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河西走廊绿洲边缘新月形沙丘的动态变化及其与气象因子的关系

更新时间:2016-07-05

绿洲边缘的沙丘动态变化一直以来是一个备受关注的科学问题.随着荒漠绿洲边缘的植被遭到破坏,使得在绿洲边缘形成了不同规模的新月形沙丘和新月形沙丘链[1-2].

表征新月形沙丘动态变化的主要参数有沙丘长度、宽度、高度和移动速度等[3].不同新月形沙丘的高度差异较大,其迎风坡角度介于8°~20°之间,背风坡角度介于28°~34°[4-5],沙丘移动速度与高度、宽度均成反比[6-7].王训明认为,新月形沙丘发育处于动态平衡过程只是相对于特定区域而言,在不同区域内没有统一标准[8].关有志等[9]研究表明,塔里木沙漠石油公路沿线的新月形沙丘的高度、迎风坡长、背风坡长之间相关性较好,沙丘移动速度为6~8 m/a;陈芳等[10]研究表明,巴丹吉林东部沙丘在1989~1999年间移动距离为16~79 m,在1999~2010年间移动距离为14.5~80 m;塔克拉玛干沙漠腹地新月形沙丘受阻沙栅栏的影响,其沙丘的几何形态和走向发生了明显的变化[11].部分学者对海岸新月形沙丘的移动规律也进行了研究,如波罗的海Lena海岸新月形沙丘的移动速度为1.0~10.0 m/a[12];巴西东北Ceara海岸新月形沙丘的移动速度为17.5 m/a[13],董玉祥等[14]研究表明,海岸新月形沙丘具有缓慢、向陆往复式前进的移动特点,随季节变化其高度、宽度、长度增加.综上所述,不同区域内沙丘的移动规律各不相同.

但也有少数研究表明,气象因子对沙丘动态的影响是通过降雨量改变土壤含水量和植被覆盖度来实现的[15],从而达到控制上风向沙源和消减风速的目的[16].风力、沙物质供应、植被覆盖度是影响沙丘动态变化的主要因素[17],通过在绿洲边缘的流动沙丘的上风向设置沙障和在沙丘上造林来控制沙丘移动[18],是行之有效的方法.Hunter和Richmond等认为,新月形沙丘的移动和构造可以反映气候的变化过程[19],特别是由于全球气候变暖使得脆弱敏感的沙漠绿洲边缘地区引起的反馈作用更为明显[20-21],河西地区的温度明显处于上升趋势[22],这加剧了气候的干旱,使得植被退化极其严重,沙丘移动加速.那么,河西绿洲边缘不同地区新月形沙丘的形动态变化过程有什么不同,导致此不同的主要气象要素有哪些,气象要素对不同地区的沙丘动态变化产生的效果是否相同.本研究拟通过改变土壤含水量和植被覆盖及采取人工防护措施,从而达到控制上风向沙源和消减风速的目的,进而控制沙丘移动提供理论依据.

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

河西地区地处甘肃省黄河以西,包括武威、金昌、张掖、酒泉等地,东南起自乌鞘岭,西北至于疏勒河下游,形成了一条狭长的走廊,地理位置位于E 92°45′~104°15′、N 36°35′~42°45′之间.区内戈壁、荒漠连绵,南侧为祁连山脉,东、北和西面依次被腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠和库姆塔格3大沙漠包围,生态环境十分脆弱.区内温带荒漠和干旱、半干旱荒漠气候特征显著,光热资源丰富,气温高,降水少,年平均气温为4.9~9.5℃,年平均降水量小于200 mm,年平均蒸发量大于2 000 mm.植被稀少,生态环境非常严酷,是我国主要的重风沙危害区,也是我国主要的沙尘源区,沙尘暴日数一般为4~34 d,年平均风速为2~4 m/s,年最大风速一般为25~28 m/s,全年最大主风向为西北风[1-2],这导致河西荒漠绿洲边缘形成了零星的新月形沙丘和新月形沙丘链.

