根据气象观测规范定义(中央气象局, 1979), 沙尘天气包括沙尘暴、扬沙、浮尘天气, 主要发生在半干旱和干旱区。风作为一种矢量, 不仅有大小也有方向。风是近地表土壤风蚀和搬运、堆积的主要动力(张正偲等, 2010)。在干旱气候条件下, 它是决定沙漠地表形态的主要动力(朱震达, 1996), 也是造成风沙危害的直接动力条件(刘贤万, 1995;吴正, 2003)。风沙危害一直是中国十分关注的环境问题之一, 由于其发生频率高, 影响范围广(徐海量等, 2010)。塔克拉玛干沙漠南缘荒漠-绿洲过渡带是我国风沙危害较严重的地区之一。由于自然植被受自然和人为因素的干扰(李小明等, 1995), 使得地表裸露、土地荒漠化程度加剧, 沙尘天气频繁发生。风沙危害直接影响着当地人民的生产生活, 严重制约了经济的发展(张鹤年, 1995)。

Joseph et al(1980)研究了印度沙尘暴得出沙尘暴过境时, 能见度急剧降低, 风速急剧增大, 气温降低, 相对湿度迅速增加。Mao et al(2014)研究了策勒流沙地、半固定沙地、固定沙地、绿洲内部在典型沙尘暴天气下气象要素的时空差异规律, 指出植被覆盖度和地形等是影响沙尘暴天气下气象要素空间差异的主要因素。王式功等(2003)认为沙尘暴过境前后气象要素变化剧烈, 过境前温度很高, 气压很低, 风速很小, 黑风暴一到, 气压猛升、温度剧降。海显莲(2011)通过研究发现, 沙尘暴发生前湿度比较小, 气压在下降, 相对湿度和极大风速呈波动式波动, 沙尘暴发生后, 气压和相对湿度都突增。牛生杰等(2007)分析了两场沙尘暴天气过程, 认为沙尘暴发生前地面湿度和气压都较小, 气温偏高, 沙尘暴结束后较短时间气温会出现急剧下降。李祥余等(2009)认为沙尘暴日为降温增湿的过程。姚济敏等(2006)和Feng et al (2009)研究指出在沙尘暴天气下, 光合有效辐射和总辐射值明显低于多云和晴天天气下的辐射值。周旭等(2017)研究指出在沙尘暴过程中, 夜间在沙尘层以下, 沙尘气溶胶具有加热大气作用, 沙尘气溶胶中上部具有降温作用。目前针对沙尘暴天气下气象要素的变化研究较多, 而有关沙尘天气特别是扬沙天气过程中的风速、温度、大气相对湿度、太阳辐射能气象要素变化相关性研究较少。本文通过利用策勒流沙地观测获得的气象数据, 对流沙地起沙风的特征进行分析, 并研究了沙尘天气下气象要素之间的相关性, 从而为塔克拉玛干沙漠南缘沙尘天气发生规律研究、气象要素之间相互作用机制及沙尘天气预防提供理论依据和科学支撑。

研究区位于塔克拉玛干沙漠南缘, 昆仑山北麓的策勒县(35°18′N-39°18′N, 80°03′E-82°10′E)。策勒属极端干旱大陆型荒漠气候, 降水量少, 区域内多年平均降水量为31.1 mm, 气候干燥, 日照长, 昼夜温差大, 蒸发量大, 年潜在蒸发量2 600 mm。夏季炎热。极端最高气温41.9 ℃, 最低气温-23.9 ℃。本区沙尘天气频发, 每年8级以上大风3~9次(张鹤年, 1995)。和田地区沙尘暴天气主要出现在3-9月, 4-8月为高发区, 进入20世纪90年代沙尘暴的发生明显减少(刘海涛等, 2009)。风沙气象观测场位于策勒县西北部的塔克拉玛干沙漠南缘流沙前缘。流沙地表地势较平坦、植被稀疏, 裸平沙地表面沙粒平均粒径为115 μm, 沙粒粒径主要分布在45~250 μm之间, 主要由极细砂、粉砂和细砂组成, 粘粒含量很少(毛东雷等, 2015)。近地表 0~205 cm高度、单宽1 cm年水平输沙通量为34.74 kg(毛东雷等, 2016), 地表沙土质地轻, 粒径细, 易形成风沙流。

