郑先念, 杨兴华, 何 清,4, 金莉莉, 杨 帆,艾力·买买提依明, 周成龙, 张建涛

(1.新疆气候中心, 乌鲁木齐 830002; 2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所, 乌鲁木齐 830002;3.中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地, 新疆 塔中 841000; 4.新疆气象台, 乌鲁木齐 830002)

瞬时风速和平均风速随时间的变化总趋势是一致的，风沙研究中通常将平均风速代替瞬时风速来研究风对输沙量的影响，这种处理易于掌握风沙运移的宏观特征[1]。但也有局限性，因为自然状态下引起沙粒运动的风几乎是湍流的，各点的流速大小和方向随时间脉动表现出一定的阵性特征[2]。如果不考虑风速脉动，根据定常风速计算得到的地表输沙过程是平稳的，而野外实际输沙过程非平稳且具有一定结构特征[3]。并且风速变化的周期、频率对输沙量有很大影响[4]，因此需要考虑风速的脉动性。前人研究还发现风速脉动使床面沙粒受到跃移上升力和剪切力，引发沙粒振动，使沙粒易于起运[5]，影响沙粒的跃移轨迹，且风速脉动与输沙率之间具有良好的相关关系，而沙粒的运动又可以影响风速脉动，进而影响沙粒自身的输移[6]。所以湍流对于风沙输移有重要的意义。

脉动风速在沙漠一绿洲过渡带典型下垫面(裸样沙地、柽柳样地和骆驼刺样地)上都近似服从高斯分布，风速脉动规律没有因植被的存在而发生改变[7]，在晴天和沙尘暴天气下，近地表风速与风速脉动强度呈正相关，并受到沙尘一定的抑制作用[8]。风速脉动强度和风速脉动的相对值整体上都随着植被覆盖面积的增大呈增大趋势[9]。而在戈壁地表风速脉动具有非平稳性，随着风速增强而增大，尤其是在大风天气下研究风蚀不能忽略风速的脉动性[10]。同时，通过对北方两次沙尘天气的研究发现，沙尘暴期间大气中可吸入颗粒物的浓度与风速存在显著的正相关关系[11]。能见度、PM10，PM2.5也随风速脉动而产生波动变化，地面风速、PM10，PM2.5之间相互作用，呈明显脉动特征[12]。

作为世界第二大流动沙漠，塔克拉玛干沙漠不仅是我国沙尘暴频发地区之一，也是亚洲沙尘暴产尘的重要源地，该地区大风条件下扬起的沙尘会随着高空西风环流影响整个东亚地区。然而，前人针对野外沙尘暴天气条件下的沙漠腹地近地表80 m高度范围的风速脉动特征及影响的研究较少。鉴于此，通过野外实测塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴天气条件下的风速资料分析不同高度风速脉动特征，完善了沙漠腹地风与沙粒运动的关系、防沙治沙以及风沙互馈机制等方面的研究[13]，为进一步研究湍流情况下风蚀和风扬粉尘释放奠定基础。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区(83°39′E，38°58′N)。该地区气候极端干旱，植被稀少，地表为流沙覆盖，只有塔中作业区所在的垄间地有人工建造面积约为2×2 km2地形呈NE—WS走向的人工绿地，种植有梭梭、柽柳、骆驼刺和一些野生芦苇等固沙耐旱耐盐碱的植物，生长高度夏秋两季高度可达2 m左右，覆盖度较高。试验站位于塔中作业区内东面为高大纵向沙陇，西面为坡度相对平缓的纵向沙陇，北面距沙漠公路1.2 km，沙漠公路两侧也是人工种植的固沙植物，其余多为流沙地表；该区年平均气温为13.6℃，极端最高气温达46.0℃，极端最低气温达-32.0℃；平均年降水量25.9 mm左右，平均年蒸发量高达3 812.3 mm；平均年风速为2.3 m/s，平均年扬沙日数为59.6 d，平均年沙尘暴日数为15.8 d，主导风向以NE，NNE主[14]。

1.2 数据资料与研究方法

采用风速和风向资料来自于安装在沙垄间谷地的80 m铁塔梯度探测系统，铁塔共有10个呈对数间距分布的测量梯度，高度分别为0.5 m，1 m，2 m，4 m，10 m，20 m，32 m，47 m，63 m和80 m，因为风速在近地层呈对数分布。探测的基本要素为：温度、湿度、气压、风速和水平风向等。其中风速仪采用英国Gill公司生产的WindObserver Ⅱ型二维风速风向传感器，启动风速0.01 m/s,风速量程为0～75 m/s；风向测量范围0°～359°，分辨率为1°，观测的风速和风向数据有3 s数据、5 s数据、10 s数据和分钟平均数据及小时平均数据。本文计算风速脉动特征采用3 s间隔观测的数据，分别选取了北京时间2018年5月20日15：26—15：35风向为NNE，5月24日16：39—16：48风向为ENE的两次典型沙尘暴天气的数据；计算风速脉动与能见度，PM10，PM2.5关系采用的是1 min间隔观测的风速数据(为了与能见度、PM10，PM2.5采集间隔时间一致)，PM10，PM2.5采用的是Grimm180观测的1 min间隔的数据，选取的是2018年5月24日15：36—18：15(北京时)一次沙尘暴过程的数据。

