羅鳳敏，高君亮，辛智鳴，郝玉光，段瑞兵，李新樂

烏蘭布和沙漠東北部不同下墊面的小氣候變化特征

羅鳳敏，高君亮，辛智鳴，郝玉光※，段瑞兵，李新樂

（內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，磴口 015200）

研究沙區(qū)不同下墊面小氣候特征對(duì)充分利用氣候資源及保證林業(yè)和農(nóng)業(yè)的正常發(fā)展具有實(shí)踐意義。該研究基于內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站2018年1－12月監(jiān)測(cè)的荒漠區(qū)、荒漠-綠洲過渡帶和綠洲內(nèi)部的氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象資料，研究了3種下墊面的小氣候特征并探討了產(chǎn)生差異的原因。結(jié)果表明：1）荒漠區(qū)、荒漠-綠洲過渡帶和綠洲內(nèi)均為白天氣溫差異較小，夜間相差較大；由于近地層（0～50 m）具有明顯的逆溫現(xiàn)象，使得植被在氣溫較高季節(jié)發(fā)揮降溫增濕作用，而冬季發(fā)揮保溫作用；2）綠洲使年均相對(duì)濕度增加1.31～2.57個(gè)百分點(diǎn)；就季節(jié)而言，夏、秋季，綠洲內(nèi)的相對(duì)濕度較荒漠區(qū)和過渡帶分別高4.04～6.17和0.93～1.94個(gè)百分點(diǎn)，春、冬季，由于近地層（0～50 m）存在明顯的逆濕現(xiàn)象，因此綠洲內(nèi)的相對(duì)濕度較荒漠區(qū)和過渡帶分別低0.37～1.41和6.55～8.71個(gè)百分點(diǎn)；3）荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)風(fēng)向年變化特征均為以偏西風(fēng)（W，WSW，SW，SSW）為主，荒漠區(qū)和過渡帶的風(fēng)向多變，綠洲內(nèi)風(fēng)向相對(duì)較為集中，綠洲能夠使年均風(fēng)速降低32.99%～37.05%。烏蘭布和沙漠東北部過渡帶植被和綠洲防護(hù)林體系對(duì)小氣候具有很好的調(diào)節(jié)作用（降溫、增濕、削減風(fēng)速），研究區(qū)局地小氣候主要體現(xiàn)在風(fēng)速和夏秋季濕度上，而氣溫和冬春季濕度分別主要受逆溫和逆濕的影響。

溫度；濕度；小氣候；下墊面；風(fēng)速；烏蘭布和沙漠

0 引 言

全球氣候變化研究是當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，陸地下墊面過程是引起氣候變化的重要因子，不同的下墊面狀況會(huì)形成不同的小氣候[1]。綠洲和荒漠是兩種截然不同的景觀，綠洲和荒漠水熱平衡的研究得到了廣泛的關(guān)注[2]，關(guān)于下墊面對(duì)小氣候變化的影響方面的研究也顯得尤為重要。

沙漠小氣候是指因局地下墊面條件影響而形成的與大氣候不同的貼地層和土壤上層氣候[3]。沙區(qū)小氣候不僅可以定量反映沙漠化環(huán)境的退化程度，又能夠定量描述沙漠化過程中反饋?zhàn)饔玫膹?qiáng)度[4]。綠洲存在于荒漠中又異于荒漠，在一定條件下進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)與能量交換[5]，沙漠-綠洲過渡帶是干旱區(qū)綠洲生態(tài)屏障的重要組成部分，其小氣候方面的研究一直是學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題，加之小氣候和下墊面植被的關(guān)系復(fù)雜，二者互相影響[6-7]，因此量化不同下墊面的小氣候變化特征至關(guān)重要。