图 1(Figure 1)

图 1 研究区区位分布 Figure 1 Chart of spatial distribution in the study area

2010年8月, 在策勒流沙前缘布置一个气象观测站(HOBOU30, 美国ONSET公司), 主要观测风速、风向、大气相对湿度、太阳辐射能等指标。风速观测高度分为0.5, 1, 2, 4, 8和10 m, 风向观测高度为10 m, 气温和大气相对湿度(RH)探头分别安装在距地表 0.5 m和2 m两层高度上, 光合有效辐射(PAR)和太阳辐射能探头均安装在距地表 1.5 m高度上。风速传感器测量范围为0~45 m·s^-1, 精度为±1.1 m·s^-1, 分辨力是0.38 m·s^-1。春、夏、秋季每1 s自动记录一次、平均1 min间隔采集一次气象数据, 冬季平均5 min间隔采集一次。本文主要采用0.5 m和2 m高度的气象数据。研究区位于塔克拉玛干沙漠西南缘, 一般2 m高瞬时冲击起沙风速取5 m·s^-1(陈渭南等, 1995;杨兴华等, 2012)。

表 1(Table 1)

表 1 234场沙尘天气过程中平均气象指标与起沙风持续时间的相关性 Table 1 Correlation coefficients between average meteorological indexes and duration time of sand blown wind in the 234 dust weather processes 指标 AV0.5 AV2 AVD AT0.5 AT2 ATD ARH0.5 ARH2 ARHD ASR TD AV0.5 1 AV2 0.908** 1 AVD 0.012 0.429** AT0.5 0.123 0.091 -0.047 1 AT2 0.122 0.105 -0.011 0.995** 1 ATD -0.003 -0.161* -0.378** 0.322** 0.250** 1 ARH0.5 -0.101 -0.086 0.012 -0.352** -0.333** -0.254** 1 ARH2 -0.112 -0.105 -0.009 -0.332** -0.317** -0.224** 0.996** 1 ARHD -0.133* -0.200** -0.190** 0.046 0.030 0.293** 0.297** 0.350** 1 ASR -0.024 -0.189** -0.398** 0.361** 0.295** 0.835** -0.301** -0.265** 0.298** 1 TD 0.406** 0.390** 0.056 0.071 0.065 0.020 0.040 0.047 -0.035 0.081 1 **表示在0.01水平(双侧)上显著相关, *表示在0.05水平(双侧)上显著相关。AV0.5、AV2、AVD分别表示0.5 m高度平均风速、2 m高度平均风速、0.5 m与2 m高度之间的平均垂向风差, AT0.5、AT2、ATD分别表示0.5 m、2 m高度平均气温、平均垂向温差, ARH0.5、ARH2、ARHD分别表示0.5 m、2 m高度平均大气相对湿度、平均垂向湿差, ASR和TD分别代表平均太阳辐射能和起沙风持续时间

表 1 234场沙尘天气过程中平均气象指标与起沙风持续时间的相关性 Table 1 Correlation coefficients between average meteorological indexes and duration time of sand blown wind in the 234 dust weather processes

从2010-2014年大量气象观测数据中, 选择234场沙尘天气过程, 2 m高度的风速在5 m·s^-1以上, 且连续持续时间均在0.5 h以上, 以1 h为1个时间段, 统计起沙风出现在一天内各个时间段的频率, 统计起沙风持续时间的频率, 统计每月起沙风出现的频率, 对起沙风出现的季节特征进行分析, 统计起沙风风向分布的频率。分析234场扬沙天气在0.5 m和2 m两层高度之间平均风、温、湿和平均垂直风、温、湿度差以及月平均风、温、湿的相关性。本文主要采用Excel2010、Origin9.0、SPSS17.0软件分析数据并制图。

