在当今世界，有2/3的地区都遭受着风蚀的影响^[1]。风是风蚀发生的直接动力来源。相关研究^[2]表明，风蚀量与风速大小呈正相关，且侵蚀强度方向与风场方向一致。防护林对近地面风场具有阻碍作用，可以削弱近地表风速^[3]，起到保护表层土壤和地表作物的作用，在控制风沙灾害方面起着重要作用。防护林的防风阻沙效益研究对土壤风蚀控制及风沙灾害防治具有重要意义。

目前国内外已有学者采用野外实测^[4]、风洞试验^[5]和计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)数值模拟方法^[6]对防护林的防风阻沙效应展开大量研究。通过对防护林周围的风沙进行野外监测，可以较为直观地研究防护林的防风阻沙效益。刘艳萍等^[7]通过野外监测探究沙尘暴天气下防护林的防护效益，得出网格状结构防护林比带状防护林在沙尘暴降解上具有一定优势。闫敏等^[8]通过监测不同配置模式的防护林带周围的风速，探究不同结构类型的林带对风速的削减效益。此外，基于相似理论的风洞试验也是一种模拟防护林带周围风场特性及防护效益的常用方法。早在1991年，俞学曾等^[9]通过风洞试验方法分析了不同结构类型的防护林带前后的风速特性，并提出了较优的林带结构。为研究多林网叠加对风速流场的影响，包岩峰等^[10]采用2种典型的小网窄带防护林网开展风洞试验，发现多林网叠加对于近地表风速的削弱具有良好的效果，当林网数量达到3层时林内风速逐渐趋于稳定。为探究植被对周围沙物质运移规律的影响，Suter-Burri等^[11]将沙子染色并放置于风洞内，研究了植被盖度和排列方式对沙物质运移的影响。近年来，CFD数值模拟技术发展迅猛，已被逐渐应用到防护林的防风效应研究中。张雷等^[12]通过CFD数值模拟研究了不同宽度、不同结构林网的气流变化规律，发现林网对来流动能具有明显的削弱作用。

虽然风洞试验和CFD数值模拟方法能够高效、便捷地再现防护林的防护效应，但由于风速的随机性与林木自身的复杂性，试验和模拟过程中难以同时满足所有相似准则，且近年来荒漠地区农田防护林出现大规模退化和更新^[13]，试验和模拟结果与实际情况往往出现一定偏差。采用近年来的实测数据对防护林带周围的风沙统计特性进行分析，对防护林带的结构优化和防护效益提升具有重要的意义。笔者以乌兰布和荒漠绿洲防护林为研究对象，利用风沙实测数据，分析2个区域的平均风速、平均风向和月最大平均风速随时间和空间的变化规律，探讨沙通量和输沙势的变化情况，对防护林的防风阻沙效应进行定量分析，为荒漠绿洲防护林体系的规划与设计提供理论依据。

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(图 1)。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。

图 1(Fig. 1)

图 1 荒漠绿洲过渡带和绿洲50 m高近地面沙尘观测塔 Fig. 1 50 m-height monitoring towers in desert oasis transition zone and oasis

采用2019年1月1日—2020年12月31日监测的风沙数据，对风速风向、沙通量和输沙势进行数据预处理和势能计算。

一般来说，平均风速V的计算分为标量平均和矢量平均2种方法。将每10 min记录的风速数据取算术平均值作为平均风速样本。类似地，以10 min记录的风向数据的算术平均值作为平均风向样本。由于风速的随机性，平均风速随时间呈现一定的变化。在计算得到的平均风速的基础上，选取每月最大平均风速V_max进行统计特性分析。

沙通量反映单位时间内通过单位面积的沙尘质量。根据月平均沙尘质量和入口面积的比值可以计算各个高度的沙通量，水平(Q_H)和垂直方向沙通量(Q_V)计算式为：

式中：m为测量总时长, 月；q_H为水平集沙仪每月记录的沙尘质量, kg；q_V为垂直集沙仪每月记录的沙尘质量, kg；S_H和S_V分别为水平和垂直集沙仪的入口尺寸，分别为10 cm²和15π cm²。

输沙势(drift potential，DP)常作为衡量风沙活动的重要指标。根据Fryberger计算方法^[14]，输沙势D_p可表示为：

式中：V_t为起沙事件的阈值速度，V_t=5 m/s；V_i为各方向大于阈值风速的风速样本；t_i为起沙风作用时间，以输沙事件的时间占总测量时间的比例表示，即t_i=1/n，n为数据样本量。在此基础上，常用各方向D_P矢量求和得到的合成输沙势R_P(resultant drift potential，RDP)，以矢量单位(unit vector，UV)表示；合成输沙方向R_D(resultant drift direction，RDD)用来表示风沙活动强度和方向(°)。