目前，諸多學(xué)者在干旱、半干旱區(qū)主要針對(duì)不同區(qū)域小氣候特征[5,8-13]、熱量特征及太陽(yáng)輻射[14-16]等方面開展了研究，結(jié)果表明不同水、肥、氣、熱的下墊面構(gòu)成因素都會(huì)使得不同下墊面之間產(chǎn)生明顯的氣候差異，但依然缺乏同一區(qū)域不同下墊面的全年小氣候系統(tǒng)性的研究及差異特征分析。烏蘭布和沙漠是中國(guó)重要的沙源地之一，風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重，對(duì)包蘭鐵路、京藏高速、黃河水利樞紐等基礎(chǔ)設(shè)施的正常使用造成了一定的影響[17-18]，同時(shí)也威脅著河套綠洲的生態(tài)安全、農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和居民健康生活[19]。烏蘭布和沙漠綠洲以農(nóng)田為主，防護(hù)林鑲嵌配套而構(gòu)成。作為“三北防護(hù)林體系建設(shè)工程”的重要組成部分，烏蘭布和沙漠綠洲為河套地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和風(fēng)沙災(zāi)害的減少起著關(guān)鍵作用，長(zhǎng)期以來(lái)備受專家學(xué)者的關(guān)注。多年以來(lái)，研究者在防護(hù)林防風(fēng)效益[20-21]、降塵機(jī)理和減沙效應(yīng)[22-25]等方面開展了大量研究。然而，關(guān)于綠洲小氣候方面的研究相對(duì)較少，僅有的研究報(bào)道也多是短時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，且觀測(cè)高度僅在0～2 m范圍[26-28]。

基于此，本文選取烏蘭布和沙漠東北部荒漠區(qū)，荒漠—綠洲過渡帶及綠洲內(nèi)的氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象資料，對(duì)比分析不同下墊面的小氣候的時(shí)空特征，初步量化分析了三者之間的差異，以此為進(jìn)一步揭示干旱區(qū)的小氣候生態(tài)特征提供理論依據(jù)，為沙漠陸面過程和沙漠氣候的研究奠定基礎(chǔ)，對(duì)綠洲生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與合理建設(shè)具有一定的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏蘭布和沙漠是中國(guó)北方干旱、半干旱區(qū)的過渡帶，總面積約1.0×104km2，海拔1 028～1 054 m，向河套平原傾斜[18]。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季和秋季受東南季風(fēng)影響，冬季和春季受西伯利亞－蒙古冷高壓控制，區(qū)域內(nèi)干旱少雨，且降水分配不均；夏熱冬冷，季節(jié)溫差大；溫濕同期，日照充足，熱量豐富，風(fēng)沙是主要自然災(zāi)害[24,29]。荒漠塔距過渡帶塔14.55 km，過渡帶塔距綠洲塔2.85 km，3種下墊面的整體情況及沙塵監(jiān)測(cè)塔（安裝風(fēng)速風(fēng)向傳感器和溫濕度傳感器）見圖1，3種下墊面詳細(xì)特征見表1。

圖1 研究區(qū)不同下墊面圖

表1 3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)下墊面概況

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

自2018年1月1日至2018年12月31日，由3座沙塵監(jiān)測(cè)塔上安裝的Windsonic二維超聲風(fēng)速風(fēng)向傳感器（1590-PK-020，美國(guó)Campbell公司）和溫濕度傳感器（1590-PK-020，美國(guó)Campbell公司）對(duì)烏蘭布和沙漠東北部荒漠區(qū)，荒漠—綠洲過渡帶（簡(jiǎn)稱過渡帶）及綠洲內(nèi)的小氣候氣象要素進(jìn)行平行對(duì)比試驗(yàn)觀測(cè)。風(fēng)速風(fēng)向傳感器啟動(dòng)風(fēng)速0.01 m/s，精度（風(fēng)速±2%，風(fēng)向±3°），量程（0～60 m/s，0～359°），分辨率（0.01 m/s，1°）；溫度傳感器量程為?80～60 ℃，精度為±0.17 ℃，分辨率為0.1 ℃；濕度傳感器量程為0～100%，精度為±1%，分辨率為0.1%。

文中所用氣溫和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)為8 m高度處獲取，風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)為12 m高度處獲取。所用的數(shù)據(jù)經(jīng)過了質(zhì)量控制，包括3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的同步校準(zhǔn)?觀測(cè)數(shù)據(jù)的邏輯極值檢查和時(shí)間一致性檢查。本文采用中國(guó)氣象學(xué)上四季劃分方法[30]，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季。1?4?7?10月分別為冬?春?夏?秋的代表月份，溫濕度廓線為溫濕度隨著高度的變化趨勢(shì)曲線[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年變化特征

