崔珂軍， 李生宇， 范敬龍， 王海峰， 孟曉于，苗佳敏， 呂振濤

（1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，國家荒漠-綠洲生態(tài)建設工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，莫索灣沙漠研究站，新疆 石河子 832000；4.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，塔克拉瑪干沙漠研究站，新疆 庫爾勒 841000；5.中國科學院大學，北京 100049）

荒漠化是當今全球最為嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一。與中國北部接壤的蒙古國是中蒙俄經(jīng)濟走廊上的重要國家，也是中國重要的全面戰(zhàn)略合作伙伴。但自1990 年以來，蒙古國生態(tài)退化嚴重，荒漠化快速發(fā)展，已成為全球四大沙塵暴源區(qū)之一。風蝕沙漠化是蒙古國荒漠化的主要形式［1-2］，嚴重影響植被景觀和居民生活環(huán)境質量，近年來風蝕沙漠化土地的重心不斷向北擴展［3］。喬伊爾市為戈壁蘇木貝爾省首府，地處蒙古國中部草原地區(qū)，受內陸干旱氣候及強烈人為活動影響，風蝕沙漠化情況十分嚴重，為蒙古國典型的風蝕沙漠化新擴展區(qū)。

風動力條件是風蝕沙漠化的關鍵驅動因素［4-8］，

了解近地層風況特征，系統(tǒng)評估風能環(huán)境，掌握風沙活動規(guī)律，是研究風蝕沙漠化形成與演化過程的關鍵內容，也是制定區(qū)域風沙災害防治體系的重要依據(jù)［9-12］。國內外學者對世界各地的風況及輸沙情況進行了大量的研究，闡明了風蝕沙漠化與風動力的關系，揭示了風沙地貌的風成條件和變化規(guī)律［13-16］，為防沙治沙提供了科學依據(jù)［17-21］，科學指導了實際工程建設［22-24］。董玉祥［25］對西藏風蝕沙漠化進行了研究，認為風是區(qū)域風蝕沙漠化重要驅動因素。羅鳳敏等［26］對烏蘭布和東北緣起沙風風況及輸沙勢特征進行了詳細研究，為風蝕沙漠化防治提供了數(shù)據(jù)支持。張正偲等［27］對騰格里沙漠西部和西南部風能及風沙地貌進行研究，為區(qū)域風沙活動強度評價和風沙地貌演化提供了依據(jù)。Louassa等［28］對阿爾及利亞西部平原的風況進行了研究，并提出了風蝕防治建議。

蒙古國中部草原地區(qū)風蝕沙漠化研究至今鮮有報道［29］。本文對地處蒙古國中部草原地區(qū)喬伊爾市的風動力條件、風沙流輸沙及相關影響因素進行了分析，旨在掌握蒙古國中部草原地區(qū)風蝕沙漠化過程的基本特征，為當?shù)仫L沙災害防治與生態(tài)恢復提供參考。

1 研究區(qū)概況

蒙古國是一個內陸國家，降水自北向南逐漸遞減，年均風速自東南向西北逐漸遞減［29］。喬伊爾市是蒙古國戈壁蘇木貝爾省的首府［30］，位于108°24′E，46°21′N，地形較為平坦，植被景觀為草原，植被蓋度20%～30%［31］，大多為草本植物，少量為灌木，草本以針茅、冷蒿、小畫眉草為主，灌木以錦雞兒屬為主。與蒙古其他大部分地區(qū)相比，該區(qū)草地退化嚴重［32］。從自然區(qū)劃上來看，喬伊爾市地處典型草原、干草原、荒漠草原混交帶（圖1），植被對自然和人為（放牧）擾動極為敏感［33-37］。喬伊爾市為溫帶大陸性氣候，年平均降水200～300 mm，年均氣溫1.8 ℃，年最高氣溫22.9 ℃，最低氣溫-23.7 ℃；3—5月為大風期，年均風速呈現(xiàn)波動變化（圖2）。該區(qū)風速較大，10 m 高度平均風速為5.07 m·s-1，瞬時風速最高可達19.73 m·s-1（2019 年5 月—2020 年7 月）。2001—2012 年，喬伊爾市2 m 高度起沙風平均風速（6.83 m·s-1）大于其南部扎門烏德地區(qū)（6.46 m·s-1）和其北部達爾汗地區(qū)（6.24 m·s-1）。該區(qū)沙塵暴多發(fā)，2010—2019 年年均沙塵暴日數(shù)為14.6 d，83%發(fā)生在春季。

