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乌兰布和沙漠东北部不同下垫面的小气候变化特征

2020-07-10罗凤敏高君亮辛智鸣郝玉光段瑞兵李新乐

农业工程学报 2020年10期
关键词:下垫面小气候荒漠

罗凤敏,高君亮,辛智鸣,郝玉光,段瑞兵,李新乐

乌兰布和沙漠东北部不同下垫面的小气候变化特征

罗凤敏,高君亮,辛智鸣,郝玉光※,段瑞兵,李新乐

(内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站,中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,磴口 015200)

研究沙区不同下垫面小气候特征对充分利用气候资源及保证林业和农业的正常发展具有实践意义。该研究基于内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站2018年1-12月监测的荒漠区、荒漠-绿洲过渡带和绿洲内部的气温、相对湿度、风速和风向等气象资料,研究了3种下垫面的小气候特征并探讨了产生差异的原因。结果表明:1)荒漠区、荒漠-绿洲过渡带和绿洲内均为白天气温差异较小,夜间相差较大;由于近地层(0~50 m)具有明显的逆温现象,使得植被在气温较高季节发挥降温增湿作用,而冬季发挥保温作用;2)绿洲使年均相对湿度增加1.31~2.57个百分点;就季节而言,夏、秋季,绿洲内的相对湿度较荒漠区和过渡带分别高4.04~6.17和0.93~1.94个百分点,春、冬季,由于近地层(0~50 m)存在明显的逆湿现象,因此绿洲内的相对湿度较荒漠区和过渡带分别低0.37~1.41和6.55~8.71个百分点;3)荒漠区、过渡带和绿洲内风向年变化特征均为以偏西风(W,WSW,SW,SSW)为主,荒漠区和过渡带的风向多变,绿洲内风向相对较为集中,绿洲能够使年均风速降低32.99%~37.05%。乌兰布和沙漠东北部过渡带植被和绿洲防护林体系对小气候具有很好的调节作用(降温、增湿、削减风速),研究区局地小气候主要体现在风速和夏秋季湿度上,而气温和冬春季湿度分别主要受逆温和逆湿的影响。

温度;湿度;小气候;下垫面;风速;乌兰布和沙漠

0 引 言

全球气候变化研究是当前社会关注的焦点,陆地下垫面过程是引起气候变化的重要因子,不同的下垫面状况会形成不同的小气候[1]。绿洲和荒漠是两种截然不同的景观,绿洲和荒漠水热平衡的研究得到了广泛的关注[2],关于下垫面对小气候变化的影响方面的研究也显得尤为重要。

沙漠小气候是指因局地下垫面条件影响而形成的与大气候不同的贴地层和土壤上层气候[3]。沙区小气候不仅可以定量反映沙漠化环境的退化程度,又能够定量描述沙漠化过程中反馈作用的强度[4]。绿洲存在于荒漠中又异于荒漠,在一定条件下进行物质循环与能量交换[5],沙漠-绿洲过渡带是干旱区绿洲生态屏障的重要组成部分,其小气候方面的研究一直是学者关注的热点问题,加之小气候和下垫面植被的关系复杂,二者互相影响[6-7],因此量化不同下垫面的小气候变化特征至关重要。

目前,诸多学者在干旱、半干旱区主要针对不同区域小气候特征[5,8-13]、热量特征及太阳辐射[14-16]等方面开展了研究,结果表明不同水、肥、气、热的下垫面构成因素都会使得不同下垫面之间产生明显的气候差异,但依然缺乏同一区域不同下垫面的全年小气候系统性的研究及差异特征分析。乌兰布和沙漠是中国重要的沙源地之一,风沙灾害严重,对包兰铁路、京藏高速、黄河水利枢纽等基础设施的正常使用造成了一定的影响[17-18],同时也威胁着河套绿洲的生态安全、农牧业发展和居民健康生活[19]。乌兰布和沙漠绿洲以农田为主,防护林镶嵌配套而构成。作为“三北防护林体系建设工程”的重要组成部分,乌兰布和沙漠绿洲为河套地区的经济发展和风沙灾害的减少起着关键作用,长期以来备受专家学者的关注。多年以来,研究者在防护林防风效益[20-21]、降尘机理和减沙效应[22-25]等方面开展了大量研究。然而,关于绿洲小气候方面的研究相对较少,仅有的研究报道也多是短时间序列的监测数据,且观测高度仅在0~2 m范围[26-28]。

基于此,本文选取乌兰布和沙漠东北部荒漠区,荒漠—绿洲过渡带及绿洲内的气温、相对湿度、风速和风向等气象资料,对比分析不同下垫面的小气候的时空特征,初步量化分析了三者之间的差异,以此为进一步揭示干旱区的小气候生态特征提供理论依据,为沙漠陆面过程和沙漠气候的研究奠定基础,对绿洲生态环境的保护与合理建设具有一定的科学意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌兰布和沙漠是中国北方干旱、半干旱区的过渡带,总面积约1.0×104km2,海拔1 028~1 054 m,向河套平原倾斜[18]。研究区属温带大陆性季风气候,夏季和秋季受东南季风影响,冬季和春季受西伯利亚-蒙古冷高压控制,区域内干旱少雨,且降水分配不均;夏热冬冷,季节温差大;温湿同期,日照充足,热量丰富,风沙是主要自然灾害[24,29]。荒漠塔距过渡带塔14.55 km,过渡带塔距绿洲塔2.85 km,3种下垫面的整体情况及沙尘监测塔(安装风速风向传感器和温湿度传感器)见图1,3种下垫面详细特征见表1。