由圖2可知，荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)年均氣溫分別為9.66、9.38、9.14 ℃，年均相對(duì)濕度分別為40.07%、40.58%、41.11%，年均風(fēng)速分別為4.13、3.88、2.60 m/s。綠洲使年均氣溫降低2.56%～5.38%，年均相對(duì)濕度增加1.31～2.57個(gè)百分點(diǎn)，年均風(fēng)速降低32.99%～37.05%?；哪畢^(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)氣溫年變化曲線形態(tài)一致（圖2a），一年中7月氣溫最高，1月氣溫最低。7月，綠洲內(nèi)氣溫較荒漠區(qū)和過渡帶分別低0.38、1.17 ℃；1月，綠洲內(nèi)氣溫較荒漠區(qū)和過渡帶分別高1.00、0.31 ℃。由圖2b可知，荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)相對(duì)濕度年變化曲線形態(tài)一致，一年中8月相對(duì)濕度最高，3月相對(duì)濕度最低。由圖2c可知，荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)風(fēng)速年變化曲線形態(tài)一致，均表現(xiàn)為春、冬季風(fēng)速較大?；哪畢^(qū)風(fēng)速最大（年平均風(fēng)速4.13 m/s），綠洲內(nèi)風(fēng)速最?。昶骄L(fēng)速2.60 m/s）。3種下墊面條件下，氣溫和相對(duì)濕度差異較小，風(fēng)速差異顯著。大氣的熱量主要源于地表，地表通過地面輻射、湍流和對(duì)流運(yùn)動(dòng)以及潛熱輸送等方式將熱量傳遞給邊界大氣層[31]。植被覆蓋度增加，植被吸收和反射的太陽(yáng)輻射能增加，大氣中的熱量補(bǔ)充減少，氣溫降低，同時(shí)植物的蒸騰和遮陰作用也會(huì)隨之增強(qiáng)，因此綠洲內(nèi)氣溫較低，濕度較大，此現(xiàn)象與綠洲的“冷島效應(yīng)”一致[32]。由于綠洲內(nèi)高大的防護(hù)林帶的阻擋，使得氣流抬升，減少進(jìn)入綠洲內(nèi)的氣流，因此風(fēng)速降低。

圖2 氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速的年變化特征

由圖3可以看出，荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)風(fēng)向年變化特征均為以偏西風(fēng)（W，WSW，SW，SSW）為主，其中荒漠區(qū)偏西風(fēng)中以SW和SSW風(fēng)為主；過渡帶偏西風(fēng)中以SW風(fēng)為主，NE方向的風(fēng)也占較大比例，但風(fēng)速較低，均分布在5～7 m/s范圍內(nèi)；綠洲內(nèi)偏西風(fēng)中以W和WNW風(fēng)為主?；哪畢^(qū)和過渡帶的風(fēng)向多變，綠洲內(nèi)風(fēng)向相對(duì)較為集中。

圖3 全年起沙風(fēng)風(fēng)向玫瑰圖

2.2 季節(jié)變化特征

由圖4可以看出，荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)春季平均氣溫分別為15.39、13.89、12.81 ℃，夏季平均氣溫分別為26.34、25.96、25.17 ℃，秋季平均氣溫為8.55、8.35、8.32 ℃，冬季平均氣溫為?8.91、?8.86、?8.73 ℃?；哪畢^(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)春、夏、秋、冬季的氣溫均具有明顯的日周期變化特征，且變化趨勢(shì)一致，3種下墊面的氣溫均表現(xiàn)為白天高、夜間低的特點(diǎn)，且白天氣溫差異較小，夜間相差較大；在春季，3種下墊面之間的氣溫差異較其他季節(jié)大。1月夜間，荒漠區(qū)較過渡帶和綠洲內(nèi)分別低0.11、0.28 ℃（17:00至次日09:00）；4月夜間，荒漠區(qū)較過渡帶和綠洲內(nèi)分別高2.10、3.25 ℃（18:00至次日09:00）；7月夜間，荒漠區(qū)較過渡帶和綠洲內(nèi)分別高0.36、1.06 ℃（18:00至次日06:00）；10月夜間，荒漠區(qū)較過渡帶和綠洲內(nèi)分別高0.19、0.22 ℃（18:00至次日09:00）。與荒漠區(qū)相比，過渡帶與綠洲內(nèi)冬季溫度增加了0.05、0.18 ℃，比其他季節(jié)分別減小了0.38～1.50 、0.22～2.58 ℃。

