0 引言
柴达木盆地沙漠是中国海拔最高的沙漠之一，是进行风沙地貌研究的天然实验室。该沙漠西北部为中国最大的雅丹地貌分布区［11-12］，在沙漠中部及山前冲-洪积平原上发育有新月形沙丘、新月形沙丘链、线形沙丘等风积地貌［13-14］，在盆地东南部的冲-洪积平原上则发育有新月形沙丘、新月形沙丘链、格状沙丘、星状沙丘等［15］。近年来以柴达木盆地作为研究区域与相应的火星风沙地貌进行类比的研究越来越多［16］。对该沙漠的风能环境研究已取得一定进展。受大气环流和区域地形的影响，柴达木盆地沙漠风况相对简单，但具有一定的区域差异性，尤其是不同的风沙地貌分布区域［17-23］。需要指出的是，上述研究有的基于国家基准站提供的风速、风向数据，数据分辨率相对较低且大多位于沙漠边缘。而有的研究虽然能将自动气象站架设于沙漠腹地，但却是以某一区域的特定风沙地貌类型为研究对象。针对上述研究问题，本研究拟将自动气象站架设于盆地内不同风沙地貌分布区，通过对这些区域的风速和风向进行长时间序列的观测，来探讨柴达木盆地内部的风能环境特征及其对风沙地貌发育的影响。
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
柴达木盆地是青藏高原东北部最大的山间断陷盆地，面积12万km2，盆地内部海拔2 500~3 000 m。盆地四周高山环绕，西部和南部为昆仑山，西北部为阿尔金山，东北部为祁连山，东南部为鄂拉山，平均海拔4 000~5 000 m。柴达木盆地气候极端干旱，盆地东南部的年平均降水量达到100 mm，而盆地的西北部少于20 mm，年平均潜在蒸发量却高达降水量的100倍。柴达木盆地气候的另一个显著特征就是多大风、沙尘天气，尤其是每年的3—4月。由于盆地西北部的阿尔金山相较于周边山脉海拔偏低，使得来自塔里木盆地的北风和西北风可以翻越阿尔金山进入柴达木盆地，形成极端干燥的焚风［24］。这种焚风经过长期的吹蚀，在盆地内塑造了多种典型的风沙地貌形态（图1）。
图1
图1
柴达木盆地自然地理概况及观测点分布
基于青海省标准地图服务系统标准地图（审图号：青S（2023）016号）制作，底图边界无修改
Fig.1
Physiographic setting and distribution of observation stations in the Qaidam Basin
1.2 研究方法
为了研究柴达木盆地内部不同区域的风能环境特征，在不同风沙地貌区域选择9个观测点（编号A~I）分别架设自动气象站进行观测，同时结合采用类似观测方法已发表的相关数据。本文所探讨的各观测点位置及其他具体信息详见图1和表1。观测点A和B均对应于柴达木盆地西北部的长垄状雅丹分布区，分别位于昆特依和察汗斯拉图干盐湖的边缘，观测点C和D的观测对象分别为方山状和犬牙状/圆锥状雅丹分布区，观测点F和H均对应于东台和察尔汗的鲸背状雅丹分布区，观测点G和I分别对应于涩北和察尔汗的线形沙丘区，而观测点E则对应于祁曼塔格山前冲-洪积平原上发育的沙丘区（图2）。观测点A~G的自动气象站均采用Gill公司生产的Windsonic二维超声风速仪，数据采集采用美国Campbell公司生产的CR300数据采集仪，测风站高度2 m，数据采集间隔均为10 min。而观测点H和I的自动气象站则是采用长春气象仪器研究所研制的FC9-1风速风向传感器，数据采集采用美国Campbell公司生产的CR200数据采集仪，测风站高度也为2 m，数据采集间隔为15 min。
表1 柴达木盆地各观测点信息
Table 1
| 观测点编号 | 经度（E） | 纬度（N） | 海拔/m | 地貌类型 | 观测时间 | 观测周期/min | 数据来源 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 92°56′56″ | 38°37′13″ | 2 754 | 长垄状雅丹 | 2017-11—2018-10 | 10 | [21] |
| B | 92°14′43″ | 38°31′09″ | 2 756 | 长垄状雅丹 | 2019-06—2022-05 | 10 | 本文 |