圖1 蒙古國研究區(qū)地理位置及植被類型分布Fig.1 Geographical location and distribution of vegetation types in the study area of Mongolia

圖2 1990—2018年喬伊爾市平均風速Fig.2 Average wind speed in Choir City from 1990 to 2018

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

風動力數(shù)據(jù)（2019年5月—2020年7月）來源于中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所在喬伊爾市建立的梯度氣象觀測站（108°21′E，46°24′N）（圖3）。氣象站觀測高度分別為0.2 m、8.0 m、10.0 m，所安裝儀器包括：自動超聲風速儀（型號：WindSonic，英國Gill 制造）、空氣溫度濕度集成觀測儀（型號：HMP155A-L，芬蘭Vaisala 公司制造，測量范圍達到-80～60 ℃）、土壤溫度觀測儀、土壤含水量觀測儀（型號：CS650，可精確測量土壤水分、溫度、電導率，探針長300.0 mm，直徑3.2 mm，間距32.0 mm），每小時觀測一次數(shù)據(jù)。輸沙數(shù)據(jù)（2019 年8 月4 日—2020年8月15日）來源于中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所在喬伊爾市氣象觀測站架設的自制梯度大容量集沙儀（圖3）觀測數(shù)據(jù)。集沙儀沙粒采集器高度距地面分別為20 cm、50 cm、70 cm、120 cm，沙粒采集器進沙口為邊長2 cm的正方形，集沙盒直徑分別為20 cm、16 cm、16 cm、16 cm 的圓筒。其他風速、沙塵暴數(shù)據(jù)來源于喬伊爾市氣象站。

圖3 集沙儀結構及自動氣象觀測儀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邊界層大氣中，近地層風速向下遞減到零的高度［38］，表征了地表與大氣的相互作用，反映了地表特征對大氣湍流的阻抗作用，為現(xiàn)代流體力學和大氣科學的重要概念，是大氣邊界層理論和風沙科學重要參數(shù)，被廣泛應用。地表粗糙度的計算方法有很多，本文選取0.8 m、2.0 m、10.0 m中性層結數(shù)據(jù)370組，采用常用的風速比法［38］計算，公式如下：

式中：u*為摩阻速度（m·s-1）；u1為Z1處的風速（m·s-1）；u2為Z2處的風速（m·s-1）；Z1、Z2為觀測高度（m）。

2.2.3 臨界摩阻速度臨界摩阻速度是指能引起地表起沙的摩阻速度的臨界值［40］，采用公式（3）［41］計算。計算結果表明，喬伊爾市的臨界摩阻速度為0.5045 m·s-1。

式中：u*t為臨界摩阻速度（m·s-1）；A為經(jīng)驗系數(shù)（0.11）；σ為沙粒的密度（2650 kg·m-3）；ρ為空氣密度（1.256 kg·m-3）；g為1980 年大地測量學家推導出來的重力加速度（9.780327 m·s-2）；d為當?shù)厣沉Ａ剑▎桃翣柈數(shù)匾陨傲橹鳎ū?），本文采用0.05～2 mm中位數(shù)1.02 mm計算，土壤類型以裂化堿土為主（表2）。

表1 喬伊爾市土壤顆粒粒度占比Tab.1 Percentage of soil particle size in Choir City /%

表2 喬伊爾市土壤類別占比Tab.2 Percentage of soil types in Choir City

2.2.4 臨界起沙風速大氣邊界層的氣流在運動過程中，使地面的沙物質受到風力作用，并在風力增大到一定閾值時，地表沙粒由靜止狀態(tài)而進入運動，這個閾值風速被定義為臨界起沙風速［38］。臨界起沙風速是風沙物理學的重要指標。臨界起沙風速采用公式（4）［40］計算。

