塔克拉玛干沙漠腹地和北缘典型天气近地层风速廓线特征

李汉林，何 清，金莉莉

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地，新疆 乌鲁木齐 830002)

引 言

大气边界层是大气最底层，靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层区域，且其中风速等气象要素的垂直廓线特征一直是大气科学研究中关注的重点[1-3]。我国西北干旱荒漠地区由于其独特的大气边界层特征，在我国天气气候和环境系统中占有重要地位。西北干旱区陆-气相互作用试验(NWC-ALIEX)发展了大气边界层局地相似理论，揭示了干旱区极端深厚大气边界层特征[4-6]；TAKEMI[7]利用气象探空资料研究中国西北干旱区大气边界层特征，从其残余层特征推测出对流边界层厚度可超过4 km；乔娟等[8]用L波段雷达探空系统和卫星遥感反演温度廓线，发现敦煌冬季大气边界层厚度只有盛夏的1/4左右，证实了干旱区盛夏晴天出现深厚对流边界层具有一定的普遍性。

风速廓线是指风速随高度的分布曲线，在近地层从弱稳定到强逆温的稳定层结范围内，风速廓线的对数-线性规律都是适用的[9-11]。稳定层结时，大气特性在垂直方向上变化较明显，需要按照不同的高度层分别研究其风速变化规律[12]。塔克拉玛干沙漠大气边界层是西北地区地表起沙并进入大气环流的物质通道，而风速是起沙的关键因素[13]，贴地层风速对形成沙漠表面地形有重要作用[14]；沙漠腹地春季晴天和阴天条件下近地层风速廓线有日夜之分，且近似遵循对数规律[15-16]；中低空风速存在冬季随高度迅速增大，夏季随高度变化缓慢增加的特征[17]；沙漠腹地晴天夜间稳定边界层顶风速随时间推移而增大[18]。然而众多研究中对塔克拉玛干沙漠北缘与腹地的风速廓线特征的对比研究甚少，近地层风速廓线规律的研究对于了解近地层气象学特征，以及深入研究沙漠沙尘暴的形成规律，为风能资源的开发利用、环境污染治理等提供参考[19]。

本文利用中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所塔中和肖塘观测塔梯度探测系统2018年近地层气象要素观测资料，对比分析南北跨距200多km，海拔差155 m的塔克拉玛干沙漠腹地塔中与北缘肖塘两地在典型天气下近地层风速廓线特征，以期为明确塔克拉玛干沙漠腹地与北缘地区近地层流场结构和变化规律，提高对干旱沙漠地区陆气过程的认识，从理论上更好地指导防沙治沙工程，并为沙漠地区的油气开发以及风能产业发展等方面提供更系统的气象服务。

1 研究区域概况

塔克拉玛干沙漠(36°52′N—42°19′N、75°12′E—88°10′E)位于塔里木盆地中央，南北宽约600 km，东西长约1130 km，总面积约33.76×104km2，是世界第二大沙质沙漠，也是中国最大的沙漠。塔中(38°58′N，83°39′E，海拔1099.3 m)地处塔克拉玛干沙漠腹地，年平均风速2.3 m·s-1，年平均气温13.62 ℃，年平均降水量25.9 mm，年蒸发量高达3798.5 mm，气候极端干旱，以连片流动沙丘为下垫面，常见天气为浮尘、扬沙和沙尘暴。肖塘(40°50′N、84°10′E，海拔943.9 m)地处塔克拉玛干沙漠北缘，气候干燥，年平均降水量15.2 mm，年均气温12.4 ℃，年平均风速2.5 m·s-1，以较平坦的风蚀裸露古河床为下垫面，并覆盖有稀疏植被，常见天气有沙尘、尘卷风和沙尘暴[20-21]。

2 数 据

所用资料为塔克拉玛干沙漠北缘肖塘梯度铁塔和沙漠腹地塔中梯度铁塔(图1)风速观测资料，其中塔中80 m梯度铁塔为10层(0.5 m、1 m、2 m、4 m、10 m、20 m、32 m、47 m、63 m、80 m)，肖塘100 m梯度铁塔为11层(0.5 m、1 m、2 m、4 m、10 m、20 m、32 m、47 m、63 m、80 m和100 m)，铁塔探测近地层1 h风速变化。为保证对比时高度的一致性，剔除肖塘梯度铁塔100 m高度风速数据。肖塘和塔中梯度铁塔风速传感器均采用国际公认的先进探测传感器。二维超声风速传感器为英国GILL公司生产的Wind Observer 65，风速量程为0～65 m·s-1，最高分辨率为0.01 m·s-1。2018年1—5月塔中80 m梯度铁塔47 m高度处数据缺失，数据处理时剔除。时间采用地方时，塔中地方时与北京时差为2 h 25 min 47 s，肖塘地方时与北京时差为2 h 22 min 48 s。

