烏蘭布和沙漠東北緣近地層風(fēng)速和降塵量特征

羅鳳敏，辛智鳴，高君亮，郝玉光，葛根巴圖，李新樂

?

烏蘭布和沙漠東北緣近地層風(fēng)速和降塵量特征

羅鳳敏，辛智鳴，高君亮，郝玉光※，葛根巴圖，李新樂

（國家林業(yè)局內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站/中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，磴口 015200）

選擇烏蘭布和沙漠東北緣荒漠-綠洲過渡帶和綠洲為定位監(jiān)測點(diǎn)，基于磴口生態(tài)站近地層（0～50 m）風(fēng)沙監(jiān)測塔2013年全年的風(fēng)速和降塵數(shù)據(jù)，分析了沙漠東北緣近地層風(fēng)沙時空變化規(guī)律。研究結(jié)果如下：1）過渡帶和綠洲內(nèi)近地層的風(fēng)速均隨著高度增加而增大，風(fēng)速廓線特征可用冪函數(shù)表示；過渡帶風(fēng)速顯著高于綠洲內(nèi)風(fēng)速。2）過渡帶和綠洲內(nèi)近地層沙塵水平通量和降塵量均隨著高度增加而減少，其分布特征遵循冪函數(shù)關(guān)系；過渡帶沙塵水平通量顯著高于綠洲內(nèi)，說明綠洲防護(hù)體系對沙塵具有明顯的削弱作用；過渡帶沙塵水平通量與降塵量之間為線性關(guān)系，而綠洲內(nèi)二者之間為指數(shù)函數(shù)關(guān)系。3）在春、夏、秋、冬季，過渡帶和綠洲內(nèi)近地層沙塵水平通量和降塵量均隨著高度增加而減??；春季是沙塵水平通量和降塵量集中的季節(jié)，其次為夏季，秋季和冬季相對較低；一年四季中，過渡帶沙塵水平通量和降塵量均高于綠洲內(nèi)。

風(fēng)；速度；沙塵；近地層；水平通量；降塵量；烏蘭布和沙漠

0 引 言

風(fēng)蝕是沙漠地區(qū)風(fēng)沙活動的最基本表現(xiàn)形式之一[1]，一次風(fēng)蝕起沙過程中，富含養(yǎng)分的細(xì)小沙塵顆粒將會懸浮于空中，并在大氣湍流的作用下向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，最后輸送到很遠(yuǎn)的地方[2]。沙塵顆粒的輸送不僅給人們的生產(chǎn)和生活帶來了嚴(yán)重的威脅，而且懸浮于大氣中的沙塵顆粒的輻射強(qiáng)迫作用還會影響到區(qū)域和全球氣候[1-2]。因此，監(jiān)測、揭示沙漠地區(qū)近地層沙塵發(fā)生發(fā)展規(guī)律、沙塵空間結(jié)構(gòu)特征，研究防治沙塵危害措施，減輕沙塵災(zāi)害帶來的損失就顯得極為重要。

當(dāng)前，關(guān)于近地層沙塵方面的研究主要包括沙塵顆粒的釋放、輸送和沉降。其中，釋放部分包括沙塵起動速率、躍移高度及釋放量；輸送部分包括輸送高度、水平通量及降塵量（垂直通量）的梯度變化；沉降部分包括沙塵沉降速度及沉降量[3]。研究表明，沙漠地區(qū)近地層沙塵隨高度的變化特征和不同高度處的通量直接影響沙塵的輸送過程[3]。沙塵水平通量廓線是近地層與地面平行方向上沙塵水平通量隨高度變化特征；沙塵降塵量廓線是近地層與地面垂直方向上沙塵降塵量隨高度變化特征。目前，國外關(guān)于近地層沙塵水平通量和降塵量的研究較多且取得了一定進(jìn)展，但關(guān)于二者廓線特征的研究則較少，且已有的研究中監(jiān)測高度均相對較低[4-5]。國內(nèi)關(guān)于沙漠及周邊地區(qū)沙塵分布特征的研究相對較多，但是眾多的研究主要集中在0～2 m的近地表空間，監(jiān)測高度相對較低[6-9]，而對與人類生存密切相關(guān)的近地層（0～50 m）范圍的沙塵隨高度變化特征及其季節(jié)變化特征的研究相對較少[4,10-13]，且其中的研究結(jié)果也僅限于對春季大風(fēng)發(fā)生時候、以及沙塵暴發(fā)生過程中沙塵通量結(jié)構(gòu)的研究[14]。

基于此，本文以中國北方重要沙塵源區(qū)之一的烏蘭布和沙漠為研究區(qū)，利用位于沙漠東北緣“國家林業(yè)局內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站”的風(fēng)沙監(jiān)測塔（50 m高）2013年1－12月的風(fēng)速、沙塵通量數(shù)據(jù)，分析了近地層風(fēng)速廓線、沙塵通量廓線和沙塵通量季節(jié)變化特征，闡明了不同下墊面近地層風(fēng)速廓線特征，沙塵水平通量和垂直通量的時空特征。研究結(jié)果可為揭示烏蘭布和沙漠東北緣風(fēng)沙活動特點(diǎn)及規(guī)律，進(jìn)一步研究該區(qū)域沙塵空間分布特征提供科學(xué)依據(jù)，也可為區(qū)域荒漠化防治及生態(tài)防護(hù)林建設(shè)提供理論依據(jù)與參考資料。

1 試驗(yàn)設(shè)計與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北緣，行政區(qū)劃隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市磴口縣。據(jù)“國家林業(yè)局內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站”多年氣象數(shù)據(jù)顯示：該區(qū)域年均氣溫7.8 ℃，年均日照時數(shù)3 200 h；年均降水量140.3 mm，降水集中于6－9月，年均蒸發(fā)量2 380.6 mm；年均風(fēng)速3.7 m/s，瞬時風(fēng)速最高可達(dá)24 m/s，年均大風(fēng)日數(shù)12.5 d，沙塵暴日數(shù)10.9 d，揚(yáng)沙日數(shù)30.2 d，主要集中于3－5月，風(fēng)沙災(zāi)害是主要自然災(zāi)害[15]。2013年全年平均氣溫11.4 ℃，日照時數(shù)3 240 h；降水量59.1 mm，蒸發(fā)量2 333.4 mm；風(fēng)速3.66 m/s，大風(fēng)日數(shù)8 d，沙塵暴日數(shù)6 d。