式中：ut為臨界起沙風速（m·s-1）；u*t為臨界摩阻速度（m·s-1）；z為計算高度（m）；Z0為地表粗糙度（m）。

2.2.5 輸沙勢輸沙勢（Drift potential，DP）表示一個地區(qū)在一定時間內的潛在最大輸沙量，計算公式［20］如下：

式中：Q為輸沙勢（VU）；u為10 m高度處的起沙風速（大于臨界起沙風速的風速值）（m·s-1）；ut為臨界起沙風速（m·s-1）；t為起沙風時間（一般為觀測時段內所觀測的起沙風時間數(shù)與總觀測時間數(shù)的百分比）。

根據(jù)矢量合成法則將16 個方位的輸沙勢進行合成，可以得到合成輸沙勢（Resultant drift potential，RDP）和合成輸沙方向（Resultant drift direction，RDD）。RDP 表示一個地區(qū)的凈輸沙能力，RDD 則反映沙粒搬運的總體方向。RDP/DP 稱為風向變率指數(shù)，用來反映一個地區(qū)的風向組合特征。當風向變率指數(shù)＜0.3時，為高變率，說明風況復雜；當風向變率指數(shù)為0.3～0.8 時，為中變率，一般對應鈍雙峰或者銳雙峰的風況；當風向變率指數(shù)＞0.8時，為低變率，說明風況單一。

3 結果與分析

3.1 起沙風

風蝕沙漠化很大程度受當?shù)仫L況影響，而起沙風是風況的代表性指標之一。在2019 年5 月—2020年7月期間，喬伊爾市10 m高度起沙風平均風速為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?。?.38 m·s-1）。起沙風平均風速季節(jié)變化較大，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）較小，且相差不大。該區(qū)各方向起沙風的發(fā)生頻率也不同，NNW（18.70%）和N（15.40%）頻率最高（圖4），其他風向較低，尤其ESE（1.36%）和SE（1.91%）最低（圖4a），該區(qū)整體盛行偏北風。

圖4 喬伊爾市起沙風頻率玫瑰圖Fig.4 Rose map of sandy wind frequency in Choir City

3.2 輸沙勢與輸沙方向

輸沙勢和輸沙方向能夠較客觀反映一個地區(qū)的風沙活動強度和沙物質整體搬運方向。合成輸沙勢越高的地區(qū)通常風向較單一或風沙活動強度較大，而合成輸沙勢越低的地區(qū)為多風向或風沙活動強度較?。?4］。根據(jù)輸沙勢的大小，以前學者［20］將風能環(huán)境分為4 類，分別是低風能（＜200 VU）、中風能（200～400 VU）和高風能（＞400 VU）環(huán)境。喬伊爾市全年輸沙勢為735.96 VU（圖5），屬高風能環(huán)境地區(qū)。喬伊爾市的一個周期年（2019 年6 月—2020 年5 月）的年合成輸沙勢為428.76 VU，屬于高風能環(huán)境；年合成輸沙方向為195.06°（SSW），風沙整體向西南偏南方向輸移；風向變率指數(shù)為0.58，屬于中變率雙鋒風況。

全年各風向輸沙勢差異較大，NNW風向輸沙勢為149.84 VU，占總輸沙勢的20.40%，N風向輸沙勢為135.32 VU，占總輸沙勢的18.40%，這2個方向的輸沙勢占據(jù)主導地位；SW 風向輸沙勢為3.12 VU，SSW 風向輸沙勢為3.01 VU，分別僅占總輸沙勢的0.42%和0.40%。

各季節(jié)的風向變率指數(shù)也不同，春季、夏季的變率指數(shù)分別為0.62、0.58，屬于中變率，對應雙峰風況；秋季與冬季的變率指數(shù)是0.84，屬于低變率，表明該區(qū)秋季和冬季的風況單一，全年整體以西北風為主。

