甘肃敦煌西湖国家级自然保护区起沙风况及输沙势特征

Sand-driving wind conditions and drift potential characteristics in Gansu Dunhuang Xihu National Nature Reserve

摘要

目的 揭示甘肃敦煌西湖国家级自然保护区风沙环境特征，为保护区科学有效开展防风治沙和生态保护工作提供依据。 方法 以该区域为研究对象，通过实地观测，对监测区自动气象站2019，2020，2023，2024年风速、风向数据进行统计处理，分析了敦煌西湖保护区风况及风沙环境。 结果 ①敦煌西湖国家级自然保护区4 a平均起沙风风速为6.3~6.4 m/s，年最大风速为14.0 m/s，年平均起沙风频率为8%；起沙风多集中在春夏两季，起沙风占全年的73.3%，春夏两季起沙风频率为11%~12%；保护区起沙风风向主要集中在E和ENE，占比最大的单风向为E，占比最小单风向为SE。 ②年输沙势（DP）均值为666.39 VU，属高风能区，主要风向为E和ENE，年合成输沙势（RDP）均值为141.09 VU，年输沙势方向变率指数（RDP/DP）均值为0.24，属低方向变率，风况较复杂，为复合或钝双峰风况。 ③输沙势季节差异较明显，主要集中在春夏两季，占全年输沙势的80.8%，其中夏季输沙势最大，冬季输沙势最小。春、夏、秋、冬输沙势的方向变率分别为0.29，0.43，0.34，0.39，属于中低变率，四季风况较为复杂。 结论 保护区属于高风能区，全年风向以东西风为主，起沙风和输沙势主要集中在春夏两季，全年和四季输沙势方向变率为中低变率，风况较为复杂。应因地制宜，有效开展防风治沙和生态修复工作。

Abstract

Objective The environmental characteristics of wind and sand in Gansu Dunhuang Xihu National Nature Reserve were analyzed， in order to provide a basis for the scientific and effective implementation of wind and sand control and ecological protection in the reserve. Methods Taking this area as the research object， wind speed and direction data from the automatic weather station in the monitoring area in 2019， 2020， 2023， and 2024 were statistically processed through field observation. The wind conditions and wind-sand environment of the Dunhuang Xihu Reserve were analyzed and discussed. Results ① The four-year average sand-driving wind speed in the Dunhuang Xihu National Nature Reserve ranged from 6.28 m/s to 6.43 m/s. The annual maximum wind speed was approximately 14 m/s， and the annual average sand-driving wind frequency was 8.43%. Sand-driving winds were mostly concentrated in spring and summer， accounting for 73.29% of the whole year， with sand-driving wind frequencies ranging from 11% to 12% in these two seasons. The sand-driving wind directions in the reserve were mainly E and ENE. Among these， the single direction with the largest proportion was E， while that with the smallest proportion was SE. ② The annual average drift potential （DP） was 666.39 VU， classifying the area as a high wind-energy zone. Similar to sand-driving winds， DP was mainly concentrated in the E and ENE directions. The annual average resultant drift potential （RDP） was 141.09 VU， and the annual average directional variability index （RDP/DP） was 0.24， indicating low directional variability. The wind conditions were relatively complex， characterized as a compound or blunt bimodal pattern. ③ The seasonal differences in drift potential were significant， mainly concentrated in spring and summer， accounting for 80.8% of the whole year. The drift potential was highest in summer and lowest in winter. The directional variability of the drift potential for the four seasons was 0.29， 0.43， 0.34， and 0.39， respectively， indicating medium to low variability. The wind conditions in all four seasons were relatively complex. Conclusion The reserve is a high wind-energy zone， with prevailing east-west winds throughout the year. Sand-driving winds and drift potential are primarily concentrated in spring and summer. The annual and seasonal directional variability of the drift potential is medium to low， and the wind conditions are relatively complex. It is necessary to carry out wind prevention and sand control as well as ecological restoration work in a way that suits local conditions.