天然植被以旱生、超旱生的荒漠植被為主，如：白刺（Bobr.）、油蒿（Krasch.）、籽蒿（.Krasch.）、沙竹（(Trin.) Bor.）、沙米（(L.) Moq.）等；人工植被以楊樹（），梭梭（(C. A. Mey.) Bge.）、花棒（Fisch. et Mey.）、沙拐棗（A. Los.）等沙旱生灌木為主。

1.2 研究方法

1.2.1 監(jiān)測儀器設(shè)備

“國家林業(yè)局內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站”建有2座50 m高的風(fēng)沙監(jiān)測鐵塔，荒漠-綠洲過渡帶（簡稱過渡帶）和綠洲內(nèi)各1座。塔上安裝有自記式風(fēng)速風(fēng)向采集儀，沙塵水平通量和降塵量采集器（圖1）。

風(fēng)速風(fēng)向采集儀型號為AV-30WS，啟動風(fēng)速0.5 m/s，精度±0.3 m/s，安裝在距地面高1、2、4、8、12、16、24、36、48 m的位置；沙塵通量采集器安裝在距地面高0.5、1、2、4、8、12、16、20、24、28、32、36、40、44、48 m的位置。其中，沙塵水平通量采集器為能跟蹤風(fēng)向變化的鐵質(zhì)儀器，集塵口大小為20 mm×50 mm；降塵量采集器為圓柱形平底玻璃容器，直徑15 cm、高30 cm[16]。為使降塵接近自然界實(shí)際的風(fēng)沙沉積過程，集塵方式為干集塵，按月收集各監(jiān)測樣地的降塵。

1.2.2 研究區(qū)下墊面基本特征

監(jiān)測塔建設(shè)在2種不同的下墊面上，下墊面的地形地貌、土壤、植被蓋度、植被高度均存在很大的差異。

荒漠-綠洲過渡帶：為半固定沙地和固定沙地，地勢起伏不平，但是相對高差較小。土壤主要為風(fēng)沙土，丘間低地為黏土。植物以白刺和油蒿為主，白刺基本上全部形成了灌叢沙堆，沙堆大小約(2～6) m×(4～8) m，高約1.2～3.6 m。此外，伴生有籽蒿、沙竹和一些短命植物，如：沙米、霧濱藜（Fisch. Et Mey）等。

綠洲內(nèi)部：為農(nóng)耕地，四周建有完整的農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)，地勢平坦。土壤主要為壤土和沙壤土。目前，防護(hù)林網(wǎng)的樹種主要為新疆楊（.L. var.Bge.），沿農(nóng)田灌溉渠道種植，兩行一帶，株行距為1 m×2 m，林帶為疏透結(jié)構(gòu)，高約20～24 m。農(nóng)作物為向日葵（L.）和玉米（L.）。

1.2.3 風(fēng)速風(fēng)向、沙塵樣品采集及數(shù)據(jù)分析

本研究中的數(shù)據(jù)采集于2013年1－12月，風(fēng)速風(fēng)向、沙塵樣品的采集頻率為30 d。風(fēng)速風(fēng)向?yàn)槊? min自動記錄1組數(shù)據(jù)。沙塵樣品的采集均避開降水過程，樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，揀去其中的昆蟲尸體、鳥糞等雜質(zhì)后烘干，然后用電子天平（1/1 000精度）稱質(zhì)量，最后將其換算為沙塵水平通量和降塵量。水平通量和降塵量的監(jiān)測均采用梯度法[3]。

沙塵水平通量和降塵量通過公式（1）和（2）計算

M=W/（1）

M=W/π2（2）

式中M為水平通量，g/(m2·月)；W為集塵器內(nèi)收集的沙塵凈質(zhì)量，g；為集塵器集塵口寬度，mm；為集塵器集塵口高度，mm；M為降塵量，g/(m2·月)；W為集塵缸內(nèi)接收的沙塵凈質(zhì)量，g；為集塵缸缸口半徑，cm。

采用Exce1 2003軟件和SAS 9.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、作圖和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 近地層風(fēng)速廓線

近地層風(fēng)速廓線是衡量近地層的風(fēng)速分布規(guī)律一個重要指標(biāo)，是揭示近地層氣流特性及風(fēng)沙運(yùn)動的有效途徑，風(fēng)的脈動與輸沙率具有很好的相關(guān)性，風(fēng)速對沙塵的釋放及輸送有直接影響，因此近地層沙塵物質(zhì)的輸送高度和距離由近地層風(fēng)速的分布特征決定[17]。過渡帶和綠洲內(nèi)近地層（0～50 m）風(fēng)速廓線如圖2所示。

圖2表明，過渡帶和綠洲內(nèi)近地層（0～50 m）的風(fēng)速()隨高度()的增加均呈現(xiàn)出遞增的趨勢，風(fēng)速隨高度的分布特征均可用冪函數(shù)=ah來表示。其中，過渡帶風(fēng)速隨高度變化的擬合方程為=1.52160.4226（2=0.96），綠洲內(nèi)的擬合方程為=0.86310.5492（2=0.99）。

9個不同高度上，過渡帶的年均風(fēng)速均大于綠洲內(nèi)的風(fēng)速，差值介于0.4～1.06 m/s之間，均值為0.86 m/s，通過進(jìn)一步計算風(fēng)速消減值發(fā)現(xiàn)，從過渡帶到綠洲內(nèi)，不同高度上風(fēng)速消減值為11.24%～53.18%，平均消減值為19.16%。表明完整的農(nóng)田防護(hù)林體系具有明顯的防風(fēng)功能，當(dāng)風(fēng)從過渡帶進(jìn)入綠洲后，由于防護(hù)林的存在，使得近地層氣流的流場發(fā)生改變，一部分氣流由于林帶的阻擋被迫抬升，使穿過林帶的氣流減少，風(fēng)速明顯下降，地表風(fēng)蝕減輕，進(jìn)而有效的保護(hù)綠洲內(nèi)部農(nóng)作物免受風(fēng)沙流危害。

