小气候指因局部下垫面条件影响而形成的与大气候不同的贴地层和土壤上层气候^［1］，可定量地反映沙漠化环境的退化程度和沙漠化过程中反馈作用的强度^［2］。绿洲化是干旱区由于人与自然因素共同作用所导致的由荒漠向绿洲的转变过程，能使生态环境得到改善的同时提高土地生产力^［3］；荒漠化是包括气候变异和人类活动在内的各种因素作用下，干旱、半干旱和亚湿润干旱区的土地退化^［4］。空间小气候在不同下垫面性质下表现特征不同，姚玉璧等^［5］指出西北半干旱区气候趋于暖干化。绿洲具有系统性、对水的依赖性、脆弱性、演化性等本质特性，绿化带具有增加绿地中心湿度的作用，植被对风速有明显的减弱作用，荒漠与绿洲之间存在着明显的气候差异^［6-8］。许多研究证实了干旱区地下水环境的变化对脆弱生态环境产生影响，并与沙漠化过程、盐渍化过程的关系十分密切^［9-13］。王敏仲等^［14］发现南疆沙漠腹地夏季沙尘日的总辐射、感热通量比晴天明显要小，向下长波辐射却大于晴天。新疆是典型的干旱区绿洲生态环境，而南部和田地区的策勒县地理环境更加恶劣，社会生态经济系统极其脆弱。诸多学者研究了策勒绿洲-沙漠过渡带的风、地下水、输沙及动力环境等因素对该区环境的影响^［15-17］，在改善该区绿洲生态环境方面提出许多科学建议。毛东雷等^［18-20］研究了新疆策勒绿洲-沙漠过渡带不同下垫面的风场特征、大气降尘时空分布特征以及典型下垫面小气候的空间变化，得出绿洲外围和绿洲内部风向不同，植被类型、植被覆盖度和地形等是影响不同下垫面风场特征的主要因素、植被的覆盖度和高度及农田绿洲化程度会对大气降尘产生重要影响等结论。以往研究者多基于下垫面环境的单一地理要素进行研究，分析其变化的原因机制以及指明其在绿洲小气候变化中的作用。维护绿洲的稳定和持续发展能有效改善新疆绿洲地区的土地荒漠化和干旱化环境问题，目前，基于绿洲化进程对绿洲内部与绿洲-沙漠过渡带不同下垫面小气候的空间变化特征及差异方面的研究还较少。本文以新疆策勒县为研究区，分析从绿洲-沙漠过度带到绿洲内部不同下垫面的小气候要素变化，探讨在绿洲化进程中不同下垫面环境的小气候差异并分析其原因，以期能为保护和改善该区绿洲生态环境提供一定理论依据和科学支撑。

策勒县位于塔克拉玛干沙漠南缘与昆仑山北麓之间绿洲带的中部地区，地理位置35°17′55″—39°30′00″N、80°03′24″—82°10′34″E，南部为昆仑山区，中部地势平坦，为砾漠与冲积平原，地势南高北低，海拔1 050~6 846 m^［21］，多年平均降水量35.1 mm，年潜在蒸发量约2 600 mm，极端最高气温41.9 ℃，极端最低气温-23.9 ℃^［22］。由于地处塔里木盆地两大主导风向（NW，NE）的下风区域，风沙灾害频繁，多年平均沙尘日数25.2 d，最多达59 d，每年8级以上大风3~9次^［23］，严重威胁到当地人们的生产生活。该区植被覆盖率普遍在30%以下，自然生态系统十分脆弱，是一个典型的绿洲-沙漠生态系统，它的形成和发展完全依赖于发源于昆仑山北麓的策勒河。绿洲-沙漠过渡带保护着绿洲免受风沙的危害，大部分位于策勒县西、北、东方向^［24］。

