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  • CN 62-1070/P
  • ISSN 1000-694X
  • 双月刊 创刊于1981年
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中国沙漠, 2020, 40(5): 65-73 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00013

风蚀气候侵蚀力研究进展

陈首序,1, 董玉祥,1,2

1.中山大学 地理科学与规划学院,广东 广州 510275

2.中山大学 新华学院资源与城乡规划系,广东 广州 510520

A review of the research on wind erosion climatic erosivity

Chen Shouxu,1, Dong Yuxiang,1,2

1.School of Geography and Planning,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China

2.Department of Resources and Urban Planning,Xinhua College of Sun Yat-sen University,Guangzhou 510520,China

通讯作者: 董玉祥(E-mail: eesdyx@mail.sysu.edu.cn

收稿日期: 2020-01-16   修回日期: 2020-03-25   网络出版日期: 2020-09-28

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41871006

Received: 2020-01-16   Revised: 2020-03-25   Online: 2020-09-28

作者简介 About authors

陈首序(1996—),男,陕西榆林人,硕士研究生,主要从事海岸风沙地貌研究E-mail:chenshouxu96@foxmail.com , E-mail:chenshouxu96@foxmail.com

摘要

风蚀气候侵蚀力是土壤风蚀方程中的气候因子,计算模型经多次修正后已基本发展成熟,广泛应用于干旱半干旱地区风蚀气候条件评估与响应机理分析及其与风沙地貌、风沙灾害的相关性研究等方面,其中风蚀气候侵蚀力对区域气候变化的响应研究是当下的热点问题。目前,风蚀气候侵蚀力研究仍存在计算模型不完善、研究区域发展不平衡、气候变化响应分析不全面、风沙地貌及风沙灾害相关性争议较多等问题。未来应进一步从构建区域校准性计算模型、计算并分析沿海地区风蚀气候侵蚀力、综合分析风蚀气候侵蚀力对气候变化的响应、建立风沙地貌及风沙灾害相关的综合性风蚀气候评价指标等方面开展风蚀气候侵蚀力的研究。

关键词: 风蚀 ; 气候 ; 风蚀气候侵蚀力

Abstract

Wind erosion climatic erosivity is a climatic factor in the Wind Erosion Equation.Since wind erosion climatic erosivity was proposed,its calculation model had been improved several times, then wind erosion climatic erosivity was widely used in assessing the level of wind erosion climatic erosivity in the inland arid and semi-arid regions of various countries,analyzing the response mechanism of climatic factors to wind erosion climatic erosivity,exploring the correlation between wind erosion climatic erosivity and aeolian geomorphorlogy or aeolian disaster and made lots of progress.Among them,the research on the response to regional climate change is a hot topic of current research.At present,the research on wind erosion climatic erosivity still has some problems,such as imperfect calculation models, imbalanced development of the study area,incomplete analysis of climate change response, and controversies about the relationship between it and aeolian landform or aeolian disaster.To solve these problems,the research of wind erosion climatic erosivity in China in the future should work on the establishment of a regional calibrated calculation model,the calculation and analysis of wind erosion climatic erosivity in coastal areas,more comprehensive analysis of the response mechanism of wind erosion climatic erosivity to climate change,and the establishment of comprehensive wind erosion climate assessment indicators for aeolian geomorphorlogy and aeolian disaster separately.

Keywords: wind erosion ; climate ; wind erosion climatic erosivity

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本文引用格式

陈首序, 董玉祥. 风蚀气候侵蚀力研究进展. 中国沙漠[J], 2020, 40(5): 65-73 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00013

Chen Shouxu, Dong Yuxiang. A review of the research on wind erosion climatic erosivity. Journal of Desert Research[J], 2020, 40(5): 65-73 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00013

0 引言

风蚀气候侵蚀力是评价气候风蚀能力的基本指征1,是土壤风蚀方程(WEQ)的基本参数2-3,计算模型或方法被不断改进4-6,并被广泛应用于各地风蚀气候侵蚀力水平的评估及其时空变化特征分析、区域气候变化响应研究、土地沙漠化评价及沙尘暴相关性分析等诸多方面7-11。为进一步拓展风蚀气候侵蚀力的研究,本文将基于其计算方法发展过程及区域风蚀气候侵蚀力水平评估等主要应用方面已有研究成果的总结,概括其主要进展,并针对现有研究中存在的问题提出风蚀气候侵蚀力在未来一定时期内的主要发展方向。