而在垂直尺度上，風(fēng)速消減值隨高度增加呈減小趨勢，風(fēng)速消減最大值在1 m處，為53.18%，風(fēng)速消減最小值在48 m處，為11.24%，主要消減層在0～24 m高度范圍內(nèi)。

圖3表明，過渡帶和綠洲內(nèi)在春、夏、秋、冬4個季節(jié)時，近地層（0～50 m）風(fēng)速()隨高度()的分布特征均可用冪函數(shù)=ah來表示（2=0.88～0.95），即風(fēng)速隨高度的增加而逐漸增大。同一季節(jié)，過渡帶的風(fēng)速均大于綠洲內(nèi)的風(fēng)速，過渡帶春、夏、秋、冬的平均風(fēng)速分別為4.18、2.92、3.14、3.49 m/s，而綠洲內(nèi)春、夏、秋、冬的平均風(fēng)速分別為3.22、1.93、2.16、2.67m/s，表明綠洲防護(hù)體系作為高大的粗糙元，對風(fēng)的阻礙作用相當(dāng)顯著。當(dāng)風(fēng)由過渡帶吹向綠洲時，在防護(hù)體系迎風(fēng)面距林緣一定距離處，風(fēng)速開始逐漸減弱，到達(dá)林緣附近時，一部分氣流被抬升，在林冠上方形成速度相對較高的“自由流”，越過林帶后又形成下沉氣流，在背風(fēng)區(qū)一定距離處向各個方向進(jìn)行擴(kuò)散；另一部分氣流進(jìn)入林帶內(nèi)，由于受樹體的阻擋和摩擦，氣流在分散的同時被消耗掉大量的能量，從而在林冠層下面形成速度較低的“束縛流”。所以，一年四季綠洲內(nèi)部風(fēng)速均低于過渡帶的風(fēng)速。

過渡帶和綠洲內(nèi)的風(fēng)速大小均表現(xiàn)為春季最大，其次為冬季，秋季和夏季風(fēng)速相對較小。這與當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄瓯O(jiān)測數(shù)據(jù)一致，烏蘭布和沙漠地區(qū)的風(fēng)季為11月至翌年5月，與植物枯黃期基本同步，且以春季3―5月風(fēng)速最大。

2.2 近地層沙塵水平通量廓線

沙塵在風(fēng)力作用下進(jìn)行輸送，并在輸送過程中沙塵質(zhì)量會隨著高度的變化而產(chǎn)生一定的差異。由圖4可知，過渡帶和綠洲內(nèi)的沙塵水平通量(M)隨高度()增高均顯著減小，其隨高度的分布特征均符合冪函數(shù)關(guān)系M=ah，其中，過渡帶水平通量隨高度變化的擬合方程為M=334.84-0.249（2=0.78），綠洲內(nèi)的擬合方程為M=948.76-0.431（2=0.89）。

不同高度上，過渡帶的沙塵水平通量均顯著高于綠洲內(nèi)。表明當(dāng)攜沙氣流從過渡帶向防護(hù)林帶前進(jìn)的過程中，由于防護(hù)林帶的存在而降低了風(fēng)速，使得大量沙塵在林外已經(jīng)發(fā)生了沉降，進(jìn)而使綠洲內(nèi)的沙塵含量較少。過渡帶0.5 m處沙塵水平通量值最大1318.65 g/(m2·月)，50 m處最小201.07 g/(m2·月)，綠洲內(nèi)也是0.5 m處的沙塵水平通量值最大413.07 g/(m2·月)，50 m處最小96.65 g/(m2·月)，過渡帶和綠洲內(nèi)不同高度上沙塵水平通量差值為43.58～905.58 g/(m2·月)，且隨著高度的增加，二者的差值呈下降趨勢。表明隨著高度增加，下墊面狀況對沙塵水平通量的影響越來越小。

2.3 近地層沙塵降塵量廓線

近地層沙塵在輸送過程中，大顆粒物質(zhì)在重力或降水等因素作用下沉降，小顆粒物質(zhì)則在風(fēng)力作用下到達(dá)更遠(yuǎn)的地方。由圖5可知，過渡帶和綠洲內(nèi)沙塵降塵量(M)隨高度()增高均呈顯著減小趨勢，降塵量隨高度的分布特征均符合冪函數(shù)關(guān)系M=ah，其中，過渡帶水平通量隨高度變化的擬合方程為M=1.785-2.040（2=0.95），綠洲內(nèi)的擬合方程為M=0.897-2.073（2=0.89）。過渡帶0.5 m處的降塵量達(dá)到最大值2.07 g/(m2·月)，50 m處的降塵量最小，為0.18 g/(m2·月)；綠洲內(nèi)0.5 m處的降塵量達(dá)到最大值1.55 g/(m2·月)，50 m處的降塵量最小，為0.14 g/(m2·月)。

不同高度上，過渡帶降塵量高于綠洲內(nèi)，但幅度不大。二者0.5 m處的差值為0.52 g/(m2·月)，50 m處的差值為0.04 g/(m2·月)?？傮w來看，0～20 m范圍內(nèi)，過渡帶與綠洲內(nèi)的降塵量差值相對較大，而20～50 m內(nèi)二者的降塵量差值逐漸減小。

2.4 近地層沙塵水平通量與降塵量的關(guān)系

前人研究表明，離地面較近高度上的沙塵質(zhì)量較易監(jiān)測，但是隨著高度增加，監(jiān)測沙塵質(zhì)量分布特征的難度逐漸增加。因此，通過確定沙塵水平通量與降塵量之間的關(guān)系后，則可以通過測定沙塵水平通量而獲取同一高度上的沙塵降塵量[3]。