图1 研究区不同下垫面图

表1 3个观测点下垫面概况

1.2 数据来源及研究方法

自2018年1月1日至2018年12月31日,由3座沙尘监测塔上安装的Windsonic二维超声风速风向传感器(1590-PK-020,美国Campbell公司)和温湿度传感器(1590-PK-020,美国Campbell公司)对乌兰布和沙漠东北部荒漠区,荒漠—绿洲过渡带(简称过渡带)及绿洲内的小气候气象要素进行平行对比试验观测。风速风向传感器启动风速0.01 m/s,精度(风速±2%,风向±3°),量程(0~60 m/s,0~359°),分辨率(0.01 m/s,1°);温度传感器量程为−80~60 ℃,精度为±0.17 ℃,分辨率为0.1 ℃;湿度传感器量程为0~100%,精度为±1%,分辨率为0.1%。

文中所用气温和相对湿度数据为8 m高度处获取,风速风向数据为12 m高度处获取。所用的数据经过了质量控制,包括3个观测点的同步校准、观测数据的逻辑极值检查和时间一致性检查。本文采用中国气象学上四季划分方法[30],即3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12月—翌年2月为冬季。1、4、7、10月分别为冬、春、夏、秋的代表月份,温湿度廓线为温湿度随着高度的变化趋势曲线[12]。

2 结果与分析

2.1 年变化特征

由图2可知,荒漠区、过渡带和绿洲内年均气温分别为9.66、9.38、9.14 ℃,年均相对湿度分别为40.07%、40.58%、41.11%,年均风速分别为4.13、3.88、2.60 m/s。绿洲使年均气温降低2.56%~5.38%,年均相对湿度增加1.31~2.57个百分点,年均风速降低32.99%~37.05%。荒漠区、过渡带和绿洲内气温年变化曲线形态一致(图2a),一年中7月气温最高,1月气温最低。7月,绿洲内气温较荒漠区和过渡带分别低0.38、1.17 ℃;1月,绿洲内气温较荒漠区和过渡带分别高1.00、0.31 ℃。由图2b可知,荒漠区、过渡带和绿洲内相对湿度年变化曲线形态一致,一年中8月相对湿度最高,3月相对湿度最低。由图2c可知,荒漠区、过渡带和绿洲内风速年变化曲线形态一致,均表现为春、冬季风速较大。荒漠区风速最大(年平均风速4.13 m/s),绿洲内风速最小(年平均风速2.60 m/s)。3种下垫面条件下,气温和相对湿度差异较小,风速差异显著。大气的热量主要源于地表,地表通过地面辐射、湍流和对流运动以及潜热输送等方式将热量传递给边界大气层[31]。植被覆盖度增加,植被吸收和反射的太阳辐射能增加,大气中的热量补充减少,气温降低,同时植物的蒸腾和遮阴作用也会随之增强,因此绿洲内气温较低,湿度较大,此现象与绿洲的“冷岛效应”一致[32]。由于绿洲内高大的防护林带的阻挡,使得气流抬升,减少进入绿洲内的气流,因此风速降低。

图2 气温、相对湿度和风速的年变化特征

由图3可以看出,荒漠区、过渡带和绿洲内风向年变化特征均为以偏西风(W,WSW,SW,SSW)为主,其中荒漠区偏西风中以SW和SSW风为主;过渡带偏西风中以SW风为主,NE方向的风也占较大比例,但风速较低,均分布在5~7 m/s范围内;绿洲内偏西风中以W和WNW风为主。荒漠区和过渡带的风向多变,绿洲内风向相对较为集中。

图3 全年起沙风风向玫瑰图

2.2 季节变化特征

由图4可以看出,荒漠区、过渡带和绿洲内春季平均气温分别为15.39、13.89、12.81 ℃,夏季平均气温分别为26.34、25.96、25.17 ℃,秋季平均气温为8.55、8.35、8.32 ℃,冬季平均气温为−8.91、−8.86、−8.73 ℃。荒漠区、过渡带和绿洲内春、夏、秋、冬季的气温均具有明显的日周期变化特征,且变化趋势一致,3种下垫面的气温均表现为白天高、夜间低的特点,且白天气温差异较小,夜间相差较大;在春季,3种下垫面之间的气温差异较其他季节大。1月夜间,荒漠区较过渡带和绿洲内分别低0.11、0.28 ℃(17:00至次日09:00);4月夜间,荒漠区较过渡带和绿洲内分别高2.10、3.25 ℃(18:00至次日09:00);7月夜间,荒漠区较过渡带和绿洲内分别高0.36、1.06 ℃(18:00至次日06:00);10月夜间,荒漠区较过渡带和绿洲内分别高0.19、0.22 ℃(18:00至次日09:00)。与荒漠区相比,过渡带与绿洲内冬季温度增加了0.05、0.18 ℃,比其他季节分别减小了0.38~1.50 、0.22~2.58 ℃。