典型晴天结合晴空指数0.7以上和总云量0成指标进行综合判别，选取2018年1月、4月、7月和9月中所有典型晴天的平均状态分别代表塔中和肖塘冬季、春季、夏季和秋季晴天，两地四季晴天气象参数见表1；选取全年内总云量10成的所有天气平均状态代表典型阴天；选取全年内所有降水天气的平均状态代表降水典型天气；选取全年内所有浮尘和扬沙天气的平均状态代表浮尘和扬沙典型天气；平均状态文中采用小时平均数据。选取2018年5月24日塔中和肖塘两地过境的一次沙尘暴过程作为典型沙尘暴天气。

图1 观测站点位置(a)和塔中(b)、肖塘(c)梯度观测塔(阴影为海拔高度，单位：m)Fig.1 Location of observation stations (a) and observation towers at Tazhong (b) and Xiaotang (c)(the shaded for altitude, Unit: m)

表1 塔中和肖塘地区典型晴天气象要素Tab.1 The meteorological elements under typical sunny weather condition in Tazhong and Xiaotang areas

3 结果与讨论

3.1 晴天天气下近地层风速日变化四季对比

图2为2018年塔中和肖塘地区春季典型晴天近地层风速日变化。可以看出，塔中和肖塘春季典型晴天同一时次风速随高度的增高而增大，32 m为风速转换层，高层(63～80 m)风速明显大于低层(0.5～32 m)，夜间(20:00—08:00)上下层风速差较大，白天(08:00—20:00)上下层风速差较小，这是因为白天边界层更强的湍流运动，造成上下层动量交换强度大于夜间。0.5～80 m范围内，塔中最大风速13.55 m·s-1出现在17:00 80 m高度处，最小风速0.26 m·s-1出现在05:00贴地层0.5 m高度处，而肖塘最大风速9.58 m·s-1出现在03:00 80 m高度处，最小风速0.65 m·s-1出现在00:00 0.5 m高度处(表2)。

图3为2018年塔中和肖塘地区夏季典型晴天近地层风速日变化。可以看出，塔中和肖塘夏季典型晴天低层风速白天大于夜间，高层风速夜间大于白天。0.5～80 m范围内，塔中从08:00开始风速增大，肖塘从09:00开始风速增大，随着太阳高度角的逐渐增大，大气湍流交换加强，各层风速开始迅速增大，塔中最大风速7.58 m·s-1出现在23:00 80 m高度处，最小风速0.18 m·s-1出现在22:00 0.5 m高度处，而肖塘最大风速8.20 m·s-1出现在02:00 80 m高度处，最小风速为0.30 m·s-1出现在00:00 0.5 m高度处(表2)。进入夜间，地面辐射冷却，湍流交换减弱，风速逐渐减小，其中0.5～10 m高度风速减小趋势最明显，塔中平均风速在1 h内减小0.82 ～1.04 m·s-1，肖塘平均风速在1 h内减小1.00～1.86 m·s-1。

图2 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区春季典型晴天近地层风速日变化Fig.2 The diurnal variation of near-surface wind speed under typical sunny weather condition in spring in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

表2 塔中和肖塘地区典型晴天风速变化Tab.2 The variation of wind speed under typical sunny weather condition in Tazhong and Xiaotang area

图3 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区夏季典型晴天近地层风速日变化Fig.3 The diurnal variation of near-surface wind speed under typical sunny weather condition in summer in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

图4为 2018年塔中和肖塘地区秋季典型晴天近地层风速日变化。可以看出，与夏季相似，塔中和肖塘秋季典型晴天低层风速白天大于夜间，高层风速夜间大于白天。0.5～80 m范围内，塔中从07:00开始风速增大，肖塘从10:00开始风速增大，白天风速增加幅度比夜间小，塔中最大风速8.66 m·s-1出现在22:00 80 m高度，最小风速0.16 m·s-1出现在23:00 0.5 m高度处，而肖塘最大风速6.77 m·s-1出现在00:00 80 m高度处，最小风速0.16 m·s-1出现在20:00 0.5 m高度处。塔中和肖塘秋季典型晴天风速仍然保持随高度增高而增大的趋势，塔中夏季典型晴天全天各高度上的风速曲线比秋季更紧密，肖塘则相反，说明塔中80 m内风速差夏季比秋季小，肖塘80 m内风速差夏季比秋季大。