1月份最低氣溫，荒漠區(qū)出現(xiàn)在9:00（?13.87 ℃），過渡帶和綠洲內(nèi)出現(xiàn)在8:00（?13.83、?13.59 ℃），最高氣溫均出現(xiàn)在16:00（分別為?2.85、?2.91、?2.94 ℃）；4月份最低氣溫，荒漠區(qū)和過渡帶出現(xiàn)在6:00（9.66、7.12 ℃），綠洲內(nèi)出現(xiàn)在7:00（6.36 ℃），最高氣溫出現(xiàn)在16:00（20.37、19.69 ℃），綠洲內(nèi)最高氣溫出現(xiàn)在15:00（19.08 ℃）；7月份，荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)最低氣溫均出現(xiàn)在6:00（分別為21.07、20.47、20.11 ℃），最高氣溫均出現(xiàn)在16:00（分別為30.83、30.72、29.50 ℃）；10月份，荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)最低氣溫均出現(xiàn)在7:00（分別為2.60、2.44、2.61 ℃），最高氣溫均出現(xiàn)在16:00（分別為14.723、14.54、14.19 ℃）。綜上所述，下墊面變化對(duì)各季節(jié)最低氣溫、最高氣溫以及出現(xiàn)時(shí)間影響并不明顯。由圖5可知，每個(gè)季節(jié)的夜間均存在不同程度的逆溫現(xiàn)象。如圖4所示，荒漠區(qū)和過渡帶逆溫現(xiàn)象較綠洲內(nèi)部明顯，這與荒漠區(qū)和過渡帶溫度高于綠洲內(nèi)的現(xiàn)象一致。

圖4 不同季節(jié)氣溫日變化

圖5 不同季節(jié)50 m氣溫廓線變化

由圖6可以看出，荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)春季平均相對(duì)濕度分別為32.82%、30.66%、24.11%，夏季平均相對(duì)濕度分別為53.59%、55.73%、59.76%，秋季平均相對(duì)濕度為42.23%、39.36%、40.29%，冬季平均相對(duì)濕度為46.72%、45.69%、45.31%?；哪畢^(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)春、夏、秋、冬季節(jié)的相對(duì)濕度均具有明顯的日周期變化特征，且變化趨勢(shì)一致，與氣溫的日變化特征相反；3種下墊面的相對(duì)濕度均表現(xiàn)為白天低、夜間高的特點(diǎn)，且白天相對(duì)濕度差異較小，夜間相差較大；在春季，3種下墊面之間的氣溫差異較其他季節(jié)大?；哪畢^(qū)相對(duì)濕度為32.82%～53.59%，過渡帶相對(duì)濕度為30.66%～55.73%，綠洲內(nèi)相對(duì)濕度為24.11%～59.76%。1月和4月，由于近地層（0～50 m）存在明顯的逆濕現(xiàn)象，因此綠洲內(nèi)的相對(duì)濕度較荒漠區(qū)和過渡帶分別低0.37～1.41和6.55～8.71個(gè)百分點(diǎn)，7月，綠洲內(nèi)的相對(duì)濕度較荒漠區(qū)和過渡帶高4.04～6.17個(gè)百分點(diǎn)，10月，綠洲內(nèi)的相對(duì)濕度較荒漠區(qū)和過渡帶高0.93～1.94個(gè)百分點(diǎn)。

