策勒沙漠—綠洲輸沙及動力環境特征

鞏慶，范金霞，林衛，產秀媚

（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—綠洲輸沙及動力環境特征

鞏慶1，2，范金霞1，2，林衛1，2，產秀媚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部測點的輸沙及氣象資料，分析了沙漠與綠洲內部沙塵傳輸的差異性，并從風動力環境上揭示了成因。結果表明：（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速的消減作用明顯，觀測期間，沙漠測點起沙風的持續時間為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°。荒漠過渡帶和綠洲防護林通過降低綠洲內部的風速，改變動力環境，削弱沙塵在綠洲區的傳輸。

輸沙量；起沙風；輸沙勢；策勒

風沙活動是全球干旱、半干旱地區陸面過程的重要體現之一。風沙活動引起的沙塵輸送，不僅會掩埋道路和農田，引起沙漠化擴大[1]和土壤流失[4]，而且影響區域和全球氣候[3]、環境和空氣質量[2]。干旱的氣候環境、豐富的沙源供給使得塔里木盆地成為我國風沙運動的活躍區，也是全國沙塵天氣的高發區[5]。風沙活動對當地的生態環境[6]、農業生產[7]、空氣質量[8]及人類健康產生了巨大影響[9]。盆地南緣、特別是和田地區是風沙活動、沙塵天氣的頻發區[10]。和田地區的策勒是受風沙活動影響的重災區，研究表明春夏季全天24 h均有風沙活動發生[11]，且該區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次因為風沙侵襲而搬遷，風沙災害嚴重地制約著當地社會經濟的發展。

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，利用沙塵多發時段（2012年4月9日—5月9日）在沙漠及綠洲內部同步觀測的沙塵水平通量及風速、風向數據，分析了沙漠與綠洲內部近地表沙塵輸送的差異性，并從動力環境方面入手，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沙對綠洲侵襲方面的作用有量化的認識。

1 研究區概況

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，山區平均海拔3200 m，平原區海拔1500～ 1800 m。境內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沙侵襲被迫三次搬遷。該地區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，而蒸發量可達2600 mm。策勒風沙活動頻繁，多年平均沙塵暴、揚沙、浮塵日數分別為19.4、52.2、125.2 d，主要發生在每年的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測點A和綠洲內部測點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的一塊平坦棉田內，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、風速及風向等。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。風速風向的觀測高度為200 cm，其中風速測量儀為美國Metone生產的010C，測量精度為±1.0%，風向的測量為020C，精度為±3°。風速、風向的采集頻率為1 Hz，根據氣象部門數據質量要求，采取滑動平均的方法，將數據平均為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，根據方程（1）進行擬合，獲取參數a、b：

其中，q（z）為對應高度的輸沙通量（kg/m2）；z為距離地表的高度（cm）；a、b為待定參數，由實測輸沙通量的擬合方程確定（圖2）。然后根據a、b的值，可以推導出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。

風動力環境的重要表現參數輸沙勢利用同步測量的2 m高度風速、風向數據和Fryberger[23]方法計算：

其中，DP為輸沙勢；V為各級別起沙風速的1 min平均值；Vt為臨界起沙風速，文中2 m高度起沙風速取值5.0 m/s[11]；t為起沙風作用時間，以百分比表示；在該公式中V與Vt的單位為kn/h（海里或節每小時）。統計觀測期間各風向不同級別起沙風速的頻率，把相同風向各風速級出現頻率與平均風速分別代入方程（3），所得值相加，即得到某一風向的輸沙勢。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據缺失。由圖可以發現，兩個測點的沙塵水平通量都隨高度迅速降低。根據方程（1）對兩個測點的數據進行了擬合，發現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描述，相關系數R2均達到0.95以上。沙漠測點的擬合效果優于棉田測點，造成這一現象的原因應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，綠洲內部棉田的沙塵總量減小了87.1%。趙明等[13]在民勤地區的觀測結果表明沙漠-綠洲通過相同大小斷面的沙塵量比沙漠區減少了74%。這一結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。統計表明，沙漠約85%的沙塵在地表50 cm高度以內傳輸，而棉田僅有40%左右；沙漠地區100 cm、150 cm高度以下傳輸的沙塵量約為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的過程中，其垂直分布結構發生了一定的改變。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構，使得上層傳輸的沙塵通量增加。這一結果與趙明等[13]在民勤地區的觀測結果一致。

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速的風向分布

3.2 風動力環境差異性分析

風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速、風向及輸沙勢等參數，以期從動力環境方面解釋荒漠過渡帶和防護林對于沙塵傳輸的消減機制。

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

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

輸沙勢是衡量區域風沙活動強度的重要指標，代表潛在的輸沙能力。根據同步測量的2 m高度風速、風向數據和公式（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、綠洲測點風沙高發期的對比觀測試驗，可以得出荒漠過渡、防護林帶通過降低風速、減少起沙風持續時間，使得風輸送沙塵的潛在能力得以降低，從而使得綠洲內部近地表沙塵輸送量減少87%以上。民勤地區通過綠洲區相同大小斷面的沙塵量比沙漠區減少了74%[13]，低于本文的觀測結果。敦煌綠洲區的起沙風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聯，對比結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于其他地區。但是有研究表明[25]近年來策勒綠洲總體上雖然處于穩定，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，生態環境破碎化程度增加，對綠洲的防護作用下降。鑒于此，當地政府應當對人工綠洲的擴張速度進行合理的干預，引導人們科學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定性，以保障其對綠洲區降風弱塵的功效。

5 結論

通過策勒沙漠、綠洲測點風沙高發期的對比觀測，分析了沙漠與綠洲內部沙塵傳輸的差異性。得到如下結論：

（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速的消減作用明顯。觀測期間，沙漠測點起沙風的持續時間為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°。

[1]Lal R.Soil degradation by erosion[J].Land Degrad Dev，2010，12：519-539.