1 风蚀气候侵蚀力的计算

Chepil等12提出的风蚀气候侵蚀力的计算公式,经联合国粮农组织(FAO)5、Skidmore6改良而广泛应用于世界各地。目前风蚀气候侵蚀力的计算方法有3种。

1.1 Chepil公式

Chepil在早期研究的基础上提出了风蚀气候侵蚀力的首个计算方法312-15

C=34.483v3(P-E)2

式中:C为风蚀气候侵蚀力(无量纲);系数34.483是100除以2.9的计算结果,其中2.9为美国堪萨斯州加尔登城v3(P-E)2计算结果的多年平均值;v为9.14 m高处的年均风速(m·s-1);P-E为Thornwaite提出的P-E指数16

P-E=3.16i=112Pi1.8Ti+22109

式中:P-EP-E指数(无量纲);系数3.16是为避免计算结果出现小数,将原公式系数0.316扩大10倍的结果;Pii月的降水量(mm),Tii月的气温(℃),i为月份。

在WEQ及相关的研究中多选用基于P-E指数的计算模型,但Chepil等3还提出了基于湿度指数I的风蚀气候侵蚀力计算公式。

C=52.632v3(I+60)2

式中:C为风蚀气候侵蚀力(无量纲);系数52.632是100除以1.9的计算结果,其中1.9为美国堪萨斯州加尔登城v3(I+60)2计算结果的多年平均值;v为9.14 m高处的年均风速(m·s-1);I为Thornwaite17提出的湿度指数。

I=100s-60dn

式中:I为湿度指数(无量纲);s为剩余水量(mm);d为缺水量(mm);n为需水量(mm)。

1.2 FAO公式

1979年,FAO5对Chepil公式进行了修正,提出了适用性更强的风蚀气候侵蚀力计算方法。

C=1100i=112u¯3ETPi-PiETPid

式中:C为风蚀气候侵蚀力(无量纲);u¯为2 m高处的月均风速(m·s-1);ETPii月的潜在蒸散量(mm);Pii月的降水量(mm);di月天数。该公式相较于Chepil公式,受水分条件影响较小,当降水量趋于0 mm时,风蚀气候侵蚀力只受风速影响;当降水量接近蒸发量时,风蚀气候侵蚀力趋于0,不发生风蚀。

1.3 Skidmore公式

Skidmore6对Chepil公式进行了修正,提出了理论基础更可靠的第3种风蚀气候侵蚀力计算方法。

CE=ρRu2-ut2+γρα232fudu

式中:CE为风蚀气候侵蚀能(J·m-2),经换算可得到风蚀气候侵蚀力;ρ为大气密度(kg·m-3);u为风速(m·s-1);R为积分下限R=ut2+γρα2ut为临界风速(m·s-1);γ为吸附水粘聚抗力(N·m-2),与土壤含水量有关;α为常数(与Von·Karman常数、风速观测仪器高度、地表粗糙度参数有关);fu为风速概率密度函数,一般情况下fu服从于Weibull分布18,但中国存在不服从Weibull分布的情况19

fu=(k/c)uck-1exp [-(u-c)k]

式中:c为尺度参数(c=1.12u¯,m·s-1);k为形状参数(k=0.52+0.23c,无量纲)。

2 区域风蚀气候侵蚀力水平的评估

风蚀气候侵蚀力是评估区域风蚀气候条件的重要指标,广泛应用于美国、中国等地,为各国风蚀研究与防治提供了重要的理论依据。

2.1 美国

美国是最早通过计算风蚀气候侵蚀力来评估区域风蚀气候条件的国家。美国农业部的科学家基于美国及加拿大南部地区3、美国中西部地区420-22、莫哈韦沙漠和索诺兰沙漠23等地风蚀气候侵蚀力的计算结果绘制了数十幅详细的风蚀气候侵蚀力分布图。结果表明,美国大部分地区风蚀气候侵蚀力为0.00~150.00,个别地区处于150.00以上的极强水平。其中,美国中西部大平原地区、太平洋西北部、五大湖地区以及大西洋和墨西哥湾沿岸各州的气候条件最容易发生风蚀。