2010年10月1日至2011年9月30日布置8个气象观测站（HOBOU30，美国ONSET公司）对策勒绿洲内部和绿洲-沙漠过渡带的小气候气象要素进行同步对比试验观测，运用统计法和同步对比法来分析不同下垫面的小气候要素变化特征，进而探讨在绿洲化进程中空间小气候的变化规律。热瓦克、草原站、农田1、大县城、小巴扎位于绿洲内部，其中热瓦克紧邻绿洲-沙漠过渡带，草原站靠近戈壁。流沙地、半固定沙地、固定沙地位于绿洲-沙漠过渡带上（图1）。根据8个观测站点的相对地理位置以及开垦年限来突出绿洲演化的过程，通过分析绿洲内部与绿洲-沙漠过渡带不同下垫面的小气候特征，来探讨绿洲化进程对不同下垫面空间小气候的影响，具体下垫面情况见表1。分别测定热瓦克、草原站、农田1、大县城3 m高度的风速、风向（剔除静风）和流沙地、半固定沙地、固定沙地、小巴扎0.5、1、2、4、8 m高度的风速和10 m高度的风速、风向（剔除静风），拟合此6层高度的月均风速廓线为对数函数关系，计算出在3 m高度的月均风速。测定8个气象站2 m高度的气温、大气相对湿度（RH）以及1.5 m高度的太阳辐射能和光合有效辐射能。温湿度传感器测量范围分别为-40~+70 ℃/0~100%，精度分别为±0.2℃/±3%，分辨率分别为0.02℃/-0.1%，总辐射传感器测量范围为0~1 280 W·m^-2，精度为 ±10 W·m^-2，分辨率为1.25 W·m^-2。风速传感器测量范围0~45 m·s^-1，精度为±1.1 m·s^-1，分辨率为0.38 m·s^-1。所有观测项目均为全天候观测，春、夏、秋季每1 s自动记录1次、平均1 min间隔采集1次气象数据，冬季平均5 min间隔采集1次，可以进行各气象站的平行对比试验，由于传感器故障，缺失少部分气象数据。选取春季典型沙尘暴天气2011年3月12日，对空间小气候要素进行对比分析，所有8个下垫面的气象数据观测时间间隔一致，数据采集所用时间均为北京时间。

在3 m高处，冬季1月的平均风速由大到小依次为流沙地、半固定沙地、固定沙地、大县城、热瓦克、农田1、小巴扎、草原站，分别为0.67、0.66、0.54、0.52、0.50、0.44、0.39、0.35 m·s^-1，夏季8月平均风速由大到小依次为流沙地、半固定沙地、固定沙地、热瓦克、草原站、小巴扎、农田1、大县城，分别为2.24、1.32、1.23、0.98、0.24、0.12、0.11、0.07 m·s^-1，绿洲内部的平均风速整体低于绿洲外围（图2）。在近12个月的观测期内，8个下垫面的月均风速在秋冬季节空间差异较小，而在春夏季节绿洲-沙漠过渡带和热瓦克的月均风速远远大于绿洲中心内部，空间差异较大。由于秋冬季节的气流相对稳定，各下垫面地表植被覆盖度均较小，因此风速的空间差异小，而春夏季节冷暖气团活跃，多大风天气，但草原站、小巴扎、农田1、大县城的开垦时间较长，春夏季植被逐渐复苏以及农作物的生长，都起到良好的防风阻沙效应。热瓦克虽然位于绿洲内部，但开垦时间仅2年左右，且紧邻绿洲-沙漠过渡带，与位于绿洲-沙漠过渡带上的3个观测点一样，植被覆盖度较小，防风阻沙能力较弱。

在近12个月的观测期内，各下垫面在2 m高处的月均气温变化趋势基本一致。在冬季1月，平均气温由低到高依次为流沙地、半固定沙地、固定沙地、农田1、草原站、小巴扎、热瓦克、大县城，分别为-10.39、 -10.25、-10.08、-9.56、-9.25、-9.19、 -8.74、-8.71 ℃，而在夏季8月平均气温由高到低依次为流沙地、半固定沙地、固定沙地、热瓦克、草原站、农田1、小巴扎、大县城，分别为26.55、26.11、25.41、25.09、24.06、22.89、22.36、22.33 ℃（图3）。这表明与绿洲-沙漠过渡带相比，绿洲内部冬暖夏凉。愈往绿洲内部，气温越低，反之则越高，杜铭霞等^［25］研究表明新疆绿洲夏季具有“冷岛效应”，因此夏季绿洲内部气温普遍较低。