夜間大氣層結(jié)穩(wěn)定，近地層累積的水汽較白天多，夏季尤為明顯，植被白天蒸騰旺盛，近地層局地對(duì)流強(qiáng)烈，導(dǎo)致水汽上升劇烈，氣壓減小，因此濕度相對(duì)較?。幌聣|面不同，地表植被差異較大，尤其是夏季，因此3種下墊面夏季的相對(duì)濕度差異較大。1月、4月、10月夜間相對(duì)濕度表現(xiàn)為綠洲內(nèi)低于過渡帶和荒漠區(qū)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是夜間存在明顯的逆濕現(xiàn)象（圖7），即隨著高度的增加相對(duì)濕度增大。

圖6 不同季節(jié)相對(duì)濕度日變化

圖7 不同季節(jié)50 m相對(duì)濕度廓線變化

荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)春季平均風(fēng)速分別為4.07、4.45、3.49 m/s，夏季平均風(fēng)速分別為4.02、3.79、2.14 m/s，秋季平均風(fēng)速為3.85、3.69、2.43 m/s，冬季平均風(fēng)速為4.69、4.50、2.91 m/s。風(fēng)速具有明顯的季節(jié)變化特征（圖8），荒漠區(qū)與過渡帶變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為1月風(fēng)速最大，其次為4月，10月風(fēng)速最?。痪G洲內(nèi)則為4月風(fēng)速最大，其次為1月，7月風(fēng)速最小。1月與10月起沙風(fēng)最大風(fēng)速出現(xiàn)在14:00—16:00之間，4月和7月起沙風(fēng)最大風(fēng)速出現(xiàn)在16:00—18:00之間。荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)1月最大風(fēng)速分別為6.12、6.03、4.11 m/s，4月最大風(fēng)速分別為5.69、5.72、5.25 m/s，7月最大風(fēng)速分別為5.45、4.98、2.86 m/s，10月最大風(fēng)速分別為5.23、5.45、3.90 m/s。1月、4月、7月和10月均為綠洲內(nèi)風(fēng)速最低，且與荒漠區(qū)、過渡帶差異顯著，此現(xiàn)象說(shuō)明綠洲能夠顯著降低風(fēng)速。

2.3 日變化特征

就日變化特征而言，3種下墊面之間的風(fēng)速差異較大（圖9）。與荒漠區(qū)比較，過渡帶和綠洲使得日均溫降低7.41%～12.95%，日均相對(duì)濕度降低2.24～3.35百分點(diǎn)，日均風(fēng)速降低16.6%～51.46%?；哪畢^(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速日變化曲線均呈單峰型分布。氣溫日最高值均出現(xiàn)在16:00，其值分別為16.14、15.46、14.64 ℃，荒漠區(qū)、過渡帶日最低值出現(xiàn)在6:00，其值分別為5.21、4.33 ℃，綠洲內(nèi)日最低值出現(xiàn)在7:00，其值為4.08 ℃。荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)相對(duì)濕度夜間高，白天低；日最高值均出現(xiàn)在7:00，其值分別為62.59%、59.32%、56.49%，日最低值出現(xiàn)在16:00，其值分別為26.48%、27.55%、29.26%?；哪畢^(qū)、過渡帶風(fēng)速日最高值均出現(xiàn)在16:00，其值分別為5.59、5.36 m/s，綠洲內(nèi)日最高值出現(xiàn)在17:00，其值為3.82 m/s；荒漠區(qū)、過渡帶日最低值出現(xiàn)在3:00，其值分別為3.28、3.32 m/s，綠洲內(nèi)日最低值出現(xiàn)在1:00，其值為2.02 m/s。以上數(shù)據(jù)表明，綠洲防護(hù)林體系對(duì)氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速在數(shù)值大小和出現(xiàn)時(shí)間等方面具有顯著影響。