2.2 中国

中国以往风蚀气候侵蚀力的研究主要在干旱半干旱地区开展,故一般采用适用于干旱环境的FAO公式来进行计算。董玉祥等24利用1951—1980年的气象数据,计算得出中国干旱半干旱地区风蚀气候侵蚀力一般处于10.00~100.00;同样区域,Yang等25根据1961—2012年气象数据,得出的计算结果2.00~166.00,但其分布格局相近。除干旱半干旱区整体的评估外,在新疆、内蒙古、甘肃等局部地区也有相关研究开展26-46

同期,也有对沿海福建、山东风蚀气候侵蚀力的分析研究47-49,结果表明中国沿海地区的风蚀气候侵蚀力也处于较高水平。

2.3 其他国家

阿根廷潘帕斯高原半干旱区的诸多研究都表明,Chepil公式适用于当地风蚀气候侵蚀力计算50-52。潘帕斯高原半干旱区在1961—2004年的风蚀气候侵蚀力平均值是92.00,1985—2004年为80.00,而1995—2005年则降为14.90。可见,同一区域的风蚀气候侵蚀力在不同时间尺度上存在较大差别。除阿根廷外,Chepil公式还应用于阿尔及利亚、奥地利、南非、蒙古、匈牙利等国,具体计算结果显示:阿尔及利亚艾格瓦特地区在1990—2014年的风蚀气候侵蚀力为5.73~76.7153,奥地利马尔克菲尔德地区在1976—1990年的风蚀气候侵蚀力为5.64~7.7554,南非在1973—1987年的风蚀气候侵蚀力10.00~130.0055,蒙古国2010年风蚀气候侵蚀力是0.10~39.5056,匈牙利在1961—1990年3、4月的风蚀气候侵蚀力则处于0.00~100.0057

此外,伊朗地区的研究选用Skidmore公式进行风蚀气候侵蚀力计算58,结果显示伊朗法尔斯省的风蚀气候侵蚀力为65.40~134.60。

3 风蚀气候侵蚀力对区域气候变化的响应

风蚀气候侵蚀力对区域气候变化的响应一直是风蚀气候侵蚀力研究的重要内容,特别是在近期全球气候变暖、旱季湿季对比愈发强烈的发展趋势下59-60,风蚀气候侵蚀力的时空变化特征与驱动力及其对区域气候变化的响应机理备受关注。

3.1 风蚀气候侵蚀力变化特征及其影响因素

不同时空条件下风蚀气候侵蚀力具有不同的变化特征。在美国,20世纪30—40年代的“黑风暴”时期中西部大平原地区的风蚀气候侵蚀力处于极强水平(>100.00)61-62,而“黑风暴”过后该区域的风蚀气候侵蚀力则降至10.00~100.0039。整体而言,20世纪30—50年代该地区的风蚀气候侵蚀力年际发展趋势不明显,而当地风蚀气候侵蚀力的季节特征表现出春季明显最强的特征21,这可能与春季高发的沙尘暴有关联9。同样,阿根廷布宜诺斯艾利斯西南部和南非的研究也表明,春季风蚀气候侵蚀力水平在年内最高5563。在中国干旱半干旱地区,风蚀气候侵蚀力在20世纪60—80年代有过增长25,但20世纪80年代以来除甘肃、陕西、宁夏等地外374464,干旱半干旱地区的其他区域以及沿海的山东省都表现为明显的下降趋势4965;同期,中国干旱半干旱地区风蚀气候侵蚀力季节变化特征则整体表现为春季最强、夏季最弱、秋冬季逐渐增强24-252764,但塔中地区32-34、和田地区24、甘肃敦煌雅丹地貌公园44在夏季表现出最强的风蚀气候侵蚀力水平,而沿海的福建省则表现为冬季最强、春夏季较弱47-48