1月份最低气温,荒漠区出现在9:00(−13.87 ℃),过渡带和绿洲内出现在8:00(−13.83、−13.59 ℃),最高气温均出现在16:00(分别为−2.85、−2.91、−2.94 ℃);4月份最低气温,荒漠区和过渡带出现在6:00(9.66、7.12 ℃),绿洲内出现在7:00(6.36 ℃),最高气温出现在16:00(20.37、19.69 ℃),绿洲内最高气温出现在15:00(19.08 ℃);7月份,荒漠区、过渡带和绿洲内最低气温均出现在6:00(分别为21.07、20.47、20.11 ℃),最高气温均出现在16:00(分别为30.83、30.72、29.50 ℃);10月份,荒漠区、过渡带和绿洲内最低气温均出现在7:00(分别为2.60、2.44、2.61 ℃),最高气温均出现在16:00(分别为14.723、14.54、14.19 ℃)。综上所述,下垫面变化对各季节最低气温、最高气温以及出现时间影响并不明显。由图5可知,每个季节的夜间均存在不同程度的逆温现象。如图4所示,荒漠区和过渡带逆温现象较绿洲内部明显,这与荒漠区和过渡带温度高于绿洲内的现象一致。

图4 不同季节气温日变化

图5 不同季节50 m气温廓线变化

由图6可以看出,荒漠区、过渡带和绿洲内春季平均相对湿度分别为32.82%、30.66%、24.11%,夏季平均相对湿度分别为53.59%、55.73%、59.76%,秋季平均相对湿度为42.23%、39.36%、40.29%,冬季平均相对湿度为46.72%、45.69%、45.31%。荒漠区、过渡带和绿洲内春、夏、秋、冬季节的相对湿度均具有明显的日周期变化特征,且变化趋势一致,与气温的日变化特征相反;3种下垫面的相对湿度均表现为白天低、夜间高的特点,且白天相对湿度差异较小,夜间相差较大;在春季,3种下垫面之间的气温差异较其他季节大。荒漠区相对湿度为32.82%~53.59%,过渡带相对湿度为30.66%~55.73%,绿洲内相对湿度为24.11%~59.76%。1月和4月,由于近地层(0~50 m)存在明显的逆湿现象,因此绿洲内的相对湿度较荒漠区和过渡带分别低0.37~1.41和6.55~8.71个百分点,7月,绿洲内的相对湿度较荒漠区和过渡带高4.04~6.17个百分点,10月,绿洲内的相对湿度较荒漠区和过渡带高0.93~1.94个百分点。

夜间大气层结稳定,近地层累积的水汽较白天多,夏季尤为明显,植被白天蒸腾旺盛,近地层局地对流强烈,导致水汽上升剧烈,气压减小,因此湿度相对较小;下垫面不同,地表植被差异较大,尤其是夏季,因此3种下垫面夏季的相对湿度差异较大。1月、4月、10月夜间相对湿度表现为绿洲内低于过渡带和荒漠区,产生这种现象的原因是夜间存在明显的逆湿现象(图7),即随着高度的增加相对湿度增大。

图6 不同季节相对湿度日变化

图7 不同季节50 m相对湿度廓线变化

荒漠区、过渡带和绿洲内春季平均风速分别为4.07、4.45、3.49 m/s,夏季平均风速分别为4.02、3.79、2.14 m/s,秋季平均风速为3.85、3.69、2.43 m/s,冬季平均风速为4.69、4.50、2.91 m/s。风速具有明显的季节变化特征(图8),荒漠区与过渡带变化趋势一致,均表现为1月风速最大,其次为4月,10月风速最小;绿洲内则为4月风速最大,其次为1月,7月风速最小。1月与10月起沙风最大风速出现在14:00—16:00之间,4月和7月起沙风最大风速出现在16:00—18:00之间。荒漠区、过渡带和绿洲内1月最大风速分别为6.12、6.03、4.11 m/s,4月最大风速分别为5.69、5.72、5.25 m/s,7月最大风速分别为5.45、4.98、2.86 m/s,10月最大风速分别为5.23、5.45、3.90 m/s。1月、4月、7月和10月均为绿洲内风速最低,且与荒漠区、过渡带差异显著,此现象说明绿洲能够显著降低风速。

2.3 日变化特征

就日变化特征而言,3种下垫面之间的风速差异较大(图9)。与荒漠区比较,过渡带和绿洲使得日均温降低7.41%~12.95%,日均相对湿度降低2.24~3.35百分点,日均风速降低16.6%~51.46%。荒漠区、过渡带和绿洲内气温、相对湿度和风速日变化曲线均呈单峰型分布。气温日最高值均出现在16:00,其值分别为16.14、15.46、14.64 ℃,荒漠区、过渡带日最低值出现在6:00,其值分别为5.21、4.33 ℃,绿洲内日最低值出现在7:00,其值为4.08 ℃。荒漠区、过渡带和绿洲内相对湿度夜间高,白天低;日最高值均出现在7:00,其值分别为62.59%、59.32%、56.49%,日最低值出现在16:00,其值分别为26.48%、27.55%、29.26%。荒漠区、过渡带风速日最高值均出现在16:00,其值分别为5.59、5.36 m/s,绿洲内日最高值出现在17:00,其值为3.82 m/s;荒漠区、过渡带日最低值出现在3:00,其值分别为3.28、3.32 m/s,绿洲内日最低值出现在1:00,其值为2.02 m/s。以上数据表明,绿洲防护林体系对气温、相对湿度和风速在数值大小和出现时间等方面具有显著影响。