1.2 数据来源与方法

1.2.1 样地选取 利用Goolge Earth提供的高分辨率卫星遥感影像,以及其获取数据简便、快捷、准确的特征,在河西地区选取分布有新月形沙丘的7个典型区域,分别为古浪、民勤、金昌、临泽、高台、金塔、敦煌,其地理位置见图1.并在每个区域的荒漠绿洲边缘选取3~5个较大而典型的新月形沙丘,选择的标准为:选择没有进行任何固沙措施或者人为破坏的完整的流动新月形沙丘;所选择的沙丘的影像应该清晰完整,不受云层的影像,以保证在进行形态参数测量时不受这些因素的影像;应选取每个区域内的沙丘的2个时段,并尽可能使这2个时段重合,最多相错1-2 a,以保证在相同时段内对不同区域内新月形沙丘的动态变化进行比较.

图1 研究区位置 Figure 1 The location of study area

如表6-D所示,降雨量对金昌、临泽和敦煌的影响呈显著负相关(P<0.05),平均风速对大部分地区的沙丘移动距离均呈极显著正相关(P<0.01)年大风日数和沙尘暴日数对民勤和金昌沙丘移动距离呈显著极正相关(P<0.01),最大风向对高台影响为显著负相关(P<0.01).

在你的印象中,人造卫星是不是一个大家伙?18岁的印度少年利法斯·沙鲁克将打破你的这一印象。他设计制造了一颗世界上最小的人造卫星。

首先,利用Goolge Earth提供的工具中的添加

沙丘移动距离的测量,首先要沿着沙丘走向在沙丘下风向选择一个控制点,比如农田埂、植物、道路等不随年限变化的标志性物体.然后分别测量较早年限的沙丘背风坡底部到控制点的距离和较迟年限的沙丘背风坡底部到控制点的距离,求得二者的差即为该沙丘在该时间段内的移动距离,以此计算出沙丘的移动速度,并用AutoCAD 2007做出沙丘移动示意图.

线条对各个区域内的每座沙丘的宽度、迎风坡水平长度、背风坡水平长度、沙丘走向、沙丘前后滩长以及到绿洲边缘的距离进行较为精确的测量,利用添加多边形的方法对沙丘投影面积进行测量.

免疫分析检测技术是利用抗原-抗体这两者之间发生特异型结合反应[4],根据其基本原理利用已知抗原或抗体检测未知抗体或抗原。基于高特异性沙门氏菌抗体的研制、抗体标记技术的快速发展及应用,将免疫反应与现代沙门氏菌检测技术相结合,实现了沙门氏菌的快速检测,所建立的沙门氏菌免疫学快速检测方法包括酶联免疫吸附法(ELISA)、免疫荧光法和免疫磁珠分离技术等[5,6]。

新月形沙丘的移动是受诸多气候环境因子影响的,任何一个因子的变化都有可能导致沙丘的形态和位置的变化.

2 结果与分析

2.1 新月形沙丘的形态参数

新月形沙丘的形态特征随着时间的推移处于不断的变化过程中.如表1-2所示,在河西绿洲边缘的不同地区,新月形沙丘的各个形态参数的变化并没有明显的规律性,这种无规律的变化特征是跟诸多的自然因素相关联的,但各参数之间存在着必然的联系.沙丘的形态参数变化只能反映沙丘不同发育阶段的大致形态特征,尚不能解释沙丘形成和发展的动态过程.

表1 新月形沙丘的形态特征参数值(2006年)

Table 1 Barchan dune morphology parameter values (2006)

样地经纬度时间/年投影面积/m2宽度/m迎风坡长/m背风坡长/m古浪N 37°36'36.99″E 103°36'4.75″20067 816144.8775.437.56民勤N 38°37'59.66″E 102°55'12.78″200639 061286.39108.7022.26金昌N 38°53'3.91″E 102°22'38.58″200616 321151.59100.0012.15临泽N 39°23'40.60″E 100°12'58.88″200625 138207.0172.5139.80续表1样地经纬度时间/年投影面积/m2宽度/m迎风坡长/m背风坡长/m高台N 39°22'54.35″E 99°35'5.14″20069 160169.6140.6810.13金塔N 39°57'22.99″E 98°48'15.62″200614 119281.1083.5016.74敦煌N 39°57'58.30″E 93°59'29.15″200612 023222.4546.2224.15

