策勒沙漠—綠洲輸沙及動力環(huán)境特征

鞏慶，范金霞，林衛(wèi)，產(chǎn)秀媚

（1.庫爾勒市氣象局，新疆庫爾勒 841000；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊市 830002；3.布爾津縣氣象局，新疆布爾津 836600）

策勒沙漠—綠洲輸沙及動力環(huán)境特征

鞏慶1，2，范金霞1，2，林衛(wèi)1，2，產(chǎn)秀媚3

（1.庫爾勒市氣象局，新疆庫爾勒 841000；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊市 830002；3.布爾津縣氣象局，新疆布爾津 836600）

利用2012年4月9日—5月9日策勒沙漠和綠洲內(nèi)部測點的輸沙及氣象資料，分析了沙漠與綠洲內(nèi)部沙塵傳輸?shù)牟町愋?，并從風(fēng)動力環(huán)境上揭示了成因。結(jié)果表明：（1）觀測期間，通過沙漠測點100 cm（寬）×200 cm（高）斷面的沙塵總量為117.5 kg，通過綠洲內(nèi)部棉田相同斷面的沙塵總量為15.1 kg，比沙漠測點減少了87.1%；（2）過渡帶和防護林帶對風(fēng)速的消減作用明顯，觀測期間，沙漠測點起沙風(fēng)的持續(xù)時間為97.4 h，棉田測點僅為18.9 h；（3）觀測期間，沙漠測點的總輸沙勢為114.2 VU，合成輸沙勢為72.8 VU，合成輸沙方向為65.5°；棉田測點的總輸沙勢為16.1 VU，合成輸沙勢為15.1 VU，合成輸沙方向為104.5°?；哪^渡帶和綠洲防護林通過降低綠洲內(nèi)部的風(fēng)速，改變動力環(huán)境，削弱沙塵在綠洲區(qū)的傳輸。

輸沙量；起沙風(fēng)；輸沙勢；策勒

風(fēng)沙活動是全球干旱、半干旱地區(qū)陸面過程的重要體現(xiàn)之一。風(fēng)沙活動引起的沙塵輸送，不僅會掩埋道路和農(nóng)田，引起沙漠化擴大[1]和土壤流失[4]，而且影響區(qū)域和全球氣候[3]、環(huán)境和空氣質(zhì)量[2]。干旱的氣候環(huán)境、豐富的沙源供給使得塔里木盆地成為我國風(fēng)沙運動的活躍區(qū)，也是全國沙塵天氣的高發(fā)區(qū)[5]。風(fēng)沙活動對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[6]、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[7]、空氣質(zhì)量[8]及人類健康產(chǎn)生了巨大影響[9]。盆地南緣、特別是和田地區(qū)是風(fēng)沙活動、沙塵天氣的頻發(fā)區(qū)[10]。和田地區(qū)的策勒是受風(fēng)沙活動影響的重災(zāi)區(qū)，研究表明春夏季全天24 h均有風(fēng)沙活動發(fā)生[11]，且該區(qū)域沙塵輸送強度較大，近地表0～40 cm高度、1 cm寬度的斷面年輸沙量高達96.0 kg[12]。策勒縣城歷史上曾3次因為風(fēng)沙侵襲而搬遷，風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重地制約著當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展。

綠洲外圍的防護林帶及荒漠過渡帶對綠洲的保護作用不言而喻，眾多研究表明防護林帶及荒漠過渡帶在改變局地氣候[13-14]、減小風(fēng)速、減少沙塵輸送等方面具有重要作用[15-20]。本文以策勒縣為研究區(qū)，利用沙塵多發(fā)時段（2012年4月9日—5月9日）在沙漠及綠洲內(nèi)部同步觀測的沙塵水平通量及風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，分析了沙漠與綠洲內(nèi)部近地表沙塵輸送的差異性，并從動力環(huán)境方面入手，分析了其差異性的形成原因，以期對策勒綠洲防護林、荒漠過渡帶在降低風(fēng)沙對綠洲侵襲方面的作用有量化的認識。

