塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验成果概述∗

何清，金莉莉

(中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所，塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地，新疆 乌鲁木齐830002)

0 引言

塔克拉玛干沙漠面积33.76×104km2，是我国最大的沙漠，地理位置处于东经77°～90°、北纬37°～41°之间，位于中国新疆南部塔里木盆地，东西长约1 070 km，南北宽410 km[1]．塔克拉玛干沙漠沙尘天气发生期持续时间长，跨越了整个春夏季节，而且西风带可以将特强沙尘暴天气形成的沙尘带至数千公里以外，对我国东部区域乃至全球气候和环境的变化都有着直接的影响．

20世纪80年代以来，中国科学家基于短期观测先后开展了有关塔克拉玛干沙漠的考察研究，取得了沙漠气候领域的基础性成果．中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所自2002年组建以来，在塔克拉玛干沙漠开展了不同强度沙尘暴天气野外强化观测，获取了沙尘暴的分级试验指标．自2005年起，在中国气象局和财政部的共同资助下，乌鲁木齐沙漠气象研究所先后在塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠和内蒙古巴丹吉林沙漠建立了以梯度通量塔为核心的沙漠边界层气象观测试验站和风沙观测试验场，建成了南北纵向剖面的近地边界层大气观测网络，为开展沙漠及其周边地区重大灾害性天气预报预警提供了基础资料和关键技术支撑．随着沙漠大气综合观测研究平台的建立，适用于沙漠地区的边界层探测技术和集成方法的研发，沙漠边界层系统性的监测资料和理论研究，许多诸如沙漠起伏地表非均匀性、近地层到边界层结构变化认识、沙漠陆面过程在气候系统中的作用等问题逐步深入推进，同时，开展沙漠地气相互作用和起沙输送过程观测试验，发展和研究较为准确的描述沙漠陆面过程数值模式和参数化方案，从而为沙漠灾害性天气的精细化观测和中尺度数值预报模式改进提供基础资料和技术支撑．

鉴于此，本文试图对塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验及有关科学问题深入思考的基础上，归纳塔克拉玛干沙漠气象取得的研究成果及面临的关键科学问题，初步提出破解非均匀下垫面沙漠气象关键科学问题的基本思路，为今后继续深入开展沙漠气象研究提供参考．

1 塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地

中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地位于沙漠腹地塔中石油作业区，地理位置为38°58′N，83°39′E，海拔1 099.3 m．试验基地始建于1996年7月，1999年1月1日正式纳入中国气象局国家基本气象站，2002年建立中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所塔中大气环境观测试验站，2008年纳入中国气象局国家基准气象站，目前该站是世界上唯一深入流动沙漠腹地200 km以上的大气科学综合观测试验站，该站已连续观测20多年．中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地观测结果可代表塔克拉玛干沙漠区域的大气物理和大气环境基本特征．基于该试验基地观测资料的对流动性沙漠下垫面陆气相互作用、沙漠边界层与湍流、沙漠大气成分浓度及其变化研究具有代表性和参考价值，是研究流动沙漠大气边界层物理过程、流沙陆面过程、沙尘大气环境十分理想的天然试验场．该试验基地的全边界层探测及多种试验数据分析得到的沙漠天气系统结构特征在南疆具有区域代表性．长期的沙漠定位观测将有力地推动我国沙漠气象学领域基础和应用研究工作扎实开展．

2005年以来，在中国气象局和财政部的资助下，以塔克拉玛干沙漠腹地塔中作为试验基地，先后建立了80 m梯度铁塔通量探测系统、辐射探测系统、涡动相关探测系统以用于观测塔克拉玛干沙漠近地层结构、水热通量交换以及地表辐射能量收支．同时，引入系留气艇探测系统、风廓线雷达探测系统和无人机探测边界层气象要素和沙尘浓度垂直分布．2016年在财政部的资助下，在塔中以北约220 km处肖塘流沙下垫面建立100 m梯度铁塔通量探测系统（40°49′N、84°18′E，海拔932 m)，形成了沙漠腹地和北部过渡带边界层探测对比系统．