图8 不同季节风速日变化

图9 气温、相对湿度和风速的日变化

3 讨 论

荒漠与绿洲之间地表植被类型、植被覆盖度、地形、水资源区域分布、地表土壤组成以及季节变化等方面存在的差异,使得二者之间存在着明显的气候差异[13,33],其中下垫面植被类型及覆盖度的改变对调节区域气候有着积极的影响[34]。荒漠地区植被是改善局部小气候的有利途径[35],荒漠植物对小气候有不同程度的调节作用,如防风、降温和增湿等[9]。乌兰布和沙漠东北部绿洲使年均气温降低2.56%~5.38%,年均相对湿度增加1.31~2.57个百分点,年均风速降低32.99%~37.05%。绿洲防护林对其所在区域的小气候环境具有明显的改善作用,如降低气温、增加湿度[36-37],此现象说明过渡带植被和绿洲防护林体系对小气候具有很好的调节作用,如降温、增湿、削减风速。

由于近地层(0~50 m)存在明显的逆湿现象,春、冬季,绿洲内的相对湿度分别较荒漠区和过渡带低0.37~1.41个百分点、6.55~8.71个百分点,而夏、秋季,绿洲内的相对湿度则分别较荒漠区和过渡带高4.04~6.17个百分点、0.93~1.94个百分点。塔克拉玛干沙漠近地层绿地中心区域湿度比边缘地带小,主要原因为冬季具有逆湿现象[12]。绿洲不仅植被覆盖度大,而且土壤比较湿润,绿洲地表相当于水汽源不断加湿大气,在大气逆温层的强迫下通过水平平流和水平湍流输送给周围临近荒漠近地层大气,使临近荒漠大气湿度相对增大[38]。这种局地水分循环机制实际上是对绿洲表面蒸发的水汽再利用,在这种水循环特征的支持下有利于维持绿洲周围植物的成长[39]。乌兰布和沙漠春、冬季均存在逆湿现象,更有利于荒漠绿洲周围植物的萌发及生长。尤其是作物生长季节,天然植被及防护林体系对于气流的阻挡作用增强,使得湍流交换减弱,风速降低,有利于保护作物[21]。

近地层水平风速日变化表现为白天较大,晚间逐渐减小。1月与10月起沙风最大风速出现在14:00—16:00之间,4月和7月起沙风最大风速出现在16:00—18:00之间,塔克拉玛干沙漠也为白天午后易出现大于起沙风的阵风[13]。乌兰布和沙漠东北部的荒漠区、过渡带和绿洲内全年及各季节气温和相对湿度的差值均为白天小,夜晚大,部分地区的相关研究也得出了一致的结论[33]。产生这种现象的主要原因是沙漠白天温度高,相对湿度低,夜间水汽扩散运移到绿洲-沙漠过渡带增加其相对湿度,进而形成循环机制[13]。植被及防护林的存在削弱了太阳辐射、地面长波辐射减少,进入冠层的气流运动受到植被的阻截及磨擦,空气热量交换强度减弱,从而使得防护林内气温和过渡带及荒漠区存在差异。防护林及植被主要是通过缩小日较差、降低气温变幅的方式,进而使得气温保持相对稳定[40]。

由于下垫面的非均匀性,导致荒漠和绿洲存在较强的局地环流和局地相互作用[41-42]。乌兰布和沙漠东北部绿洲-沙漠过渡带与绿洲之间应该也存在水、热局地环流作用。同时,植被盖度和土壤水分又是影响绿洲和荒漠小气候差异的主要因子[43]。因此,为改善小气候环境、维护农业生态安全和人民健康,应增大绿洲及过渡带的植被覆盖度,使其植被自然恢复和人工修复,如果条件允许可以加强绿洲内农业节水灌溉措施,以此达到改善小气候、维护绿洲农业生态安全的目的。不同水、肥、气、热的下垫面构成因素,都会使得不同下垫面之间产生明显的气候差异[10,15]。策勒绿洲-沙漠过渡带和绿洲内形成小气候差异的主要因素是土壤水分、植被盖度和地形[11],本文对乌兰布和沙漠东北部小气候特征的研究主要立足于3种不同下垫面整体特征,没有分析下垫面各分量因子对小气候的影响,有待进一步对比研究。

4 结 论

1)乌兰布和沙漠东北部荒漠区、过渡带和绿洲内气温年变化和日变化特征一致。7月气温最高,1月气温最低。3种下垫面白天气温差异较小,夜间相差较大。与荒漠区相比,过渡带与绿洲内冬季温度增加了0.05、0.18 ℃,其他季节分别减小了0.38~1.50 ℃、0.22~2.58 ℃;