1 研究區(qū)概況

策勒縣位于塔克拉瑪干沙漠南緣（圖1），昆侖山北麓，縣域總面積3.16×104km2。全縣地勢總體南高北低，山區(qū)平均海拔3200 m，平原區(qū)海拔1500～ 1800 m。境內(nèi)可供人類生存的綠洲面積僅占2.9%，且被沙漠和戈壁分割包圍成大小不等的72塊，歷史上策勒縣城因風(fēng)沙侵襲被迫三次搬遷。該地區(qū)屬于暖溫帶荒漠氣候，年平均氣溫12.2℃，積溫為4340℃，無霜期達200 d；氣候干旱，多年平均降水量為37.2 mm，而蒸發(fā)量可達2600 mm。策勒風(fēng)沙活動頻繁，多年平均沙塵暴、揚沙、浮塵日數(shù)分別為19.4、52.2、125.2 d，主要發(fā)生在每年的3—7月[21]。

2 研究方法

觀測試驗選擇在策勒綠洲外圍的沙漠區(qū)測點A和綠洲內(nèi)部測點B開展（圖1）。測點A的下墊面為平坦沙面，周邊有稀疏的灌叢沙堆分布；測點B位于綠洲防護林帶內(nèi)的一塊平坦棉田內(nèi)，試驗期間棉花幼苗尚未破土。觀測項目主要包括近地面沙塵水平通量輸送、風(fēng)速及風(fēng)向等。其中，沙塵水平通量的觀測采用BSNE梯度集沙儀開展，BSNE的集沙盒進沙口寬2 cm，高5 cm，集沙效率可達90%[22]，集沙盒的安裝高度為10、20、50、70、100、200 cm。風(fēng)速風(fēng)向的觀測高度為200 cm，其中風(fēng)速測量儀為美國Metone生產(chǎn)的010C，測量精度為±1.0%，風(fēng)向的測量為020C，精度為±3°。風(fēng)速、風(fēng)向的采集頻率為1 Hz，根據(jù)氣象部門數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，采取滑動平均的方法，將數(shù)據(jù)平均為1 min值。

圖1 試驗點分布示意圖

總沙塵水平通量的確定是基于觀測期間BSNE所收集的兩個觀測點10、20、50、70、100、200 cm共6個高度層沙塵通量，根據(jù)方程（1）進行擬合，獲取參數(shù)a、b：

其中，q（z）為對應(yīng)高度的輸沙通量（kg/m2）；z為距離地表的高度（cm）；a、b為待定參數(shù)，由實測輸沙通量的擬合方程確定（圖2）。然后根據(jù)a、b的值，可以推導(dǎo)出2012年4月9日—5月9日，通過各觀測點0～200 cm高，100 cm寬斷面上的水平輸沙量為：

其中，Q為觀測期間通過斷面的總沙塵量，單位為kg。

風(fēng)動力環(huán)境的重要表現(xiàn)參數(shù)輸沙勢利用同步測量的2 m高度風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)和Fryberger[23]方法計算：

其中，DP為輸沙勢；V為各級別起沙風(fēng)速的1 min平均值；Vt為臨界起沙風(fēng)速，文中2 m高度起沙風(fēng)速取值5.0 m/s[11]；t為起沙風(fēng)作用時間，以百分比表示；在該公式中V與Vt的單位為kn/h（海里或節(jié)每小時）。統(tǒng)計觀測期間各風(fēng)向不同級別起沙風(fēng)速的頻率，把相同風(fēng)向各風(fēng)速級出現(xiàn)頻率與平均風(fēng)速分別代入方程（3），所得值相加，即得到某一風(fēng)向的輸沙勢。16個方向的輸沙勢相加得到總輸沙勢，然后進行矢量合成可得到合成輸沙勢（RDP）與輸沙勢合成方向（RDD）。