表2 新月形沙丘的形态特征参数值(20142015年)

Table 2 Barchan dune morphology parameter values (2014,2015)

样地经纬度时间/年投影面积/m2宽度/m迎风坡长/m背风坡长/m古浪N 37°36'36.99″E 103°36'4.75″20146 916132.8768.868.96民勤N 38°37'59.66″E 102°55'12.78″201536 480277.95108.4626.97金昌N 38°53'3.91″E 102°22'38.58″201517 561156.3293.8914.59临泽N 39°23'40.60″E 100°12'58.88″201424 774240.1467.5542.84高台N 39°22'54.35″E 99°35'5.14″20148 398170.3053.4912.90金塔N 39°57'22.99″E 98°48'15.62″201519 969290.7075.3119.53敦煌N 39°57'58.30″E 93°59'29.15″201412 232225.7548.2322.43

2.2 新月形沙丘形态参数的变化

如表6-B所示,气温和降水量对民勤和敦煌的沙丘迎风坡水平长变化呈极显著正相关(P<0.01),年平均风速对民勤和高台呈极显著正相关(P<0.01),年大风日数对高台沙丘迎风坡长变化呈极显著正相关(P<0.01),对民勤呈显著负相关(P<0.05).

发酵温度对酸奶的微观结构和物理特性均产生影响,在高温下形成的凝胶,凝胶较弱,网络比较粗糙;在低温下发酵的凝胶形成过程中,蛋白质的聚集现象发生的比较缓慢,凝乳不完全[11]。。

②图3中G点所对应的生长素浓度对根、芽、茎分别起什么作用?由此可知,根、芽、茎三种器官对生长素的敏感度从高到低依次是什么?

表3 新月形沙丘的形态参数变化值

Table 3 Numerical changes in barchan dune morphology parameters

样地时间差/a投影面积/m2宽度/m迎风坡长/m背风坡长/m沙丘走向/(°)古浪8-531-5.707.63-2.74315.39民勤9-2 380-17.5813.142.57305.56金昌91 0094.73-8.991.98297.55临泽88010.772.91-1.48288.90高台8-734-3.335.33-0.77293.97金塔9-1 5974.2610.05-0.80303.53敦煌8242-6.353.38-3.97258.55

2.3 沙丘的移动

新月形沙丘的移动距离是反映其位置变化的最直观表现形式,如图2所示.而沙丘移动速度是反映沙丘动态变化快慢的参数.不同地区的沙丘移动距离和移动速度与该地区的气候因素、植被状况、地形地貌、沙丘密度、沙源情况等多方面因素息息相关.如表4所示,民勤地区的沙丘移动距离和移动速度最大分别为55.8 m和6.2 m/a,这是因为民勤绿洲边缘新月形沙丘的分布的密度较小,再加之上风向沙源丰富,年大风日数较多.敦煌和高台地区的沙丘移动距离和移动速度较小,敦煌为6.4 m和0.8 m/a,高台为11.2 m和1.4 m/a,这两个地区沙丘分布密度较小,沙丘高大,年大风日数较少,相对稳定,特别是敦煌有时候出现多个主风向,使沙丘的移动呈往复运动,甚至会发育成金字塔形沙丘.其他 4个地区沙丘移动距离和移动速度较为接近,区域内沙丘分布密度较为稠密,大多呈新月形沙丘链分布,从Goolge Earth的影像中可以看到金昌、临泽、高台上风向沙源供应出现间断.

