蒙古国中部草原地区风蚀沙漠化的风沙活动特征<br/>——以乔伊尔市为例

蒙古国中部草原地区风蚀沙漠化的风沙活动特征
——以乔伊尔市为例

2022-05-30崔珂军李生宇范敬龙王海峰孟晓于苗佳敏吕振涛

干旱区地理(汉文版) 2022年3期

崔珂军，李生宇，范敬龙，王海峰，孟晓于，苗佳敏，吕振涛

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，国家荒漠-绿洲生态建设工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830011；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011；3.中国科学院新疆生态与地理研究所，莫索湾沙漠研究站，新疆石河子 832000；4.中国科学院新疆生态与地理研究所，塔克拉玛干沙漠研究站，新疆库尔勒 841000；5.中国科学院大学，北京 100049）

荒漠化是当今全球最为严重的生态环境问题之一。与中国北部接壤的蒙古国是中蒙俄经济走廊上的重要国家，也是中国重要的全面战略合作伙伴。但自1990 年以来，蒙古国生态退化严重，荒漠化快速发展，已成为全球四大沙尘暴源区之一。风蚀沙漠化是蒙古国荒漠化的主要形式［1-2］，严重影响植被景观和居民生活环境质量，近年来风蚀沙漠化土地的重心不断向北扩展［3］。乔伊尔市为戈壁苏木贝尔省首府，地处蒙古国中部草原地区，受内陆干旱气候及强烈人为活动影响，风蚀沙漠化情况十分严重，为蒙古国典型的风蚀沙漠化新扩展区。

风动力条件是风蚀沙漠化的关键驱动因素［4-8］，

了解近地层风况特征，系统评估风能环境，掌握风沙活动规律，是研究风蚀沙漠化形成与演化过程的关键内容，也是制定区域风沙灾害防治体系的重要依据［9-12］。国内外学者对世界各地的风况及输沙情况进行了大量的研究，阐明了风蚀沙漠化与风动力的关系，揭示了风沙地貌的风成条件和变化规律［13-16］，为防沙治沙提供了科学依据［17-21］，科学指导了实际工程建设［22-24］。董玉祥［25］对西藏风蚀沙漠化进行了研究，认为风是区域风蚀沙漠化重要驱动因素。罗凤敏等［26］对乌兰布和东北缘起沙风风况及输沙势特征进行了详细研究，为风蚀沙漠化防治提供了数据支持。张正偲等［27］对腾格里沙漠西部和西南部风能及风沙地貌进行研究，为区域风沙活动强度评价和风沙地貌演化提供了依据。Louassa等［28］对阿尔及利亚西部平原的风况进行了研究，并提出了风蚀防治建议。

蒙古国中部草原地区风蚀沙漠化研究至今鲜有报道［29］。本文对地处蒙古国中部草原地区乔伊尔市的风动力条件、风沙流输沙及相关影响因素进行了分析，旨在掌握蒙古国中部草原地区风蚀沙漠化过程的基本特征，为当地风沙灾害防治与生态恢复提供参考。

1 研究区概况

蒙古国是一个内陆国家，降水自北向南逐渐递减，年均风速自东南向西北逐渐递减［29］。乔伊尔市是蒙古国戈壁苏木贝尔省的首府［30］，位于108°24′E，46°21′N，地形较为平坦，植被景观为草原，植被盖度20%～30%［31］，大多为草本植物，少量为灌木，草本以针茅、冷蒿、小画眉草为主，灌木以锦鸡儿属为主。与蒙古其他大部分地区相比，该区草地退化严重［32］。从自然区划上来看，乔伊尔市地处典型草原、干草原、荒漠草原混交带（图1），植被对自然和人为（放牧）扰动极为敏感［33-37］。乔伊尔市为温带大陆性气候，年平均降水200～300 mm，年均气温1.8 ℃，年最高气温22.9 ℃，最低气温-23.7 ℃；3—5月为大风期，年均风速呈现波动变化（图2）。该区风速较大，10 m 高度平均风速为5.07 m·s-1，瞬时风速最高可达19.73 m·s-1（2019 年5 月—2020 年7 月）。2001—2012 年，乔伊尔市2 m 高度起沙风平均风速（6.83 m·s-1）大于其南部扎门乌德地区（6.46 m·s-1）和其北部达尔汗地区（6.24 m·s-1）。该区沙尘暴多发，2010—2019 年年均沙尘暴日数为14.6 d，83%发生在春季。

图1 蒙古国研究区地理位置及植被类型分布Fig.1 Geographical location and distribution of vegetation types in the study area of Mongolia