图5为2018年塔中和肖塘地区冬季典型晴天近地层风速日变化。可以看出，2018年塔中和肖塘地区冬季典型晴天各高度风速值较其他季节偏小，0.5～80 m范围内，塔中近地层风速最大不超过6 m·s-1。肖塘风速最大不超过5 m·s-1，塔中从09:00开始风速增大，肖塘从10:00开始风速增大，塔中最大风速5.47 m·s-1出现在00:00 80 m高度处，最小风速0.18 m·s-1出现在09:00 0.5 m高度处，而肖塘最大风速4.30 m·s-1出现在06:00 80 m高度处，最小风速0.15 m·s-1出现在03:00 0.5 m高度处。

综上所述，在近地层0.5～80 m上下层之间有两种变化状态，高层风速夜间大于白天，低层风速白天大于夜间。塔中和肖塘风速冬季最小，夏季较大，呈典型的内陆型风速特征。

图4 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区秋季典型晴天近地层风速日变化Fig.4 The diurnal variation of near-surface wind speed under typical sunny weather condition in autumn in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

图5 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区冬季典型晴天近地层风速日变化Fig.5 The diurnal variation of near-surface wind speed under typical sunny weather condition in winter in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

3.2 晴天近地层风速廓线季节变化

表3列出2018年塔中和肖塘地区不同典型天气条件下的近地层风速。可以看出，春季典型晴天塔中和肖塘平均风速分别为2.34和1.91 m·s-1。0.5～80 m范围内，塔中23:00风速梯度(80 m与0.5 m高度风速差值)最大(7.56 m·s-1)，06:00风速梯度最小为3.02 m·s-1；肖塘00:00风速梯度最大为5.85 m·s-1，20:00风速梯度最小为2.65 m·s-1，塔中整体风速梯度大于肖塘。同时因沙漠地表白天近地层大气层结稳定，湍流交换微弱，夜间大气层结不稳定，湍流加强，导致两地夜间风速皆大于白天[22]。

风速随高度的变化很大程度上取决于大气层结的稳定性，由于夜间和白天大气层结性质明显不同，可分为夜间稳定层结的风速廓线和白天不稳定层结的风速廓线[23]。夜间地面辐射冷却，近地层大气呈现逆温特征，温度层结不利于湍流发展。图6为2018年塔中和肖塘地区春季典型晴天近地层风速廓线。可以看出，02:00—08:00，塔中风速廓线向下凹，说明此时塔中地区近地层大气层结处于稳定状态，而肖塘全天内的风速廓线向上凹，说明肖塘地区近地层大气层结处于不稳定状态[24]。塔中各层风速较肖塘复杂，00:00—08:00层结越来越稳定，风速变小，加上周围地形及下垫面的影响，使其风速廓线在4 m处出现拐点，拐点以下高度风速基本符合对数规律，拐点以上风速符合对数-线性规律。

表3 2018年塔中和肖塘地区不同典型天气下近地层风速Tab.3 The near-surface wind speed under different typical weather conditions in Tazhong and Xiaotang area in 2018

图6 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区春季典型晴天近地层风速廓线Fig.6 The profiles of near-surface layer wind speed under typical sunny weather condition in spring in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

肖塘地区为荒漠-绿洲复杂下垫面，风速廓线比塔中更为平滑，06:00和08:00塔中风速廓线在4 m、10 m、20 m、32 m和63m处皆存在紊乱拐点。10:00—18:00塔中和肖塘10 m以上高度，风速随高度变化较小，风速廓线近似呈铅直分布，这是由于白天受太阳辐射影响，近地层大气处于不稳定状态，随着不稳定度的增大，湍流混合作用因热力不稳定而不断加强，上下层之间动量交换增大，导致风速切变不断减小。