在冬季1月，2 m高处的月均RH由低到高依次为热瓦克、草原站、半固定沙地、固定沙地、流沙地、小巴扎、大县城、农田1，分别为38.71%、40.21%、40.22%、40.96%、41.05%、42.68%、42.80%、45.91%，而在夏季8月月均RH由低到高依次为流沙地、半固定沙地、固定沙地、热瓦克、草原站、大县城、农田1、小巴扎，分别为31.11%、33.77%、39.45%、43.31%、49.79%、64.09%、66.87%、69.51%（图3），表明绿洲内部的RH在观测期内始终高于绿洲外围。新疆典型绿洲除了具有“冷岛效应”，还有“湿岛效应”产生^［25］，愈往绿洲内部，RH越高，在夏秋季节表现更为强烈，夏秋季节正值植被的生长期，绿洲下垫面的植被覆盖度较大，土壤质地较好，植物蒸腾作用及农田的灌溉作用使得绿洲下垫面地表水汽丰富，使绿洲RH不断增加。

各下垫面在1.5 m高处的月均太阳辐射能与PAR的变化趋势大体一致，冬季1月平均太阳辐射能由大到小依次为半固定沙地、热瓦克、流沙地、固定沙地、草原站、农田1、大县城，分别为107.25、106.08、103.39、100.21、92.45、75.32、61.09 W·m^-2，夏季8月平均太阳辐射能由大到小依次为半固定沙地、热瓦克、流沙地、固定沙地、草原站、农田1、大县城，分别为209.60、203.73、193.04、185.16、138.72、125.15、89.80 W·m^-2（图4）。冬季1月平均PAR由高到低依次为热瓦克、半固定沙地、流沙地、固定沙地、草原站、农田1、大县城，分别为192.28、188.24、180.45、174.55、165.31、139.06、139.02 μmol·m^-2·s^-1，夏季8月平均PAR由高到低依次为半固定沙地、流沙地、热瓦克、固定沙地、草原站、农田1、大县城，分别为378.31、362.65、360.41、353.39、294.09、247.81、166.58 μmol·m^-2·s^-1。从近12个月的观测期内分析，半固定沙地的月均太阳辐射能、PAR值均为最大，由于其下垫面地形高低起伏不平，植被多为柽柳，植株生长较高，拦截风沙能力较强，因此能有效减少大气中沙尘的浓度，且有柽柳、骆驼刺、花花柴灌丛沙堆分布，易于沉降扬沙天气下其上部大气中的细粒沙尘，从而能更好地吸收太阳辐射能和PAR。