图2 1990—2018年乔伊尔市平均风速Fig.2 Average wind speed in Choir City from 1990 to 2018

2 数据与方法

2.1 数据来源

风动力数据（2019年5月—2020年7月）来源于中国科学院新疆生态与地理研究所在乔伊尔市建立的梯度气象观测站（108°21′E，46°24′N）（图3）。气象站观测高度分别为0.2 m、8.0 m、10.0 m，所安装仪器包括：自动超声风速仪（型号：WindSonic，英国Gill 制造）、空气温度湿度集成观测仪（型号：HMP155A-L，芬兰Vaisala 公司制造，测量范围达到-80～60 ℃）、土壤温度观测仪、土壤含水量观测仪（型号：CS650，可精确测量土壤水分、温度、电导率，探针长300.0 mm，直径3.2 mm，间距32.0 mm），每小时观测一次数据。输沙数据（2019 年8 月4 日—2020年8月15日）来源于中国科学院新疆生态与地理研究所在乔伊尔市气象观测站架设的自制梯度大容量集沙仪（图3）观测数据。集沙仪沙粒采集器高度距地面分别为20 cm、50 cm、70 cm、120 cm，沙粒采集器进沙口为边长2 cm的正方形，集沙盒直径分别为20 cm、16 cm、16 cm、16 cm 的圆筒。其他风速、沙尘暴数据来源于乔伊尔市气象站。

图3 集沙仪结构及自动气象观测仪Fig.3 Sand collector structure and automatic meteorological observation instrument

2.2 研究方法

2.2.1 地表粗糙度地表粗糙度是指在边界层大气中，近地层风速向下递减到零的高度［38］，表征了地表与大气的相互作用，反映了地表特征对大气湍流的阻抗作用，为现代流体力学和大气科学的重要概念，是大气边界层理论和风沙科学重要参数，被广泛应用。地表粗糙度的计算方法有很多，本文选取0.8 m、2.0 m、10.0 m中性层结数据370组，采用常用的风速比法［38］计算，公式如下：

式中：u*为摩阻速度（m·s-1）；u1为Z1处的风速（m·s-1）；u2为Z2处的风速（m·s-1）；Z1、Z2为观测高度（m）。

2.2.3 临界摩阻速度临界摩阻速度是指能引起地表起沙的摩阻速度的临界值［40］，采用公式（3）［41］计算。计算结果表明，乔伊尔市的临界摩阻速度为0.5045 m·s-1。

式中：u*t为临界摩阻速度（m·s-1）；A为经验系数（0.11）；σ为沙粒的密度（2650 kg·m-3）；ρ为空气密度（1.256 kg·m-3）；g为1980 年大地测量学家推导出来的重力加速度（9.780327 m·s-2）；d为当地沙粒粒径（乔伊尔当地以砂粒为主）（表1），本文采用0.05～2 mm中位数1.02 mm计算，土壤类型以裂化碱土为主（表2）。

表1 乔伊尔市土壤颗粒粒度占比Tab.1 Percentage of soil particle size in Choir City /%

表2 乔伊尔市土壤类别占比Tab.2 Percentage of soil types in Choir City

2.2.4 临界起沙风速大气边界层的气流在运动过程中，使地面的沙物质受到风力作用，并在风力增大到一定阈值时，地表沙粒由静止状态而进入运动，这个阈值风速被定义为临界起沙风速［38］。临界起沙风速是风沙物理学的重要指标。临界起沙风速采用公式（4）［40］计算。

式中：ut为临界起沙风速（m·s-1）；u*t为临界摩阻速度（m·s-1）；z为计算高度（m）；Z0为地表粗糙度（m）。

2.2.5 输沙势输沙势（Drift potential，DP）表示一个地区在一定时间内的潜在最大输沙量，计算公式［20］如下：

式中：Q为输沙势（VU）；u为10 m高度处的起沙风速（大于临界起沙风速的风速值）（m·s-1）；ut为临界起沙风速（m·s-1）；t为起沙风时间（一般为观测时段内所观测的起沙风时间数与总观测时间数的百分比）。

根据矢量合成法则将16 个方位的输沙势进行合成，可以得到合成输沙势（Resultant drift potential，RDP）和合成输沙方向（Resultant drift direction，RDD）。RDP 表示一个地区的净输沙能力，RDD 则反映沙粒搬运的总体方向。RDP/DP 称为风向变率指数，用来反映一个地区的风向组合特征。当风向变率指数＜0.3时，为高变率，说明风况复杂；当风向变率指数为0.3～0.8 时，为中变率，一般对应钝双峰或者锐双峰的风况；当风向变率指数＞0.8时，为低变率，说明风况单一。