圖8 不同季節(jié)風(fēng)速日變化

圖9 氣溫?相對(duì)濕度和風(fēng)速的日變化

3 討 論

荒漠與綠洲之間地表植被類型、植被覆蓋度、地形、水資源區(qū)域分布、地表土壤組成以及季節(jié)變化等方面存在的差異，使得二者之間存在著明顯的氣候差異[13,33]，其中下墊面植被類型及覆蓋度的改變對(duì)調(diào)節(jié)區(qū)域氣候有著積極的影響[34]?；哪貐^(qū)植被是改善局部小氣候的有利途徑[35]，荒漠植物對(duì)小氣候有不同程度的調(diào)節(jié)作用，如防風(fēng)、降溫和增濕等[9]。烏蘭布和沙漠東北部綠洲使年均氣溫降低2.56%～5.38%，年均相對(duì)濕度增加1.31～2.57個(gè)百分點(diǎn)，年均風(fēng)速降低32.99%～37.05%。綠洲防護(hù)林對(duì)其所在區(qū)域的小氣候環(huán)境具有明顯的改善作用，如降低氣溫、增加濕度[36-37]，此現(xiàn)象說(shuō)明過渡帶植被和綠洲防護(hù)林體系對(duì)小氣候具有很好的調(diào)節(jié)作用，如降溫、增濕、削減風(fēng)速。

由于近地層（0～50 m）存在明顯的逆濕現(xiàn)象，春、冬季，綠洲內(nèi)的相對(duì)濕度分別較荒漠區(qū)和過渡帶低0.37～1.41個(gè)百分點(diǎn)、6.55～8.71個(gè)百分點(diǎn)，而夏、秋季，綠洲內(nèi)的相對(duì)濕度則分別較荒漠區(qū)和過渡帶高4.04～6.17個(gè)百分點(diǎn)、0.93～1.94個(gè)百分點(diǎn)。塔克拉瑪干沙漠近地層綠地中心區(qū)域濕度比邊緣地帶小，主要原因?yàn)槎揪哂心鏉瘳F(xiàn)象[12]。綠洲不僅植被覆蓋度大，而且土壤比較濕潤(rùn)，綠洲地表相當(dāng)于水汽源不斷加濕大氣，在大氣逆溫層的強(qiáng)迫下通過水平平流和水平湍流輸送給周圍臨近荒漠近地層大氣，使臨近荒漠大氣濕度相對(duì)增大[38]。這種局地水分循環(huán)機(jī)制實(shí)際上是對(duì)綠洲表面蒸發(fā)的水汽再利用，在這種水循環(huán)特征的支持下有利于維持綠洲周圍植物的成長(zhǎng)[39]。烏蘭布和沙漠春、冬季均存在逆濕現(xiàn)象，更有利于荒漠綠洲周圍植物的萌發(fā)及生長(zhǎng)。尤其是作物生長(zhǎng)季節(jié)，天然植被及防護(hù)林體系對(duì)于氣流的阻擋作用增強(qiáng)，使得湍流交換減弱，風(fēng)速降低，有利于保護(hù)作物[21]。

近地層水平風(fēng)速日變化表現(xiàn)為白天較大，晚間逐漸減小。1月與10月起沙風(fēng)最大風(fēng)速出現(xiàn)在14:00—16:00之間，4月和7月起沙風(fēng)最大風(fēng)速出現(xiàn)在16:00—18:00之間，塔克拉瑪干沙漠也為白天午后易出現(xiàn)大于起沙風(fēng)的陣風(fēng)[13]。烏蘭布和沙漠東北部的荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)全年及各季節(jié)氣溫和相對(duì)濕度的差值均為白天小，夜晚大，部分地區(qū)的相關(guān)研究也得出了一致的結(jié)論[33]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是沙漠白天溫度高，相對(duì)濕度低，夜間水汽擴(kuò)散運(yùn)移到綠洲-沙漠過渡帶增加其相對(duì)濕度，進(jìn)而形成循環(huán)機(jī)制[13]。植被及防護(hù)林的存在削弱了太陽(yáng)輻射、地面長(zhǎng)波輻射減少，進(jìn)入冠層的氣流運(yùn)動(dòng)受到植被的阻截及磨擦，空氣熱量交換強(qiáng)度減弱，從而使得防護(hù)林內(nèi)氣溫和過渡帶及荒漠區(qū)存在差異。防護(hù)林及植被主要是通過縮小日較差、降低氣溫變幅的方式，進(jìn)而使得氣溫保持相對(duì)穩(wěn)定[40]。