风速、降水量、蒸发量、干旱状况等都会影响风蚀气候侵蚀力的变化66-67。20世纪80年代至今,中国干旱半干旱地区年际风蚀气候侵蚀力的下降是风速、降水量、蒸发量、干旱等综合作用的结果24-2568,其中风速是主要的驱动因子22447。风蚀气候侵蚀力的季节变化对气候变化的响应机制相比于年际变化更为复杂,影响因素不仅包括风速、降水量、蒸发量、干旱状况,还可能包括降雪31、冬春季的温度变化和冻融过程28-29、季节盛行风的风向4447-48等(表1)。除此之外,在浑善达克沙地的研究表明,当地风蚀气候侵蚀力在拉尼娜时期比厄尔尼诺时期更低,可见ENSO(the El Niño-Southern Oscillation,ENSO)也会影响风蚀气候侵蚀力的变化69

表1   风蚀气候侵蚀力影响因素[66-67]

Table 1  Some interactive factors affecting wind erosion climatic erosivity[66-67]

影响因素相关性
风速正相关
风向视情况而定
降雨量负相关
降雪覆盖负相关
湍流负相关
蒸发负相关
气温正相关
气压负相关
冻融过程正相关

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风蚀气候侵蚀力的时空变化特征不仅受风速等自然因素的影响,还受到耕作等人类活动的作用2。例如,美国中西部大平原地区的研究表明,风蚀气候侵蚀力会影响作物留茬处理的最适宜高度70;阿根廷潘帕斯高原半干旱区的研究发现,耕作方式会在不同的降水条件下对风蚀气候侵蚀力的计算产生不同的影响:降水较多时,在未耕地风蚀气候侵蚀力的计算结果偏低而常规耕地正常;降水较少时,未耕地的计算结果偏低而常规耕地偏高50

3.2 风蚀气候侵蚀力对植被的响应

目前关于植被变化与风蚀气候侵蚀力的响应机制研究较少。在中国北方地区,通过对比当地1981—2010年风蚀气候侵蚀力和归一化植被指数发现,大部分地区表现为风蚀气候侵蚀力减少导致植被增加,但不同区域的敏感性不同,部分区域还存在植被与风蚀气候侵蚀力变化不同步的现象65。另外,有学者将风蚀气候侵蚀力引入前人提出的土壤风蚀率与植被覆盖度关系式71-72,提出了土壤风蚀率与植被覆盖度及风蚀气候侵蚀力的关系式,并根据该公式的计算结果发现武川县2002—2003年的总时空植被覆盖度与总土壤风蚀量呈“反相位”的动态变化。

4 风蚀气候侵蚀力与风沙地貌分布等关系的研究

4.1 风蚀气候侵蚀力与风沙地貌分布

风蚀气候侵蚀力作为风沙活动强度的评价指标,能够揭示气候条件对风沙地貌分布格局的影响程度73-76。风蚀气候侵蚀力与风沙地貌的分布特征在较大的空间尺度或典型的风蚀地貌分布区相关性较高。中国干旱半干旱地区1951—1980年的年均风蚀气候侵蚀力与沙漠的分布格局吻合程度较高24,其中风蚀气候侵蚀力大于100.00的区域与中国风蚀戈壁与风蚀残丘区完全对应。同样,通过雅丹地貌公园实地观测数据计算出的风蚀气候侵蚀力也在100.00以上44。可见,风沙地貌特别是风蚀地貌的空间分布格局可能受到风蚀气候侵蚀力的长期作用,是风蚀气候侵蚀力、地形、植被等自然因素与耕作、种植等人类活动综合作用的结果47-4877

4.2 风蚀气候侵蚀力与土地沙漠化

风蚀气候侵蚀力是土地沙漠化灾害危险度的评价指标之一7-8,用于评价其内在危险性10。风蚀气候侵蚀力可能会影响土地沙漠化内在危险性的时间变化特征。对比2000、2010年的土地沙漠化灾害危险度发现,风蚀气候侵蚀力的降低是中国北方土地沙漠化灾害危险度减轻的主要驱动力78,但土地沙漠化分布格局的变化特征受风蚀气候侵蚀力影响较小。比较1951—1980年的多年平均风蚀气候侵蚀力与沙漠化土地的分布特征发现,二者存在较大差异24,故风蚀气候侵蚀力可评价土地沙漠化的内在危险性并影响其时间变化特征,但二者空间格局的相关性并不高。