夏季晴天，0.5～80 m范围内，塔中和肖塘日平均风速分别为2.09和2.34 m·s-1，塔中23:00风速梯度最大为7.38 m·s-1，06:00风速梯度最小为1.21 m·s-1；肖塘02:00风速梯度最大为7.48 m·s-1，10:00风速梯度最小为0.40 m·s-1。这说明位于沙漠腹地的裸沙地塔中具有较强的沙漠气候特点，而位于沙漠北缘的肖塘地区，由于更靠近绿洲，地面的稀疏植被增大了地表粗糙度Z0，降低地表风速 ，这种效应造成植被覆盖的地表和裸地之间的小气候差异。同时因夏季气温升高，肖塘地区近地层动力湍流运动增大，平均风速和风速梯度皆大于塔中。

图7为2018年塔中和肖塘地区夏季典型晴天近地层风速廓线。可以看出，夏季典型晴天，塔中和肖塘白天和夜间风速廓线的分布差异很大。塔中地区02:00—10:00风速廓线无明显分布规律，风速梯度变化范围为0.70～2.02 m·s-1。肖塘地区20:00至次日06:00，风速随高度增高而增大，这是由于入夜后出现逆温并不断加强，层结作用很弱，贴地层趋于静风。08:00—18:00，10 m以上风速随高度变化较小，风速廓线呈铅直分布，风速随高度的分布偏离对数规律。肖塘和塔中两地风速廓线皆在4 m高度出现拐点，拐点以上风速廓线偏离对数规律，拐点以下风速基本符合对数规律。

值得注意的是，在春季和夏季典型晴天下，塔中最大梯度皆出现在23:00，这是由于地表是裸沙的塔中地表粗糙度小于有稀疏植被覆盖的肖塘，导致其最大风速出现时间比肖塘提前1～2 h。

秋季晴天0.5～80 m，塔中平均风速大于肖塘，分别为2.50和1.49 m·s-1。塔中22:00风速梯度最大为8.45 m·s-1，肖塘00:00风速梯度最大为6.38 m·s-1，两地皆在10:00风速梯度最小，分别为1.45和0.13 m·s-1。

图8为2018年塔中和肖塘地区秋季典型晴天近地层风速廓线。可以看出，塔中和肖塘全天各时刻风速廓线在近地层4 m处皆出现拐点，塔中在02:00—06:00风速廓线向下凹，大气层结处于稳定状态，08:00—10:00风速廓线分布波动较大，12:00—00:00风速廓线向上凹，大气层结处于不稳定状态；肖塘在02:00—06:00风速廓线向上凹，大气层结处于不稳定状态，12:00—18:00拐点以上风速廓线呈铅直分布，22:00—23:00风速廓线在32 m处再次出现拐点，拐点以上风速随高度的增高而减小。

图7 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区夏季典型晴天近地层风速廓线Fig.7 The profiles of near-surface layer wind speed under typical sunny weather condition in summer in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

冬季晴天，0.5～80 m范围内，塔中和肖塘平均风速较小，分别为1.08和1.99 m·s-1，塔中00:00风速梯度最大为5.13 m·s-1，10:00风速梯度最小为0.11 m·s-1；肖塘02:00风速梯度最大为4.45 m·s-1，16:00风速梯度最小为0.65 m·s-1，塔中平均风速梯度大于肖塘。

图9为2018年塔中和肖塘地区冬季典型晴天近地层风速廓线。可以看出，夜间塔中风速廓线拐点高于肖塘，白天两地风速廓线拐点出现高度一致。塔中10:00—14:00风速随高度变化较小，夜间各时刻风速随高度增高而增大，拐点出现在32 m处。肖塘00:00—06:00风速廓线在32 m处出现拐点，10:00—18:00风速廓线在4 m处出现拐点，拐点以上风速变化不明显，夜间20:00、22:00和23:00 3个时刻风速廓线相似，皆在10 m处出现拐点，10 m以上风速廓线近似呈铅直分布。

图8 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区秋季典型晴天近地层风速廓线Fig.8 The profiles of near-surface layer wind speed under typical sunny weather condition in autumn in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

图9 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区冬季典型晴天近地层风速廓线Fig.9 The profiles of near-surface layer wind speed under typical sunny weather condition in winter in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

