近地表风沙过程在沙漠和绿洲间的时空交错, 直接影响沙漠绿洲生态系统的稳定。沙漠和绿洲同处于干旱区, 二者物质组成、空间结构和水热特性的不同, 影响近地表风沙过程及其动态变化^[26]。首先, 沙漠和绿洲地表水热差异造成绿洲的“ 冷岛效应” , 在阳光照射下, 沙漠地表的强烈增温, 而绿洲内部由于其蒸散和蒸发消耗大量的热量, 地表增温缓慢, 致使地面局部增热不均匀而形成对流运动, 产生类似海陆风的“ 绿洲风” , 形成局地环流, 甚至产生尘卷风, 牵制沙漠— 绿洲近地表风沙输移及其动态变化^[27~32] （图1）。其次, 沙漠和绿洲局地环流还因昼夜和季节不同而变化, 昼夜和季节风向交替将影响近地表风沙输移平衡。第三, 绿洲的维系必须有充足的水热, 近地表温、湿场的差异, 使绿洲呈现独特的“ 湿岛效应” 和“ 增雨效应” , 直接影响绿洲的变迁和毗邻沙漠的扩张^[33~35]。

图 1

Fig. 1

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	图 1 沙漠绿洲过渡带局地环流示意图Fig. 1 Diagrammatic sketch of local circulation in the oasis-desert transitional zone

国内外学者针对沙漠— 绿洲过渡带环境要素差异导致的局地环流, 开展了诸多研究, 并取得了显著成果。通过对地表辐射、能量平衡和湍流结构的研究, 发现在沙漠— 绿洲过渡带存在较强的水平湍流输送^[36~38], 沙漠和绿洲地面净辐射的差异是由地表状况决定的地面反射率和由热力性质决定的地面向上长波辐射的不同造成的^[39]。沙漠— 绿洲过渡带温、湿差异驱动了局地环流, 产生显著的绿洲效应^{[40, 41]}。研究了沙漠和绿洲边界层特征、近地表粗糙度以及风场的差异, 在绿洲上有作物存在时, 其粗糙度值比沙漠、戈壁上的值约大2个量级^[42]。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区环流结构及温、湿场的分布, 绿洲上空大气下沉, 沙漠上空大气上升, 从而形成了绿洲上空大气冷干, 沙漠上空大气暖湿的边界层特征。绿洲边缘形成了由干到湿的强湿度梯度带围绕着绿洲, 起到了保护绿洲的作用^[43]。这些研究成果为进一步开展沙漠— 绿洲过渡带局地环流特征和风沙运动机制研究奠定了良好基础, 将有助于完善风沙物理学研究内容和丰富沙漠科学理论体系。

沙漠— 绿洲过渡带也是沙尘释放的主要源区之一。沙尘暴的形成及其对区域生态环境的影响已引起了全球科学界的重视, 并开展了一系列研究。其中, 沙漠与绿洲地面局部增热不均匀形成的一种特殊的旋转对流对强沙尘暴天气有着重要作用^[44]。下垫面条件决定沙尘暴的空间分布, 绿洲生态环境与植被覆盖影响区域沙尘暴的发展趋势。随着地理信息系统技术日益成熟和应用, 确定了北方沙尘暴源区和影响北京沙尘天气的传输路径^[45]。沙尘研究的核心问题是理解沙尘天气、尘卷风等形成的物理机制, 定量描述风沙的分布、强度与沉降^[46]。在时间分布上, 沙尘暴大多发生在中午至傍晚, 夜间相对较少, 这与近地层空气热力稳定性的日变化有关。通过定量研究中小尺度下沙尘暴诸要素的水平分布和垂直变化规律及其与下垫面的关系, 并对尘卷风的流场和扬尘特征等进行数值模拟, 评估了绿洲及过渡带生态防护系统对沙尘暴的防护效益。在沙漠和过渡带, 沙尘水平通量和沙尘浓度均随高度呈显著降低趋势; 而在绿洲内部沙尘水平通量和沙尘浓度均随高度呈平缓上升趋势^[47]。沙尘物质的水平通量随高度的增加而减小, 与高度的关系可用幂函数表示, 约55%的沙尘量在近地表0.5 m高度内传输, 约90%的沙尘量集中在近地表1.5 m范围内^[48]。从沙漠至绿洲内部, 沙尘通量空间分布的规律一般是沙漠> 过渡带> 绿洲^[49]。风沙天气指标与绿洲防护林指标存在显著的线性相关关系, 说明绿洲防护体系建设对大风和沙尘灾害性天气有显著的抑制作用。沙漠— 绿洲过渡带输沙势的季节变化幅度较大, 主要集中在春夏两季^{[50, 51]}。综上所述, 由于沙漠— 绿洲过渡带近地表物质组成的差异和受沙漠和绿洲空间格局的影响, 从保护绿洲和改善人居环境的角度出发, 沙漠与绿洲之间局地沙尘释放和循环过程将是今后研究的重点和热点之一。