脉动风速值以瞬时风速与相应时段10 min平均风速之差表示，用以反映风速波动幅度；以脉动风速的均方根表示风速脉动强度(uv)：

(1)

2 结果与分析

2.1 风速脉动

图1，2可看出，不同高度风速脉动值在时间序列上波动性均具有一致性，即同步增大或减小，脉动频率不稳定，无明显周期性，说明自然风除具有脉动性外，还有间歇性特点。2次沙尘暴天气过程的风速脉动最大波动幅度分别为13.59 m/s和10.09 m/s，最小值波动幅度分别也达到了7.53 m/s，6.58 m/s，这么大的脉动风速对输沙过程定会产生很大的影响，因为根据定常风速计算得到的地表输沙过程是平稳的，而野外实际输沙过程非平稳且具有一定结构特征[3]。同时,相邻高度间均具有显著相关性，经计算相关系数均大于0.49、5月20日相邻高度相关性在0.49以上、5月24日相邻高度相关性在0.62以上，不同高度间相关性不是很显著，高度间隔越大相关性越不显著。

图1 5月20日沙尘暴天气条件下风速脉动变化

图2 5月24日沙尘暴天气条件下风速脉动变化

各高度层脉动风速概率分布近似符合高斯函数，且高度越高，概率分布拟合曲线越陡，脉动风速分布越集中。2次沙尘暴天气下风速脉动的波动范围在0.5～10 m高度层内均随高度的增高而增大，以0.5 m高度的风速脉动强度与其他高度的表现最显著，风速脉动值在0.5 m高度层分别为-3.21～4.32 m/s，-2.77～3.81 m/s，到了10 m高度层上为-5.91～5.16 m/s，-4.78～5.49 m/s；而在32～80 m高度层上脉动风速的波动范围随着高度越高而减小，20 m高度层的波动范围5月20日为-6.42～4.99 m/s，5月24日为-4.50～4.42 m/s，80 m高度层的波动范围5月20日为-4.04～3.97 m/s，5月24日为-4.76～3.16 m/s。由此进一步验证脉动风速的分布规律与高度无关，高度仅对脉动风速的波动范围和概率分布的集中性产生影响。

2.2 风速脉动强度

从表1，2可知，2次沙尘暴天气条件下，随着高度的降低和风速平均值减小，风速脉动强度呈先增长后降低的趋势，侧面验证了风速脉动范围随高度的增大而先增后减小的规律。具体表现为，5月20日的沙尘暴天气下，除2 min和10 min时段的外，其他各时段在20 m高度层上风速脉动强度达到最大值，在0.5～20 m高度范围内均随高度的增高而增大、在20～80 m范围内整体呈减小后增大的趋势，2 min和10 min时段则是在10 m高度上增长到最大值随后呈曲线增大的变化趋势。5月24日的沙尘暴天气下，除2 min，4 min和5 min时段外，同样在其他各时段风速脉动强度在20 m高度达到最大值，在0.5～20 m高度范围内呈随高度的增高而增大、而20～80 m高度范围内脉动强度呈先降低后增的规律。2 min，4 min和5 min时段则是在10 m高度上增长到最大值随后呈曲线增大的趋势。因为风速脉动强度随着不同高度间风速增加的幅度而变化。

在同一高度层和时距上，风速脉动强度与平均风速正相关，即风速脉动强度值随平均风速值的增大而增大，如10 m高度层10 min时距上风速平均值分别为5月20日11.97 m/s，5月24日9.24 m/s，相对应风速脉动强度值分别为2.41 m/s，2.09 m/s，风速脉动、风速脉动强度均与风速相关，风速越大，风速脉动和风速脉动强度越大。相同高度不同时距上，风速脉动强度随平均风速的变化上比较复杂，总体呈现出时距越长风速脉动强越大，如10 m高度层风速脉动强度值，在1 min时距为5月20日是1.52 m/s，5月24日是0.90 m/s，而增10 min时距为5月20日增到1.60 m/s，5月24日增到1.21 m/s，同时，风速平均值随时距增长则呈现出减小的变化规律。因为不同时距的风况资料反应真实情况的准确度不同[17]平均风速时距越小，越接近瞬时风速状态，所以计算平均风速的时段越小，算出的输沙率的值更精确。

表1 5月20日沙尘暴天气下不同高度平均风速、脉动强度和湍流度随时间的变化

同样，2次沙尘暴天气下的湍流度0.04～0.35之间变化，属于高湍流强度，80 m高度范围内均与高度成反比关系，随着高度的增高而减小；底层0.5 m和1 m高度湍流度较大，原因是柽柳和梭梭等植物冠层对该高度层平均风速消减的结果。