3 結(jié)果

3.1 沙塵水平通量差異性分析

圖2給出了2012年4月9日—5月9日策勒綠洲外圍沙漠（測點A）和綠洲內(nèi)部棉田（測點B）不同高度的沙塵水平通量。由于儀器故障，棉田測點70 cm高度的沙塵水平通量數(shù)據(jù)缺失。由圖可以發(fā)現(xiàn)，兩個測點的沙塵水平通量都隨高度迅速降低。根據(jù)方程（1）對兩個測點的數(shù)據(jù)進行了擬合，發(fā)現(xiàn)兩個測點上沙塵水平通量隨高度的變化都可以較好地用冪函數(shù)描述，相關(guān)系數(shù)R2均達到0.95以上。沙漠測點的擬合效果優(yōu)于棉田測點，造成這一現(xiàn)象的原因應(yīng)該是沙塵傳輸過程中穿越荒漠過渡帶和防護林時受到下墊面變化及林木的干擾，使得沙塵輸送通量在高度上的分布受到一定的干擾，從而異于沙漠測點自然狀態(tài)下沙塵通量隨高度分布。

圖2 觀測期間兩個測點不同高度層的沙塵水平通量

兩個測點相同高度層的沙塵水平通量差異非常顯著，沙漠測點各高度層的沙塵水平通量均遠大于大于棉田測點。其中，最低層10 cm高度的沙塵水平通量兩個測點相差達46倍，隨著高度的增加差異性呈現(xiàn)減小趨勢，至200 cm高度兩個測點僅相差7.7倍。將方程（1）擬合的參數(shù)a和b代入方程（2）可以計算出兩個測點觀測期間通過100 cm（寬）×200 cm（高）斷面的沙塵總量分別為117.5 kg和15.1 kg，若以沙漠測點的沙塵總量為參考，綠洲內(nèi)部棉田的沙塵總量減小了87.1%。趙明等[13]在民勤地區(qū)的觀測結(jié)果表明沙漠-綠洲通過相同大小斷面的沙塵量比沙漠區(qū)減少了74%。這一結(jié)果表明策勒綠洲外圍的荒漠過渡帶及防護林對沙塵的傳輸具有顯著的消減作用。

根據(jù)圖2中不同高度沙塵水平通量隨高度分布的擬合方程，給出了兩個測點沙塵水平通量隨高度分布的累積百分比（圖3）。同一高度的累計百分比，沙漠遠高于棉田。統(tǒng)計表明，沙漠約85%的沙塵在地表50 cm高度以內(nèi)傳輸，而棉田僅有40%左右；沙漠地區(qū)100 cm、150 cm高度以下傳輸?shù)纳硥m量約為89%和94%，而相同高度以下棉田的沙塵傳輸量分別約為66%和85%，表明沙塵在往綠洲傳輸?shù)倪^程中，其垂直分布結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的改變。沙漠下墊面條件下，沙塵主要從貼地表傳輸，而綠洲內(nèi)部由于沙塵傳輸過程中受到下墊面植被的干擾，從而改變了沙塵水平通量的結(jié)構(gòu)，使得上層傳輸?shù)纳硥m通量增加。這一結(jié)果與趙明等[13]在民勤地區(qū)的觀測結(jié)果一致。

圖3 觀測期間兩個測點沙塵水平通量累積百分比

圖4 觀測期間沙漠測點和棉田測點不同級別風(fēng)速的風(fēng)向分布

3.2 風(fēng)動力環(huán)境差異性分析

風(fēng)動力是影響沙塵輸送的決定因素，為此本文將對比分析兩個測點的風(fēng)速、風(fēng)向及輸沙勢等參數(shù)，以期從動力環(huán)境方面解釋荒漠過渡帶和防護林對于沙塵傳輸?shù)南麥p機制。