图1 塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地位置

2 塔克拉玛干沙漠气象研究成果概述

20世纪70年代以来以Charney为代表的一批科学家对撒哈拉沙漠和萨赫勒地区干旱气候形成动力学机制的反照率、热量平衡等因素做了大量研究，发现高反照率使沙漠形成热汇和空气下沉，从而导致降水减少；反之，则降水增加[2,3]．20世纪80年代以来，Henderson Sellers[4]、Cunnington[5]等对不同下垫面反照率均进行了细致的分析研究；Hwang[6]进行了土壤湿度对裸露土表面能量平衡影响研究；Warner[7]的研究囊括了沙漠气候的所有方面，内容涉及大尺度和局部尺度干旱的成因、沙漠降水特征、沙尘暴、沙漠气候变化、沙漠化、沙漠陆面物理学、沙漠大气数值模拟及沙漠气候对人类的影响，提供了世界荒漠地区气候和表面属性的概要．

20世纪30年代以来，沙尘暴或风沙运动研究手段有了重要的进展．Bagnold的著作为风沙物理学研究奠定了基础[8]．这些试验方法在20世纪70年代以前是研究沙尘暴或发生运动的主要手段，被Chepil[9]，雅库波夫[10]，河村龙马[11]，Zingg[12]，Owen[13]等学者沿用．20世纪80年代后期，特别是20世纪90年代以来，由于科技水平的发展，高频率、自动化、微小尺度的监测仪不断被用于风沙运动的研究中，如高速摄影监测系统等[14]．

新疆作为全国荒漠面积最大的省区，有一些学者早期开展了一些边界层与地气相互作用的考察研究，其主要在荒漠边缘区进行．20世纪80年代以后对塔克拉玛干沙漠进行的综合科学考察研究，主要研究了沙漠中诸如沙尘暴、尘卷风、风沙、强烈干旱、高温、严寒、强光辐射等严酷环境问题，初步认识了塔克拉玛干沙漠天气气候动力和热力机制．

2.1 沙漠气候与沙尘环境

塔克拉玛干沙漠近50年气候总体呈较明显的“暖湿化”趋势，年平均气温在1970年突变性地升高，降水量表现出增加趋势，降水日数呈减小趋势，降水量在1981年突变性地增多，而潜在蒸散量和地表干燥度在1981年突变性地减小．气温、降水、潜在蒸散量和地表干燥度分别存在准3 a、8 a的年际尺度和16 a～23 a的年代际尺度的周期性变化[15,16]．

2004年1月至2009年12月，塔克拉玛干沙漠腹地浮尘、扬沙日数呈上升趋势，沙尘暴日数呈下降趋势．春、夏季沙尘天气频繁，总悬浮颗粒物（TSP）月平均质量浓度高值主要集中在3—9月，其中4月和5月浓度最高（4 m高度PM10月平均质量浓度为846.0 μg·m−3），随后逐渐减低．塔克拉玛干沙漠的沙尘暴多为系统性沙尘暴，沙尘暴期间沙尘颗粒物浓度最高，且风速越大颗粒物浓度越高，80 m高度PM10浓度远高于PM2.5和PM1.0浓度，而80 m高度PM2.5和PM1.0质量浓度明显低于4 m高度的，且沙尘浓度日变化规律与风速的昼夜变化完全一致[17−21]．风速达到3.6 m·s−1之后黑碳气溶胶浓度随风速不断增大，不同风向时黑碳气溶胶浓度水平有较明显的差异[22−24]．