從全年輸沙勢玫瑰圖（圖5）可以看出，喬伊爾市各季節(jié)輸沙勢差異顯著，合成輸沙方向在SE—SW 之間變化。春季輸沙勢最大，達到483.89 VU，占全年輸沙勢的65.70%，合成輸沙方向為204.83°（SSW）；夏季輸沙勢為159.23 VU，占全年輸沙勢的21.60%，合成輸沙方向為190.11°（S）；秋季輸沙勢為73.00 VU，占全年輸沙勢的10.00%，合成輸沙方向為143.68°（SE）；冬季輸沙勢最小，為19.84 VU，占全年輸沙勢的2.70%，合成輸沙方向為145.35°（SE）?？梢?，喬伊爾市主要輸沙能量集中在春季和夏季，春、夏兩季的輸沙方向與秋、冬兩季有一定差異，但春、夏、秋、冬四季的輸沙方向都偏南（圖5），表明該區(qū)常年受到北向來流的影響。

圖5 喬伊爾市輸沙勢玫瑰圖Fig.5 Rose map of sand drift potential in Choir City

3.3 風沙流輸沙

輸沙量是防沙工程設計的重要參數(shù)。以前學者觀測發(fā)現(xiàn)，在一定的風力條件下，風沙流中躍移粒子與風場相互作用，具有一種負反饋機制，并將輸沙量限定在某個定值，因而在沙源充足地區(qū)，風對沙粒的搬運能力有一定限度［42］。學者們開發(fā)了很多輸沙量估算模型（表3）［43-44］，其計算結果差別很大，適用區(qū)域不同，應用前必須對其估算精度進行實際驗證。學者們研究發(fā)現(xiàn)［45］，風沙流結構在垂直高度上的分布普遍符合指數(shù)函數(shù)。本文基于喬伊爾市風沙流實際觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)對風沙流垂直分布的擬合效果較好（圖6）。通過積分法，求得一個周期年（2019年6月—2020年5月）的輸沙總量為2.135 t·m-1·a-1，用該值除以起沙時間（2645 h），得到實際輸沙量為2.24×10-4kg·m-1·s-1。實際輸沙量與模型計算值對比發(fā)現(xiàn)，Bagnold、Kawamura、Zingg、Sorensen 的模型對喬伊爾市的計算結果均偏大，而Hsu模型偏小，Owen模型更接近實際值。

圖6 喬伊爾市沙塵通量函數(shù)擬合Fig.6 Fitting of dust flux function of Choir City

表3 喬伊爾市輸沙量估算Tab.3 Estimation of sand transport volume in Choir City

3.4 臨界起沙風速變化及影響因素

臨界起沙風速是風蝕沙漠化的關鍵參數(shù)，與土壤水分、植被蓋度、空氣密度、土壤粒度、土壤質地、土壤含鹽量以及重力加速度都有關系［46-47］。本文根據(jù)10 m、2 m、0.8 m 高度的風速數(shù)據(jù)，計算出該區(qū)的年均臨界起沙風速（10 m 高度為6.77 m·s-1、2 m 高度為4.77 m·s-1、0.8 m高度為3.63 m·s-1）。該區(qū)10 m高度臨界起沙風速呈明顯的季節(jié)變化，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?。?.57 m·s-1）。

2019 年6 月—2020 年5 月土壤水分、歸一化植被指數(shù)（NDVI）與臨界起沙風速（2 m高度）隨時間同步變化，三者趨勢吻合性很好（圖7）。臨界起沙風速2019年7月最大，2020年1月最小，同期植被覆蓋度和土壤水分表現(xiàn)出相同的變化趨勢。

圖7 喬伊爾市臨界起沙風速、土壤水分和歸一化植被指數(shù)（NDVI）變化趨勢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應降水情況。2020 年春季喬伊爾市出現(xiàn)氣溫升高而土壤水分減少的現(xiàn)象，此現(xiàn)象（氣溫升高、降水減少）導致春旱。對喬伊爾市近15 a（2001—2015年）的氣溫和降水分析發(fā)現(xiàn)，其中有10 a 發(fā)生類似現(xiàn)象，可見2020年的春旱并不是特殊現(xiàn)象，該區(qū)春旱多發(fā)。