2)荒漠区、过渡带和绿洲内相对湿度的年变化和日变化特征均一致。8月相对湿度最高,3月相对湿度最低。由于近地层(0~50 m)存在明显的逆湿现象,春、冬季,绿洲内的相对湿度较荒漠区和过渡带分别低0.37~1.41和6.55~8.71个百分点,而夏、秋季,绿洲内的相对湿度较荒漠区和过渡带分别高4.04~6.17个百分点、0.93~1.94个百分点。

3)荒漠区、过渡带和绿洲内风向年变化特征均为以偏西风(W,WSW,SW,SSW)为主,荒漠区和过渡带的风向多变,绿洲内风向相对较为集中。荒漠区、过渡带和绿洲内风速年变化曲线形态一致,均表现为春、冬季风速较大,绿洲能够使年均风速降低32.99%~37.05%。

综上,乌兰布和沙漠东北部过渡带植被和绿洲防护林体系对小气候具有很好的调节作用,如降温、增湿、削减风速,研究区局地小气候主要体现在风速和夏、秋季湿度上,而气温和冬春季湿度分别主要受逆温和逆湿的影响。研究结果能够为进一步揭示干旱区的小气候生态特征提供理论依据,为沙漠陆面过程和沙漠气候的研究奠定基础,对绿洲生态环境的保护与合理建设具有一定的科学意义。

[1] 张一平,刘玉洪,马友鑫,等. 热带森林不同生长时期的小气候特征[J]. 南京林业大学学报:自然科学版,2002,26(1):83-87.

Zhang Yiping, Liu Yuhong, Ma Youxin, et al. A preliminary study on microclimate in the process of the different growth phases of tropical forest[J]. Journal of Nanjing Forestry University: Natural Sciences Edition, 2002, 26(1): 83-87. (in Chinese with English abstract)

[2] 李彦,黄妙芬. 绿洲-荒漠交界处蒸发与地表热量平衡分析[J]. 干旱区地理,1996,19(3):80-87.

Li Yan, Huang Miaofen. Analysis of land surface evaporation and heat balance the transitional zone of oasis-desert[J]. Arid Land Geography, 1996, 19(3): 80-87. (in Chinese with English abstract)

[3] 翁笃明,陈万隆,沈觉成. 小气候和农田气候[M]. 北京:农业出版社,1981.

[4] 申建友,何宗颖,李胜功,等. 奈曼沙漠化地表小气候的观测与研究[J]. 中国沙漠,1993,13(2):44-50.

Shen Jianyou, He Zunying, Li Shenggong, et al. Study on microclimate of desertified land in Naiman area[J]. Journal of Desert Research, 1993, 13(2): 44-50. (in Chinese with English abstract)

[5] 张强,胡隐樵. 绿洲地理特征及其气候效应[J]. 地球科学进展,2002,17(4):477-486.

Zhang Qiang, Hu Yinqiao. The geographical features and climatic effects of oasis[J]. Advance in Earth Sciences, 2002, 17(4): 477-486. (in Chinese with English abstract)

[6] Warner T T. 沙漠气象学[M]. 魏文寿,崔彩霞,尚华明,等译. 北京:气象出版社,2008.

[7] Feng Qi, Si Jianhua, Zhang Yanwu, et al. Microclimatic characteristics of the Heihe oasis in the hyperarid zone of China[J]. Journal of Geographical Sciences, 2006, 16(1): 34-44.

[8] 姚玉璧,肖国举,王润元,等. 近50年来西北半干旱区气候变化特征[J]. 干旱区地理,2009,32(2):159-165.

Yao Yubi, Xiao Guoju, Wang Runyuan, et al. Climatic changes of semi-arid region over the northwest China in recent 50a[J]. Arid Land Geography, 2009, 32(2): 159-165. (in Chinese with English abstract)

[9] 庞营军,雷加强,曾凡江,等. 新疆维吾尔自治区策勒县绿洲-沙漠过渡小气候特征[J]. 水土保持通报,2011,31(5):240-245.

Pang Yingjun, Lei Jiaqiang, Zeng Fanjiang, et al. Microclimatic characteristics of oasis-desert transitional zone in Qira county of Xinjiang Wei Autonomous Region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2011, 31(5): 240-245. (in Chinese with English abstract)

[10] Aussenac G. Interactions between forest stands and microclimate: Ecophysiological aspects and consequences for silviculture[J]. Annals of Forest Science, 2000, 57(3): 287-301.

[11] 毛东雷,雷加强,李生宇,等. 策勒绿洲-沙漠过渡带小气候的空间差异[J]. 中国沙漠,2013,33(5):1501-1510.

Mao Donglei, Lei Jiaqiang, Li Shengyu, et al. Spatial difference of microclimate in the oasis-desert ecotone in Cele, Xinjiang, China[J]. Journal of Desert Research, 2013, 33(5): 1501-1510. (in Chinese with English abstract)

[12] 金莉莉,李振杰,何清,等. 塔克拉玛干沙漠腹地人工绿地中心区域与边缘地带小气候[J]. 中国沙漠,2017,37(5):986-996.