2.4 沙丘形态变化与气象环境因子的关系

2.4.1 新月形沙丘的分布环境 新月形沙丘均存在于沙漠边缘的下风向,即绿洲边缘.如表5所示,河西绿洲边缘的新月形沙丘均分布在砂砾质滩地或沙粘质滩地上,且前后滩地比较开阔、平坦.其中,民勤、金昌、金塔的沙丘上下风向的砂砾质滩地或沙粘质滩地较长,其中民勤地区最大,上风向为487.7 m,下风向为903.7 m,说明新月形沙丘的分布密度较小;而古浪、临泽、高台、敦煌四个地区的沙丘上下风向的砂砾质滩地或沙粘质滩地较短,其中高台地区最小,上风向为18.7 m,下风向为54.3 m,说明这些地区的新月形沙丘的分布密度较大.新月形沙丘的前后滩地只有零星的植被覆盖,植被覆盖度均小于3.6%,金昌、敦煌新月形沙丘前后滩地几乎无植被覆盖.河西地区的新月形沙丘到绿洲边缘的距离各不相同,最短为263.9 m(临泽),最长为2 448.8 m(金昌).

表4 沙丘年移动距离和速度

Table 4 Annual movement distance and speed of dune

样地时间差/a沙丘宽度/m沙丘移动距离/m沙丘移动速度/(m·a-1)古浪8277.9538.44.8民勤9132.8755.86.2金昌9156.3240.54.5临泽8240.1433.64.2高台8170.3011.21.4金塔9290.7036.04.0敦煌8225.756.40.8

图2 沙丘移动示意图 Figure 2 Schematic diagram of sand dune movement

表5 新月形沙丘分布的区域环境

Table 5 Barchan dune distribution of regional environment

样点上风向滩长/m地貌下风向滩长/m地貌植被盖度/%迎风坡前滩背风坡后滩距绿洲边缘的距离/m古浪32.8沙砾质滩地67.6沙砾质滩地3.23.5691.3民勤487.7沙砾质滩地903.7沙砾质滩地2.73.61 394.3金昌360.3沙粘质滩地842.2沙粘质滩地0.00.02 448.8临泽47.6沙砾质滩地134.9沙砾质滩地0.20.8263.9高台18.7沙砾质滩地54.3沙砾质滩地0.10.1646.7金塔568.7沙砾质滩地758.7沙砾质滩地0.51.01 823.4敦煌24.2沙粘质滩地130.1沙粘质滩地0.00.0342.3

2.4.2 沙丘各形态参数变化与气象因子的关系 在进行相关分析时,用X1,X2,…,X8依次代表8个气象因子(年平均气温、年降水量、年蒸发量、年平均相对湿度、年平均风速、年大风日数、年沙尘暴日数、最大风向).由相关分析可知,由于不同地区的气候条件不同,因此不同的气象因子对沙丘各个形态参数的变化情况的影响也不一样.

如表6-A所示,降水量对金昌、临泽和敦煌的沙丘宽度变化呈极显著正相关(P<0.01).平均风速对高台沙丘宽度的影响极显著正相关(P<0.01),年大风日数对古浪呈极显著正相关,而对金昌和高台呈显著负相关(P<0.05).

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新月形沙丘形成的重要因素之一是有一个单一主风向常年作用,在单一主风向的作用下,沙丘的大致形状和走向不会发生大的变化,但其各个形态参数发生了巨大的变化.如表3所示,在8~9 a的时间里,选定的河西绿洲边缘7个样点的沙丘投影面积的变化大小不尽相同,其变化大小跟沙丘自身的大小、风力以及上风向沙源的丰富程度等有较大的关系,投影面积的大小也是表征沙丘大小的重要参数.沙丘的宽度、迎风坡长度、背风坡长度的变化是沙丘形状变化的重要标志.7个样点中,古浪、民勤、高台、敦煌的沙丘宽度有所减小,而其他3个地区的沙丘宽度均有所增加,其中民勤的减少值最大,而临泽的增加值最大.除金昌外,其它6个样点的沙丘迎风坡长度均增加,民勤增加值最大为13.14 m,增加值最小的为临泽的2.91联单m,这就意味着绝大多数地区的大部分新月形沙丘的背风坡长度是呈增加的趋势.民勤和金昌的沙丘背风坡增大值分别为2.57 m和1.98 m,而其他5个样点均减小,这可能是沙丘不断向前移动导致的.