2.3 风速脉动与水平能见度、PM10，PM2.5浓度变化

图3看出，沙尘暴发生前，能见度都保持在1 100 m以上，PM10浓度维持在4 000 μg/m3以下波动，PM2.5浓度在800 μg/m3以下。沙尘暴发生时，PM10浓度在瞬间上升到4 500 μg/m3，PM2.5浓度也上升到800 μg/m3以上，沙尘暴过程中能见度降到700 m以下。沙尘暴后，转化成扬沙天气，空气中含有大量的气溶胶，短时间内能见度还比较低，但开始呈现上升趋势，PM10，PM2.5浓度最大值区域对应能见度最低区域，沙尘暴过程中，能见度都维持在1 000 m以下，而PM10浓度值多次达到峰值6 500 μg/m3，PM2.5浓度值也多次达到1 000 μg/m3以上，峰值到达了1 355.9 μg/m3。沙尘暴过后能见度呈上升趋势，对应PM10，PM2.5浓度值呈波动下降趋势，因为沙尘暴结束后天气转为扬沙天气。

分析图4，5可知，风速波动与PM10，PM2.5/能见度分别呈现明显的正/反向变化，风速波动与PM10，PM2.5浓度增大，能见度减小，其中PM10达到6 500 μg/m3时不随风速的变化而变化。沙尘暴发生时，瞬时风速峰值达到10.50 m/s时，PM10，PM2.5的浓度值最高处于6 500 μg/m3，1 355.9 μg/m3，能见度也达到最低值。地面产生强风，使得沙尘粒子悬浮在空气中，一旦风速减小，受到重力沉降作用，悬浮在近地面的PM10，PM2.5迅速增加。此后伴随着风速的周期波动，PM10，PM2.5的浓度也相应作出调整，直到沙尘结束减小到3 000 μg/m3，6 009 μg/m3，能见度又升回1 000 m以上。由于沙尘暴结束后天气转为扬沙天气，所以沙尘暴过后，风速没有骤减，而是随时间的变化呈波动减小。

表2 5月24日沙尘暴天气下不同高度平均风速、脉动强度和湍流度随时间的变化

图3 能见度与PM10，PM2.5变化

图4 地面风速与PM10，PM2.5随时间的变化

图5 地面风速与能见度随时间的变化

图6 风速脉动与PM10，PM2.5随时间变化

为了更加详细了解风速脉动对PM10，PM2.5浓度值的影响，图6给出他们之间的关系。从图6可见，本次沙尘暴出现时，风速脉动最大值达到2.93 m/s，对应PM10，PM2.5浓度值也达到了第一次的峰值，随后风速脉动仍然存在，其值基本维持在-2.75～3.45 m/s，PM10，PM2.5浓度值随之出现跃增趋势，而负风速脉动除少数几个点外均未出现PM10，PM2.5浓度值相应增加现象。根据风速脉动定义，风速脉动为正值，意味着短时间内的瞬时风速大于平均风速，因此能搬运沙粒的数量较多，相应空气中PM10，PM2.5浓度值增大。

3 讨 论

通过对塔克拉玛干沙漠塔中地区人工绿地的风速脉特征分析发现，在风速脉动强度随高度的变化方面与前人[7-8]在塔克拉玛干沙漠南缘分析得出的随高度的降低而降低不同,笔者认为，一方面这是由于所选的高度层不同，本文所选的是近地层80 m高度范围。另一方面是本文研究区的下垫面为植被覆盖的垄间谷地地形。至于不同风速下(5月20日的风速明显比5月24日的大)风速脉动强度随高度和的变化在1 min、和2 min，4 min，5 min，10 min时段与其他时段变化上不一致，这主要是瞬时风速具阵性特征所致。

PM10和PM2.5在沙尘暴发生和结束时的变化与沈洁等在民勤研究的结果不同，笔者认为，一是二者研究时所用时间尺度不同，本文采用的是分钟数据，而沈洁等用的是小时数据；二是本文研究仅研究沙尘暴过程的变化情况，沙尘暴开始前和结束后都是扬沙天气，因此没出现突增突降现象。

4 结 论

(1) 脉动风速相邻高度间均具有显著相关性，高度间隔越大相关性越不显著。脉动风速近似符合高斯函数。风速脉动随高度的变化上，呈现出在0.5～32 m高度层脉动风速的波动范围整体上随高度的增高而增大，而在32～80 m高度层脉动风速的波动范围与高度成反比，高度越高，波动范围越小。

(2) 风速脉动强度在0.5～20 m高度范围内呈随高度的增高而增大、而20～80 m高度范围内脉动强度呈先降低后增的规律。同一高度层上风速平均值随时距增长则呈现出减小的变化规律。2次沙尘暴天气下的湍流度在0.04～0.35之间变化，属于高湍流强度，80 m高度范围内均与高度成反比关系，并随着高度的增高而减小。

(3) 沙尘暴过程中地面风速的大小对水平能见度、PM10，PM2.5具有直接影响。因为风对沙尘粒子的搬运具有直接动力作用，所以风速脉动变化与水平能见度呈现反比关系，与PM10，PM2.5呈正比关系。