沙尘气溶胶输送至空中，改变了太阳辐射在地表的吸收和能量分配，这种特殊的天气背景必然使得塔克拉玛干沙漠的热力作用有其自身的特殊性[25]．塔克拉玛干沙漠腹地气溶胶对635 nm太阳辐射的散射作用最大，其次是525 nm，最小为450 nm．以上三波段散射系数日变化与PM10质量浓度一致，呈单峰变化：夜间高、白天低；三波段散射系数年变化基本一致，都与PM10变化接近；三波段散射系数均是沙尘暴下最大，扬沙次之，浮尘最小；三波段散射系数与PM10质量浓度都呈显著正相关，PM10质量浓度与525 nm散射系数相关程度最大，450 nm次之，635 nm最小[26−28]．

在沙尘事件集中爆发的两个主要区域（皮山—和田—民丰和肖塘—塔中），平均每年沙尘事件发生天数超过80天．该地区为沙尘暴、扬沙天气最高的区域，但沙尘天气发生的区域不同，沙尘暴天气的中心在沙漠的北部（肖塘，46.9天），然而扬沙天气的中心位置（皮山，86.4天）及浮尘事件活跃频繁地区（民丰，113.5天）分别位于沙漠的西南部和南部边缘．1961年至2010年沙尘暴的发生普遍减少，其中1961年至1979年发生扬沙呈上升趋势，随后总体呈减小趋势．主要是沙尘事件的时间变化受大风和日气温的影响，其平均相关系数分别为0.46和-0.41[29]．

2.2 沙漠陆气相互作用

2.2.1 沙漠大气边界层

在沙漠大气边界层领域，国内外学者先后开展了大量的研究，取得了一些重要的研究成果．撒哈拉沙漠观测到高达5.5 km的深厚对流边界层，并且残余层结构清晰[30]，中国河西走廊地区观测到超过4 000 m厚的对流边界层[31]，且苏从先等[32]于20世纪80年代在干旱区边界层的绿洲首次发现了“冷岛效应”结构．胡隐樵等[33]在20世纪90年代的“黑河试验”中发现了邻近绿洲的荒漠大气逆湿现象，并总结出绿洲与荒漠相互作用下的热力内边界层特征．中国敦煌发现该地区夏季晴空会出现超过4 000 m厚的对流边界层，并且夜间稳定边界层高度也可超过1 000 m[34−37]；中国巴丹吉林沙漠在夏季晴天对流混合层可以达到3 000 m高度[38]，而在塔克拉玛干沙漠腹地夏季晴空湍流发展剧烈，对流边界层发展极为深厚，最大高度可达到4 km[39−41]，夜间稳定边界层月平均厚度为570 m、残余混合层的平均厚度为2 700 m，残余逆温层顶盖的平均厚度为350 m[42]．沙漠腹地人工绿地存在较强的“冷岛效应”和“湿岛效应”[43]．塔克拉玛干沙漠腹地人工绿地中心和边缘地带局地小气候主要表现在较高的风速和春、夏、秋季湿度上，而气温和冬季湿度分别主要受逆温和逆湿的影响[44]．

2.2.2 沙漠陆面过程

塔克拉玛干沙漠腹地夏季夜间近地层存在逆温现象，日间气温变化情况与此相反；地表辐射平衡以正值为主，地表热量交换以湍流感热占主导地位，地表感热和潜热随着太阳高度角而变化，潜热最大值出现在凌晨，感热峰值出现在正午[45]．塔克拉玛干沙漠地表感热通量和潜热通量的分布存在较大的季节性和区域性差异，春季感热通量在沙漠北部有减弱的、沙漠南部有增强的趋势，春季潜热通量在沙漠北部、西北部有减弱的趋势，沙漠南部、东南部有增强的趋势，而冬、夏、秋季变化趋势不是很大[46−47]．在沙漠腹地人工绿地与自然沙面，地表热量输送主要以感热输送为主，但自然沙面感热通量更高、潜热通量更低[48]．