策勒流沙前缘持续时间超过0.5 h的起沙风出现在12:00(北京时, 下同)-13:00时间段的频率相对最高, 占8.78%, 其次是11:00-12:00和14:00-15:00时间段, 频率分别为8.36%和8.03%(图 2)。10:00-18:00时间段内起沙风的频率占全天总频率的57.94%, 起沙风出现百分比最低的时间段为03:00-04:00(1.92%)、07:00-08:00(1.92%)和23:00-24:00(1.92%)。起沙风出现的频率在日内表现出从凌晨到晚上总体呈现逐渐上升达到最高然后又逐渐下降的趋势。一天内温度最高的时间段也出现在13:00-16:00(主要为阵风, 起沙时间有不少小于0.5 h), 在234场起沙风时间段内, 0.5 m和2 m高度的平均气温分别为23.14 ℃和22.50 ℃, 0.5 m和2 m高度的平均风速为5.68 m·s^-1和6.66 m·s^-1, 平均大气相对湿度分别为30.57%和31.41%, 平均太阳辐射能和平均风向分别为268.92 W·m^-2和255.24°, 234场扬沙天气内平均大气相对湿度最低值为3.43%, 大气相对湿度的变化趋势与风速、气温变化趋势相反, 由于流沙地的植被覆盖度低, 保持近地表水分和大气中水蒸汽的功能弱, 温度升高易导致空气中的水蒸汽蒸发加速, 导致相对湿度降低, 随着温度的升高风速有增大的趋势, 气温升高会使流沙地近地表空气受热不均, 湍流活动加剧, 导致近地表风速增大。

图 2(Figure 2)

图 2 2010-2014年234场沙尘天气过程中起沙风出现的时间段频率 Figure 2 The frequency in time periods of the occurrence with sand-driving wind in the 234 dust weather processes during 2010-2014

在塔克拉玛干沙漠南缘234场沙尘天气中, 起沙风出现的持续时间大于或等于2 h且小于2.5 h的出现频率最高(图 3), 占总数的13.62%, 其次是大于0.5 h小于1 h和大于等于1 h小于1.5 h的持续时间频率, 分别为11.49%和11.06%。没有地表连续起沙时间超过一整天24 h的风, 在234场沙尘天气中, 起沙风持续时间最长为22.5 h, 出现的频率仅占0.43%, 这表明塔克拉玛干沙漠南缘近地表起沙风出现次数较多但持续时间较短, 大多数持续在0.5 ~3 h的时间段内。

图 3(Figure 3)

图 3 2010-2014年234场沙尘天气过程中起沙风持续时间 Figure 3 Duration time of sand-driving wind in the 234 dust weather processes during 2010-2014

流沙地2 m高度月平均风速、气温、湿度三个气象要素之间的拟合函数确定系数分别为0.841, 0.436和0.493, 0.5 m高度月平均风速、温度、湿度之间拟合函数确定系数分别为0.838, 0.432和0.488(图 4), 风速、温度的相关性依次减弱。0.5 m和2 m高的风速、温度的相关性呈现良好线性正相关, 风速与湿度、温度与湿度之间呈负相关性。0.5 m高度月平均风速、气温、大气相对湿度之间的相关性比2 m高的拟合度稍差。流沙前缘植被覆盖率低, 这种状况导致了近地表大气湿度的降低, 在春夏季, 气温相比绿洲而言相对偏高, 近地表大气湍流活动加强, 地表的沙物质易被吹蚀, 月平均气温上升导致近地表大气气压降低, 松散物质随着大气湍流从高压区向低压区流动, 湍流活动加剧, 导致风速增大, 流沙地月平均风速和月平均气温之间线性的相关性显著, 说明塔克拉玛干沙漠南缘月平均气温、风速之间呈现明显的“风温热”同步现象。流沙地由于冬季月平均气温低而月平均相对湿度大且冬季月季之间差异不大, 月平均气温和大气相对湿度的多项式函数相关性不明显。

图 4(Figure 4)

图 4 流沙地2 m(左)和0.5 m(右)高度月平均风速、温度和湿度之间的拟合函数 Figure 4 The fitting functions between average monthly wind speed, air temperature and relative humidity at the height of 2 m (left) and 0.5 m (right) in the quicksand area