Graphical abstract

关键词

甘肃敦煌西湖国家级自然保护区 / 起沙风风速 / 起沙风风向 / 起沙风频率 / 输沙势

Key words

Gansu Dunhuang Xihu National Nature Reserve / sand-driving wind speed / sand-driving wind direction / sand-driving wind frequency / drift potential

文献参数： 董建祥， 罗永忠， 孙伟刚， 等.甘肃敦煌西湖国家级自然保护区起沙风况及输沙势特征［J］.水土保持通报，2025，45（6）：149-157. Citation:Dong Jianxiang， Luo Yongzhong， Sun Weigang， et al. Sand-driving wind conditions and drift potential characteristics in Gansu Dunhuang Xihu National Nature Reserve ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation，2025，45（6）：149-157.

风是近地层土壤风蚀和沙尘运移的主要动力基础^［1］，是风沙地貌形成与演化的主要营力，是造成风沙危害的关键因素^［2］。起沙风向的分布形式与组合特征控制着区域沙物质的输移方向，起沙风速则控制着沙物质的输移通量。开展区域风况与风能环境分析能为理解区内风沙地貌形成过程和区域风沙灾害防治提供科学参考^［3］。

目前，对某一区域风沙环境评价应用最广泛的是由Fryberger等^［4］提出的输沙势。国外对于输沙势的研究主要集中在沙漠和河流地区，对全球范围内的典型沙漠地区进行了广泛的输沙势评估和研究，如依据风能评价标准对尼罗河河谷和三角洲、科威特沙漠以及埃及 El-Khanka等区域风沙环境进行评价分析^［5］，通过分析这些地区的风况和沙物质输移特征，揭示了不同沙漠环境下的风沙活动规律及其对生态环境和人类活动的影响。国内学者主要通过气象站观测数据，结合遥感影像、地理信息系统等技术手段，对多个沙漠和沙地的起沙风况及输沙势特征进行了深入研究，如塔克拉玛干沙漠^［6］、柴达木盆地^［7］、巴丹吉林沙漠^［8］、毛乌素沙地^［1］、乌兰布和沙漠^［5］、科尔沁沙地^［9］、若尔盖盆地^［10］、古尔班通古特沙漠等^［11］，郭酉元等^［12］对库姆塔格沙漠的环境风况进行全面分析，王永胜等^［13］对库姆塔格沙漠东缘荒漠绿洲过渡带环境风况及输沙势特征进行深入探讨。这些研究积累了丰富的数据和成果，对研究其他区域具有重要的借鉴价值。

关于敦煌境内的风沙环境虽有研究^［14-19］，但多集中于敦煌绿洲或景区附近，距离沙源库姆塔格沙漠较远。甘肃敦煌西湖国家级自然保护区毗邻库姆塔格沙漠，四周被沙漠和戈壁所隔绝，气候条件恶劣，常年干旱少雨，风沙肆虐，蒸发量极大，植被覆盖率低，部分区域生态状况恶化，沙漠侵蚀严重。由于其特殊的地理位置，保护区是阻挡库姆塔格沙漠东侵甘肃河西走廊的最后一道天然生态屏障，对保护敦煌及中国西部生态安全，改善区域生态气候，保障敦煌工农业的生产和旅游业的持续健康发展，保护世界文化遗产莫高窟都具有重要的意义^［20］。虽然近些年对敦煌西湖湿地及野生动植物生境研究较多^［20-23］，但关于保护区风沙环境的深入探讨未见报道。

本文通过对甘肃省公益林生态效益监测敦煌西湖自动气象站近4 a的风速、风向数据统计处理，分析和讨论了敦煌西湖国家级自然保护区内的风况与输沙势特征，进一步揭示了保护区风沙环境特征，有利于保护区科学有效开展防风治沙和生态修复工作^［24］。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