2.2.2.1 沙漠太阳辐射

塔克拉玛干沙漠受人类活动的影响非常小，太阳辐射的影响因子主要与云和沙尘气溶胶有关[49]．塔克拉玛干沙漠腹地总辐射、散射辐射和水平面直接辐射平均年总量分别为6 619 MJ·m−2、3 507.8 MJ·m−2和2 203.5MJ·m−2，典型晴天总辐射日峰值分别为散射辐射的2.4倍和直接辐射的1.5倍，沙尘暴天散射辐射值增加到与总辐射基本一致[50]．沙漠腹地的散射辐射表现为秋、冬季增加，并随太阳高度角的增大呈指数递增，大气质量的增加而迅速降低[51]．沙漠腹地紫外辐射平均年总量为320.7 MJ·m−2，最大值为62.5 W·m−2（6月），最小值为29.3 W·m−2（12月）；户外紫外线（UVB）辐射年总量为8.59 MJ·m−2，全年峰值（6月份）为2.51 W·m−2．春、夏季沙尘频发使紫外辐射日变化波动较大，在浮尘天、扬沙天和沙尘暴天，紫外辐射相对衰减26%、38%和45 %，沙尘导致的紫外辐射衰减是云量导致的紫外辐射衰减的2～4倍[52,53]．

2.2.2.2 沙漠土壤热力作用

塔克拉玛干沙漠腹地平均土壤热容量、热传导率和热扩散率分别为1.559（±0.140）×106J·m−3·K−1、0.234（±0.021）W·m−1·K−1和1.504（±0.110）×107m−2·s−1；土壤热容量和热传导率具有明显的季节性变化，冬季值稳定且低而夏季值不稳定且高[54]．塔克拉玛干沙漠地表发射率在靠近绿洲的地表最高，达到0.93，在绿洲与沙漠过渡带为0.91～0.92，沙漠其它地区为0.90～0.91，而沙漠腹地区域小于0.90[55]．塔克拉玛干沙漠腹地和北缘地表反照年平均值为0.27[56]，反照率日均值的季节性变化明显，冬季高、夏季低．沙漠腹地积雪覆盖期间地表反照率在0.18～0.97之间，日均值为0.60，其日变化更偏向反“J”型，呈现出上午大于傍晚的形态，平均早晚较差为0.13．积雪地表反照率与地表温度表现出负相关关系，相关系数为-0.71，与5 cm深度土壤湿度呈负相关关系，相关系数为-0.74[57]．塔克拉玛干沙漠北缘不同天条件下，气地表反照率也不同，雨天减小，雪天增大．晴空指数≤0.3时，地表反照率波动很大，土壤湿度对沙漠北缘地表反照率日变化有影响，且地表反照率对0.097～0.13范围内的浅层土壤湿度响应敏感[56]．沙漠北缘地表反照率（α）和比辐射率（ε）分别为0.27和0.91，这与塔克拉玛干沙漠腹地及北美大盆地沙漠一致，且α和ε值可从遥感产品获取[58]．

塔克拉玛干沙漠腹地1 cm处土壤热通量年平均值为1.9 W·m−2，年最大值为334.1 W·m−2，年最小值为-184.2 W·m−2，基本表现为夏季>春季>秋季>冬季；土壤热通量的各土层具有明显的日变化特征，并在不同天气情况下的日变化特征有一定的差异，在1 cm处受天气影响最显著[59]．在日变化尺度上，沙漠腹地和北缘土壤热通量有明显日变化特征，1月沙漠腹地土壤热通量日平均变化幅度小于北缘，4月两地土壤热通量变化幅度较为接近，7、10月腹地土壤热通量变化幅度明显高于北缘[60]．

2.2.2.3 沙漠二氧化碳和臭氧浓度

塔克拉玛干沙漠腹地地表白昼吸收CO2、夜间排放CO2，且吸收强度大于排放强度，CO2通量受大气稳定性影响较大[61]．沙漠腹地土壤呼吸速率整体偏低，但具有明显的昼夜波动性和季节变化特征[62]．而沙漠北缘盐碱地和流沙地的土壤呼吸速率较低[63]．土壤呼吸和微弱的气象条件相互作用，共同调节和控制近地层CO2的浓度变化[64]．冬季土壤呼吸日变化呈现出显著的单峰曲线，土壤呼吸速率与各层气温、0 cm地表温度之间均具有极其显著或显著的正线性关系，与5 cm土壤湿度之间具有较明显的线性关系，且0 cm地表温度对其贡献最大[65]．

