策勒沙漠—绿洲输沙及动力环境特征

巩庆，范金霞，林卫，产秀媚

（1.库尔勒市气象局，新疆库尔勒 841000；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐市 830002；3.布尔津县气象局，新疆布尔津 836600）

策勒沙漠—绿洲输沙及动力环境特征

巩庆1，2，范金霞1，2，林卫1，2，产秀媚3

（1.库尔勒市气象局，新疆库尔勒 841000；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐市 830002；3.布尔津县气象局，新疆布尔津 836600）

利用2012年4月9日—5月9日策勒沙漠和绿洲内部测点的输沙及气象资料，分析了沙漠与绿洲内部沙尘传输的差异性，并从风动力环境上揭示了成因。结果表明：（1）观测期间，通过沙漠测点100 cm（宽）×200 cm（高）断面的沙尘总量为117.5 kg，通过绿洲内部棉田相同断面的沙尘总量为15.1 kg，比沙漠测点减少了87.1%；（2）过渡带和防护林带对风速的消减作用明显，观测期间，沙漠测点起沙风的持续时间为97.4 h，棉田测点仅为18.9 h；（3）观测期间，沙漠测点的总输沙势为114.2 VU，合成输沙势为72.8 VU，合成输沙方向为65.5°；棉田测点的总输沙势为16.1 VU，合成输沙势为15.1 VU，合成输沙方向为104.5°。荒漠过渡带和绿洲防护林通过降低绿洲内部的风速，改变动力环境，削弱沙尘在绿洲区的传输。

输沙量；起沙风；输沙势；策勒

风沙活动是全球干旱、半干旱地区陆面过程的重要体现之一。风沙活动引起的沙尘输送，不仅会掩埋道路和农田，引起沙漠化扩大[1]和土壤流失[4]，而且影响区域和全球气候[3]、环境和空气质量[2]。干旱的气候环境、丰富的沙源供给使得塔里木盆地成为我国风沙运动的活跃区，也是全国沙尘天气的高发区[5]。风沙活动对当地的生态环境[6]、农业生产[7]、空气质量[8]及人类健康产生了巨大影响[9]。盆地南缘、特别是和田地区是风沙活动、沙尘天气的频发区[10]。和田地区的策勒是受风沙活动影响的重灾区，研究表明春夏季全天24 h均有风沙活动发生[11]，且该区域沙尘输送强度较大，近地表0～40 cm高度、1 cm宽度的断面年输沙量高达96.0 kg[12]。策勒县城历史上曾3次因为风沙侵袭而搬迁，风沙灾害严重地制约着当地社会经济的发展。

绿洲外围的防护林带及荒漠过渡带对绿洲的保护作用不言而喻，众多研究表明防护林带及荒漠过渡带在改变局地气候[13-14]、减小风速、减少沙尘输送等方面具有重要作用[15-20]。本文以策勒县为研究区，利用沙尘多发时段（2012年4月9日—5月9日）在沙漠及绿洲内部同步观测的沙尘水平通量及风速、风向数据，分析了沙漠与绿洲内部近地表沙尘输送的差异性，并从动力环境方面入手，分析了其差异性的形成原因，以期对策勒绿洲防护林、荒漠过渡带在降低风沙对绿洲侵袭方面的作用有量化的认识。

1 研究区概况

策勒县位于塔克拉玛干沙漠南缘（图1），昆仑山北麓，县域总面积3.16×104km2。全县地势总体南高北低，山区平均海拔3200 m，平原区海拔1500～ 1800 m。境内可供人类生存的绿洲面积仅占2.9%，且被沙漠和戈壁分割包围成大小不等的72块，历史上策勒县城因风沙侵袭被迫三次搬迁。该地区属于暖温带荒漠气候，年平均气温12.2℃，积温为4340℃，无霜期达200 d；气候干旱，多年平均降水量为37.2 mm，而蒸发量可达2600 mm。策勒风沙活动频繁，多年平均沙尘暴、扬沙、浮尘日数分别为19.4、52.2、125.2 d，主要发生在每年的3—7月[21]。

2 研究方法

观测试验选择在策勒绿洲外围的沙漠区测点A和绿洲内部测点B开展（图1）。测点A的下垫面为平坦沙面，周边有稀疏的灌丛沙堆分布；测点B位于绿洲防护林带内的一块平坦棉田内，试验期间棉花幼苗尚未破土。观测项目主要包括近地面沙尘水平通量输送、风速及风向等。其中，沙尘水平通量的观测采用BSNE梯度集沙仪开展，BSNE的集沙盒进沙口宽2 cm，高5 cm，集沙效率可达90%[22]，集沙盒的安装高度为10、20、50、70、100、200 cm。风速风向的观测高度为200 cm，其中风速测量仪为美国Metone生产的010C，测量精度为±1.0%，风向的测量为020C，精度为±3°。风速、风向的采集频率为1 Hz，根据气象部门数据质量要求，采取滑动平均的方法，将数据平均为1 min值。