降水會影響土壤水分，并引起植被蓋度變化進而影響臨界起沙風速。喬伊爾市多年降水量和NDVI都為夏季最高，因而夏季臨界起沙風速最大。從圖7 看出，喬伊爾市2020 年春季土壤水分減少，說明降水減少，加之風速較大（圖4）和植被蓋度低，春旱嚴重，使春季輸沙強烈。因此，春季是喬伊爾市風蝕沙漠化的主要發(fā)生時期。

4 討論

2019年6月—2020年5月喬伊爾市起沙風發(fā)生頻率為17.30%，大風（≥10.80 m·s-1）日數(shù)為68 d，加之地處溫帶大陸性氣候區(qū)，降水少（年均200～300 mm），多晴天，氣候干燥，地形較為平坦，沒有高大山脈阻擋，氣流能夠長驅直入，地表風動力強勁，因此全年輸沙勢（735.96 VU）較大，屬于高風能環(huán)境，遠大于塔克拉瑪干沙漠（全年最大輸沙勢399.00 VU）、庫姆塔格沙漠（全年最大輸沙勢285.67 VU）、騰格里沙漠（全年最大輸沙勢358.70 VU）［15］，而與巴丹吉林沙漠最大輸沙勢（733.40 VU）相差不大［16］。該區(qū)地處蒙古高原腹地，受到北冰洋和太平洋氣流的影響，春、夏季主要受北向和東向來風影響，秋、冬季主要是受西北來向風影響。

喬伊爾市輸沙強烈除了與風動力強勁有關外，還與當?shù)叵聣|面條件有關。下墊面條件主要受當?shù)刂脖活愋图靶竽翗I(yè)影響。該區(qū)植被多為草本植物，伴生有零星低矮灌木，受年內降水季節(jié)變化的影響，春季的植被條件極差，削弱大風能量少且固沙能力差，加之此時是當?shù)氐闹饕L季時段，風力強，臨界起沙風速小，因此春季風蝕沙漠化過程活躍，風沙活動強烈。在放牧過程中，牲畜的采食、踐踏都會對植被以及土壤造成不同程度的破環(huán)，土壤表層結構疏松化，抗風蝕能力大幅降低，極易風蝕起沙，形成風沙流。近年來隨著該區(qū)牧群數(shù)量快速增長，草場過牧問題極為嚴重，因而風蝕問題凸顯，地表風沙流輸沙通量很大。

2010—2019 年喬伊爾市的沙塵暴年日數(shù)總體呈現(xiàn)波動增加趨勢，與近年來風速的變化趨勢呈現(xiàn)正相關，說明該區(qū)風蝕沙漠化過程在逐漸增強。未來，隨著中蒙俄經(jīng)濟走廊的建設，蒙古國高強度經(jīng)濟建設活動將快速增加。作為中蒙俄經(jīng)濟走廊的關鍵節(jié)點，喬伊爾市交通便利，礦產(chǎn)資源豐富，將是重要經(jīng)濟建設區(qū)，風蝕沙漠化問題可能會更加嚴重，成為區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要威脅，亟待對該區(qū)風蝕沙漠化過程進行深入研究，并因地制宜研發(fā)適宜當?shù)刈匀画h(huán)境條件的沙漠化防治措施。

5 結論

地處蒙古國中部地區(qū)的喬伊爾市，風蝕沙漠化過程極為活躍，已經(jīng)成為蒙古國荒漠化向北拓展區(qū)，亟待探索適宜當?shù)丨h(huán)境條件的風沙災害防治及生態(tài)修復技術方案。對實地觀測數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)綜合分析得出以下結論：

（1）該區(qū)風動力強勁，起沙風平均風速為9.49 m·s-1，最大風速為19.73 m·s-1；起沙風以NNW 與N為主，兩者共占34.10%。

（2）輸沙勢為735.96 VU，合成輸沙勢為428.76 VU，屬于高風能環(huán)境；風向變率指數(shù)為0.58，屬于中比率雙鋒風況，合成輸沙方向為195.06°（SSW 方向）。

（3）該區(qū)下墊面的植被條件受到自然降水和人為放牧的強烈影響，在強勁風力作用下，表層土壤風蝕強烈，年風沙流輸沙通量可達2.135 t·m-1·a-1。

（4）年內風動力波動很大，春季為風季且干旱，是風蝕發(fā)生的主要時段。