由圖6可知，過渡帶、綠洲內(nèi)的沙塵降塵量與水平通量之間均為極顯著正相關(guān)關(guān)系（2=0.91～0.97，<0.01）。其中，過渡帶近地層沙塵降塵量與水平通量之間的關(guān)系用線性函數(shù)表示，而綠洲內(nèi)沙塵降塵量與水平通量之間的關(guān)系則用指數(shù)函數(shù)表示。模擬關(guān)系的函數(shù)存在差異可能是因?yàn)檫^渡帶地表植被相對較少，而且高度較低，對于沙塵水平通量和降塵通量的影響相對較小，所以二者的擬合關(guān)系可用線性函數(shù)來描述；而綠洲內(nèi)由于受到防護(hù)林體系的庇護(hù)，沙塵水平通量和降塵量均發(fā)生了很大的變化。高度低于防護(hù)林帶高度的層次上，沙塵輸送與沉降受到的影響相對較大，而高于林帶高度的層次上，沙塵輸送與降落受到防護(hù)林體系的影響相對較小。這種上下層次之間的差距，造成沙塵通量與水平通量的關(guān)系要比過渡帶復(fù)雜，因此線性函數(shù)無法模擬二者的關(guān)系，而通過指數(shù)函數(shù)能很好的模擬二者關(guān)系。

2.5 近地層沙塵水平通量季節(jié)變化特征

由圖7可知，一年四季過渡帶近地層沙塵水平通量(M)總體上表現(xiàn)為隨高度()增加而減小的趨勢，其廓線特征均可用冪函數(shù)M=ah表示，但顯著水平不同。春、夏、秋、冬分別為M=2800.7-0.474（2=0.967）；M=479.41-0.207（2=0.77）；M=377.88-0.255（2=0.51）；M=112.28-0.1227（2=0.19）。而綠洲內(nèi)由于受農(nóng)田防護(hù)林體系的防護(hù)作用，使得氣流發(fā)生了比較大的變化，因此近地層沙塵水平通量分布特征在4個季節(jié)當(dāng)中相差較大。其中，春季的沙塵水平通量隨高度增加極顯著減小，可用冪函數(shù)M=1024.9-0.334（2=0.82）表示其廓線特征；夏季的沙塵水平通量總體上隨高度增加而減??；秋季的沙塵水平通量在不同高度上呈現(xiàn)較大的波動，沒有明顯的變化趨勢；冬季的沙塵水平通量總體上隨高度增加而減小，存在一定波動。

a. 荒漠-綠洲過渡帶

a. Desert-oasis ecotone

春季是烏蘭布和沙漠沙塵天氣發(fā)生集中的季節(jié)，過渡帶和綠洲內(nèi)春季的沙塵含量均為一年當(dāng)中最高水平，且與其他3個季節(jié)的沙塵含量有著極顯著差異（<0.01），而夏、秋和冬季的沙塵水平通量差異相對較小。一年四季當(dāng)中，過渡帶近地層沙塵水平通量值遠(yuǎn)高于綠洲內(nèi)沙塵通量值，過渡帶春夏秋冬的沙塵水平通量值分別為綠洲內(nèi)沙塵通量值的2.17、2.06、2.93和1.46倍。

2.6 近地層沙塵降塵量季節(jié)變化特征

由圖8可知，過渡帶和綠洲內(nèi)近地層四季的降塵量均隨著高度的增加逐漸減小，在0～24 m范圍內(nèi)波動較大，而24～50 m范圍變化曲線較為平緩。過渡帶春、夏、秋、冬季的降塵量廓線特征均可用冪函數(shù)來描述，分別為M=2.5927-0.55（2=0.91）、M=1.1268-0.326（2=0.82）、M=0.6994-0.391（2=0.80）、M=0.294-0.362（2=0.74）。綠洲內(nèi)春季和夏季的降塵量廓線特征可以用冪函數(shù)表示，且均達(dá)到極顯著水平，春季為M=1.6646-0.608（2=0.86），夏季為M=1.0218-0.491（2=0.92），而秋季和冬季的不同高度上的降塵量差值相對較大，也可用冪函數(shù)來表示，但均未達(dá)到極顯著水平。

a. 荒漠-綠洲過渡帶

a. Desert-oasis ecotone

春季是烏蘭布和沙漠沙塵集中季節(jié)，綠洲內(nèi)和過渡帶均是春季沙塵含量最高，夏季沙塵含量次之，而秋季略大于冬季。過渡帶和綠洲內(nèi)春季降塵量大于其他3個季節(jié)，但是夏季、秋季和冬季三者之間的差異較小。過渡帶降塵量大于綠洲內(nèi)，過渡帶降塵量為綠洲內(nèi)降塵量的1.34倍。

3 討　論

3.1 風(fēng)速隨高度的變化特征

本文通過近地層風(fēng)沙監(jiān)測塔實(shí)測的風(fēng)速數(shù)據(jù)，繪制了烏蘭布和沙漠東北緣兩種不同下墊面的近地層風(fēng)速廓線，認(rèn)為過渡帶和綠洲內(nèi)近地層的風(fēng)速隨高度增加均呈現(xiàn)出遞增趨勢，風(fēng)速廓線特征均可用冪函數(shù)來表示，且均達(dá)到極顯著水平（2=0.96～0.99，<0.01）。研究結(jié)果與前人在不同地區(qū)開展研究所得到的結(jié)果相類似。張正偲等通過中國科學(xué)院風(fēng)沙科學(xué)觀測場的實(shí)測資料，繪制了騰格里沙漠邊界層的風(fēng)速廓線，結(jié)果顯示，在0～50 m高度上，風(fēng)速隨著高度增加而遞增[2]。趙明等在民勤綠洲開展的研究也得到了相同的結(jié)果，即沙漠、沙漠-綠洲過渡帶和綠洲內(nèi)0～50 m垂直高度上，風(fēng)速均隨高度增加遵循冪函數(shù)曲線遞增[18]。