塔克拉玛干沙漠腹地地表臭氧的平均浓度在33.8 μg·m−3～65.3 μg·m−3之间，其平均值为49.0±0.45.μg·m−3；臭氧浓度变化具有周末效应现象，即夜间变化平缓，白天变化剧烈，09:00前后达到最低值，18:00前后达到最高值．沙尘暴期间，臭氧浓度下降明显[18]．

2.2.2.4 沙漠陆面过程关键参数

塔克拉玛干沙漠腹地动力学粗糙度的范围是2.7 ×10−5m～8.0× 10−5m，最佳值是3.88 ×10−5m[54]．塔克拉玛干沙漠北缘动力学粗糙度（z0m）的最佳值为5.858×10−3m，与Mojave沙漠、秘鲁沙漠、索诺兰沙漠、黑河地区、巴丹吉林沙漠相似．塔克拉玛干沙漠北缘热力学粗糙度（z0h）的峰值为1.965×10−4m，与塔克拉玛干沙漠腹地不同．年平均热传输附加阻尼（kB−1）为2.5，与黑河地区地气相互作用实验研究（HEIFE）的戈壁及沙漠不同，但与青藏高原和国际水文和大气先行性试验（HAPEX）中的荒漠草原相似．z0m和z0h日变化不明显，但季节变化明显，热传输附加阻尼(kB−1)日变化和季节变化均不明显．z0m受到局地风向影响明显．在盛行风向和反盛行风向有许多起伏的沙丘，与z0m峰值方向一致．湍流动力输送系数（Cd）和湍流热力输送系数（Ch）日平均值（24小时）分别为6.34×10−3和5.96×10−3，高于塔克拉玛干沙漠腹地和戈壁区域，与HEIFE沙漠相似．在盛行风向下（NNE—ESE），根据相似理论，平均Cd和Ch具有相同的量级．在不同风向下，Cd和Ch与风速（U）、稳定度参数（z/L）的关系是不同的．当风速低于3 m·s−1时，且其最小值达到1 m·s−1～2 m·s−1时，Cd和Ch迅速降低．应该指出，使用感热通量估算的ε值比使用其它方法估算要好[58]．

2.2.2.5 沙漠湍流通量

沙漠腹地湍涡特征长度尺度在弱不稳定或近中性条件时最大，随不稳定程度的增强有明显减小的趋势，随稳定程度的增加有先迅速减小后缓慢增加的趋势[66]．近地层风速在沙尘暴过境期间具有先降低后增大的特点．在10 m高度上，动量向下输送明显，热量输送只有很小的上升趋势；沙尘暴过境前，近地面为弱稳定的逆温层，空气处于暖干的状态，10 m高度上垂直气流表现为系统性的下沉运动，随着沙尘暴爆发，湍流交换显著增强，气流有上升运动趋势，但强度不大，仍以水平湍能为主[67]．

在沙漠北缘大部分情况下湍流速度谱分布满足-2/3幂指数率，垂直方向高频段惯性副区符合程度更高，水平方向次之；CO2和H2O浓度则符合程度较低；温度谱与无因次频率总体上都具有很好的相关性．垂直风速与径向风速的协谱斜率拟合值大多数情况下更接近-1，而在近中性层结条件下更符合-4/5斜线．稳定层结条件下的协谱峰值比不稳定层结时更大，且约大一个量级；不稳定层结条件下高频段协谱近直线型下降．u谱对应的谱峰波长随稳定度增加而减小，v谱和T谱对应的谱峰波长随稳定度的增加没有规律性增减；u、v、w和T谱谱峰波长分别约67 m～827 m、69 m～2 417 m、4 m～54 m和12 m～661 m[68]．