在近12个月的观测期内，3 m高度气象站的日均风速与10 m高度气象站在2、4 m高处的日均风速变化趋势基本一致（图5）。在3 m高处的日均风速热瓦克最大，其次依次为草原站、农田1、大县城，分别为1.17、0.42、0.40、0.31 m·s^-1。从风向上来看，热瓦克以W、ESE、E等风向为主（图5），所占频率依次为12.00%、9.67%、9.34%，草原站以W、N、ENE等风向为主，所占频率依次为19.86%、17.16%、9.59%，农田1以WNW、ESE、W等风向为主，所占频率依次为10.98%、10.16%、9.70%，大县城以NW、E、N等风向为主，所占频率依次为9.94%、9.53%、8.40%。不同下垫面的风速、风向存在空间的差异性，热瓦克紧邻绿洲-沙漠过渡带且开垦时间较短，多为矮株植物，植被覆盖度较低，防风阻沙能力差，因此风速较大，对风向的分散力较小。相反，大县城位于绿洲内部，且开垦时间最长，有大量农林经济作物的种植且多为高株植物，此外，该地的上风向有民房分布，在有效减小风速的同时对风向产生一定的分散作用，使风向在绿洲内部发生偏转。流沙地在2、4 m高处的日均风速均为最大，与之相比，半固定沙地、固定沙地在2 m高处的日均风速依次降低了43.58%、38.74%，半固定沙地、固定沙地、小巴扎在4 m高处的日均风速依次降低了32.81%、41.39%、75.71%。流沙地以WNW、ESE、SSW等风向为主，所占频率分别为11.71%、9.02%、8.41%，半固定沙地以N、WNW、W等风向为主，所占频率分别为25.13%、8.49%、7.63%，固定沙地以ESE、WNW、E等风向为主，所占频率依次为10.08%、9.85%、8.26%，小巴扎以SE、W、WSW等风向为主，所占频率依次为10.30%、9.72%、8.30%。总体来看，小巴扎的日均风速最小，由于小巴扎位于绿洲内部，种植有棉花、石榴等农林经济作物，植被覆盖度超过80%且下风向有民房，防风阻沙作用明显，同时使风向发生一定程度的偏转，风向不稳定，而固定沙地、半固定沙地和流沙地缺乏植被以及建筑物的阻挡，风速大、风向较稳定，大致以WNW、ESE、W风向为主。愈往绿洲内部，植被覆盖度越高，日平均风速越小，风向越分散，而植被覆盖度一定程度上体现出绿洲化的演变进程，因此有序推进绿洲化进程，对减轻该区的风沙活动具有重要作用。

在近12个月的观测期内，8个下垫面在2 m高度的日均气温呈先下降后上升的趋势，日均气温最高出现在7月（图6），最低出现在1月。热瓦克近12个月观测期的日均气温分别依次比流沙地、半固定沙地、固定沙地、草原站、农田1、大县城、小巴扎高出0.29、0.33、0.53、0.55、1.22、1.28、1.40 ℃。地表气温直接来源于太阳辐射，大气的热量主要来于地表，地表通过地面辐射、湍流及对流运动和潜热输送等方式将热量传递给边界大气层^［26］。策勒位于绿洲-沙漠过渡带边缘，独特的地理位置和地表环境进一步影响其气温的局部变化。流沙地在2 m高处的日均RH最低，分别依次低于半固定沙地、固定沙地、热瓦克、草原站、大县城、小巴扎、农田1的0.29%、6.67%、7.94%、14.37%、28.99%、30.39%、30.69%，绿洲内部日均RH整体高于绿洲外围，愈往绿洲外围日均RH减少越快。绿洲内部与绿洲外围的日均RH在季节上呈相反变化，流沙地、半固定沙地、固定沙地在2 m高处的日均RH在冬春季节高于夏秋季节，而其余5个位于绿洲内部的观测点的日均RH在冬春季节低于夏秋季节。夏秋季节气温较高，过渡带下垫面地表局部裸露，增温较快，蒸发量大，因此相对湿度低，而冬春季节气温低，水分不易流失，RH高于夏秋季节。在绿洲化程度较高的地方，夏季植被的遮阴作用使地表增温慢，植被的蒸腾作用增加RH，加上绿洲内部的农田灌溉也增大土壤的湿度，而冬季绿洲内部植物几乎处于休眠期，水分蒸腾作用不明显，RH相对较低。

在近12个月的观测期内，半固定沙地在1.5 m高处的太阳辐射能、PAR日均值始终最大（图7），日均太阳辐射能分别依次高出热瓦克、流沙地、固定沙地、草原站、农田1、大县城9.19、11.59、14.80、21.98、52.37、71.96 W·m^-2，PAR日均值分别依次比流沙地、固定沙地、热瓦克、草原站、农田1、大县城高出4.97%、5.50%、5.99%、11.27%、25.73%、38.90%。愈靠近绿洲内部，太阳辐射能、PAR越少，绿洲内部日均太阳辐射能、PAR值均低于绿洲外围且相差较大。由于绿洲内部开垦时间较长，绿洲化程度较高，植被覆盖度较大，能有效阻挡和反射太阳辐射能和PAR，进而使达到地表的太阳辐射能和PAR减少。