Jin Lili, Li Zhenjie, He Qing, et al. Microclimate over the center and edge areas of the artificial shelter forest land in Taklimakan Desert[J]. Journal of Desert Research, 2017, 37(5): 986-996. (in Chinese with English abstract)

[13] 毛东雷,蔡富艳,雷加强,等. 新疆策勒沙漠-荒漠-绿洲典型下垫面小气候空间变化分析[J]. 地理科学,2017,37(4):630-640.

Mao Donglei, Cai Fuyan, Lei Jiaqiang, et al. Spatial analysis on changes of microclimate in typical landscapes in desert-wilderness-oasis in Cele, Xinjiang[J]. Scientia Geographica Sinica, 2017, 37(4): 630-640. (in Chinese with English abstract)

[14] 李宏宇,张强,王胜. 陇中黄土高原夏季陆面辐射和热量特征研究[J]. 地球科学进展,2010,25(10):1070-1081.

Li Hongyu, Zhang Qiang, Wang Sheng. Research on characteristics of land-surface radiation and heat budget over the Loess Plateau of central Gansu in summer[J]. Advances in Earth Science, 2010, 25(10): 1070-1081. (in Chinese with English abstract)

[15] 张强,周毅. 敦煌绿洲夏季典型晴天地表辐射和能量平衡及小气候特征[J]. 植物生态学报,2002,26(6):717-723.

Zhang Qiang, Zhou Yi. The characteristics of budget of radiation and energy as well microclimate of Dunhuang oasis on a typical clear day in summer[J]. Acta Phytoecologica Sinica, 2002, 26(6): 717-723. (in Chinese with English abstract)

[16] 王敏仲,魏文寿,何清,等. 南疆沙漠腹地夏季晴天与沙尘日小气候观测对比分析[J]. 气象,2008,34(11):7-14.

Wang Minzhong, Wei Wenshou, He Qing, et al. Contrast analysis on microclimate characteristic of clear day and sand-dust day in Tazhong station of desert hinterland of South Xinjiang in summer[J]. Meteorological Monthly, 2008, 34(11): 7-14. (in Chinese with English abstract)

[17] Wang H, Jia X, Li Y, et al. Selective deposition response to aeolian-fluvial sediment supply in the desert braided channel of the upper Yellow River, China[J]. Natural Hazards & Earth System Sciences, 2015, 3(2): 1269-1290.

[18] 杜鹤强,薛娴,孙家欢. 乌兰布和沙漠沿黄河区域下垫面特征及风沙活动观测[J]. 农业工程学报,2012,28(22):156-165.

Du Heqiang, Xue Xian, Sun Jiahuan. Underlying surface characteristics and observation of blown-sand movement in Ulanbuh Desert along Bank of Yellow River[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(22): 156-165. (in Chinese with English abstract)

[19] 刘月. 乌兰布和沙漠近40年来土地利用动态变化研究[D].呼和浩特:内蒙古师范大学,2013.

Liu Yue. Research on Dynamic Change of Land Use in Ulan Buh Desert in Recent 40 Years[D]. Hohhot: Inner Mongolia Normal University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[20] 郝玉光. 乌兰布和沙漠东北部绿洲化过程生态效应研究[D]. 北京:北京林业大学,2007.

Hao Yuguang. Study on Ecological Effects of Oasis-making Process in the Northeast Part of Ulan Buh Desert[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[21] 包岩峰. 基于流场分析的绿洲防护林防风效果研究[D]. 北京:北京林业大学,2015.

Bao Yanfeng. Windbreak Effects of Shelterbelt in Oases Based on Wind Velocity Flow Field[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[22] 高君亮,辛智鸣,刘芳,等. 乌兰布和沙漠东北部大气降尘特征及影响因素分析[J]. 干旱区资源与环境,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)

[23] 汪季,董智. 荒漠绿洲下垫面粒度特征与供尘关系的研究[J]. 水土保持学报,2005,19(6):9-11.

Wang Ji, Dong Zhi. Research on grain characteristics of falling dust and different surfaces and their relationships on oasis[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(6): 9-11. (in Chinese with English abstract)

[24] 罗凤敏,高君亮,辛智鸣,等. 乌兰布和沙漠东北缘防护林内外沙尘暴低空结构特征[J]. 干旱区研究,2019,36(4):1032-1040.

Luo Fengmin, Gao Junliang, Xin Zhiming, et al. Low-altitude structure of sandstorms for inside and outside the shelterbelt in the northeast marginal zone of the Ulan Buh Desert[J]. Arid Zone Research, 2019, 36(4): 1032-1040. (in Chinese with English abstract)

[25] 罗凤敏,辛智鸣,高君亮,等. 乌兰布和沙漠东北缘近地层风速和降尘量特征[J]. 农业工程学报,2016,32(24):147-154.

Luo Fengmin, Xin Zhiming, Gao Junliang, et al. Characteristics of near-surface wind speed and sand-dust flux at northeast edge of Ulan Buh Desert[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24): 147-154. (in Chinese with English abstract)

[26] 王君厚,周士威,路兆明,等. 乌兰布和荒漠人工绿洲小气候效应研究[J]. 干旱区研究,1998,15(1):27-34.