3.2 沙塵隨高度分布特征

沙塵輸送是物質(zhì)輸送和循環(huán)不可或缺的構(gòu)成部分，強(qiáng)烈的沙塵輸送就是人們所熟知的風(fēng)沙災(zāi)害[19]。空氣中的沙塵主要來源于沙漠和干旱地區(qū)的風(fēng)蝕和隨風(fēng)揚(yáng)起過程[20]。沙塵水平通量是沙塵輸送數(shù)值模擬的必要參數(shù)，并對其研究具有重要意義。大氣降塵具有重要的環(huán)境指征意義，常被用作大氣污染監(jiān)測的參考性指標(biāo)。近年來，近地表（0～2 m）和近地層（0～50 m）的沙塵水平通量與降塵量受到廣泛關(guān)注，常用的研究方法主要是野外監(jiān)測和風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，進(jìn)而通過沙塵濃度廓線獲得沙塵分布特征[1]。目前，關(guān)于近地表（0～2 m）范圍內(nèi)沙塵隨高度分布特征的研究相對較多，而對于近地層（0～50 m）這個相對較高范圍內(nèi)的沙塵廓線的研究相對還是較少。在相對較少的一些研究中，可能由于受監(jiān)測儀器、區(qū)域環(huán)境等相關(guān)因素的影響，類似的一些研究結(jié)果也存在差異。張正偲等在騰格里沙漠監(jiān)測了流動沙丘區(qū)域近地層的沙塵通量，認(rèn)為沙塵通量與高度之間的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系[3]；而趙明等在民勤綠洲的研究認(rèn)為沙塵通量與高度之間為冪函數(shù)關(guān)系[18]。本文研究結(jié)果與趙明等的研究結(jié)果相類似，即烏蘭布和沙漠東北緣沙漠-綠洲過渡帶和綠洲內(nèi)沙塵水平通量和降塵量均隨高度增加而降低，年內(nèi)沙塵通量均值分布廓線可用冪函數(shù)很好地反映出來。盡管模型參數(shù)存在一定的差異，而沙塵通量整體分布特征均是一致的。這些差異可能是由于下墊面類型、監(jiān)測儀器型號及監(jiān)測時間等存在差異而導(dǎo)致的[21]。事實(shí)上，眾多關(guān)于近地面沙塵結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果已經(jīng)表明，沙塵輸送通量隨高度的增加而減小[22]，且在近地表隨高度的分布符合冪函數(shù)[18,23-25]或指數(shù)函數(shù)[26-27]分布規(guī)律。因此認(rèn)為前人研究成果及本文的研究結(jié)果均很好的反映了研究區(qū)域沙塵通量的分布特征。但是，在今后的研究中，為了能夠得到相對一致的研究結(jié)果，研究者們還應(yīng)該盡可能的統(tǒng)一沙塵監(jiān)測儀器，監(jiān)測時間、監(jiān)測頻率，繼而開展長期、連續(xù)的監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上匯總沙塵監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析中國北方沙漠地區(qū)的近地層沙塵特征，為今后的防沙治沙工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3 沙塵通量的季節(jié)變化特征

隨著高度增加，空氣中的沙塵質(zhì)量逐漸減少，但監(jiān)測期不同，其變化特征也存在差異。有學(xué)者認(rèn)為，年初和年末不同高度上的沙塵質(zhì)量梯度最明顯，也有學(xué)者認(rèn)為春季和秋季是沙塵梯度最顯著的季節(jié)，春季近地層沙塵隨高度的分層最明顯[4]。本研究的結(jié)果表明，烏蘭布和沙漠東北緣春季是沙塵水平通量和降塵量集中季節(jié)，其次為夏季，秋季略大于冬季。大風(fēng)持續(xù)時間與揚(yáng)沙和沙塵暴發(fā)生天數(shù)是造成區(qū)域降塵量季節(jié)性差異的一個主要原因，而且揚(yáng)沙和沙塵暴發(fā)生的總天數(shù)與降塵量之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系[11]，這可能正是春季沙塵通量顯著高于其他季節(jié)的原因。而對于冬季和秋季沙塵通量值較低的現(xiàn)象，這與張加瓊等[28]在沙坡頭地區(qū)的研究結(jié)果相類似，即3－5月為年內(nèi)風(fēng)沙沉降高峰期，6－8月風(fēng)沙沉降物源為沉降減弱期，9月－翌年2月為沉降最弱期。3－5月以上風(fēng)向鄰近區(qū)域的風(fēng)蝕起沙為主，6－8月風(fēng)沙沉降物源中大氣降塵相對增加而上風(fēng)向鄰近區(qū)域的風(fēng)蝕起沙相對減少，9月－翌年2月風(fēng)沙沉降物源以大氣降塵為主[28]。

基于儀器發(fā)生受損及監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性等多因素的考慮，本研究主要以2013年全年的數(shù)據(jù)為內(nèi)容，分析了年內(nèi)風(fēng)速及沙塵通量的特征。這可能對于剖析區(qū)域近地層風(fēng)速和沙塵通量時空分布特征還稍顯不足。但是，本研究中對2種不同下墊面風(fēng)速及沙塵通量的對比結(jié)果在一定程度上也可以提高人們保護(hù)荒漠生態(tài)環(huán)境的意識。對于該區(qū)域近地層風(fēng)沙方面的研究工作，今后我們會繼續(xù)進(jìn)行長期、連續(xù)的監(jiān)測，在完善監(jiān)測儀器、監(jiān)測手段的基礎(chǔ)上，通過總結(jié)與分析長時間序列的數(shù)據(jù)以便更好地揭示研究區(qū)近地層風(fēng)速及沙塵通量時空分布規(guī)律。此外，考慮區(qū)域氣候特征季節(jié)性明顯、植被覆蓋度、生長季分明等多方面的因素，認(rèn)為用一年中4個季節(jié)的監(jiān)測結(jié)果來反映區(qū)域風(fēng)速及沙塵特征會更加明顯，季節(jié)之間差異顯著，結(jié)果更加有效。因此，對風(fēng)速和沙塵通量未進(jìn)行月際之間變化的分析，而只進(jìn)行了春、夏、秋、冬4個季節(jié)之間的差異分析。