在2011年3月12日春季沙尘暴日（图8），半固定沙地、固定沙地、小巴扎在2 m高处的日均风速与流沙地相比依次降低了25.75%、27.05%、46.93%，在3 m高处，热瓦克、草原站、农田1、大县城的日均风速依次为3.12、1.38、1.38、0.93 m·s^-1。愈往绿洲内部，风速愈小，但整体上不同下垫面的日均风速差异不大，由于春季地表植被尚未返青，植被的防风阻沙作用不明显。夜间气温较低，从日出到14:00左右气温逐渐升高，沙尘暴发生后气温呈现一定的下降趋势，而RH变化趋势与气温大致相反。在2 m高处的日均气温由低到高依次为流沙地、固定沙地、半固定沙地、草原站、大县城、农田1、小巴扎、热瓦克，分别为12.24、12.76、12.78、12.86、12.88、13.31、13.59、13.87 ℃。在同一高度上，日均RH从低到高依次为热瓦克、半固定沙地、固定沙地、草原站、流沙地、小巴扎、农田1、大县城，分别为12.65%、13.71%、13.90%、14.54%、14.99%、15.25%、16.32%、18.89%。沙尘暴发生前后气温呈现先增后降的趋势，这与其他研究结论一致^［27］，即在沙尘暴过程开始前后，地面空气由较暖转向较冷。在1.5 m高处的日均太阳辐射能和PAR在春季沙尘暴日的变化趋势基本一致，沙尘暴的发生对其存在一定的削弱作用，但作用较小。日均太阳辐射能从小到大依次为热瓦克、流沙地、农田1、半固定沙地、大县城、固定沙地、小巴扎、草原站，分别为133.17、136.94、152.98、161.19、169.62、177.72、189.45、189.78 W·m^-2，流沙地、半固定沙地、农田1、大县城、固定沙地、草原站、小巴扎的日均PAR值与热瓦克相比依次增大了0.46%、25.34%、26.34%、40.99%、42.71%、53.96%、55.62%。在春季沙尘暴日，绿洲-沙漠过渡带植被尚未萌发，植被覆盖度低，拦截风沙的能力不强，因此削弱了对太阳辐射能和PAR的吸收。绿洲内部由于有一定被保留的植被及民房等起到了一定的防风阻沙作用，同时绿洲地表吸收的热量晚上释放得慢，易保存在近地表大气中，绿洲内部防风阻沙和增温增湿作用较为显著。

策勒县为典型的绿洲-沙漠生态系统，风沙灾害严重，但经过多年的防风治沙工作，策勒地区农田林格网体系的建设、节水灌溉工程、发展特色经济林等措施的实施有效推动了其绿洲化进程。赵文智等^［28］指出景观格局会随着绿洲化过程发生变化，还会引发土壤、气象和水文等要素的变化，还发现荒漠向绿洲的转变促进了土壤养分的增加^［29-31］。庞营军等^［32］研究表明策勒绿洲-沙漠过渡带的植被小气候作用独特，植被覆盖度愈大，风速愈小、气温愈低和相对湿度较高，与本文结论基本一致，但本文研究还发现进入绿洲后绿洲化进程对局地小气候改善作用更加显著。位于绿洲中心的大县城有100年以上的开垦历史，小巴扎开垦了50年以上，且植被覆盖度超过80%，农田1开垦了30年以上，因此在这种绿洲化进程推动下，绿洲内部在夏秋季降温增湿作用和在冬春季增温增湿作用显著，而草原站和热瓦克开垦时间都较短，分别为2年、15年左右，且紧邻绿洲-沙漠过度带，绿洲化对局地小气候效应相对较差。杨兴华等^［33］研究表明策勒地区常年以偏西风为主，W、WNW风向占有较大比例，但本文发现，策勒各观测站点除受到NW、NE两大主风向的影响，还存在一定的偏南风现象。策勒起沙风风向的分布与塔里木盆地风场分布及环流影响有关，塔里木盆地东部盛行偏东风，西部盛行偏西风，其南部昆仑山北坡有向北开口的喇叭形地形存在，因此东西方向的风在此汇聚，受气旋影响又将气流向北输送，因此存在部分偏南风现象。张强等^［34］研究指出敦煌绿洲在夏季晴天到达绿洲地表的太阳总辐射能高于戈壁荒漠地区，这与本文结论相反。策勒位于塔克拉玛干沙漠南缘，特殊地理位置、地形和人类活动的不同导致下垫面性质的差异，策勒绿洲-沙漠过渡带上植被覆盖度普遍较低，其中流沙地、半固定沙地还有柽柳等灌丛沙堆分布，加上本就松散的土壤结构，风沙活动频繁，能有效吸收太阳辐射能和PAR，而在绿洲有植被的削弱作用，因此吸收较少。这也表明绿洲化进程的合理推进，有利于减小风沙活动对策勒绿洲地表的侵蚀，从而促进其生产生活的有序发展。冯起等^［35］研究发现下垫面局部特征能通过植被反映出来，而植被的独特作用又一定程度影响到局部小气候特征，因此，植被对调节气候具有重要作用。独特的地理位置是导致策勒地理环境恶劣的重要因素，如何在这种“先天不足”的环境中加强对天然植被的恢复和保护，合理推进绿洲化进程的问题还需不断地深入探讨。