| C | 92°06′48″ | 38°07′52″ | 2 722 | 方山状雅丹 | 2019-05—2022-04 | 10 | 本文 |
| D | 92°14′10″ | 37°36′10″ | 2 957 | 犬牙状/圆锥状雅丹 | 2019-06—2020-05 | 10 | 本文 |
| E | 91°54′02″ | 37°33′25″ | 3 081 | 新月形沙垄 | 2021-01—2021-12 | 10 | 本文 |
| F | 94°10′25″ | 37°41′59″ | 2 662 | 鲸背状雅丹 | 2019-06—2021-05 | 10 | 本文 |
| G | 94°53′43″ | 37°12′09″ | 2 699 | 线形沙丘 | 2018-01—2018-12 | 10 | 本文 |
| H | 95°11′18″ | 37°13′58″ | 2 687 | 鲸背状雅丹 | 2009-08—2010-07 | 15 | [20] |
| I | 95°24′05″ | 37°07′40″ | 2 713 | 线形沙丘 | 2009-08—2010-07 | 15 | [13] |
图2
图2
柴达木盆地各观测点周边地形特征
Fig.2
Surrounding terrain characteristics of observation stations in the Qaidam Basin
本研究主要统计各个气象站点记录的风速和风向数据。风速从全部风速记录和起沙风两方面统计分析，风向特征采用16方位统计分析全部风速和起沙风的风向。采用Fryberger等［10］提出的风能环境评价方案进行输沙势计算：
式中：DP为输沙势（Drift Potential，DP），单位是矢量单位（VU）；V为风速，单位为节（1节=0.514 m·s-1）；Vt 为起动风速，根据对柴达木盆地沙漠的风况观测［25］，本研究将起沙风定为6 m·s-1；t为起沙风时间，使用观测时段内起沙风出现次数占总观测次数的百分比表示。
RDD为合成输沙方向（Resultant Drift Direction，RDD），代表基于16方位进行矢量合成的净输沙方向；RDP为合成输沙势（Resultant Drift Potential，RDP），代表基于16方位进行矢量合成的净输沙势；RDP / DP称为风向变率，指示风向变化情况。风况参数的空间变化特征基于ArcGIS 10.0软件，通过克里金插值方法获取。
| DP/VU | 风能环境 | RDP/DP | 方向变率 | 风况类别 |
|---|---|---|---|---|
| <200 | 低 | <0.3 | 高 | 复杂或钝双峰风况 |
| 200~400 | 中等 | 0.3~0.8 | 中等 | 锐或钝双峰风况 |
| >400 | 高 | >0.8 | 低 | 窄或宽单峰风况 |
2 结果与分析
2.1 风况特征
风速是衡量区域风能强度的最直接指标。柴达木盆地年平均风速、起沙风平均风速和起沙风频率的变化趋势较一致（图3）。柴达木盆地年平均风速2.55~4.23 m·s-1，平均为3.45 m·s-1；起沙风平均风速7.46~9.05 m·s-1，平均为7.96 m·s-1；起沙风频率8.71%~25.80%，平均为15.38%。就风沙地貌类型而言，在对应的雅丹地貌区气象站中，位于盆地西北部的察汗斯拉图干盐湖西北缘的长垄状雅丹气象站（观测点B）年平均风速、起沙风平均风速和起沙风频率均为最高，而位于盆地中部东台的鲸背状雅丹区（观测点F）三者均为最低。在所观测的沙丘地貌区气象站中，察尔汗线形沙丘区（观测点I）的年平均风速、起沙风平均风速和起沙风频率最高，而祁曼塔格山前沙丘区（观测点E）三者均为最低。
图3
图3
柴达木盆地各观测点风速特征
Fig.3
Wind speed characteristics of observation stations in the Qaidam Basin