2.3 风沙物理研究

2.3.1 地表环境特征

塔克拉玛干沙漠地表土壤平均粒度为15.6 μm～250 μm，为细砂（125 μm～250 μm）、极细砂（62.5 μm～125μm）、粗粉砂（31 μm～62.5 μm）、中粉砂（15.6 μm～31 μm）或者是其混合体[69]，其中，沙漠腹地和北缘贴地层（2 m高度以下）风沙流输沙以细砂（125 μm～250 μm）、极细砂（62.5 μm～125 μm）与粉砂为主，其中极细砂最多，占到输沙量的43.8%～75.5%．各高度层中，粗砂（>250 μm）的含量极少[70]．风沙流所搬运的沙粒的平均粒度都集中在62.5～125 μm的极细砂范围内，所有沙样的粒度都随着高度呈递减分布，近地面5 cm的平均粒度最大，2 m高度的平均粒度最小，说明在其它条件相同的情况下，粒度小的沙粒可以跳得更高[71]．

塔克拉玛干沙漠腹地粒径大于0.3 mm的沙粒透明度较好，也有少量的沙粒透明度较差，如红色和黑色的沙粒，沙粒的表面磨蚀较为明显，棱角较少，圆度较好．圆度值分布相对集中，大都在0.7～1.0之间，并且圆度值在0.8～0.9之间的沙粒比例最大，尤其以5 cm、10 cm和200 cm高度上的沙粒最为明显；粒径在0.125～0.3 mm之间的沙粒形状各种各样．沙粒的圆度值集中分布在0.7～1.0之间，圆度值小于0.7的沙粒占到了41.49 %；粒径在0.074 mm～0.125 mm之间的沙粒中条形沙粒增多，沙粒的形状更加复杂，表面的磨蚀也越来越轻，棱角也更加尖锐[72]．

2.3.2 风沙通量研究

塔克拉玛干沙漠腹地0 cm～100 cm风沙流结构完全符合指数分布，北缘则没有这样的特征．风沙流输沙的粒径以细沙、极细沙、粉沙为主，其中极细沙占输沙量的43.8%～75.5%．输沙量随高度的增加呈下降趋势，沙漠腹地风沙运动主要集中在近地表20 cm～30 cm范围内，0 cm的输沙量可作为蠕移沙量，其约占总输沙量的11.6%，风沙流的蠕移输沙量方向分布与风向分布存在较大的差异．风沙流中贴地层风速廓线受风沙相互作用的影响，不再符合对数分布，更加符合幂函数分布（u=azb），拟合系数均大于0.93[70,71]．

沙漠腹地起沙风向和输沙势主要分布在ENE、NE及E这3个方向上[73]．沙尘天气（沙尘暴和扬沙）过程中，随着风速的增大，各高度层的输沙量也随之增大；两种天气过程中，沙粒的平均粒径在垂直高度上均呈现先减小后增大的趋势．利用Hsensit风蚀传感器、风速仪、微梯度集沙仪器观测的资料分析发现，85 mm高度范围内，随风速的增加，跃移量/蠕移量之比呈负幂数函数下降，当风速在8.5 m·s−1左右时，跃移量/蠕移量之比约为8～10；风速达到6.9 m·s−1时，总跃移量最大值达1 952.01 g；风速达到7.6 m·s−1时，总蠕移量最大值达211.79g．总跃移量和总蠕移量的比值随风速的增加呈指数递减，典型天气过程中不同风速下的总跃移量和总蠕移量比值约为8～24．随风速的增大，输沙量越来越集中在0 mm～35 mm范围内．集沙总量与Sensit风蚀传感器所记录的跃移颗粒数具有较好的线性关系，R2值平均为0.605 3，全自动集沙仪在5 cm高度上的平均集沙效率为94.3%，观测期间，不同沙尘天气过程的沙尘输送量之间存在显著差异，过宽2 cm×高5 cm截面的沙尘最大水平通量约为190.335 kg，其最小值为1.2 kg．沙尘天气中，输沙率的最大值出现在5 mm～15 mm高度，最小值出现在35 mm～85 mm高度．扬沙天气中，风速大于9.2 m·s−1时，输沙率最大值出现在0 mm～5 mm处．沙尘暴天气中，拐点风速为7.5 m·s−1，其小于7.5 m·s−1时，输沙率的增加不显著，大于7.5 m·s−1时，输沙率的增加显著[74−78]．利用BSNE集沙仪观测到沙丘顶部和平沙地沙尘水平通量均随高度呈显著降低趋势，在这两种下垫面条件下，沙尘水平通量随高度的变化均较好地符合幂函数关系[79]．