4 結(jié)論與展望

1）烏蘭布和沙漠東北緣荒漠-綠洲過渡帶和綠洲內(nèi)近地層的風(fēng)速均隨著高度增加而增大，風(fēng)速廓線特征可用冪函數(shù)表示；過渡帶平均風(fēng)速顯著高于綠洲內(nèi)；在水平梯度上，風(fēng)從過渡帶進(jìn)入綠洲后，平均風(fēng)速減小19.16%；在垂直尺度上，風(fēng)速消減值隨高度增加呈減小趨勢，主要消減層在0～24 m高度范圍內(nèi)。

2）過渡帶和綠洲內(nèi)近地層沙塵水平通量和降塵量隨著高度增加而減少，其分布特征遵循冪函數(shù)；過渡帶近地層沙塵水平通量顯著高于綠洲內(nèi)，而二者的降塵量差值相對較??；過渡帶沙塵降塵量與水平通量之間為線性關(guān)系，而綠洲內(nèi)沙塵降塵量與水平通量之間為指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3）在春、夏、秋、冬季，過渡帶和綠洲內(nèi)近地層沙塵水平通量和降塵量均隨著高度增加而減小，0～24 m范圍內(nèi)變化波動較大，而24～50 m范圍變化曲線較為平緩；過渡帶和綠洲內(nèi)近地層沙塵水平通量和降塵量均以春季值最高，其次為夏季，秋季和冬季相對較低；一年四季中，過渡帶沙塵水平通量和降塵量均高于綠洲內(nèi)。

烏蘭布和沙漠綠洲是內(nèi)蒙古生態(tài)移民的移入?yún)^(qū)和支柱產(chǎn)業(yè)，為緩解生態(tài)危困地區(qū)人口壓力，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)繁榮和維護(hù)社會穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用。近年來，該區(qū)域內(nèi)沙產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展，人工綠洲面積大幅增加。但是，沙產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中存在一些不合理的開發(fā)與利用，致使過渡帶天然荒漠植被遭受嚴(yán)重破壞，加之新墾綠洲沒有解決好開發(fā)與保護(hù)的關(guān)系，致使土地荒漠化過程明顯，綠洲內(nèi)風(fēng)蝕、沙化、流沙入侵等逐漸成為綠洲主要生態(tài)環(huán)境問題和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要障礙因素，危害綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究分析了該區(qū)域兩種不同下墊面近地層風(fēng)速和沙塵通量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，明確了區(qū)域近地層風(fēng)速廓線特征與沙塵通量廓線特征，認(rèn)為有完整防護(hù)體系的人工綠洲在減輕風(fēng)沙危害方面發(fā)揮著重大的作用。因此，建議該區(qū)域在今后發(fā)展沙產(chǎn)業(yè)及綠洲建設(shè)過程中，首先要減輕對天然植被的破壞，這樣可以防止沙化土地發(fā)生與發(fā)展；其次，應(yīng)在待開發(fā)區(qū)域合理規(guī)劃，建立有效的風(fēng)沙防護(hù)體系，然后對有防護(hù)體系保護(hù)的區(qū)域內(nèi)再進(jìn)行開發(fā)，這樣可減輕地表風(fēng)蝕，阻止大量沙物質(zhì)向綠洲區(qū)輸送。今后，還需進(jìn)行長期、連續(xù)的監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上總結(jié)長時段的監(jiān)測數(shù)據(jù)來更好地揭示區(qū)域風(fēng)沙結(jié)構(gòu)特征及其影響因素，進(jìn)而為區(qū)域制定防沙治沙技術(shù)措施提供更全面的參考資料。

[1] 成天濤，沈志寶. 中國西北大氣沙塵的輻射強(qiáng)迫[J]. 高原氣象，2002，21(5)：471－478.

Cheng Tiantao, Shen Zhibao. The radiative forcing of atmospheric dust in North-West China[J]. Plateau Meteorology, 2002, 21(5): 471－478. (in Chinese with English abstract)

[2] 張正偲，董治寶，趙愛國，等. 沙漠地區(qū)風(fēng)沙活動特征：以中國科學(xué)院風(fēng)沙觀測場為例[J]. 干旱區(qū)研究，2007，24(4)：550－555.

Zhang Zhengcai, Dong Zhibao, Zhao Aiguo, et al. Features of sand drift movement in desert: a case study at sand drift observation station of chinese academy of sciences[J]. Arid Zone Research, 2007, 24(4): 550－555. (in Chinese with English abstract)

[3] 張正偲，董治寶，趙愛國. 騰格里沙漠東南部近地層沙塵水平通量和降塵量隨高度的變化特征[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2010，23(2)：165－169.

Zhang Zhengcai, Dong Zhibao, Zhao Aiguo. Variation characteristics of near-surface dust horizontal flux and deposition amount with height in the southeastern tengger desert[J]. Research of Environmental Sciences, 2010, 23(2): 165－169. (in Chinese with English abstract)

[4] Offer Z Y, Goossens D. Thirteen years of Aeolian dust dynamics in a desert region: Analysis of horizontal and vertical dust flux, vertical dust distribution and dust grain size[J]. Journal of Arid Environments, 2004, 57: 117－140.

[5] Zobeck T M, Scott Van P R. Wind induced dust generation and transport mechanics on a bare agriculture field[J]. Journal of Hazardous Materials, 2006, 132: 26－38.

[6] 張錦春，趙明，方峨天，等. 民勤沙塵源區(qū)近地面降塵特征研究[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2008，21(3)：17－21.

Zhang Jinchun, Zhao Ming, Fang Etian, et al. Study on character of dustfull near the ground in Minqin dust source regions[J]. Research of Environmental Sciences, 2008, 21(3): 17－21. (in Chinese with English abstract)

[7] 李晉昌，董治寶，王訓(xùn)明. 中國北方東部地區(qū)春季降塵量及其環(huán)境意義[J]. 中國沙漠，2008，28(2)：195－201.