图1 试验点分布示意图

总沙尘水平通量的确定是基于观测期间BSNE所收集的两个观测点10、20、50、70、100、200 cm共6个高度层沙尘通量，根据方程（1）进行拟合，获取参数a、b：

其中，q（z）为对应高度的输沙通量（kg/m2）；z为距离地表的高度（cm）；a、b为待定参数，由实测输沙通量的拟合方程确定（图2）。然后根据a、b的值，可以推导出2012年4月9日—5月9日，通过各观测点0～200 cm高，100 cm宽断面上的水平输沙量为：

其中，Q为观测期间通过断面的总沙尘量，单位为kg。

风动力环境的重要表现参数输沙势利用同步测量的2 m高度风速、风向数据和Fryberger[23]方法计算：

其中，DP为输沙势；V为各级别起沙风速的1 min平均值；Vt为临界起沙风速，文中2 m高度起沙风速取值5.0 m/s[11]；t为起沙风作用时间，以百分比表示；在该公式中V与Vt的单位为kn/h（海里或节每小时）。统计观测期间各风向不同级别起沙风速的频率，把相同风向各风速级出现频率与平均风速分别代入方程（3），所得值相加，即得到某一风向的输沙势。16个方向的输沙势相加得到总输沙势，然后进行矢量合成可得到合成输沙势（RDP）与输沙势合成方向（RDD）。

3 结果

3.1 沙尘水平通量差异性分析

图2给出了2012年4月9日—5月9日策勒绿洲外围沙漠（测点A）和绿洲内部棉田（测点B）不同高度的沙尘水平通量。由于仪器故障，棉田测点70 cm高度的沙尘水平通量数据缺失。由图可以发现，两个测点的沙尘水平通量都随高度迅速降低。根据方程（1）对两个测点的数据进行了拟合，发现两个测点上沙尘水平通量随高度的变化都可以较好地用幂函数描述，相关系数R2均达到0.95以上。沙漠测点的拟合效果优于棉田测点，造成这一现象的原因应该是沙尘传输过程中穿越荒漠过渡带和防护林时受到下垫面变化及林木的干扰，使得沙尘输送通量在高度上的分布受到一定的干扰，从而异于沙漠测点自然状态下沙尘通量随高度分布。

图2 观测期间两个测点不同高度层的沙尘水平通量

两个测点相同高度层的沙尘水平通量差异非常显著，沙漠测点各高度层的沙尘水平通量均远大于大于棉田测点。其中，最低层10 cm高度的沙尘水平通量两个测点相差达46倍，随着高度的增加差异性呈现减小趋势，至200 cm高度两个测点仅相差7.7倍。将方程（1）拟合的参数a和b代入方程（2）可以计算出两个测点观测期间通过100 cm（宽）×200 cm（高）断面的沙尘总量分别为117.5 kg和15.1 kg，若以沙漠测点的沙尘总量为参考，绿洲内部棉田的沙尘总量减小了87.1%。赵明等[13]在民勤地区的观测结果表明沙漠-绿洲通过相同大小断面的沙尘量比沙漠区减少了74%。这一结果表明策勒绿洲外围的荒漠过渡带及防护林对沙尘的传输具有显著的消减作用。

根据图2中不同高度沙尘水平通量随高度分布的拟合方程，给出了两个测点沙尘水平通量随高度分布的累积百分比（图3）。同一高度的累计百分比，沙漠远高于棉田。统计表明，沙漠约85%的沙尘在地表50 cm高度以内传输，而棉田仅有40%左右；沙漠地区100 cm、150 cm高度以下传输的沙尘量约为89%和94%，而相同高度以下棉田的沙尘传输量分别约为66%和85%，表明沙尘在往绿洲传输的过程中，其垂直分布结构发生了一定的改变。沙漠下垫面条件下，沙尘主要从贴地表传输，而绿洲内部由于沙尘传输过程中受到下垫面植被的干扰，从而改变了沙尘水平通量的结构，使得上层传输的沙尘通量增加。这一结果与赵明等[13]在民勤地区的观测结果一致。