由于下墊面的非均勻性，導(dǎo)致荒漠和綠洲存在較強(qiáng)的局地環(huán)流和局地相互作用[41-42]。烏蘭布和沙漠東北部綠洲－沙漠過渡帶與綠洲之間應(yīng)該也存在水、熱局地環(huán)流作用。同時(shí)，植被蓋度和土壤水分又是影響綠洲和荒漠小氣候差異的主要因子[43]。因此，為改善小氣候環(huán)境、維護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)安全和人民健康，應(yīng)增大綠洲及過渡帶的植被覆蓋度，使其植被自然恢復(fù)和人工修復(fù)，如果條件允許可以加強(qiáng)綠洲內(nèi)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉措施，以此達(dá)到改善小氣候、維護(hù)綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)安全的目的。不同水、肥、氣、熱的下墊面構(gòu)成因素，都會(huì)使得不同下墊面之間產(chǎn)生明顯的氣候差異[10,15]。策勒綠洲-沙漠過渡帶和綠洲內(nèi)形成小氣候差異的主要因素是土壤水分、植被蓋度和地形[11]，本文對(duì)烏蘭布和沙漠東北部小氣候特征的研究主要立足于3種不同下墊面整體特征，沒有分析下墊面各分量因子對(duì)小氣候的影響，有待進(jìn)一步對(duì)比研究。

4 結(jié) 論

1）烏蘭布和沙漠東北部荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)氣溫年變化和日變化特征一致。7月氣溫最高，1月氣溫最低。3種下墊面白天氣溫差異較小，夜間相差較大。與荒漠區(qū)相比，過渡帶與綠洲內(nèi)冬季溫度增加了0.05、0.18 ℃，其他季節(jié)分別減小了0.38～1.50 ℃、0.22～2.58 ℃；

2）荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)相對(duì)濕度的年變化和日變化特征均一致。8月相對(duì)濕度最高，3月相對(duì)濕度最低。由于近地層（0～50 m）存在明顯的逆濕現(xiàn)象，春、冬季，綠洲內(nèi)的相對(duì)濕度較荒漠區(qū)和過渡帶分別低0.37～1.41和6.55～8.71個(gè)百分點(diǎn)，而夏、秋季，綠洲內(nèi)的相對(duì)濕度較荒漠區(qū)和過渡帶分別高4.04～6.17個(gè)百分點(diǎn)、0.93～1.94個(gè)百分點(diǎn)。

3）荒漠區(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)風(fēng)向年變化特征均為以偏西風(fēng)（W，WSW，SW，SSW）為主，荒漠區(qū)和過渡帶的風(fēng)向多變，綠洲內(nèi)風(fēng)向相對(duì)較為集中?；哪畢^(qū)、過渡帶和綠洲內(nèi)風(fēng)速年變化曲線形態(tài)一致，均表現(xiàn)為春、冬季風(fēng)速較大，綠洲能夠使年均風(fēng)速降低32.99%～37.05%。

綜上，烏蘭布和沙漠東北部過渡帶植被和綠洲防護(hù)林體系對(duì)小氣候具有很好的調(diào)節(jié)作用，如降溫、增濕、削減風(fēng)速，研究區(qū)局地小氣候主要體現(xiàn)在風(fēng)速和夏、秋季濕度上，而氣溫和冬春季濕度分別主要受逆溫和逆濕的影響。研究結(jié)果能夠?yàn)檫M(jìn)一步揭示干旱區(qū)的小氣候生態(tài)特征提供理論依據(jù)，為沙漠陸面過程和沙漠氣候的研究奠定基礎(chǔ)，對(duì)綠洲生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與合理建設(shè)具有一定的科學(xué)意義。

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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

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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

羅鳳敏，高君亮，辛智鳴，等. 烏蘭布和沙漠東北部不同下墊面的小氣候變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（CAFYBB2017MB026）；內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站運(yùn)行補(bǔ)助（201913214）；國(guó)家林業(yè)局防沙治沙專題“烏蘭布和沙漠東北部荒漠化定位監(jiān)測(cè)”共同資助

羅鳳敏，工程師，主要從事荒漠生態(tài)監(jiān)測(cè)研究。Email：lfm359541965@126.com。

郝玉光，博士，研究員，主要從事荒漠化防治研究。Email：hyuguang@163.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.015

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