Li Jinchang, Dong Zhibao, Wang Xunming. Amount of spring dustfall and its environmental significance in east part of northern China[J]. Journal of Desert Research, 2008, 28(2): 195－201. (in Chinese with English abstract)

[8] 楊興華，何清，霍文，等. 沙漠地區(qū)不同下墊面近地表沙塵水平通量研究[J]. 干旱區(qū)研究，2014，31(3)：564－569.

Yang Xinghua, He Qing, Huo Wen, et al. Near-surface horizontal sand-dust flux over different underlying surfaces in a desert[J]. Arid Zone Research, 2014, 31(3): 564－569. (in Chinese with English abstract)

[9] 汪季. 烏蘭布和沙漠東北緣植被抑制沙塵機(jī)理的研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2004.

Wang Ji. Research On Sand-Dust Control Mechanism of Vegetation at the Northeast Edge of Ulan Buh Desert[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2004. (in Chinese with English abstract)

[10] 楊興華，何清，艾力·買買提依明，等. 塔克拉瑪干沙漠東南緣沙塵暴過程中近地表沙塵水平通量觀測研究[J]. 中國沙漠，2013，33(5)：1299－1304.

Yang Xinghua, He Qing, Ali Mamtimin, et al. Observational study on near-surface horizontal sand-dust flux of sandstorms in the southeastern fringe of the taklimakan desert[J]. Journal of Desert Research, 2013,33(5): 1299－1304. (in Chinese with English abstract)

[11] 高君亮，辛智鳴，劉芳，等. 烏蘭布和沙漠東北部大氣降塵特征及影響因素分析[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28(8)：145－150.

Gao Junliang, Xin Zhiming, Liu Fang, et al. Analysis of the characteristics and affecting factors of atmospheric dustfall in northeastern Ulan Buh Desert[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2014, 28(8): 145－150. (in Chinese with English abstract)

[12] 阿麗亞·拜都熱拉，玉米提·哈力克，塔依爾江·艾山，等. 新疆阿克蘇市綠化樹種滯塵能力及影響因素[J]. 中國沙漠，2015，35(2)：322－329.

Aliya Baidourela, Umut Halik, Tayierjiang Aishan, et al. Dust retention capacities of urban trees and the influencing factors in Aksu, Xinjiang, China[J]. Journal of Desert Research, 2015, 35(2): 322－329. (in Chinese with English abstract)

[13] 張小嘯，陳曦，王自發(fā)，等. 新疆和田綠洲大氣降塵和PM10濃度變化特征分析[J]. 干旱區(qū)地理，2015，38(3)：454－462.

Zhang Xiaoxiao, Chen Xi, Wang Zifa, et al. Variation characteristics of atmospheric dustfall and PM10concentration in Hotan oasis, Xinjiang[J]. Arid Land Geography, 2015, 38(3): 454－462. (in Chinese with English abstract)

[14] 張小曳. 亞洲粉塵的源區(qū)分布、釋放、輸送、沉降與黃土堆積[J]. 第四紀(jì)研究，2001，21(1)：29－40.

Zhang Xiaoye. Source distributions, emission, transport, deposition of asian dust and loess accumulation[J]. Quaternary Sciences, 2001, 21(1): 29－40. (in Chinese with English abstract)

[15] 王淮亮. 基于數(shù)字圖像處理的風(fēng)蝕地表顆粒特征研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

Wang Huailiang. Study on the Particle Characteristics of Wind Erosion Surfaces based on Digital Image Processings[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[16] 董治寶，趙愛國，鄧儉. 沙塵水平通量測量器：中國，ZL0313453414[P]. 2008.

[17] 邢茂，郭烈錦. 紊流風(fēng)場中起跳沙粒的軌跡特征[J]. 中國沙漠，2003，23(6)：628－631.

Xing Mao, Guo Liejin. The Trajectory Characteristics of jumped sand particles in turbulent air flow[J]. Journal of Desert Research, 2003, 23(6): 628－631. (in Chinese with English abstract)

[18] 趙明，詹科杰，楊自輝，等. 民勤沙漠-綠洲低空沙塵暴結(jié)構(gòu)特征研究[J]. 中國科學(xué)：地球科學(xué)，2011，41(2)：234－242.

Zhao Ming, Zhan Kejie, Yang Zihui, et al. Characteristics of the lower layer of sandstorms in the Minqin desert-oasis zone[J]. Sci China: Earth Sci, 2011, 41(2): 234－242. (in Chinese with English abstract)

[19] Mc Tainsh G, Strong C.The role of aeolian dust in ecosystems[J]. Geomorphology, 2007, 89: 39－54.

[20] 韓晶晶，王式功，祈斌，等. 氣溶膠光學(xué)厚度的分布特征及其與沙塵天氣的關(guān)系[J]. 中國沙漠，2006，26(3)：362－369.

Han Jingjing, Wang Shigong, Qi Bin, et al. Distribution of aerosol optical thickness and its relation with dusty weather in China[J]. Journal of Desert Research, 2006, 26(3): 362－369. (in Chinese with English abstract)

[21] Wang X M, Dong Z B, Zhang J W, et al. Modern dust storms in China: An overview[J]. Journal of Arid Environments, 2004, 58: 559－574.

[22] Shao Y. A similarity theory for saltation and application to Aeolian mass flux[J]. Boundary-Layer Meteorology, 2005, 115: 319－338.

[23] 楊興華，李紅軍，何清，等. 塔克拉瑪干沙漠荒漠過渡帶春季風(fēng)沙活動特征：以肖塘為例[J]. 中國沙漠，2012，32(4)：915－920.