从图 5可以看出, 234场沙尘天气过程中, 0.5 m和2 m高度之间的平均垂向温差、垂向湿差之间多项式拟合函数确定系数为0.429, 多项式函数拟合程度中等, 说明在多场沙尘天气下, 二者呈明显的反向变化, 由于气温升高, 空气中的水分蒸发速率加快, 导致近地表大气相对湿度降低。平均垂向风差和垂向温差、垂向湿差之间的线性和非线性拟合程度较差。

图 5(Figure 5)

图 5 234场沙尘天气过程中0.5 m和2 m高度之间的平均垂向风差、温差和湿差之间的拟合函数 Figure 5 Fitting functions between differences in heights of wind velocity, air temperature and RH at the height of 0.5 m and 2 m in the 234 dust weather processes

在策勒流沙前缘近地表, 0.5 m和2 m高度的平均风速与起沙风持续时间都在0.01水平上呈极显著正相关性(表 1), 说明平均风速越大, 起沙风持续时间越长。两层高度的平均风速、平均垂向风差分别与平均垂向温差、平均垂向湿差、平均太阳辐射能呈显著负相关性, 但0.5 m高度平均风速与平均垂向温差、平均太阳辐射能之间不呈显著相关性。0.5 m、2 m高度的平均气温及平均垂直温度差均与0.5 m、2 m高度的平均相对湿度在0.01水平上呈显著负相关性, 说明平均气温与平均相对湿度呈反向变化, 平均垂直温度差与平均垂直湿度差在0.01水平上呈显著正相关性。0.5 m、2 m高度大气相对湿度与平均太阳辐射能均在0.01水平上呈极显著负相关性, 平均垂向湿差与平均太阳辐射能在0.01水平上呈极显著正相关性。平均垂向风差、温差等指标与起沙风持续时间相关性均不显著, 其原因可能是和田地区大范围沙尘天气形成主要由于西伯利亚冷气团入侵形成的, 小范围是由于地表受热不均而产生气压差, 形成局地环流, 平均风力大小决定了起沙风持续时间的长短。

策勒流沙前缘的起沙风主要发生在春、夏季, 具有明显的季节性变化, 占全部沙尘天气次数的88.09%, 其中6月发生的最多, 5月次之(图 6), 分别占总频率的22.22%和17.46%。冬季是起沙风出现最少的季节, 仅占总数的1.98%, 秋季次之, 占总频率的9.92%。流沙地的气温从2月和3月开始呈上升的趋势, 6月和7月达到最高, 到9月开始降低, 大气相对湿度变化呈相反趋势。塔克拉玛干沙漠南缘起沙风最多出现在春、夏季, 而秋、冬季极少发生, 表明近地表起沙风的出现的频率与月平均气温的变化大致吻合, 具有一定的风温热同期的现象。

图 6(Figure 6)

图 6 234场沙尘天气过程中起沙风的月际频率变化 Figure 6 Monthly frequency variation of sand-driving wind in the 234 dust weather processes

通过对234场沙尘天气的风向进行统计, 结果表明近4年策勒流沙前缘近地表起沙风以WNW、W风向为主(图 7), 平均风向为255.24°, WNW风向的频率占起沙风总频率的47.01%, W风向的频率占全年起沙风风向频率的29.06%, 其他次风向频率之和占总频率的23.93%。观测4年的起沙风风向分布与该区起沙风常年主风向分布基本一致。

图 7(Figure 7)

图 7 234场沙尘天气过程中起沙风风向玫瑰图 Figure 7 Rose chart of wind directions of sand-driving wind in the 234 dust weather processes

