本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第3期“生态修复与生态安全”栏目。
为了探究真实大气环境下绿洲防护林体系的防风阻沙效益，以乌兰布和荒漠绿洲防护林为研究对象，利用位于荒漠绿洲过渡带和绿洲的近地面沙尘观测塔监测的2019—2020年不同高度处的风速、风向和沙尘数据，分析荒漠绿洲过渡带和绿洲的风沙分布统计特性。
研究区位于中国北方内蒙古乌兰布和沙漠东北部(E 106°09′~106°57′、N 39°16′~40°57′)，沙漠总面积约1.0万km2，海拔1 028~1 054 m，处于以贺兰山为分界线的荒漠—草原干旱区。由于沙漠地区植被稀少，降水不足，风沙灾害则成为当地的主要灾害类型。
为了监测荒漠绿洲周围的风沙变化情况，内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站在2个区域分别设置2座50 m高的近地面沙尘观测塔，2座观测塔直线距离约为2.85 km。在北站周围，存在着由乔木防护林围绕农田而成的绿洲区域(简称绿洲)，绿洲外围则为灌木防护林区域，即南站附近，称之为荒漠绿洲过渡带。为监测2个区域的风速数据，在观测塔距离地面高度H=1、2、4、8、12、16、24、36和48 m位置处布设Windsonic二维超声风速风向传感器(产自英国Gill，型号1405-PK-038)。同时，在风速仪布设相同高度处及H=0.5、6.0、10.0、20.0、28.0、32.0、40.0、44.0和50.0 m共18个高度处布设水平和垂直集沙仪用于沙尘数据的监测。水平集沙仪，开口为20 mm×50 mm的矩形截面；垂直集沙仪为直径15 cm、高度30 cm的圆柱形玻璃容器。在月末对水平和垂直集沙仪中收集的沙尘称量并记数。
荒漠绿洲过渡带和绿洲50 m高近地面沙尘观测塔
讨论：
通过野外观测获得的实测数据是模拟实验的理论支撑。基于野外实测数据进行风场统计分析，直观、真实地反映荒漠绿洲过渡带和绿洲2区域之间的风沙变化统计规律。已有研究发现：2017—2018年，2区域主导风向以偏西风为主。作者利用2019—2020年的风速数据分析发现，绿洲起沙风以W、WSW、SW和SSW为主，荒漠绿洲过渡带主导风向为W、WNW和NE。可以看出，2017—2020年，这4年来2区域主导风向变化差异并不明显。但当风速增大时，来风的稳定性增加，其主导风向与高处来风的主要方向相近。
此外，本研究对月最大风速的累计分布以及月最大风速与平均风速之间的关系进行了探讨，进而可以利用月最大风速对未来时段可能出现的风速极值进行估算。此外，输沙过程中，最大风速、平均风速和输沙量三者之间存在一定的相关关系，在后续研究中，可从三者的相关性角度将风速统计参数与风沙活动相结合，为合理评估防护林带的防风阻沙效应提供支撑。
沙颗粒运动主要在为2 m观测高度以下。通常气象学上将2 m观测高度以下5 m/s的风速定义为沙颗粒发生运动的阈值风速，即起沙风速。笔者在针对2 m观测高度输沙环境分析时，同样将这一值作为参考风速。然而，在分析12 m观测高度输沙环境时，考虑到下垫面情况和沙物质上升时所受力的影响，为了在分析过程中尽可能还原自然环境中实际的起沙风速，作者将2 m观测高度的起沙风速同实测风速剖面相结合推算出12 m观测高度的起沙风速，这为预测高空区域的输沙环境提供了参考。
结论：
1) 荒漠绿洲过渡带和绿洲的平均风速随观测高度增加逐渐增大，同一观测高度处荒漠绿洲过渡带的强风样本明显高于绿洲；在防护林的作用下，≥4~8 m/s的中风速和≥8 m/s的高风速样本比例平均减少约8.8%和7.8%，使＜4 m/s的风速样本数量增加约19.2%。2个区域的主导风向为东北和西南方向，平均风速风向分布在不同季节略有差别。随着观测高度增加，不同风速风向分布之间存在一定差异，然而随着风速增加，风向变化逐渐趋于一致。
2) 荒漠绿洲过渡带和绿洲月最大平均风速随观测高度增加逐渐增大，峰值多出现在夏季、秋季和春季末，且月最大平均风速与平均风速均值呈线性相关关系，关系式满足Vmax=2.81Vmean+2.46(R2=0.78)。此外，月最大风速的概率密度和累计分布符合Gumbel分布，可通过月最大风速对给定年限内的设计风速进行推算。
3) 荒漠绿洲过渡带和绿洲水平方向上的沙通量随观测高度增加均呈现减少的趋势，同一观测高度处绿洲的水平沙通量比荒漠绿洲过渡带有所减小，最大减少比约为65%；绿洲垂直方向的沙通量在近地面(2 m高度处)比荒漠绿洲过渡带有明显降低，减少比约为36%，而在其他观测高度处，2个区域的取值相当。
4) 在分析输沙势过程中，采用风速剖面推算对应观测高度的起沙风速。结果表明，从荒漠绿洲过渡带至绿洲，输沙势和总输沙势均减小，在12 m观测高度风沙动力环境由中能转变为低风能环境，而2 m观测高度则保持低风能环境，区域总体输沙水平呈现减弱趋势；两区域总体输沙方向为东(E)和东南偏东(ESE)方向之间，输沙方向的变化在绿洲受观测高度影响不明显，而荒漠绿洲过渡带的输沙方向在观测高度变化的同时会产生一定偏移。
荒漠绿洲过渡带和绿洲平均风速分布随观测高度的变化
2 m观测高度处的平均风速风向分布
12 m观测高度处的平均风速风向分布
12 m观测高度处不同季节的平均风速风向分布
蔡俊顺, 王京学, 肖辉杰, 辛智鸣, 王百田, 李俊然. 乌兰布和荒漠绿洲风沙特性及防护林防护效应[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(3): 136-145. DOI: 10.16843/j.sswc.2022239.
CAI Junshun, WANG Jingxue, XIAO Huijie, XIN Zhiming, WANG Baitian, LI Junran. Wind-sand characteristics and prevention effect of shelterbelt in Ulan Buh desert oasis[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(3): 136-145. DOI: 10.16843/j.sswc.2022239.
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