Wang Junhou, Zhou Shiwei, Lu Zhaoming, et al. Studies on the local effect of the artificial oasis in the Ulan Buh Desert[J]. Arid Zone Research, 1998, 15(1): 27-34. (in Chinese with English abstract)

[27] 张红利,张秋良,马利强. 乌兰布和沙地东北缘不同配置的农田防护林小气候效应的对比研究[J]. 干旱区资源与环境,2009,23(11):191-194.

Zhang Hongli, Zhang Qiuliang, Ma Liqiang. Study on microclimate effect of different deploy structure of farmland sheltbelt in Ulan Buh Desert[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2009, 23(11): 191-194. (in Chinese with English abstract)

[28] 肖彩虹,郝玉光,贾培云. 乌兰布和沙漠东北部磴口绿洲近52a水分因子的变化[J]. 干旱区资源与环境,2008,22(6):161-165.

Xiao Caihong, Hao Yuguang, Jia Peiyun. Water factors change in Dengkou oasis, northeast of Ulan Buh Desert in since recent 52 years[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2008, 22(6): 161-165. (in Chinese with English abstract)

[29] 罗凤敏,高君亮,辛智鸣,等. 乌兰布和沙漠东北缘起沙风风况及输沙特征[J]. 农业工程学报,2019,35(4):145-152.

Luo Fengmin, Gao Junliang, Xin Zhiming, et al. Characteristics of sand-driving wind regime and sediment transport in northeast edge of Ulan Buh Desert[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 145-152. (in Chinese with English abstract)

[30] 朱瑞兆,谭冠日,王石立. 应用气候学概论[M]. 北京:气象出版社,2005:2-3.

[31] 周淑贞,张如一,张超. 气象学与气候学[M]. 北京:高等教育出版社,1997:103-104.

[32] 杜铭霞,张明军,王圣杰. 新疆典型绿洲冷岛和湿岛效应强度[J]. 生态学杂志,2015,34(6):1523-1531.

Du Mingxia, Zhang Mingjun, Wang Shengjie. The cold island and wet island effects of typical oases in Xinjiang[J]. Chinese Journal of Ecology, 2015, 34(6): 1523-1531. (in Chinese with English abstract)

[33] 范丽红,格丽玛,何清,等. 绿洲-过渡带-荒漠气候特征日变化分析[J]. 新疆农业大学学报,2006,29(1):5-9.

Fan Lihong, Ge Lima, He Qing, et al. Analysis on daily change of climate characteristics about oasis-intermediate belt-desert[J]. Journal of Xinjiang Agricultural University, 2006, 29(1): 5-9. (in Chinese with English abstract)

[34] 潘晓玲,曾旭斌,张杰,等. 新疆生态景观格局演变及其与气候的相互作用[J]. 新疆大学学报:自然科学版,2004,21(1):1-7.

Pan Xiaoling, Zeng Xubin, Zhang Jie, et al. Interaction of evolution of ecological landscape pattern and climate change in Xinjiang[J]. Journal of Xinjiang University: Natural Science Edition, 2004, 21(1): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[35] 石星,李卫,杨文斌,等.低覆盖度行带式固沙林对带间小气候的影响[J].干旱区资源与环境,2015,29(10):117-121.

Shi Xing, Li Wei, Yang Wenbin, et al. Microclimatic characteristics and the effects of low coverage sand fixing forest belts[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2015, 29(10): 117-121. (in Chinese with English abstract)

[36] 张强,胡隐樵,杨瑜峰,等. 河西地区非均匀下垫面的大气变性过程[J]. 高原气象,1996,15(3):282-292.

Zhang Qiang, Hu Yinqiao, Yang Yufeng, et al. The variability process of atmosphere over heterogeneous underlying surface in Hexi region[J]. Plateau Meteorology, 1996, 15(3): 282-292. (in Chinese with English abstract)

[37] Hu Yinqiao, Yang Xueli, Zhang Qiang. The characters of energy budget on the Gobi and desert surface in Hexi region[J]. Acta Meteorologica Sinica, 1992, 26(1): 86-95.

[38] Hipsey M R, Sivapalan M, Clement T P, et al. A numerical and field investigation of surface heat fluxes from small wind-sheltered waterbodies in semi-arid Western Australia[J]. Environmental Fluid Mechanics, 2004, 4(1): 79-106.

[39] Wang H, Zhou H. A simulation study on the eco-environmental effects of 3N Shelterbelt in North China[J]. Global and Planetary Change, 2003, 37(3): 231-246.

[40] 王海峰,雷加强,李生宇,等. 塔里木沙漠公路防护林的温度和湿度效应研究[J]. 科学通报,2008,53(S2):33-42.

Wang Haifeng, Lei Jiaqiang, Li Shengyu, et al. Study on temperature and humidity effects of highway shelter forest in Tarim Desert[J]. Chinese Science Bulletin, 2008, 53(S2): 33-42. (in Chinese with English abstract)

[41] 左洪超,胡隐樵. 黑河地区绿洲和戈壁小气候特征的季节变化及其对比分析[J]. 高原气象,1994,13(3):246-255.