3 结果与分析

3.1 起沙风

风蚀沙漠化很大程度受当地风况影响，而起沙风是风况的代表性指标之一。在2019 年5 月—2020年7月期间，乔伊尔市10 m高度起沙风平均风速为9.49 m·s-1，其中5 月最大（11.53 m·s-1），4 月其次（10.35 m·s-1），1月最小（7.38 m·s-1）。起沙风平均风速季节变化较大，春季（3—5 月，10.47 m·s-1）最大，而夏季（6—8 月，8.66 m·s-1）、秋季（9—11 月，8.75 m·s-1）、冬季（12—2月，8.33 m·s-1）较小，且相差不大。该区各方向起沙风的发生频率也不同，NNW（18.70%）和N（15.40%）频率最高（图4），其他风向较低，尤其ESE（1.36%）和SE（1.91%）最低（图4a），该区整体盛行偏北风。

图4 乔伊尔市起沙风频率玫瑰图Fig.4 Rose map of sandy wind frequency in Choir City

3.2 输沙势与输沙方向

输沙势和输沙方向能够较客观反映一个地区的风沙活动强度和沙物质整体搬运方向。合成输沙势越高的地区通常风向较单一或风沙活动强度较大，而合成输沙势越低的地区为多风向或风沙活动强度较小［14］。根据输沙势的大小，以前学者［20］将风能环境分为4 类，分别是低风能（＜200 VU）、中风能（200～400 VU）和高风能（＞400 VU）环境。乔伊尔市全年输沙势为735.96 VU（图5），属高风能环境地区。乔伊尔市的一个周期年（2019 年6 月—2020 年5 月）的年合成输沙势为428.76 VU，属于高风能环境；年合成输沙方向为195.06°（SSW），风沙整体向西南偏南方向输移；风向变率指数为0.58，属于中变率双锋风况。

全年各风向输沙势差异较大，NNW风向输沙势为149.84 VU，占总输沙势的20.40%，N风向输沙势为135.32 VU，占总输沙势的18.40%，这2个方向的输沙势占据主导地位；SW 风向输沙势为3.12 VU，SSW 风向输沙势为3.01 VU，分别仅占总输沙势的0.42%和0.40%。

各季节的风向变率指数也不同，春季、夏季的变率指数分别为0.62、0.58，属于中变率，对应双峰风况；秋季与冬季的变率指数是0.84，属于低变率，表明该区秋季和冬季的风况单一，全年整体以西北风为主。

从全年输沙势玫瑰图（图5）可以看出，乔伊尔市各季节输沙势差异显著，合成输沙方向在SE—SW 之间变化。春季输沙势最大，达到483.89 VU，占全年输沙势的65.70%，合成输沙方向为204.83°（SSW）；夏季输沙势为159.23 VU，占全年输沙势的21.60%，合成输沙方向为190.11°（S）；秋季输沙势为73.00 VU，占全年输沙势的10.00%，合成输沙方向为143.68°（SE）；冬季输沙势最小，为19.84 VU，占全年输沙势的2.70%，合成输沙方向为145.35°（SE）。可见，乔伊尔市主要输沙能量集中在春季和夏季，春、夏两季的输沙方向与秋、冬两季有一定差异，但春、夏、秋、冬四季的输沙方向都偏南（图5），表明该区常年受到北向来流的影响。

图5 乔伊尔市输沙势玫瑰图Fig.5 Rose map of sand drift potential in Choir City

3.3 风沙流输沙

输沙量是防沙工程设计的重要参数。以前学者观测发现，在一定的风力条件下，风沙流中跃移粒子与风场相互作用，具有一种负反馈机制，并将输沙量限定在某个定值，因而在沙源充足地区，风对沙粒的搬运能力有一定限度［42］。学者们开发了很多输沙量估算模型（表3）［43-44］，其计算结果差别很大，适用区域不同，应用前必须对其估算精度进行实际验证。学者们研究发现［45］，风沙流结构在垂直高度上的分布普遍符合指数函数。本文基于乔伊尔市风沙流实际观测数据，发现指数函数对风沙流垂直分布的拟合效果较好（图6）。通过积分法，求得一个周期年（2019年6月—2020年5月）的输沙总量为2.135 t·m-1·a-1，用该值除以起沙时间（2645 h），得到实际输沙量为2.24×10-4kg·m-1·s-1。实际输沙量与模型计算值对比发现，Bagnold、Kawamura、Zingg、Sorensen 的模型对乔伊尔市的计算结果均偏大，而Hsu模型偏小，Owen模型更接近实际值。