草原站、农田1、大县城与热瓦克相比，在3 m高处的日均风速分别依次降低了63.88%、65.58%、73.24%，小巴扎在2、4 m高处的日均风速始终最小，绿洲内部的月均风速整体低于绿洲外围。流沙地、半固定沙地、固定沙地、热瓦克的风向以WNW、ESE、W风向为主，风向较稳定，而其余站点的风向较分散。总体来看，研究区除受到NW、NE两大主风向的影响外，还存在一定的偏南风现象。

与绿洲-沙漠过渡带相比，绿洲内部冬暖夏凉。在2 m高处，近12个月的观测期内，绿洲内部的平均气温低于绿洲外围且具有明显的冬暖夏凉效应，冬季1月平均气温由低到高依次为流沙地、半固定沙地、固定沙地、农田1、 草原站、小巴扎、热瓦克、大县城，分别为-10.39、 -10.25、-10.08、-9.56、-9.25、 -9.19、-8.74、-8.71 ℃，夏季8月平均气温由高到低依次为流沙地、半固定沙地、固定沙地、热瓦克、草原站、农田1、小巴扎、大县城，分别为26.55、26.11、25.41、25.09、24.06、22.89、22.36、22.33 ℃。

流沙地在2 m高处的日均RH分别依次低于半固定沙地、固定沙地、热瓦克、草原站、大县城、小巴扎、农田1的0.29%、6.67%、7.94%、14.37%、 28.99%、30.39%、30.69%，月均RH在冬春季节的空间差异不明显，但在夏秋季节，愈往绿洲内部，RH越高，表明绿洲内部的降温增湿作用愈大。

在近12个月的观测期内，太阳辐射能和PAR的日均值变化趋势整体一致，半固定沙地的日均、月均太阳辐射能、PAR均为最高，绿洲-沙漠过渡带的太阳辐射能和PAR整体高于绿洲内部。

在春季沙尘暴日，半固定沙地、固定沙地、小巴扎在2 m高处的平均风速与流沙地相比，依次降低了25.75%、27.05%、46.93%，热瓦克、草原站、农田1、大县城在3 m高处的平均风速依次为3.12、1.38、1.38、0.93 m·s^-1，绿洲内部的平均温湿度、太阳辐射能和PAR整体均大于绿洲外围。绿洲内部绿洲化程度较高，绿洲化对其局地小气候效应强，所以在春季沙尘暴日，绿洲内部增温增湿效果相对较好。

绿洲内部开垦年限越长、植被覆盖度愈大，在夏季其降温增湿的效果越显著，愈往绿洲内部，绿洲化对其局地空间小气候的作用愈显著。