圖4給出了觀測期間沙漠測點和綠洲內(nèi)部棉田測點風(fēng)速、風(fēng)向分布。在兩個測點均是小于4.0 m/s的風(fēng)速出現(xiàn)頻率最高，分別占到77.1%和93.5%；隨著風(fēng)速等級增大，出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)降低趨勢。沙漠測點大于7.0 m/s以上的風(fēng)速僅占3.4%，而棉田測點則僅占0.1%，且無大于8.0 m/s的風(fēng)速出現(xiàn)。除去小于4.0 m/s的風(fēng)速，其他等級的風(fēng)速出現(xiàn)頻率均為棉田小于沙漠。觀測期間，沙漠測點起沙風(fēng)（5.0 m/s）的持續(xù)時間為97.4 h，而棉田測點僅為18.9 h。這一結(jié)果表明荒漠過渡和防護林帶對風(fēng)速的消減作用明顯，不僅降低了風(fēng)速，而且減少了起沙風(fēng)持續(xù)時間。風(fēng)速的降低必然影響沙塵的輸送，較大粒徑的沙塵將沉降到地表，降低綠洲內(nèi)部空氣中的沙塵濃度及沙塵量，減少輸送量。有關(guān)研究表明綠洲內(nèi)都的降塵量大于外部[24]，這一結(jié)果與上述分析吻合。

沙漠測點風(fēng)沙以NE、ENE、E、SW、WSW、W 6個風(fēng)向為主，合計占到全部風(fēng)向的55.6%，WSW出現(xiàn)頻率最高，占到13.3%。棉田測點風(fēng)向以E、ESE、W、WNW 4個風(fēng)向為主，合計占到全部風(fēng)向的44.0%，WNW出現(xiàn)頻率最高，占到12.4%。沙漠測點起沙風(fēng)風(fēng)向以NE、SW、WSW、W為主，4個風(fēng)向合計占到全部風(fēng)向的70.9%；棉田測點起沙風(fēng)風(fēng)向以W及WNW為主，兩個風(fēng)向合計占到全部風(fēng)向的81.5%。棉田測點的起沙風(fēng)風(fēng)向與風(fēng)沙前沿有顯著差異，且起沙風(fēng)風(fēng)向更加集中。由于荒漠過渡帶及防護林帶的存在，影響了局地環(huán)流，使得風(fēng)在進入綠洲時風(fēng)向產(chǎn)生了改變。

輸沙勢是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動強度的重要指標(biāo)，代表潛在的輸沙能力。根據(jù)同步測量的2 m高度風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)和公式（3），計算了兩個測點的輸沙勢（表1）。兩個測點的輸沙勢方向分布與起沙風(fēng)分布一致，其中沙漠測點觀測期間的總輸沙勢為114.2 VU，合成輸沙勢為72.8 VU，合成輸沙方向為65.5°；棉田測點的總輸沙勢為16.1 VU，合成輸沙勢為15.1，合成輸沙方向為104.5°。對比沙漠測點，綠洲內(nèi)部棉田測點的總輸沙勢減少了85.9%，合成輸沙勢減少了79.3%。