图6 乔伊尔市沙尘通量函数拟合Fig.6 Fitting of dust flux function of Choir City

表3 乔伊尔市输沙量估算Tab.3 Estimation of sand transport volume in Choir City

3.4 临界起沙风速变化及影响因素

临界起沙风速是风蚀沙漠化的关键参数，与土壤水分、植被盖度、空气密度、土壤粒度、土壤质地、土壤含盐量以及重力加速度都有关系［46-47］。本文根据10 m、2 m、0.8 m 高度的风速数据，计算出该区的年均临界起沙风速（10 m 高度为6.77 m·s-1、2 m 高度为4.77 m·s-1、0.8 m高度为3.63 m·s-1）。该区10 m高度临界起沙风速呈明显的季节变化，夏季最大（7.25 m·s-1），秋、春季次之（6.64 m·s-1、6.61 m·s-1），冬季最小（6.57 m·s-1）。

2019 年6 月—2020 年5 月土壤水分、归一化植被指数（NDVI）与临界起沙风速（2 m高度）随时间同步变化，三者趋势吻合性很好（图7）。临界起沙风速2019年7月最大，2020年1月最小，同期植被覆盖度和土壤水分表现出相同的变化趋势。

图7 乔伊尔市临界起沙风速、土壤水分和归一化植被指数（NDVI）变化趋势Fig.7 Variation trends of dust emission threshold wind speed,soil moisture and NDVI in Choir City

土壤水分一定程度上可以反应降水情况。2020 年春季乔伊尔市出现气温升高而土壤水分减少的现象，此现象（气温升高、降水减少）导致春旱。对乔伊尔市近15 a（2001—2015年）的气温和降水分析发现，其中有10 a 发生类似现象，可见2020年的春旱并不是特殊现象，该区春旱多发。

降水会影响土壤水分，并引起植被盖度变化进而影响临界起沙风速。乔伊尔市多年降水量和NDVI都为夏季最高，因而夏季临界起沙风速最大。从图7 看出，乔伊尔市2020 年春季土壤水分减少，说明降水减少，加之风速较大（图4）和植被盖度低，春旱严重，使春季输沙强烈。因此，春季是乔伊尔市风蚀沙漠化的主要发生时期。

4 讨论

2019年6月—2020年5月乔伊尔市起沙风发生频率为17.30%，大风（≥10.80 m·s-1）日数为68 d，加之地处温带大陆性气候区，降水少（年均200～300 mm），多晴天，气候干燥，地形较为平坦，没有高大山脉阻挡，气流能够长驱直入，地表风动力强劲，因此全年输沙势（735.96 VU）较大，属于高风能环境，远大于塔克拉玛干沙漠（全年最大输沙势399.00 VU）、库姆塔格沙漠（全年最大输沙势285.67 VU）、腾格里沙漠（全年最大输沙势358.70 VU）［15］，而与巴丹吉林沙漠最大输沙势（733.40 VU）相差不大［16］。该区地处蒙古高原腹地，受到北冰洋和太平洋气流的影响，春、夏季主要受北向和东向来风影响，秋、冬季主要是受西北来向风影响。

乔伊尔市输沙强烈除了与风动力强劲有关外，还与当地下垫面条件有关。下垫面条件主要受当地植被类型及畜牧业影响。该区植被多为草本植物，伴生有零星低矮灌木，受年内降水季节变化的影响，春季的植被条件极差，削弱大风能量少且固沙能力差，加之此时是当地的主要风季时段，风力强，临界起沙风速小，因此春季风蚀沙漠化过程活跃，风沙活动强烈。在放牧过程中，牲畜的采食、践踏都会对植被以及土壤造成不同程度的破环，土壤表层结构疏松化，抗风蚀能力大幅降低，极易风蚀起沙，形成风沙流。近年来随着该区牧群数量快速增长，草场过牧问题极为严重，因而风蚀问题凸显，地表风沙流输沙通量很大。

2010—2019 年乔伊尔市的沙尘暴年日数总体呈现波动增加趋势，与近年来风速的变化趋势呈现正相关，说明该区风蚀沙漠化过程在逐渐增强。未来，随着中蒙俄经济走廊的建设，蒙古国高强度经济建设活动将快速增加。作为中蒙俄经济走廊的关键节点，乔伊尔市交通便利，矿产资源丰富，将是重要经济建设区，风蚀沙漠化问题可能会更加严重，成为区域经济社会可持续发展的重要威胁，亟待对该区风蚀沙漠化过程进行深入研究，并因地制宜研发适宜当地自然环境条件的沙漠化防治措施。