输沙势在风蚀地貌中的应用

输沙势在风蚀地貌中的应用

1研究对象的选取及海表及区域分布丹氏地质的研究始于19世纪，最初只是对这种地质奇迹的恐惧。20世纪初斯文·赫定(SvenHedin)正式提出“雅丹”这一专业词汇,并为广大地学工作者接受。最近,人们又在火星表面发现雅丹地貌的分布,再加上高分辨率航空相片和卫星影像的应用,再次激起了人们对这一地貌形态的研究兴趣。国内对雅丹地貌的研究主要集中在罗布泊地区。一般认为雅丹地貌的形成受风蚀、流水侵蚀、沟蚀、重力崩塌等多种因素的影响。研究表明,在这几种因素中风蚀起着最主要的作用,可将雅丹地貌归结为风蚀地貌的一种类型。因此对雅丹地貌分布区的风况进行分析和研究就显得十分必要。中国雅丹地貌分布较广,主要分布在疏勒河中下游、新疆地区及柴达木盆地西北部,其中柴达木盆地为中国雅丹地貌分布面积最大的区域,但是对柴达木盆地雅丹地貌的研究却很少。本文选取柴达木盆地的察尔汗盐湖雅丹地貌区作为研究对象,分析了该区风况。察尔汗盐湖位于柴达木盆地东南部低洼区,介于36°37′—37°12′N、93°42′—96°14′E之间,东西长168km,南北宽20~40km,面积约为5856km2,海拔在2675m以上,地势较平坦,广阔的盐滩上分布有察尔汗干盐湖和达布逊湖、大别勒湖、小别勒湖、团结湖、协作湖、南霍布逊湖、北霍布逊湖、东陵湖、达西湖等10余个边缘卤水湖泊。该地区年降雨量为10~30mm,年蒸发量达1900~3100mm,盛行西北风。南北两侧山系海拔均在4500~5000m以上,南部为昆仑山脉,北部为锡铁山。东西两侧地势微高,为大范围的缓坡地形(图1)。2数据和方法2.1平均风速风向风况数据取自建立在研究区中南部雅丹体上的自动气象观测仪,风速风向为在2m高度连续观测记录的每15min平均风速风向,数据周期为2009年8月至2010年7月。气象观测仪地理位置为37°08′8.88″N,95°06′42.48″E(图1)。2.2方向变率指数法输沙势(DriftPotential,DP)表示在一定时间内潜在最大输沙量,在数值上以矢量单位(VectorU-nit,VU)表示。罗盘16方位输沙势合成方向和合成矢量,分别称作合成输沙方向(ResultantDriftDirection,RDD)和合成输沙势(ResultantDriftPotential,RDP)。方向变率指数(RDP/DP)是指合成输沙势与输沙势的比率。选择原始数据中大于起沙风速(5m·s-1)的记录数据,按罗盘16方位逐月统计各方位的起沙风,并计算不同方位大于起沙风速的平均风速、最大风速及出现频率。输沙势的计算采用目前国际上应用最广泛的Fryberger和Dean的方法,计算公式为:式中:Q为输沙势(单位:VU);V为风速(单位:节);Vt为起动风速(单位:节);t为起沙风时间,一般为观测时段内所观测的起沙风时间数与总观测时间数的百分比。3结果与讨论3.1起沙风速、频率对风速记录数据分析可知,该区域年平均风速为3.7m·s-1,记录的最大风速为15.0m·s-1,发生于4月。起沙风(>5m·s-1)占全年风速记录的22.93%。春季平均风速为4.5m·s-1,起沙风占36.05%;夏季平均风速为4.0m·s-1,起沙风占28.61%;秋季平均风速为3.2m·s-1,起沙风占14.38%;冬季平均风速为3.1m·s-1,起沙风占12.36%(图2)。图3为研究区的起沙风风速及其频率月变化图。在1年之内,起沙风风速的月平均风速在6.2~7.4m·s-1之间波动。其中,1月最低,为6.2m·s-1,从1月开始缓慢增加,至3月月平均起沙风速达到最大值7.4m·s-1,之后又开始缓慢减小,至6月降为6.7m·s-1,之后波动式变化。月最大风速变化范围为9.9~15.0m·s-1,1月最大风速为9.9m·s-1,4月达到15.0m·s-1,为年最大风速,然后缓慢降低,至6月降为12.5m·s-1。7—10月最大风速波动降低至10.0m·s-1,10—12月逐渐增大至13.1m·s-1。起沙风月平均风速与最大风速的变化趋势基本一致。由图3还可以得知,起沙风在4月和5月的发生频率最大,分别为14.60%和14.31%,7月次之,为12.08%,3月和6月相差不大,分别为10.72%和10.59%。起沙风发生频率最小月份为12月,为3.48%,其次为10月和11月,分别为3.88%和4.34%。可见起沙风主要发生于春、夏两季,发生频率分别为39.63%和31.45%,秋、冬两季起沙风的发生频率较小,分别为15.63%和12.19%。