垂直沙通量随风速增加而增加，最大通量集中在午后．当2 m风速为2 m·s−1时，沙漠腹地和北缘垂直沙尘通量接近3 kg·m−2；当2 m风速为6 m·s−1时，腹地和北缘垂直沙尘通量为10 kg·m−2，而水平沙尘通量的量级大于垂直沙尘通量．当风速为2 m·s−1时，腹地和北缘水平沙尘通量为20 kg·m−2左右，其中腹地的值稍大；当风速为4 m·s−1时，腹地和北缘水平沙尘通量为40 kg·m−2左右，其中腹地的值较大；当风速为6 m·s−1时，腹地和北缘水平沙尘通量值分别为70 kg·m−2左右和65 kg·m−2左右[80]．

沙漠腹地沙尘暴平均粒径在70 μm～85 μm的范围，由于沙丘和山谷的存在，近地层水平沙尘通量在较低高度内随着高度的增加而增加，但在32 m以上基本不变．边界层垂直分布受风速控制，平均通量值在8 kg·m−2～14 kg·m−2范围内变化．粉尘粒径PM100及以下的占采集样品的60%～80%，其中PM0−2.5为0.9%～2.5%、PM0−10为3.5%～7.0%、PM0−20为5.0%～14.0%、PM0−50为20%～40%．沙尘垂直通量势平均为0.29 kg·m−2左右，从80 m向行星上层边界层和自由大气输送小于PM20的颗粒[81]．

2.3.3 近地层起沙输送机制

塔克拉玛干沙漠腹地平均风蚀气候因子指数（评价某一地区潜在风蚀能力的主要指标）值全年为28.3、夏季为13.9、冬季为0.7．地表粗糙度平均值为6.32 10−5m×10−5m，由于地表粗糙度小，该地区的土壤风蚀程度加重了[82]．塔克拉玛干沙漠腹地的临界摩擦速度为0.24 m·s−1，杨兴华等[83]发现Lettau输沙率公式的计算结果与实测值最接近．春夏季地表起沙的临界摩擦速度为0.26 m·s−1，2 m高度的临界起沙风速约为4.1 m·s−1；沙尘通量的变化与风速及摩擦速度的变化具有一致性．周成龙等[73]综合考虑了地表土壤粒径、土壤湿度、空气密度等因素，得出沙漠腹地2 m高度的临界摩擦速度值（0.24 m·s−1～0.36 m·s−1）和临界起沙风速值（3.9 m·s−1～5.9m·s−1，均值为5.1 m·s−1）；沙漠腹地起沙阈值、最高值出现在夏季，次高值出现在冬季，最小高值出现在春季．

利用不同时间步长获取的临界起沙风速具有一定的差异，随着时间步长的缩小，临界起沙风速的获取越来越细化．在不同的参数化方案中，临界起沙风速值不同，基于Marticorena和Shao方案得到的临界起沙风速均值分别为4.88 m·s−1和6.24 m·s−1[84−85]．通过H11LIN型风蚀传感器获得的沙漠腹地最小起沙风速和临界起动摩擦速度分别为6.0 m·s−1和0.25 m·s−1[86]．