2.4.3 气象因子对新月形沙丘动态变化的方差贡献率 由主因子分析结果表7所示,由于前3个特征值对应的累计方差贡献率已达到82.59%,且三者对沙丘宽度、迎风坡水平长、背风坡水平长、沙丘移动距离的影响极显著相关(P<0.01),因此,前3个因子已经反映了原始指标所提供的绝大部分信息,可将年降水量(X2)、年平均风速(X5)、年大风日数(X6)作为主因子对新月形沙丘的动态变化进行评价.河西绿洲边缘,受气温的影响,降雨量稀少,使得土壤含水量及其匮乏,进而使得植被退化十分严重,特别是新月形沙丘背风坡以及空旷地带的植被覆盖程度对年平均风速有着极其重要的影响,而风速通过影响沙丘的高度、沙丘移动、沙丘发育来影响整个沙丘的动态变化.当植被覆盖了较高时,可以有效的降低风速,进而减小风力对沙丘的吹蚀,使沙丘的动态变化受到抑制.因此,不论是相关分析还是主因子分析,结果均表明,沙丘的动态发育受年降水量、年平均风速、年大风日数的影响最大,而年降水量在气象因子中的贡献率最大.

1.2.2 新月形沙丘形态参数的测量 新月形沙丘的形态参数是反映沙丘形状、大小、变化规律的重要指标,主要包括沙丘投影面积、沙丘高度、沙丘宽度、迎风坡水平长度、背风坡水平长度、两翼长度、沙丘走向(与主风向大致相同)以及沙丘的移动距离等.本研究利用Goolge Earth选取合适的分辨率对河西绿洲边缘2个时段(2006年-2014、2015年)的新月形沙丘的部分形态参数进行了测量.在每个区域所选的3-5个沙丘的形状均比较规则,大小相差不大,且不同区域的沙丘形状和大小也相差不大.

如表6-C所示,年降水量对金昌和敦煌沙丘背风坡长的影响呈极显著正相关(P<0.01),年沙尘暴日数对民勤和金塔的沙丘背风坡水平长呈极显著正相关(P<0.01),而年大风日数对金昌沙丘背风坡长呈极显著负相关(P<0.01).

表6 沙丘形态参数的变化与气象因子的相关性

Table 6 The correlation between the sand dune morphology parameters changes and climatic factors

A:沙丘宽度变化

样点X1X2X3X4X5X6X7X8古浪**民勤--**-金昌-****-**-临泽****--高台--****-*-*金塔-**--***---*敦煌****---

B:沙丘迎风坡水平长变化

样点X1X2X3X4X5X6X7X8古浪-*----民勤******-**-*-金昌**--**临泽----高台******-*金塔---**敦煌****

C:沙丘背风坡水平长变化

样点X1X2X3X4X5X6X7X8古浪****民勤-----**金昌-****-**-临泽--高台--*----金塔----**敦煌****-

D:沙丘移动距离

样点X1X2X3X4X5X6X7X8古浪--***民勤**-******金昌**-*****-临泽-*****-高台----**--*金塔*-**-敦煌**-*-***-**

**表示极显著相关(P<0.01),*表示显著相关(P<0.05),-表示负相关.

表7 气象因子对沙丘动态的方差贡献率

Table 7 Variance contribution rate of climate facter on sand dunes dynamic

指标气候因子X2X5X6X7X3X8X1X4方差贡献率39.5825.6317.3810.244.671.780.600.12累计贡献率39.5865.2182.5992.8397.5099.2899.88100.00相关系数0.832**0.785**0.750**0.622*0.547*0.5160.5000.370

3 讨论

1.2.3 数据分析 本文用Excel 2007对所测得的数据进行统计整理,并用SPSS 22.0中的相关分析和因子分析对实验数据进行分析.用相关分析对各样地新月形沙丘的形态参数和各地区气候因子之间的相关性进行检验;用因子分析法对各地区气候因子进行提取,找出影响新月形沙丘动态变化的主因子,并求得其相应的方差贡献率和方差累计贡献率.