乌兰布和沙漠绿洲防护林对近地表风沙具有一定的阻碍作用，随着植被特征的变化，不同区域的风场特性也会相应发生改变。为了探究荒漠绿洲过渡带和绿洲不同高度处平均风速分布特征，笔者将平均风速分为3个区间。结果如图 2所示，当高度从1 m增加到48 m时，处于≥0~4 m/s范围的低风速样本比例逐渐减少，其中，绿洲低风速比例从100%减少至36.7%，荒漠绿洲过渡带从90.1%减少到50.6%；相应地，≥4~8 m/s和≥8 m/s的中、高风速比例随高度的增加逐渐增加。荒漠绿洲过渡带≥4~8 m/s和≥8 m/s的中、高风速比例均高于绿洲。从荒漠绿洲过渡带至绿洲，同高度低风速样本风速例比平均增加约19.2%，中风速比例平均减少约8.8%，高风速比例平均减少约7.8%。

图 2(Fig. 2)

图 2 荒漠绿洲过渡带和绿洲平均风速分布随观测高度的变化 Fig. 2 Variation of mean wind speed with observation height in desert oasis transition zone and oasis

为探究荒漠绿洲过渡带和绿洲的风速风向分布，选取2和12 m观测高度的风速数据进行分析，结果如图 3和4所示。由图 3可知，在2 m观测高度处，绿洲主要以≤4 m/s的风速为主，主导风向为SW和ENE，频率比例分别为11%和14%；荒漠绿洲过渡带≥4 m/s的风速样本明显增多，主导风向为S、SSW和W，频率比例分别为12%和11%。从图 4可以看出，当观测高度位于12 m时，考虑所有风速样本，绿洲的主导风向为NE、SSW和SW，频率比例分别为12%、11% 和11%；荒漠绿洲过渡带除了以上3个主导风向，还包括NEN，荒漠绿洲过渡带主导风向在NE方向在总体风速样本中比例为14%，在SW方向比例为13%；考虑≥8 m/s的强风样本，从荒漠绿洲过渡带到绿洲，≥8 m/s以上的强风样本比例明显降低，进一步证实防护林带对风速的削弱作用。

图 3(Fig. 3)

N：北；S：南；W：西；E：东；NNE：东北偏北；NE：东北；ENE：东北偏东；ESE：东南偏东；SE：东南；SSE：东南偏南；SSW：西南偏南；SW：西南；WSW：西南偏西；WNW：西北偏西；NW：西北；NNW：西北偏北。 N: North. S: South. W: West. E: East. NNE: North in northeast. NE: Northeast. ENE: East in northeast. ESE: East in southeast. SE: Southeast. SSE: South in southeast. SSW: South in southwest. SW: Southwest. WSW: West in southwest. WNW: West in northwest. NW: Northwest. NNW: North in northwest. 图 3 2 m观测高度处的平均风速风向分布 Fig. 3 Distribution of mean wind speeds and directions at observation height of 2 m

图 4(Fig. 4)

图 4 12 m观测高度处的平均风速风向分布 Fig. 4 Distributions of mean wind speed and direction at observation height of 12 m

受季节气候影响，乌兰布和沙漠地表温度随时间变化差异明显，使风速分布产生一定季节性变化^[15]。为探究平均风速风向随季节的变化情况，对荒漠绿洲过渡带和绿洲不同季节的风速风向变化进行分析。图 5的结果表明，荒漠绿洲过渡带和绿洲冬季主导风向均以SW为主，夏季以NE风为主，春季和秋季的主导风向为NE、SW和SSW。此外，2个区域的来风方向在不同季节存在一定差异，但其主导风向基本保持稳定。与此同时，对比荒漠绿洲过渡带和绿洲的风向分布图发现，从荒漠绿洲过渡带至绿洲春季风速在NE的比例由15%降低至12%；冬季风速在SW方向上的比例由20%降低至16%。

图 5(Fig. 5)

图 5 12 m观测高度处不同季节的平均风速风向分布 Fig. 5 Distribution of mean wind speeds and directions at observation height of 12 m in different seasons