Yang Xinghua, Li Hongjun, He Qing, et al. Blown sand activities in spring in the desert transitional zone of the Taklimakan Desert: A case in Xiaotang Area[J]. Journal of Desert Research, 2012, 32(4): 915－920. (in Chinese with English abstract)

[24] 楊興華，何清，霍文，等. 塔克拉瑪干沙漠南緣風(fēng)沙躍移運(yùn)動研究:以策勒為例[J]. 中國沙漠，2012，32(4)：910－914.

Yang Xinghua, He Qing, Huo Wen, et al. Sand saltation in the south margin of the Taklimakan Desert: A case study in Cele County[J]. Journal of Desert Research, 2012, 32(4): 910－914. (in Chinese with English abstract)

[25] Yang Xinghua, He Qing, Ali Mamtimin, et al. A field experiment on dust emission by wind erosion in the Taklimakan Desert[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2012, 26(2): 241－249.

[26] 楊東亮，王雪芹，胡永鋒，等. 風(fēng)沙流輸沙通量垂向分布研究：以塔克拉瑪干沙漠南緣流沙地表風(fēng)沙流觀測為例[J]. 中國沙漠，2012，32(3)：631－639.

Yang Dongliang, Wang Xueqin, Hu Yongfeng, et al. Vertical distribution of aeolian sand mass flux based on field observation at southern rim of the Taklimakan Desert[J]. Journal of Desert Research, 2012, 32(3): 631－639. (in Chinese with English abstract)

[27] 何清，楊興華，艾力·買買提依明，等. 塔克拉瑪干沙漠風(fēng)蝕起沙觀測研究：試驗(yàn)介紹與觀測結(jié)果初報[J]. 中國沙漠，2011，31(2)：315－322.

He Qing, Yang Xinghua, Ali Mamtimin, et al. Observation of dust emission by wind erosion in Taklimakan Desert: Field experiment and preliminary report[J]. Journal of Desert Research, 2011, 31(2): 315－322. (in Chinese with English abstract)

[28] 張加瓊，張春來，吳曉旭，等. 鐵路沙坡頭段防護(hù)體系內(nèi)的風(fēng)沙沉降規(guī)律[J]. 中國沙漠，2014，34(1)：16－22.

Zhang Jiaqiong, Zhang Chunlai, Wu Xiaoxu, et al. Aeolian deposition in the protective system of Shapotou section of the Baotou-Lanzhou Railway[J]. Journal of Desert Research, 2014, 34(1): 16－22. (in Chinese with English abstract)

Characteristics of near-surface wind speed and sand-dust flux at northeast edge of Ulan Buh Desert

Luo Fengmin, Xin Zhiming, Gao Junliang, Hao Yuguang※, Ge Genbatu, Li Xinle

(/,015200,)

Deserts are the main source of dust storms in the surface layer, aeolian sand-dust transport is a serious problem in many arid and semi-arid regions in the world, and it is considered to be a significant part of global biogeochemical cycle. Aeolian dust transport processes are closely related to the variation of the height of near-surface horizontal and deposition dust flux. Ulan Buh Desert is one of the 8 largest deserts in China, and is also one of the important dust source regions in northern China. In this paper, fixed monitoring stations were set up in both the desert-oasis ecotone and the oasis at the northeast edge of Ulan Buh Desert, the near-surface (0-50 m) wind speed and sand-dust flux data obtained from the dust observation tower at the Inner Mongolia Dengkou Desert Ecosystem Research Station of the State Forestry Administration in 2013 were analyzed to reveal the spatio-temporal variation characteristics of wind speed and sand-dust flux at the northeast edge of Ulan Buh Desert. The results showed as follows: 1) Both the average wind speed of the year and the average wind speed of different seasons of the near-surface layer in both desert-oasis ecotone and oasis increased with the increase of the height, and the wind speed profile characteristics could be expressed by power exponential function. The wind speed in the desert-oasis ecotone was significantly higher than that in the oasis. 2) The near-surface horizontal sand-dust flux and dust-falling amount in both desert-oasis ecotone and oasis decreased with the increase of the height, and the distribution characteristics also accorded with power exponential function. The horizontal sand-dust flux in the oasis-desert ecotone was significantly higher than that in the oasis, which obviously indicated that the protection forest in the oasis has the effects of weakening the transportation of sand dust. The horizontal sand-dust flux and dust-falling amount in the desert-oasis ecotone had a linear correlation relationship, while the horizontal sand-dust flux and dust-falling amount in the oasis showed an exponent relationship. 3) The variation characteristics of horizontal sand-dust flux and dust-falling amount in the artificial oasis and the oasis-desert ecotone were gradually decreased with the increase of the height in the 4 seasons of a year, the horizontal sand-dust flux and dust-falling amount were concentrated in spring, followed by summer, while those in autumn and winter were relatively low; the horizontal dust flux and the dust-falling amount of oasis-desert transition belt were significantly higher than the inner oasis. The horizontal dust flux and dust-falling amount in the oasis-desert ecotone were significantly higher than that in the oasis in all 4 seasons of a year. The results reveal the spatio-temporal variation rules of near-surface wind speed and sand-dust activity, and illuminate the mechanism of the effects of oasis protection forest on weakening surface wind speed and sand-dust activities, which can help to provide a theoretical basis and reference for the desertification combating and the establishment of oasis protection forest.

wind; velocity; dust; surface layer; horizontal sand-dust flux; dust fall amount; Ulan Buh Desert

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.019

X16; S157.1

A

1002-6819(2016)-24-0147-08

2016-03-09

2016-07-13

“十二五”科技支撐課題“干旱區(qū)沙漠邊緣防風(fēng)固沙體系構(gòu)建技術(shù)研究與試驗(yàn)示范”(2012BAD16B0103)；國家林業(yè)局防沙治沙專題“烏蘭布和沙漠東北部荒漠化定位監(jiān)測”。

羅鳳敏，女，內(nèi)蒙古敖漢旗人，工程師，主要從事荒漠化防治研究。磴口 中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，015200。Email：lfm359541965@126.com

郝玉光，男，內(nèi)蒙古五原縣人，研究員，博士，主要從事荒漠化防治研究。磴口 中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，015200。Email：hyuguang@163.com