3.3 降水天气条件下近地层风速廓线

降水天气下，0.5～80 m范围内，塔中和肖塘平均风速分别为3.55和2.43 m·s-1，平均风速塔中大于肖塘。塔中在14:00风速梯度最大为5.48 m·s-1，06:00风速梯度最小为3.72 m·s-1，肖塘夜间02:00风速梯度最大为5.84 m·s-1，18:00风速梯度最小为0.40 m·s-1。沙漠降水通常比较分散和孤立，塔克拉玛干沙漠的降水主要发生在夏季，其他季节几乎无降水，30%的降水量属局部小尺度对流性降水。塔中和肖塘夏季平均降水强度较弱，24 h降水量皆小于5.0 mm，属小雨。

图10为2018年塔中和肖塘地区降水天气下近地层风速廓线。可以看出，塔中降水天气下风速廓线向上凹，大气层结处于不稳定状态。肖塘06:00—08:00风速廓线向下凹，大气层结处于稳定状态，风速较小， 06:00风速廓线在47 m处存在微弱拐点，拐点以上风速随高度增高有所增大。

图10 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区降水天气下近地层风速廓线Fig.10 The profiles of near-surface layer wind speed under typical rainy weather condition in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

3.4 阴天天气下近地层风速廓线

阴天天气下，0.5～80 m范围内，塔中和肖塘平均风速较大，分别为4.96和3.52 m·s-1。塔中和肖塘全天内的风速廓线分布存在一致性，皆在00:00风速梯度最大分别为8.21和7.29 m·s-1，08:00风速梯度最小，分别为2.63和1.35 m·s-1。

图11为2018年塔中和肖塘地区阴天天气下近地层风速廓线。可以看出，在阴天天气下，塔中和肖塘两地在早晚过渡时段风速廓线分布特征相似，廓线均向上凹，说明近地层大气层结皆处于不稳定状态。全天内各时刻满足风速随高度增高而变大的对数规律。塔中和肖塘风速廓线分别在2 m和4 m处存在拐点，且两地白天近地层拐点以上风速差异很小，拐点以下高度两地风速随高度增高而增大。夜间两地风速廓线皆不满足对数规律，是由于近地层大气处于逆温状态，温度层结不利于湍流运动的发展。由于肖塘地面稀疏灌木植被增大了地面粗糙度，导致其任一高度的风速要比地表平滑的塔中同一高度的风速小，而且愈靠近地表两地差别愈大。

3.5 浮尘天气下近地层风速廓线

浮尘天气下，0.5～80 m范围内，塔中和肖塘平均风速分别为2.70和2.34 m·s-1，塔中04:00风速梯度最大为6.45 m·s-1，20:00风速梯度最小为3.09 m·s-1，肖塘00:00风速梯度最大为6.47 m·s-1，10:00风速梯度最小为0.27 m·s-1。

图12为2018年塔中和肖塘地区浮尘天气下近地层风速廓线。可以看出，在浮尘天气下，白天塔中各高度层风速变化微小，平均风速为3.11 m·s-1，大于塔克拉玛干沙漠临界起沙阈值3.0 m·s-1[24]。肖塘08:00—18:00风速廓线在4 m处存在拐点，拐点以上高度层风速基本保持不变，平均风速为2.29 m·s-1，小于临界起沙风速。夜间塔中和肖塘风速廓线均向上凹，说明两地夜间近地层皆处于不稳定状态。

图11 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区阴天天气下近地层风速廓线Fig.11 The profiles of near-surface layer wind speed under typical cloudy condition in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

图12 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区浮尘天气下近地层风速廓线Fig.12 The profiles of near-surface layer wind speed under floating dust condition in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

3.6 扬沙天气下近地层风速廓线对比

扬沙天气下，0.5～80 m范围内，塔中和肖塘平均风速分别为3.85和4.15 m·s-1，肖塘大于塔中，且两地平均风速均大于塔克拉玛干沙漠临界起沙阈值3.0 m·s-1[24]。塔中18:00风速梯度最大为7.77 m·s-1，06:00风速梯度最小为2.08 m·s-1，肖塘12:00风速梯度最大为7.57 m·s-1，18:00风速梯度最小为0.77 m·s-1。图13为2018年塔中和肖塘地区扬沙天气下近地层风速廓线。可以看出，肖塘和塔中两地风速廓线满足风速随高度增高而增大的对数规律。

3.7 沙尘暴天气下近地层风速廓线

沙尘暴天气下，风速显著增大，0.5～80 m范围内，塔中和肖塘平均风速较大，分别为5.42和6.40 m·s-1。塔中风速梯度14:00最大，高达8.19 m·s-1，18:00风速梯度最小为3.68 m·s-1，肖塘风速梯度10:00最大，高达10.18 m·s-1，23:00风速梯度最小，为1.76 m·s-1。