土壤风蚀是包括风、植被、土壤特性和微地形等多要素交互作用, 发生在特定地理空间, 具有独特的气流— 土壤界面相互作用机制的连续动力学过程^[52]。近年来, 针对沙漠— 绿洲过渡带近地表沙尘释放、土壤风蚀和风沙环境的研究较多^{[29, 53]}。沙漠— 绿洲过渡带天然植被具有良好的防风阻沙效益, 对绿洲内部农田起到重要生态保护作用。风蚀主要发生在沙漠— 绿洲过渡带灌丛沙堆的上风向、侧翼和背风向裸露低凹的沙地表面, 较高沙堆侧翼的地表风蚀量最大^[54]。沙漠、过渡带和绿洲地表输沙量、降尘量具有显著差异, 并与覆盖度存在明显的相关性。不同下垫面风蚀物粒径分布规律在15 cm高度差异较大, 而在35~125 cm高度内分布规律较一致^[55]。绿洲边缘的弃耕地土质疏松, 抗蚀能力差, 易造风蚀引发沙尘暴。植被是影响土壤风蚀的重要自然因素, 可增加地表粗糙度和改善土壤有机质, 相应地减弱了风对地表的直接吹蚀, 提高了地表沙粒的起动风速, 增加植被覆盖对减少土壤风蚀至关重要^[52]。随着植被盖度的增大, 土壤风蚀量迅速减少, 风速越大植被对地表的保护作用越明显, 风蚀量与植被盖度之间服从幂函数关系^[56]。风蚀量与风速、坡度与土壤紧实度呈线性相关。土壤可蚀性颗粒粒径分布区间并不固定, 随风速增大而增大。摩擦速度与风速呈正相关, 并影响风蚀量变化, 空气动力学粗糙度与地表植被盖度呈三次函数关系^{[57, 58]}。综上所述, 近年来由于缺失科学的土壤风蚀影响因子分类系统, 在表达土壤抗蚀力时, 影响要素的选择仍缺乏统一标准^[52]。另外, 沙尘数值预报一直是风沙地貌演化和防沙治沙工程研究所需的关键参数, 土壤发生风蚀临界值与风蚀量预测将是沙漠— 绿洲过渡带今后研究的重点^[59]。

近地表风沙过程研究包括风沙两相流动力学机制、风成床面形态特征、风沙实验相似理论等^[60~62]。随着风沙观测仪器的更新和专题研究的深入, 近地表风沙输移研究在微观和宏观尺度两方面都取得了显著成果。微观尺度主要针对单颗沙粒在气流中的受力情况, 研究其运动状态和形式, 主要集中在沙粒起动过程^[63]、运动参数^[64]、沙粒与气流间的相互作用等^[65]。宏观尺度则着眼于风沙流的整体特性, 包括沙粒速度廓线^[66]、风沙流结构^[67]、能量分布^[68]、输沙量及输沙模型等^{[69, 70]}。Anderson等^[71~73]通过数值模拟和理论计算, 详细研究了沙粒起动过程中运动状态和形式变化（碰撞、旋转以及蠕移、跃移和悬移）以及跃移沙粒与床面的相互作用, 构建了一个风沙输移模型。顾兆林结合区域典型地貌特征、植被状况和近地层大气运动的物理与热力机制, 研究了近地面气流及空气动力学粗糙度、单颗沙粒起动、跃移及悬移的力学特征、跃移层颗粒群的运动规律、粉尘沉降以及风沙电等^[44]。基于野外定位监测和数值模拟, 研究了沙漠— 绿洲过渡带前沿沙丘移动规律、下垫面蚀积过程和风沙流结构, 并对近地表输沙通量和粒度特征做了对比分析^{[42, 54, 74]}。指出近地表沙粒的偏度值分布在-0.06~0.05, 沿绿洲方向沙粒有变细的趋势, 沙粒峰态值分布在0.92~1.05^[75]。沙漠— 绿洲过渡带近地表挟沙气流中输沙量沿垂线分布符合传统的指数递减规律^[55]。运用沉积物粒度分析方法, 研究了塔克拉玛干沙漠南缘绿洲地表沙样的粒度参数特征, 查明了沙源物质的性质和风力作用状况, 为建立绿洲防护体系提供了重要的依据^[76]。利用多点长时序的风况资料, 分析了沙漠— 绿洲过渡带起沙风、输沙势的时空变化和区域风动力环境^{[13, 77]}, 对比研究了不同植被盖度条件下风速的梯度变化及其脉动特征^[78]。通过数值模拟, 发现跃移层内沙颗粒浓度分布廓线与高度呈负指数或伽马分布关系, 高度一定时沙颗粒浓度廓线随摩阻风速的增大而减小, 随颗粒直径的增大而增大^[79]。采用离散单元法和硬球模型分析了颗粒碰撞原理和受力状况, 得出输沙量随高度呈指数关系衰减^[80]。基于野外观测实验和Langevin方程对风场脉动的描述, 研究了脉动风场下沙粒的跃移运动以及风沙流结构特征, 脉动风场对沙粒的跃移运动有显著影响, 沙粒粒径越小, 脉动风场对跃移运动轨迹的影响越大^[81]。采用计算流体力学和颗粒离散元耦合方法模拟三维风沙运动, 沙粒水平速度随高度呈幂函数规律增加, 沙粒撞击和起跳角度的概率分布均可用指数函数表示^[82]。近年来, 国内外学者在沙漠— 绿洲过渡带近地表风沙动力过程方面取得了诸多研究成果, 但随着仪器设备的更新和研究技术手段的日益成熟, 应在风沙运动理论模拟及其尺度转化、风洞实验与野外实地观测对比分析和相互校验方面加强研究。