4.3 风蚀气候侵蚀力与沙尘暴

目前,各国学者对风蚀气候侵蚀力与沙尘暴日数的相关性存在较大争议。以往研究大多通过分析年际、季节尺度的沙尘暴日数和风蚀气候侵蚀力来确定二者之间的相关性,但得出的结论差别很大。美国堪萨斯州加尔登城和道奇城的沙尘暴日数与风蚀气候侵蚀力的高值相关性较强9,但在中国干旱半干旱地区二者相关性很弱24,在青海省的研究也得出相同结论38。然而,对中国北方海拔小于2 000 m的地区整体11、甘肃民勤30的春季沙尘暴日数与风蚀气候侵蚀力研究发现其间相关性较强;从内蒙古阴山北麓的沙尘暴日数与风蚀气候侵蚀力的小波分析结果也能够看出二者的周期性较为吻合35。风蚀气候侵蚀力与沙尘暴的相关性在不同的研究区域、不同的时间尺度得出的结论明显不同,还有待于进一步研究。

5 存在问题与研究展望

5.1 主要研究进展及问题

风蚀气候侵蚀力的计算模型经各国学者多次改良已基本发展成熟。在风蚀气候侵蚀力水平评估及其对气候变化的响应研究、土地沙漠化评价及沙尘暴相关性分析等方面取得了诸多进展,但仍存在一些问题有待解决。

5.1.1 计算模型的发展及存在问题

风蚀气候侵蚀力的计算模型在完善理论基础、拓宽适用范围等方面取得了诸多进展,特别是提高其在干旱环境下的适用性对风蚀防治有着重要意义,但还存在一些不足。其中,Chepil等3提出的首个计算模型以P-E指数随地表土壤水分变化而变化的假设为基础,一方面对此没有进行验证;另一方面选用P-E指数作为参数会使得该公式对水分过于敏感。此外,该公式的参数设置和系数确定也具有很强的区域限制2,故其计算结果受降水条件、风向等的影响较大50-5179。FAO公式和Skidmore公式分别引入ETP与风速概率密度函数作为风蚀气候侵蚀力计算模型的参数,能够弥补Chepil公式中理论基础的不足、减少其在不同研究区尤其是在干旱半干旱地区的计算误差5-6。从适用范围来看,Chepil公式仅适用于月均气温大于-2 ℃、月均降水量远大于12.70 mm的地区1620,不适用于寒冷、极端干旱地区。经FAO、Skidmore改良后,风蚀气候侵蚀力的计算模型对水分的敏感性得到控制且能够较准确地计算干旱环境下的风蚀气候侵蚀力6。考虑到3种计算模型的理论基础和适用范围的不同,实际应用时需要根据其优缺点及区域自然地理状况选取适宜的计算模型(表2)。因此,现有计算模型虽然能基本满足风蚀气候侵蚀力相关研究的计算要求,但也存在诸如未充分考虑地表土壤水分的影响、未体现风向的作用及未考虑区域自然地理环境差异对参数与系数设置的影响等问题。