塔克拉玛干沙漠跃移运动往往易发生在白天，跃移最活跃的时间为地方时11:30左右到16:30左右．从2008年9月1日至2010年8月31日，跃移运动占全年总时间的3 %以上，并在春季和夏季的有大风运动月份趋于达到峰值．然而，在冬季风速较弱的几个月里，跃移运动往往是最不活跃的．在极端干旱的塔中地区，降水因素对减少沙粒跃移运动没有显著作用[87−88]．

Stout开发的高斯时间分数等效法（间隔为1天），得到的摩擦速度阈值为3.03 m·s−1～5.62 m·s−1（野外试验观测方法），Kurosak方法得出的值为3.71 m·s−1～5.74 m·s−1（统计计算方法），Marticorena和Shao模型给出的值分别为4.87 m·s−1～4.90 m·s−1和5.82 m·s−1～6.78 m·s−1（模型参数化的方法）[85]．Stout、Kurosak、Marticorena和Shao方法的总水平沙尘通量估计值分别为1 311.9 kg·m−1、1 166.4 kg·m−1、1 279.9 kg·m−1和661.6 kg·m−1，而观测值为732.9 kg·m−1．基于Stout、Kurosak、Marticorena和Shao方法的估计值和观测值的相关系数分别为0.75、0.79、0.77和0.83．Stout、Kurosak、Marticorena和Shao方法根据摩擦速度阈值估算的风沙跃移持续时间分别为8 211min、6 575 min、7 567 min和3 463 min，而正确的时间分别为6 208 min、5 646 min、5 986 min和3 346 min．

风蚀的阈值（TWV）主要发生在白天（08:00～20:00），TWV以上风速频率表现出较大的季节变异性：春季（6.4%）>夏季（5.6%）>秋季（1.7%）>冬季（0.8%）．累计起沙（DUP）在6月17日达50%，而9月1日增加至90%．从2008年9月1日至2010年8月31日，均在4月1日至7月31日进行了观测，2年观测的结果均显示产生了75.4%的DUP．研究表明，不同的风速时间分辨率会影响DUP的计算，当风速测量持续1分钟时，DUP为9.93×106m3·s−3，持续5分钟时DUP为8.96×106m3·s−3，持续10分钟时DUP为8.51×106m3·s−3，持续15分钟时DUP为8.32×106m3·s−3；DUP的季节变化规律呈：冬季>夏季>秋季>春季．通过对昼夜DUP和不同观测时段风速的分析，发现主要偏差发生在清晨和晚上．如果在10分钟或更长的时间间隔内测量平均风速，则评估风尘运动造成的损害会存在一定误差[89]．

3 结语

中国气象局在塔克拉玛干沙漠腹地建立了中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所塔中大气环境观测试验站，在塔克拉玛干沙漠及周边地区陆气相互作用、天气气候形成动力学机制、大气环境和沙漠区地表起沙及其输送机理等方面进行了长达十几年的研究，在沙漠气候与环境、沙漠陆气相互作用、风沙物理学等方面取得了较为系统的成果．但还存在系统性不够完善、问题的揭示与理解不足、对野外实测的各类要素数据的分析不够深入、利用不充分等问题．

为了满足国家在区域发展、防灾减灾、气象服务、科学研究等方面日益增长的需求，需加强陆气相互作用研究和地表起沙输送过程观测试验，增强综合观测资料的应用能力，完善沙漠地区气候变化特征、风沙运移规律及沙漠微气象特点等方面的研究；同时需要获取改进区域数值预报模式所需的关键陆面过程参数以及结合遥感技术手段提高模式预报的能力；还需要利用现代空天地观测手段结合大数据处理方法，围绕沙漠地区沙尘气溶胶辐射强迫和沙漠大气之间的复杂耦合系统正、负反馈作用影响机理等科学问题进行深入研究．