图3 观测期间两个测点沙尘水平通量累积百分比

图4 观测期间沙漠测点和棉田测点不同级别风速的风向分布

3.2 风动力环境差异性分析

风动力是影响沙尘输送的决定因素，为此本文将对比分析两个测点的风速、风向及输沙势等参数，以期从动力环境方面解释荒漠过渡带和防护林对于沙尘传输的消减机制。

图4给出了观测期间沙漠测点和绿洲内部棉田测点风速、风向分布。在两个测点均是小于4.0 m/s的风速出现频率最高，分别占到77.1%和93.5%；随着风速等级增大，出现频率呈现降低趋势。沙漠测点大于7.0 m/s以上的风速仅占3.4%，而棉田测点则仅占0.1%，且无大于8.0 m/s的风速出现。除去小于4.0 m/s的风速，其他等级的风速出现频率均为棉田小于沙漠。观测期间，沙漠测点起沙风（5.0 m/s）的持续时间为97.4 h，而棉田测点仅为18.9 h。这一结果表明荒漠过渡和防护林带对风速的消减作用明显，不仅降低了风速，而且减少了起沙风持续时间。风速的降低必然影响沙尘的输送，较大粒径的沙尘将沉降到地表，降低绿洲内部空气中的沙尘浓度及沙尘量，减少输送量。有关研究表明绿洲内都的降尘量大于外部[24]，这一结果与上述分析吻合。

沙漠测点风沙以NE、ENE、E、SW、WSW、W 6个风向为主，合计占到全部风向的55.6%，WSW出现频率最高，占到13.3%。棉田测点风向以E、ESE、W、WNW 4个风向为主，合计占到全部风向的44.0%，WNW出现频率最高，占到12.4%。沙漠测点起沙风风向以NE、SW、WSW、W为主，4个风向合计占到全部风向的70.9%；棉田测点起沙风风向以W及WNW为主，两个风向合计占到全部风向的81.5%。棉田测点的起沙风风向与风沙前沿有显著差异，且起沙风风向更加集中。由于荒漠过渡带及防护林带的存在，影响了局地环流，使得风在进入绿洲时风向产生了改变。

输沙势是衡量区域风沙活动强度的重要指标，代表潜在的输沙能力。根据同步测量的2 m高度风速、风向数据和公式（3），计算了两个测点的输沙势（表1）。两个测点的输沙势方向分布与起沙风分布一致，其中沙漠测点观测期间的总输沙势为114.2 VU，合成输沙势为72.8 VU，合成输沙方向为65.5°；棉田测点的总输沙势为16.1 VU，合成输沙势为15.1，合成输沙方向为104.5°。对比沙漠测点，绿洲内部棉田测点的总输沙势减少了85.9%，合成输沙势减少了79.3%。

表1 观测期间沙漠测点和棉田测点的输沙势

4 讨论

通过策勒沙漠、绿洲测点风沙高发期的对比观测试验，可以得出荒漠过渡、防护林带通过降低风速、减少起沙风持续时间，使得风输送沙尘的潜在能力得以降低，从而使得绿洲内部近地表沙尘输送量减少87%以上。民勤地区通过绿洲区相同大小断面的沙尘量比沙漠区减少了74%[13]，低于本文的观测结果。敦煌绿洲区的起沙风作用时间比沙漠减少了55.3%，输沙势减少了45.4%[14]，也都显著低于本文的观测结果。表明大家对荒漠过渡带及绿洲防护林带在改变输沙动力环境及减少沙尘输送的认知是一致的，但减少的程度与观测期间天气过程的强弱、荒漠过渡带的面积、防护林带密度存在关联，对比结果也表明了策勒绿洲外围的荒漠过渡带及防护林带的防护功能暂时优于其他地区。但是有研究表明[25]近年来策勒绿洲总体上虽然处于稳定，但是随着人工绿洲的扩张和对绿洲边缘植被资源的过度利用，绿洲-沙漠过渡带面积明显减少，生态环境破碎化程度增加，对绿洲的防护作用下降。鉴于此，当地政府应当对人工绿洲的扩张速度进行合理的干预，引导人们科学合理地利用荒漠过渡带及防护林带植被资源，维持荒漠过渡带和防护林带面积和密度的稳定性，以保障其对绿洲区降风弱尘的功效。

5 结论

通过策勒沙漠、绿洲测点风沙高发期的对比观测，分析了沙漠与绿洲内部沙尘传输的差异性。得到如下结论：

（1）观测期间，通过沙漠测点100 cm宽×200 cm高断面的沙尘总量为117.5 kg，通过绿洲内部棉田相同断面的沙尘总量为15.1 kg，比沙漠测点减少了87.1%。

（2）过渡带和防护林带对风速的消减作用明显。观测期间，沙漠测点起沙风的持续时间为97.4h，棉田测点仅为18.9 h。

（3）观测期间，沙漠测点的总输沙势为114.2 VU，合成输沙势为72.8 VU，合成输沙方向为65.5°；棉田测点的总输沙势为16.1 VU，合成输沙势为15.1 VU，合成输沙方向为104.5°。

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

GONG Qing1，2，FAN 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

巩庆，范金霞，林卫，等.策勒沙漠—绿洲输沙及动力环境特征[J].沙漠与绿洲气象，2017，11（3）：86-90.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.012

2017-02-01；

2017-02-23

国家自然科学基金（41375163）。

巩庆（1974-），男，工程师，主要从事综合气象观测及大气环境研究。E-mail：1401473426@qq.com