Zuo Hongchao, Hu Yinqiao. Seasonal variation of microclimatic characteristics for oasis and Gobi in Heife and their comparative analysis[J]. Plateau Meteorology, 1994, 13(3): 246-255. (in Chinese with English abstract)

[42] 胡隐樵,王俊勤,左洪超. 临近绿洲的沙漠上空近地面层内水汽输送特征[J].高原气象,1993,12(2):125-132.

Hu Yinqiao, Wang Junqin, Zuo Hongchao. Character of water vapour transportation in the surface layer over desert near oasis[J]. Plateau Meteorology, 1993, 12(2): 125-132. (in Chinese with English abstract)

[43] 吕世华,尚伦宇,梁玲,等. 金塔绿洲小气候效应的数值模拟[J]. 高原气象,2005,24(5):649-655.

Lü Shihua, Shang Lunyu, Liang Ling, et al. Numerical simulation of microclimate effect in Jinta Oasis[J]. Plateau Meteorology, 2005, 24(5): 649-655. (in Chinese with English abstract)

Microclimate variations of different underlying surfaces in Northeastern Ulan Buh Desert in Inner Mongolia of China

Luo Fengmin, Gao Junliang, Xin Zhiming, Hao Yuguang※, Duan Ruibing, Li Xinle

(,,,015200)

Microclimate characteristics of different underlying surfaces can pose a practical challenge to utilize climate resources for the normal growth of crops in desert areas. In this study, the microclimate differences were systematically analyzed in the three typical underlying surfaces. The data, including the air temperature, relative humidity (RH), wind speed and wind direction in desert area, desert-oasis ecotone and oasis in the northeastern of Ulan Buh Desert, were collected in synchronous observation from the “National Observation Station of Inner Mongolia Dengkou Desert Ecosystem” during January to December, 2018. The results showed that there were significantly different effects of the properties of underlying surface on microclimate characteristics. 1) The annual temperatures in desert area, desert-oasis ecotone and oasis were 9.66, 9.38 and 9.14 ℃, respectively. There were few differences in daytime between the three underlying surfaces, but great differences in night. There was obviously inversion phenomenon within 50 m above the ground, where the vegetation has the function of cooling and humidification in the high temperature season, whereas, it has a heat preservation effect in winter. The temperatures of the desert-oasis ecotone and the oasis increased by 0.05 and 0.18 ℃, compared with that of the desert area in the winter, while those decreased by 0.38-1.50 ℃ and 0.22-2.58 ℃, respectively, in spring, summer and autumn. 2) The annual and diurnal variations of relative humidity remained consistent in desert area, desert-oasis ecotone and oasis. The annual average relative humidity in the oasis increased by 1.31 to 2.57 percentage points, compared with that in the desert-oasis ecotone and desert area. In terms of seasons, the relative humidity in the oasis was 4.04-6.17, 0.93-1.94 percentage points higher than that in the desert area and the desert-oasis ecotone in summer and autumn. The relative humidity inside the oasis was 0.37-1.41percentage points, 6.55-8.71 percentage points lower than that in the desert area and the desert-oasis ecotone. The reason can be that the humidity inversion phenomenon occurred within 50 m above the ground. 3) The annual variations of wind direction were similar in the desert area and desert-oasis ecotone, where the main directions were the westerly winds (SW, WSW, W, WNW). The wind direction was changeable in the desert area and desert-oasis ecotone, whereas that relatively concentrated in the oasis. The average annual wind speed was reduced by 32.99%-37.05% in the oasis, compared with that in the desert-oasis ecotone and the desert area, indicating that the vegetation can effectively decrease the wind speed. Comprehensive analysis showed that the vegetation and oasis shelter forest systems in the transition zone of the northeastern of Ulan Buh Desert posed a good regulation effect on microclimates, such as cooling, humidifying, and reducing wind. The local microclimate in the study area demonstrated that the wind speed and humidity in summer and autumn, while, the temperature and humidity of spring and winter were mainly affected by inverse temperature and humidity. This finding can provide a theoretical basis to explore the microclimate ecological characteristics in arid areas, as well ecological protection and reasonable construction of oasis in desert areas.

temperature;humidity; microclimate; underlying surface; wind speed; Ulan Buh desert

罗凤敏,高君亮,辛智鸣,等. 乌兰布和沙漠东北部不同下垫面的小气候变化特征[J]. 农业工程学报,2020,36(10):124-133.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.015 http://www.tcsae.org

Luo Fengmin, Gao Junliang, Xin Zhiming, et al. Microclimate variations of different underlying surfaces in Northeastern Ulan Buh Desert in Inner Mongolia of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 124-133. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.015 http://www.tcsae.org

2019-11-06

2020-05-04

中央级公益性科研院所基本科研业务费(CAFYBB2017MB026);内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站运行补助(201913214);国家林业局防沙治沙专题“乌兰布和沙漠东北部荒漠化定位监测”共同资助

罗凤敏,工程师,主要从事荒漠生态监测研究。Email:lfm359541965@126.com。

郝玉光,博士,研究员,主要从事荒漠化防治研究。Email:hyuguang@163.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.015

P463.2

A

1002-6819(2020)-10-0124-10

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