表2   风蚀气候侵蚀力的计算方法及其优缺点

Table 2  Comparison of calculation methods of wind erosion climatic erosivity

计算方法所需数据优缺点
Chepil公式风速、降水量、气温

优点:计算简单,数据容易获取

缺点:不适用于寒冷、极端干旱地区

FAO公式风速、降水量、ETP

优点:计算简单,数据易获取,适用范围较广

缺点:暂未确定ETP的最佳计算方法

Skidmore公式风速、大气密度、吸附水粘聚抗力、α常数、风速概率密度函数

优点:理论基础坚实,计算结果准确

缺点:数据获取难度大,计算方法复杂,可能不适用于中国部分地区

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5.1.2 主要应用领域的研究进展与存在问题

自美国最早开展风蚀气候侵蚀力相关研究以来,研究区域集中于内陆干旱半干旱地区。研究内容从风蚀气候力的一般水平及时空变化特征分析,逐渐拓展为对气候变化的响应研究、风蚀气候侵蚀力与风沙地貌、风沙灾害相关性研究等。通过选用适当的计算模型在诸多研究区域开展相关研究,分析了不同国家干旱半干旱地区风蚀气候侵蚀力的水平及其时空特征,认识到其变化是在风速主导下降水、气温、干旱状况以及季节性天气等综合驱动的结果,明确了其中单一气象因素的正负效应以及植被等的响应机理。此外,风蚀气候侵蚀力不仅能够影响风沙地貌的空间分布格局,而且可以用作土地沙漠化内在危险性的评价指标,在某些地区还能够应用于沙尘暴的分析和预测。但是,以往研究中仍存在以下问题有待解决。

研究区域不平衡。现有风蚀气候侵蚀力研究集中于内陆干旱半干旱地区,相比而言同样具备较强风蚀气候侵蚀力水平的沿海地区相关研究明显不足21,其时空变化特征也与内陆存在较大差异47-49,特别是在海、陆、气综合作用下风蚀气候侵蚀力对气候变化的响应机制可能比内陆更为复杂80-81

美国北阿拉斯加沿岸82和新泽西沿岸83、澳大利亚西南海岸84-85、英国北爱尔兰沿岸86、中国河北昌黎87-89与福建平潭岛90-92及海南岛93等地广泛分布的海岸沙丘、风蚀坑等海岸风沙地貌也是风蚀气候条件长期作用的结果,但关于沿海地区,尤其是中国沿海地区风蚀气候侵蚀力的一般水平、变化特征、响应机制及其与海岸风沙地貌分布的关系等方面的研究还较为缺乏。

气象要素综合作用机理认识有待深化。风蚀气候侵蚀力的计算模型提出之初就是以风速、地表土壤含水量作为主要参数,而再选用风速等单一气象要素进行研究或许不能准确揭示风蚀气候侵蚀力的气候响应机理,分析干旱指数、多元ENSO指数等气候指标与风蚀气候侵蚀力的关系可能更具有说服力486994

风蚀气候侵蚀力的变化是风速等多个气象要素综合作用的结果,仅初步研究风速、降水量等单一要素的正负效应还不足以了解风蚀气候侵蚀力对气候变化的综合响应机理。

风蚀气候侵蚀力与风沙地貌、风沙灾害相关性研究存在较多争议。由于风沙地貌分布、土地沙漠化、沙尘暴影响因素作用机理的复杂性,以往研究在不同时空尺度、不同研究区域得出的结论存在一定的差异,目前各国学者对风蚀气候侵蚀力与风沙地貌分布、土地沙漠化、沙尘暴的关系仍未有定论。

5.2 研究展望

针对上述问题,未来一定时期内中国风蚀气候侵蚀力的研究可从以下方面逐步拓展。

构建区域校准性的风蚀气候侵蚀力计算模型。综合分析风向等区域特征较强的气象要素对风蚀气候侵蚀力的影响,建立能充分体现自然地理环境的区域特征而进行相应校准处理的计算模型,进一步提高风蚀气候侵蚀力计算的准确性。

沿海地区风蚀气候侵蚀力的计算与分析。选用合适的模型计算中国沿海地区风蚀气候侵蚀力,评估沿海地区整体的风蚀气候侵蚀力水平并概括其基本特征,分析其对气候变化的响应机制及其与海岸风沙地貌分布的关系,填补中国风蚀气候侵蚀力研究区域的空白。

风蚀气候侵蚀力对气候变化响应的综合分析。近期全球气候变暖、旱季湿季对比愈发强烈59-60,特别是2010年以来全球风速由降转升95,这与风蚀发生的气候条件相吻合96,在此背景下,须结合气象站监测数据、野外观测数据及相关的气候变化指标,综合分析风蚀气候侵蚀力对全球及区域气候变化的响应过程及其特征,进一步探究多种气象要素综合作用的机理及其对ENSO、植被、人类活动等的响应。

建立风沙地貌、风沙灾害相关的综合性风蚀气候评价模型。根据风沙地貌与风沙灾害的特点并结合气候、植被、地形等影响因子,构建以风蚀气候侵蚀力为基础的综合性风蚀气候评价模型,更准确地分析其相互关系。

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