式。对研究区2005-2006年的输沙势计算采用Fryberger方程,即:Q∝V2(V-Vt)·t(1)式中:Q为输沙势;V为10m高度的风速;Vt为临界起沙风速,其值为6.0m/s;t为刮风时间(次数),在风统计表中用频率(%)表示。计算时,首先统计有效起沙风在各风向的出现频率,然后把同一风向的风速频率、风速以及临界起沙风速分别代入方程(1),所得值相加,得到某一方向的输沙势。各方向输沙势数值相加得到总输沙势(DP),而矢量相加得到合成输沙势(RDP)。根据统计结果,求得各方向的输沙势、合成输沙势与合成输沙方向,做出输沙玫瑰图(图3)。由图3可以看出,研究区的输沙方向主要集中在NW,W和SW风向上。年平均DP,RDP为29.66VU和27.98VU,RDD为92.10°(ESE),RDP/DP为0.94,属于单风风况,这一结论与李红军等对新疆近40年输沙势的分析结果相同。根据Fryberger的区域风能分类标准(表2),该区属于低风能环境。对研究区合成输沙势及输沙势年内变化进行分析(图4),可以看出RDP和DP在年内具有相同的变化趋势,即主要集中在春夏季,秋冬季相对较小。四季平均输沙势分别为1.89,5.54,2.24VU和0.07VU。输沙势从3月陡然增大,6月达到最高值,达5.78VU,之后又开始缓慢减小,到8月为5.16VU,9~11月平均输沙势几乎是4~8月的1/2。由此可见,输沙势的这种年内变化和当地起沙风的季节变化趋势是一致的。因此,为了防治风沙危害对策勒的影响,该区应注重春夏季防护措施的建设。5不同季节动态植被对地表沙门氏菌生长的影响为了进一步了解研究区的风沙活动过程与植物生长发育的耦合关系,笔者对策勒天然植物的生长发育过程进行了调查。该区主要植物有骆驼刺、多枝柽柳、花花柴等,大部分植物在4月初出芽,4月中旬展叶,5月中旬进入始花期,在7月初进入盛花期,9月生长达到最大值(骆驼刺的株高达到0.76m,花花柴的株高为0.56m),大部分植株都在10月上、中旬进入生长末期,10月底落叶。因此,研究区春季风沙活动频繁,而植物尚未返青或处于萌动期,地面基本呈裸露状态,植被不足以起到防护作用,因而风沙活动对地表的侵蚀强烈;夏季是起沙风多发期并且活动较为强烈,但植被茂盛,植被覆盖可以削弱风沙活动的强度,减缓对地表的侵蚀,减轻风沙灾害对当地人民生活的影响。因此,春季是研究区风沙危害的重点防护期。6沙化的自然过程(1)策勒荒漠-绿洲过渡带起沙风风向以W及WNW为主,WSW和NW风所占频率很小,W频率占全年起沙风频率的62.43%~76.25%;在季节变化上,起沙风主要集中在春夏两季,秋冬季较少。研究区的平均起沙风速和最大起沙风速变化趋势相似,呈不明显的双峰型,且平均风速和最大风速在春夏两季也较大,气温的变化与风速的变化存在同步性,有“风热同步”现象。(2)研究区输沙势和合成输沙势主要集中在春夏两季,合成输沙势及合成输