由于只有起沙风才对风沙地貌的发育具有实际作用，因此，本部分主要探讨起沙风的风向特征（图4）。长垄状雅丹区起沙风为单峰型，以NNW和NW风向为主，其余雅丹区的风向均为双峰型。昆特依干盐湖长垄状雅丹区（观测点A）起沙风以NNW方向起沙风占绝对优势，占年起沙风的82.44%，其次为NW方向起沙风，占12.75%，两者占全年起沙风的95.19%。察汗斯拉图干盐湖长垄状雅丹区（观测点B）NNW方向起沙风占年起沙风的58.56%，NW方向起沙风占年起沙风的33.12%，两者占全年起沙风的91.68%。方山状雅丹区（观测点C）存在NNE和NW两组起沙风，两者分别占年起沙风的52.06%和13.60%。犬牙状/圆锥状雅丹区（观测点D）起沙风较复杂，但是整体以N、NNE、WNW、NW和NNW等5个方向为主，其中前两者占比最高，分别为28.56%和20.67%。鲸背状雅丹区起沙风风向相对简单。东台鲸背状雅丹区（观测点F）以NW和NNW两个风向为主，两者占比分别为41.60%和22.31%。而察尔汗鲸背状雅丹区（观测点H）则以WNW和W方向的起沙风为主，两者占年起沙风的比例分别为45.68%和19.31%。
图4
图4
柴达木盆地各观测点起沙风风向玫瑰图
Fig.4
Roses of sand-driving winds of observation stations in the Qaidam Basin
在风积地貌中，祁曼塔格山前沙丘区（观测点E）起沙风风向相对复杂，这也与其沙丘类型多样相一致［14］。该区域起沙风以WNW和NW方向占绝对优势，占比分别为26.60%和26.53%。此外，NNW、N、NE方向起沙风也较多，占比分别为10.91%、8.27%、8.07%。线形沙丘区起沙风风向组成相类似，均是以偏西方向起沙风占比较高，同时偏东方向起沙风相较于其他区域开始增多。涩北线形沙丘区域（观测点G）偏西起沙风以WNW、NW为主，占比分别为33.34%、26.18%，而偏东起沙风以SE和ESE为主，占比分别为8.42%和5.17%。察尔汗线形沙丘区（观测点I）的偏西起沙风则以WNW、NW和W为主，占比分别为31.01%、20.40%和18.23%，而偏东起沙风则是以ENE、ESE和E方向为主，占比分别为7.31%、5.18%和4.15%。
2.2 输沙势特征
柴达木盆地不同类型风沙地貌区域的风况差异较大（图5）。长垄状雅丹区风能强度最大，且风况模式最简单。除犬牙状/圆锥状雅丹区是锐双峰风况外，其余雅丹区均为单峰风况。昆特依干盐湖的长垄状雅丹区（观测点A）输沙势和合成输沙势分别为1 189.32 VU和1 175.76 VU，RDP/DP为0.99。而察汗斯拉图干盐湖的长垄状雅丹区（观测点B）输沙势和合成输沙势分别为664.08 VU和637.19 VU，RDP/DP为0.96。根据Fryberger等［10］的风能环境分类标准，长垄状雅丹区均属于高风能环境，锐单峰风况且风向变率低。长垄状雅丹区的合成输沙方向指向SSW方向，与该区域雅丹地貌走向相一致［26］。方山状雅丹区（观测点C）输沙势和合成输沙势分别为226.80 VU和199.33 VU，为中等风能环境，RDP/DP为0.88，指示风向变率低。犬牙状/圆锥状雅丹区（观测点D）风况特征较复杂，除以N风向输沙势为主外，还有部分输沙势来自NNE和WSW风向。该区域输沙势和合成输沙势分别为112.72 VU和95.25 VU，为低风能环境，RDP/DP为0.85，指示风向变率低。鲸背状雅丹地貌区（观测点F、H）也为低风能环境，风向变率为中等。
图5
图5
柴达木盆地沙漠各观测点输沙势玫瑰图
Fig.5
Roses of drift potential of observation stations in the Qaidam Basin
在风积地貌分布区，祁曼塔格山前沙丘区（观测点E）的风况分布模式较复杂，这与其多种类型沙丘共生的分布模式相一致［14］。祁曼塔格山前沙丘区以WNW、NW风向和EN风向输沙势为主，为钝双峰风况，年输沙势和合成输沙势分别为160.10 VU和117.19 VU，为低风能环境，RDP/DP为0.73，风向变率为中等。线形沙丘区的风况模式较一致，均为宽单峰风况。但是涩北线形沙丘区（观测点G）的输沙势和合成输沙势分别为199.20 VU和138.63 VU，为低风能环境，而察尔汗线形沙丘区（观测点I）则分别为370.16 VU和260.69 VU，为中等风能环境，两者的RDP/DP均为0.70，指示风向变率为中等。