[2]McTainsh G H，Boughton W C，Land Degradation Processes [C].Australia.Longman-Cheshire，Melbourne，1993：188-233.

[3]Ramanathan V，Crutzen P J，Kiehl J T，Rosenfeld D. Aerosols，climate and the hydrological cycle[J].Science，2001，294：2119-2124.

[4]ProsperoJM，CollardFX，MoliniéJ，JeannotA. Characterizing the annual cycle of African dust transport to the Caribbean Basin and South America and its impact ontheenvironmentandairquality[J].Global Biogeochemical Cycles，2014，29：757-773.

[5]Wang S G，Wang J Y，Zhou Z J，Shang K Z.Regional characteristics of three kinds of dust storm events in China [J].Atmospheric Environment，2005，39：509-520.

[6]關欣，李巧云.南疆西部降塵對土壤性質的影響[J].土壤，2000（4）：178-182.

[7]李巧云.浮塵的發生規律及塔里木盆地浮塵對冬小麥影響的研究[D].湖南農業大學，2012.

[8]艾力·買買提依明，袁玉江，玉蘇浦·阿布都拉，等.2004年春季沙塵天氣對和田市空氣質量的影響[J].干旱區地理，2005，28（5）：665-669.

[9]周晶.新疆和田地區沙塵對居民健康影響的研究[D].新疆醫科大學，2011.

[10]Yang X H，Yang F，He Q，Ali M，Zhang Q Y.Comparisonof horizontal dust fluxes simulated with two dust emission schemes based on field experiments in Xinjiang，China[J]. Theor Appl Climatol，2016，126：223-231.

[11]楊興華，何清，霍文，等.塔克拉瑪干沙漠南緣風沙躍移運動研究[J].中國沙漠，2012，32（4）：910-914.

[12]楊興華，何清，霍文，程玉景.策勒綠洲-荒漠過渡帶風沙前沿近地面不同方向的輸沙特征[J].干旱區研究，2012，29（6）：1100-1104.

[13]霍文，金莉莉，王囝囝，等.沙漠陸面過程與沙漠小氣候研究進展[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（5）：87-96.

[14]慕文玲，霍文，何清，等.塔中人工綠地與自然沙面感熱通量和潛熱通量差異性研究[J].干旱區資源與環境，2017，31（1）：115-120.

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

[16]張克存，牛清河，安志山，等.敦煌沙漠-綠洲過渡帶近地表風沙動力環境[J].水土保持通報，2015，35（4）：8-17.

[17]楊彥龍，左洪超，趙舒曼，等.夏季晴天沙漠綠洲非均勻下墊面地表能量平衡分析[J]干旱氣象，2016，34（3）：412-422.

[18]顧軍明，霍文，艾力·買買提明，等.塔克拉瑪干沙漠北緣近地層氣象要素變化特征[J].干旱氣象，2014，32（2）：239-247.

[19]王柯，何清，王敏仲，等.塔克拉瑪干沙漠腹地特征層風場特征[J].干旱氣象，2011，29（3）：302-305.

[20]楊揚，左洪超，王麗娟，等.干旱區荒漠草原過渡帶快速變化的陸面過程特征觀測分析[J].干旱氣象，2015，33（3）：412-420.

[21]毛東雷，雷加強，李生宇，等.策勒沙漠-綠洲過渡帶不同下墊面的輸沙通量及粒度差異特征[J].干旱區資源與環境，2014，28（2）：167-174.

[22]Shao Y P，McTainsh G H，Leys J F，et al.Efficiency of sediment samplers for wind erosion measurement[J]. Australian Journal of Soil Research，1993，31：519-532.

[23]Fryberge S G.Dune form and wind regime[R]∥McKee E D，ed.A study of global sand seas.U.S.Geological Survey. US Washington：Geological Survey and United States National Aeronautics and Space Administration，1979.

[24]Xu L S，Mu G J，Ren X，et al.Oasis microclimate effect on the dust deposition in Cele Oasis at southern Tarim Basin，China[J].Arabian Journal of Geosciences，2016，9：294，doi：10.1007/s12517-016-2312-2.

[25]潘光耀.新疆策勒綠洲—沙漠過渡帶時空變化研究[D].中國科學院大學，2013.

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

鞏慶，范金霞，林衛，等.策勒沙漠—綠洲輸沙及動力環境特征[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

國家自然科學基金（41375163）。

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