3.2从起沙风的季节和季节分布看研究区起沙风风向以WNW和W为主,分别占年起沙风频率的41.05%和20.02%,在其余各方向的起沙风中,除ESE和NW风向所占频率稍大(分别为9.40%和8.89%)外,其余均较少(图4)。表明研究区起沙风风向变化范围较小,风向比较单一。从起沙风在各月份的分配情况来看,3、4、5、9月和10月主要以WNW和W风向为主,其余月份除WNW和W方向外,还有ESE和E方向的起沙风(表1)。这说明研究区常年受西北气流的影响,并伴随有来自东南方向气流的季节性进退。从起沙风发生频率(表1)的季节分配情况看,春季起沙风主要以WNW、W和NW风向为主,分别占年起沙风频率的20.45%、8.33%和6.41%;夏季起沙风主要以WNW、W、ESE和E风向为主,频率分别为8.90%、5.44%、5.02%和3.19%;秋季起沙风主要以WNW、W和ESE风向为主,频率分别为6.98%、3.77%和1.19%;冬季起沙风主要以WNW、ESE和W风向为主,频率分别为4.72%、2.90%和2.49%。可见,偏东南方向的气流主要发生于夏季、秋末和冬季。其中,发生于夏季的偏东南风是东南湿润气流在越过横断山脉后进入研究区形成的;而秋末和冬季的偏东南风则是高原季风的冬季风在研究区周围地形因素的影响下形成的。3.3风能环境指标:我国沙输沙势是衡量区域风沙活动强度及风沙地貌演变的一个非常重要的指标,同时也是区域风能环境分类的重要参考标准,在风沙地貌研究中应用广泛[20,21,22,23,24,25]。3.3.1研究区风压环境计算表明,研究区年DP为326VU,RDP为235VU,RDD为290.14°,RDP/DP为0.72(图5)。根据Fryberger区域风能环境分类标准(表2),研究区为中风能环境。区内净输沙方向为ESE。风向变率指数(RDP/DP)0.72,为中比率,对应风向变率也为中变率,为钝双峰风况(表3)。3.3.2不同季节和不同方向雅丹体的月变化受大气环流的年际变化、下垫面性质及区域地形地貌等因素的影响,研究区的风沙活动强度的月变化差异较大。图6为研究区2009年8月至2010年7月1年内的输沙势月变化图。分析图6得知,研究区DP、RDP具有相同的变化趋势,均是在8月至次年2月间较大,其余月份均较小。各月份DP变化范围为8~66VU,9月DP最大,为66VU;10月和8月次之,分别为59VU和51VU;3月最小,为8VU。各月份RDP变化范围为2~64VU,9月RDP最大,为64VU;10月和8月次之,分别为51VU和49VU;6月最小,为2VU。研究区RDD除6月为128.69°、11月为266.97°之外,其余月份均为290°左右。这也说明研究区常年主要受来自西北方向气流的作用。6月和8月RDD的异常,主要是受来自东南方向气流增强作用影响。在各月的方向变率指数(RDP/DP)中,6月和11月的值<0.3,分别为0.19和0.22,为小比率,风向变率较大,对应风况均为钝双峰风况,主要是由于在这两个月中同时受西北和东南两个方向气流的作用,且来自东南方向的气流较强;1、4、5、7月及12月的值介于0.3~0.8之间,为中比率,风向变率也为中变率,对应风况也均为钝双峰风况,也是由于受西北和东南两个方向气流的作用,但是相较于6月和11月的东南方向的气流较弱;2、3、8、9月及10月的值>0.8,为大比率,风向变率较小,对应风况均为窄/宽单峰风况,这是由于此时研究区只受来自西北方向气流的作用,风向比较单一。选取研究区域高分辨率遥感影像,在其上量取雅丹体的走向,共计量取490个。结果表明,该区雅丹体长轴主要呈NW-ES、WNW-ESE和NNW-SSE三个方向。其中,NW-ES走向的雅丹体最多,占测量雅丹体总数的91%,其余两个方向分别占4%和5%。雅丹地貌的形成主要受风力、流水、重力崩塌等外力的作用。夏训诚在研究罗布泊地区的雅丹地貌时,认为雅丹地貌的成因主要包括3种类型,分别是以风力作用为主、流水侵蚀作用为主、流水侵蚀作用基础上再经风力作用形成的雅丹地貌。根据研究区雅丹体走向及风况分析,我们认为该区雅丹地貌的形成以风力作用为主。4沙风特征及方向察尔汗盐湖雅丹地貌分布区起沙风的月平均风速在6.2~7.4m·s-1之间变化,最大风速变化范围为9.9~15.0m·s-1,起沙风月平均风速与最大风速的变化趋势基本一致。起沙风主要发生于春、夏两季,发生频率分别为39.63%、31.45%,秋、冬两季起沙风的发生频率较小,分别为15.63%、12.19%。研究区起沙风风向以WNW及W为主,分别占年起沙风频率的41.05%和20.02%,其次是ESE和NW向,分别占年起沙风频率的9.40%和8.89%。不同月份、