图13 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区扬沙天气下近地层风速廓线Fig.13 The profiles of near-surface layer wind speed under blowing sand condition in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

2018年5月24日塔中沙尘过境时段为14:24—15:11和16:06—17:22，水平能见度为511 m；肖塘沙尘暴过境时段为08:43—09:21和10:12—16:26，两个时段水平能见度分别为100 m和50 m。

图14为2018年塔中和肖塘地区沙尘暴天气下近地层风速廓线。可以看出，沙尘暴天气下，塔中和肖塘两地全天内各时刻风速随高度增高而增大。肖塘和塔中的风速廓线皆向上凹，说明沙尘暴天气下两地近地层的大气层结处于不稳定状态。沙尘暴整个过程分为爆发前、过境时和间歇过渡时段。沙尘暴过境时风速要大于爆发前和间歇过渡时段。风速是起沙的直接动力条件，塔中和肖塘在沙尘暴爆发期间风速显著增大，10 m平均风速分别为8.57和11.79 m·s-1，超过塔克拉玛干沙漠沙尘暴爆发风速8.0 m·s-1，且在80 m处达最大，导致沙尘在空中悬浮距离增大，形成大规模起沙现象。在沙尘暴爆发前塔中风速逐渐增大，过境时风速廓线在贴地层4 m处出现拐点，拐点以上风速随高度的增加满足对数加线性规律，沙尘暴过境后，风速逐减小。肖塘在沙尘暴爆发前风速廓线出现起伏，近地层风速较小为2.93 m·s-1，已接近3.0 m·s-1的临界起沙阈值[25]，随着湍流加强，高层风速最先开始变大，随着动量向下传输，近地面风速也开始增大，风切变明显加强，沙尘暴结束后，风速廓线趋于垂直，风速变化幅度小。

3.8 有、无沙尘天气下近地层风速廓线拟合

风速廓线拟合主要满足对数规律和指数规律，对数规律和指数规律是以半经验理论为基础，依据莫宁-奥布霍夫相似理论体系建立起来的风速随高度变化的模型或改进模型。由于中性层结时大气热力湍流微弱，湍流运动完全取决于动力因子作用，此时的风廓线可以表示为

图15为塔中和肖塘近地层中性层结时平均风速以及对数拟合。可以看出，塔中和肖塘近地层为中性层结时，有、无沙尘天气下风速廓线均呈对数分布，且拟合出的决定系数R2都在0.99以上。

图16为塔中和肖塘近地层非中性层结时平均风速以及指数拟合。可以看出，拟合结果较好，塔中和肖塘在非中性层结时风速廓线呈指数分布，拟合出的决定系数R2较高。

图14 2018年塔中(a)和肖塘(b)地区沙尘暴天气下近地层风速廓线Fig.14 The profiles of near-surface layer wind speed under sand and dust storm weather condition in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas in 2018

图15 塔中(a)和肖塘(b)近地层中性层结时平均风速以及对数拟合Fig.15 Mean wind speed and logarithmic fitting in neutral stratification near surface in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas

图16 塔中(a)和肖塘(b)近地层非中性层结时平均风速以及指数拟合Fig.16 Mean wind speed and exponential fitting in non-neutral stratification near surface in Tazhong (a) and Xiaotang (b) areas

4 结 论

(1)在各种典型天气下，塔中和肖塘地区风速廓线在4 m高度处皆出现拐点，拐点以上风速廓线满足对数-线性规律，拐点以下基本满足对数规律。

(2)在晴天天气下塔中和肖塘各季节平均风速夏季>春季>秋季>冬季，白天受太阳辐射影响，近地层大气处于不稳定状态，随着不稳定度的增大，湍流混合作用因热力不稳定而不断加强，上下层之间动量交换增大，导致风速切变不断减小。

(3)塔中和肖塘在沙尘暴爆发期间风速显著增大，平均风速分别为8.57和11.79 m·s-1，超过塔克拉玛干沙漠沙尘暴爆发风速8.0 m·s-1，且在80 m高度处达到最大风力，导致沙尘在空中悬浮距离增大，形成大规模起沙现象，且两地平均风速沙尘暴>扬沙>浮尘。

(4)塔中和肖塘近地层为中性层结时风速廓线符合对数分布，非中性层结时符合指数分布，且拟合出的相关系数都较高。