水分条件是河西走廊绿洲边缘存在的最严重的问题,而控制这一条件的因素是降水量,降水量通过影响土壤含水量,增加植被覆盖度和高度来影响风速、地表温度以及蒸发量,从而影响沙丘的移动.沙丘的移动方向又随着最大主风向的改变而改变.民勤地区的沙丘移动距离和速度最大,而敦煌最小(表4),是因为民勤的年平均风速较高,年大风日数和年沙尘暴日数均为7个地区中最高,尽管降水量相对金塔、敦煌较高,但温度和蒸发量更高,使得植物难以成活;而敦煌虽然降水稀少,其它各气候因子相对民勤较小,但是影响该地区沙丘移动的最关键因子是最大主风向,一年中通常会出现2~3个主风向,这使得沙丘经常会出现逆向演变,甚至会演变成金字塔形沙丘.

气象因子对沙丘动态变化的影响既有正向促进作用,也有逆向抑制作用.比如年平均风速、年大风日数、年沙尘暴日数,这些因子均能促进沙丘向正向演变;而降水量、气温、蒸发量、最大主风向能够在一定程度上抑制沙丘的移动.气象因子对河西绿洲边缘不同地区的新月形沙丘的影响也有所不同.比如年大风日数对古浪地区沙丘宽度的影响为正相关,而对金昌的影响为负相关(表6-A);年平均气温对古浪的沙丘迎风坡长影响为负相关,而对敦煌为正相关(表6-B).

由于卫片进行沙丘高度的提取是一个遥感方面的难题,所以沙丘的选择因素缺乏沙丘高度这个重要的形态参数,这也是本研究存在的一个最大缺憾,希望未来科学研究能够在这方面取得突破.另外,在本时段(2006~2014、2015)研究的新月形沙丘的各项形态参数的变化不能代表沙丘从开始形成到不断增大的整个时段内的动态变化,因为有些年份阶段的气候环境因子较为有利,比如风大沙多,促进沙丘的移动;而有些年份阶段气候环境因子抑制了沙丘的移动,比如降水较多,植被生长状况好,或者有多个主风向.因此,只能以该时段为代表,找出沙丘形态参数的变化与气候环境因子之间存在的相互关系,进而为沙丘的动态演变和发展提供相关的科学依据.

4 结论

1) 河西绿洲边缘7个样点的新月形沙丘的动态变化各不相同,受年平均风速、年大风日数、年沙尘暴日数等气候因子的影响,民勤地区的沙丘移动最快,9 a内移动距离为55.8 m,移动速度为6.2 m/a;敦煌受多个主风向的影响,沙丘移动最慢,8 a内移动距离为6.4 m,移动速度为0.8 m/a.

(e)、(f)中给定幅值为6000cts/sec,频率为1Hz的正弦速度信号,可以看出改进型ADRC的速度响应曲线给定值基本一致,无相位超前或滞后,跟踪误差基本不存在;而传统的ADRC速度幅值大于固定幅值和相位滞后,跟踪误差较大。

2) 受不同气候因子的影响,河西各地区的沙丘迎风坡水平长增加,背风坡水平长减小,沙丘宽度变化不定,沙丘走向与主风向大致相同.但由于所选择的沙丘大小不同,故比较各样点这些参数之间的变化大小是不可行的.

3) 影响河西绿洲边缘新月形沙丘动态变化的3个气象主因子为年降水量、年平均风速、年大风日数,其中年降水量在气象因子中的贡献率最大.

定义2 端到端的时延:是指一个数据包从源节点到达目的节点所花费的时间,它是一个重要的衡量指标,因为它的大小能够直接反应出路由协议的性能,这里取平均值.

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石学刚,李广,刘世增,魏雅倩
《甘肃农业大学学报》2018年第02期文献

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