3 讨论
柴达木盆地不同地貌类型以及同一种地貌类型间对应的风况及输沙势特征差异较大。以雅丹地貌而言，长垄状雅丹区为典型的窄单峰风况、高风能环境，方山状雅丹区为窄单峰风况、中等风能环境，犬牙状/圆锥状雅丹区为锐双峰风况、低风能环境，而鲸背状雅丹区为窄单峰风况、低风能环境。长垄状雅丹是所有观测的雅丹地貌中长度最大（平均为342 m）且间距最小（平均为30 m）的地貌类型［11］。这种地形特征导致“狭管效应”，不仅使穿越其间的气流流速加大，而且流向相对一致。而其他雅丹地貌个体规模相对较小，且间距较大，气流流线分散，导致风能强度相应降低。作为一种典型的风蚀地貌类型，不同的雅丹地貌对应于不同的风况环境，表明风力作用并不是影响雅丹地貌发育演化的唯一因素，还受到岩性与地层、构造运动、块体运动、流水作用、风化作用等内外营力的共同作用［27-29］。与雅丹多以干湖盆地形为基础发育演化不同［30］，柴达木盆地的沙丘地貌多分布于山前的冲-洪积平原、干盐滩等地形之上，且在同一区域存在不同类型沙丘的共生现象［31-32］。导致这种现象的原因除了风力作用外，还受到下伏地形、沉积物供应及沉积物黏性等因素的共同影响［33-34］。
此外，柴达木盆地风能环境具有明显的空间变化趋势。输沙势和合成输沙势表现出相类似的变化模式，即从盆地西北部至东南部呈现出强度逐渐降低的趋势（图6A、B）。同时，将风能环境与其相应的风沙地貌类型相结合可发现，盆地西北部的长垄状雅丹区整体为高风能环境，其余雅丹地貌区多处于中等风能环境，而零星散布的沙丘区多为中等-低风能环境。合成输沙方向自西北部至东南部表现为由NNW向WNW方向转变的趋势（图6C）。合成输沙方向的转变主要受地形的影响。柴达木盆地的风主要经阿尔金山的茫崖地区、索尔库里地区和柴达木大门口地区等3个地势较低的风口进入盆地，它们是冬季风和盛行西风的主要通道［35-36］。气流自这些风口进入盆地后多为N和NNW方向的风，进入盆地之后受到近WNW-ESE走向的东昆仑山的影响，风向逐渐转向偏W和WNW方向。整个盆地的风向变率呈现出自西北部向东南部逐渐递减的趋势，即盆地西北部雅丹地貌分布区以低风向变率为主，对应于窄或宽单峰风况，而在中南部的干盐湖、沙丘区等地貌分布区则以中等风向变率为主，对应于宽单峰或锐双峰风况（图6D）。
图6
图6
柴达木盆地风能环境空间特征
基于青海省标准地图服务系统标准地图（审图号：青S（2023）016号）制作，底图边界无修改
Fig.6
Spatial variation of wind energy environmental indicators in the Qaidam Basin
4 结论
柴达木盆地各区域年平均风速、起沙风平均风速和起沙风频率的变化趋势较一致。在雅丹地貌中，察汗斯拉图干盐湖西北缘的长垄状雅丹区年平均风速、起沙风平均风速和起沙风频率均为最高；而在沙丘地貌中，察尔汗线形沙丘区均为最高。
长垄状雅丹区为单峰型起沙风，而其余雅丹区均为双峰型起沙风，风积地貌区均为双峰型起沙风。除犬牙状/圆锥状雅丹区是锐双峰风况，其余雅丹区均为单峰风况。长垄状雅丹区属高风能环境，方山状雅丹区为中等风能环境，其余雅丹区均为低风能环境。除鲸背状雅丹区为中等风向变率外，其余雅丹区皆为低变率。沙丘区风向变率皆为中等，线形沙丘区为宽单峰风况，其中察尔汗线形沙丘区为中等风能环境，涩北线形沙丘区为低风能环境。祁曼塔格山前沙丘区为钝双峰风况，风况模式相对复杂，存在多种类型沙丘共生现象。
自盆地西北部的雅丹地貌区至中南部的沙丘区，输沙势、合成输沙势强度逐渐降低，合成输沙方向受地形的影响由NNW向WNW方向转变，风向变率由低向中等转变。
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