杨兴华等(2012)研究指出策勒流沙前缘风沙跃移运动发生频率较高的时间段主要集中在晴天11:00-19:00时间段, 其中出现频率最高的为14:00, 15:00和16:00, 本文研究结果为起沙风出现的时间段集中在10:00-18:00, 这一时间段内近地表起沙风的频率占总频率的57.94%, 其中出现在12:00-13:00时间段的频率最高, 由于本文分析的是4年内起沙风时间超过0.5 h的沙尘天气, 在晴天14:00-16:00, 沙漠边缘容易出现阵性起沙风, 持续时间一般较短, 许多小于0.5 h起沙风未统计进去, 因此结果产生了较小差异, 但总的趋势为气温从早到晚呈现先上升后下降的趋势, 表明流沙地的风沙活动在春夏季晴天下具有“风温同步”的现象。周成龙等(2017)研究塔克拉玛干沙漠腹地沙尘天气特征, 分析沙尘天气在不同季节的变化, 指出起沙风出现最多在5月, 其次在7月, 本文研究发现策勒流沙前缘起沙风出现主要集中在春夏季, 最多出现在6月, 5月次之, 说明塔克拉玛干沙漠腹地与沙漠南缘的沙尘天气活动规律存在一定差异性。相关性分析表明和田地区大范围沙尘天气形成主要由于西伯利亚冷气团入侵形成的, 小范围沙尘天气是由地表受热不均而产生, 形成局地环流。李岩瑛等(2016)指出在强的大风沙尘暴和对流性降水发生前, 往往存在一个深厚的边界层厚度, 为强天气的发生提供良好的条件, 本文研究主要集中在沙漠边缘近地表, 以后应加强在沙尘天气下沙漠上层对流边界层厚度与气温、大气相对湿度、气压的观测研究, 来预测沙尘天气发生的强弱程度。张珊等(2016)研究了金塔绿洲农田温湿度的非相似性, 指出低层风速较小高层风速介于2~4 m·s^-1时, 温度和湿度的相似性较大, 本文研究发现塔克拉玛干沙漠南缘在沙尘天气下, 近地表出现有逆温逆湿现象, 逆温逆湿对其他气象要素及对沙尘天气的过程的影响等还需要进一步加强研究。

频繁的风沙活动给该区域的生产和生活带来严重的风沙危害, 会影响交通运行, 造成土壤遭受风蚀, 影响植被的正常生长, 导致该区农作物的产量降低, 影响人们的身体健康等, 因此应急需建立有效的风沙防护措施。策勒起沙风常年主风向为WNW、W风向, 应对常年主风向的上风向区域加强生态屏障的保护和建设, 应该加强绿洲外围WNW、W方位绿洲-沙漠过渡带的防风阻沙措施的建设, 进行天然植被自然恢复或人工修复, 减少沙尘天气的危害, 最终达到维护绿洲农业生态安全的目的。

(1) 策勒流沙前缘大于0.5 h的起沙风出现的时间段在12:00-13:00的频率最高, 占8.78%, 10:00-18:00时间段内起沙风的频率占总频率的57.94%, 有一定风温热同期的现象, 大气相对湿度降低(升高)受气温升高(降低)的影响较大, 二者呈负相关性。

(2) 234场起沙风中, 近地表起沙风的持续时间在2.0~2.5 h时间段所占比例最高, 占总频率的13.62%, 4年内起沙风持续时间最长为22.5 h。

(3) 策勒常年起沙风主风向为WNW和W风向, 两个方位的频率之和占总频率的76.07%, 其余次风向占总频率的23.93%。

(4) 月平均风速与月平均气温之间呈明显线性正相关关系, 234场沙尘天气中, 0.5 m、2 m高度平均风速与起沙风持续时间在0.01水平上呈极显著正相关, 平均垂直风速差、垂直温度差、垂直湿度差在0.01水平上呈显著相关性, 平均风速、平均垂直风速差分别与平均垂直温度差、平均垂直湿度差呈显著负相关性。0.5 m、2 m高度的平均气温及平均垂直温度差均与0.5 m、2 m高度的平均相对湿度在0.01水平上呈显著负相关性, 平均垂直温度差与平均垂直湿度差在0.01水平上呈显著正相关性, 除了0.5 m高度平均风速外, 太阳辐射能均与其余气象要素之间呈极显著相关性。

(5) 策勒流沙前缘沙尘天气主要发生在春、夏季, 占全部起沙风频数的88.09%, 其中6月发生的最多, 5月次之, 分别占总数的22.22%和17.46%。冬季是起沙风出现最少的季节, 仅占总数的1.98%, 秋季次之, 占总数的9.92%。