表1 觀測期間沙漠測點和棉田測點的輸沙勢

4 討論

通過策勒沙漠、綠洲測點風(fēng)沙高發(fā)期的對比觀測試驗，可以得出荒漠過渡、防護林帶通過降低風(fēng)速、減少起沙風(fēng)持續(xù)時間，使得風(fēng)輸送沙塵的潛在能力得以降低，從而使得綠洲內(nèi)部近地表沙塵輸送量減少87%以上。民勤地區(qū)通過綠洲區(qū)相同大小斷面的沙塵量比沙漠區(qū)減少了74%[13]，低于本文的觀測結(jié)果。敦煌綠洲區(qū)的起沙風(fēng)作用時間比沙漠減少了55.3%，輸沙勢減少了45.4%[14]，也都顯著低于本文的觀測結(jié)果。表明大家對荒漠過渡帶及綠洲防護林帶在改變輸沙動力環(huán)境及減少沙塵輸送的認知是一致的，但減少的程度與觀測期間天氣過程的強弱、荒漠過渡帶的面積、防護林帶密度存在關(guān)聯(lián)，對比結(jié)果也表明了策勒綠洲外圍的荒漠過渡帶及防護林帶的防護功能暫時優(yōu)于其他地區(qū)。但是有研究表明[25]近年來策勒綠洲總體上雖然處于穩(wěn)定，但是隨著人工綠洲的擴張和對綠洲邊緣植被資源的過度利用，綠洲-沙漠過渡帶面積明顯減少，生態(tài)環(huán)境破碎化程度增加，對綠洲的防護作用下降。鑒于此，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)當(dāng)對人工綠洲的擴張速度進行合理的干預(yù)，引導(dǎo)人們科學(xué)合理地利用荒漠過渡帶及防護林帶植被資源，維持荒漠過渡帶和防護林帶面積和密度的穩(wěn)定性，以保障其對綠洲區(qū)降風(fēng)弱塵的功效。

5 結(jié)論

通過策勒沙漠、綠洲測點風(fēng)沙高發(fā)期的對比觀測，分析了沙漠與綠洲內(nèi)部沙塵傳輸?shù)牟町愋?。得到如下結(jié)論：

（1）觀測期間，通過沙漠測點100 cm寬×200 cm高斷面的沙塵總量為117.5 kg，通過綠洲內(nèi)部棉田相同斷面的沙塵總量為15.1 kg，比沙漠測點減少了87.1%。

（2）過渡帶和防護林帶對風(fēng)速的消減作用明顯。觀測期間，沙漠測點起沙風(fēng)的持續(xù)時間為97.4h，棉田測點僅為18.9 h。

（3）觀測期間，沙漠測點的總輸沙勢為114.2 VU，合成輸沙勢為72.8 VU，合成輸沙方向為65.5°；棉田測點的總輸沙勢為16.1 VU，合成輸沙勢為15.1 VU，合成輸沙方向為104.5°。

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Characteristics of Sediment Transport and Dynamical Environments in Desert-Oasis，Qira County

GONG Qing1，2，F(xiàn)AN Jinxia1，2，LIN Wei1，2，CHAN Xiumei3
（1 Korla Meteorological Bureau，Korla 841000，China;2 Istitute of Desert Meteorology，CMA，Urumqi 830002，China;3 Burqin Meteorological Bureau，Burqin 836600，China）

In this study，the differences of sediment transport between desert and oasis were studied based on the observation data during 9 April to 9 May 2014.Meanwhile，the dynamical environments of desert and oasis were analyzed，so as to provide a reasonable explanation of differences of sediment transport between desert and oasis.Some preliminary conclusions as follows：（1）During observation period，the amount of dust that passed through a section of 100 cm in width and 200 cm in height was 117.5 kg in the desert，and 15.1 kg in the oasis.And the dust flux in the oasis was 87.1%less than that in the desert.（2）The desert transitional zone and wind break forest significantly reduced the wind speed，and the occurrence time of sand-driving wind was 97.4h in the desert，and 18.9h in the oasis during observation period.（3）During observation period，the drift sand potential and resultant sand drift potential were 114.2VU，16.1VU and 72.8VU，15.1VU，respectively.And the drift sand potential and resultant sand drift potential in the oasis were 85.9% and 79.3%less than that in the desert.This indicated that the desert transitional zone and wind break forest significantly reduced the intensity of sediment transport.

sediment discharge;sand-driving wind;sand drift potential;Qira County

P931.3

B

1002-0799（2017）03-0086-05

鞏慶，范金霞，林衛(wèi)，等.策勒沙漠—綠洲輸沙及動力環(huán)境特征[J].沙漠與綠洲氣象，2017，11（3）：86-90.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.012

2017-02-01；

2017-02-23

國家自然科學(xué)基金（41375163）。

鞏慶（1974-），男，工程師，主要從事綜合氣象觀測及大氣環(huán)境研究。E-mail：1401473426@qq.com