为了探究输沙过程中V_max随时间和空间的变化，对每月平均风速数据进行分析，并从中筛选出V_max。由图 6(a)可知，2019年各个高度处的V_max分别3、5、8和10月达到峰值，于1月和9月达到最低值。由图 6(b)可知，2020年V_max分别在6、8、10月这3个月份达到最大值，于11月份达到该年最低值。此外，随着观测高度的增加，V_max也同样呈现增加的趋势，且风速的极值普遍出现在夏秋2季以及春季末。

图 6(Fig. 6)

图 6 月最大平均风速随时间和观测高度(H)的变化 Fig. 6 Changes of monthly maximum mean wind speed with observation height and time

自然环境中的风速具有一定的随机性。为了对一定年限内的风速极值进行合理估算，需要分析月最大风速的分布特性。图 7和图 8分别展示12 m观测高度处月最大风速的累积分布函数(cumulative distribution function，CDF)和概率密度函数(probability density function，PDF)。结果表明，月最大风速经验分布的CDF和PDF与Gumbel分布^[16]基本一致。

图 7(Fig. 7)

图 7 12 m观测高度月最大平均风速累计分布函数(CDF) Fig. 7 Cumulative distribution function (CDF) of monthly maximum wind speed at observation height of 12 m

图 8(Fig. 8)

图 8 12 m观测高度月最大平均风速概率密度函数 Fig. 8 Probability density function (PDF) of monthly maximum wind speed at H=12 m

为了探究V和V_max之间的相关关系，将2019—2020年各个观测高度范围内的风速平均值V_mean作为平均风速的平均水平进行相关性验证，得出V_max和V_mean的拟合方程，如图 9所示。结果表明，随着V_mean的增加，V_max也随之增加，利用线性相关模型进行拟合，得到：

图 9(Fig. 9)

图 9 月最大平均风速和风速均值之间的关系 Fig. 9 Relationship between monthly maximum mean wind speed and mean value of wind speed

根据式(4)V_mean和V_max之间的相关关系，可以对月最大风速进行预测。

在输沙特征分析中，沙通量剖面是研究风沙运动的基础。笔者根据沙尘数据和仪器尺寸计算出各高度水平和垂直沙通量的变化规律。由图 10(a)可知，荒漠绿洲过渡带和绿洲水平方向上的沙通量Q_H随观测高度增加呈现减少的趋势，这与Kang等^[17]的研究结果相似；并且，由于风速的降低，绿洲的水平沙通量比荒漠绿洲过渡带有所减小，最大削减效益为2 m观测高度处，减少量为380 g/(m²·month)，约削减65%。由图 10(b)可知，在2 m观测高度处，绿洲在垂直方向的沙通量Q_V比荒漠绿洲过渡带有明显降低，降低幅度约为2.3 g/(m²·month)，约削减36%；而在其他观测高度处，荒漠绿洲过渡带和绿洲的Q_V随观测高度变化不明显。

图 10(Fig. 10)

图 10 沙通量分布随观测高度的变化 Fig. 10 Distribution of sediment fluxes at different observation heights

为探究风速对输沙活动的影响，以2和12 m观测高度处的风速样本为例，根据Fryberger计算方法^[18]分析该高度各来风方向的D_P、R_P和R_D，并基于计算的D_P值将风沙动力环境划分为低能(≥0~200 VU)、中能(≥200~400 VU)和高能(≥400 VU) 3类。考虑到不同观测高度的起沙风速存在差异，采用5 m/s作为2 m观测高度的起沙风速，通过风速剖面对12 m观则高度处的风速阈值进行估算^[19]。由2 m观测高度输沙特征(图 11)可知，2区域总体输沙方向朝向为ENE和ESE之间。当研究区从荒漠绿洲过渡带变化至绿洲时，D_P和R_P分别降低99%和98%，该观测高度2区域均为低风能环境。由12 m观测高度的分析结果(图 12)可知，D_P和R_P分别降低93%和91%，风沙动力环境从中能向低能转变。

图 11(Fig. 11)

DP：输沙势；DP：合成输沙；RD：合成输沙方向。下同。 DP: Drift potential. DP: Resultant drift potential. RD: Resultant drift direction. The same below. 图 11 2 m观测高度输沙特征 Fig. 11 Characteristics of sand transportation at observation height of 2 m

图 12(Fig. 12)

图 12 12 m观测高度输沙特征 Fig. 12 Characteristics of sand transportation at observation height of 12 m

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^[20]。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^[19]。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。

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V_max=2.81V_mean+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。