敦煌西湖自然保护区位于甘肃省河西走廊最西端，距离敦煌市区120 km，西邻库姆塔格沙漠，地理坐标为92°45′—93°50′E，39°45′—40°36′N，总面积6.60×10⁵ hm²，约占敦煌总土地面积的21%。保护区深居内陆，地势低洼平坦，气候干燥，降水稀少，蒸发强烈，年均气温9.3 ℃，年降水量39.9 mm，年蒸发量2 486.0 mm，蒸发量是降水量的60多倍，年均风速2.2 m/s，属典型的暖温带极干旱荒漠气候^［20］。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

风况数据来源于甘肃省公益林效益项目敦煌西湖气象站。气象站地理坐标为93°45′E，40°17′N，自动气象监测设备型号为RR-9 100，由北京雨根科技有限公司生产。监测高度为2 m，数据采集频率为1/600 Hz，风速传感器量程为0~60 m/s，精度为±0.5 m/s，分辨率为0.1 m/s，风向传感器量程为0°~360°，精度为±5°，分辨率为1°。采集数据时间为2019，2020，2023，2024年，共4 a。

1.2.2 数据处理与统计方法

由于敦煌西湖气象站监测高度为2 m，根据中国气象局标准气象站规定，风速的测定高度为10 m，故需将高度2 m的风速换算成10 m风速。2 m和10 m高度风速换算公式为^［25］：

U_{\mathrm{10}}=\frac{U_{\mathrm{2}}(\mathrm{l}\mathrm{n}\mathrm{10}-\mathrm{l}\mathrm{n}{z}_{\mathrm{0}})}{\mathrm{l}\mathrm{n}\mathrm{2}-\mathrm{l}\mathrm{n}{z}_{\mathrm{0}}}（1）

式中：U₁₀为高度10 m处的风速，U₂为高度2 m处风速，z₀为粗糙度，根据植被盖度与粗糙度的关系^［26］，自动气象站周边植被盖度约为20%（图1），故z₀近似取0.02 m。

根据对监测区域下垫面调查及以往文献资料^{［16，18，25，27］}，本研究将临界起沙风速定为5 m/s（高度2 m），借助WPS表格计算功能，通过公式（1）将高度2 m处风速换算成10 m处风速，并根据风速风向数据，分别按照年、月、季统计最大起沙风风速、平均起沙风风速、起沙风频率，以及起沙风在N， NNE， NE， ENE， E，ESE， SE， SSE， S，SSW， SW， WSW， W，WNW， NW和 NNW 16个方位的分布情况，借助Origin 2021软件进行绘图。本研究四季划分中，以3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至翌年2月为冬季^［28］。

1.2.3 输沙势计算方法

为了有效分析风沙地貌形成演化与风况之间的关系，用Fryberger^［4］输沙势（D_P ）表示潜在的最大输沙量。输沙势计算公式为：

D_P =V₂*（V—V_t ）*t（2）

式中：D_P 为输沙势，用矢量单位（VU）表示； V为大于临界起沙值的风速； V_t 为临界起动风速，二者单位均为节（1节≈0.5 m/s）；t为起沙风累计作用时间，用观测时段内所观测的起沙风时间数和总观测时间数的百分比表示。风速是矢量，根据矢量合成法则，将16个方位输沙势进行合成，借助WPS表格计算工具，得到输沙势（D_P ）、合成输沙势 （R_DP ）、合成输沙势方向（R_DD ）及方向变率指数 （R_DP /D_P ），通过Origin 2021软件进行输沙势绘图。参照Fryberger的研究结果划分沙漠环境，D_P 在200 VU以下，属于低风能环境；D_P 为200~399 VU，属于中风能环境；D_P 为400 VU及以上，属于高风能环境。方向变率指数（R_DP /D_P ）0~0.3，为小比率，属于复合风况或钝双峰风况； 0.3~0.8为中比率，属于钝双峰风况或锐双峰风况；大于0.8为大比率，属于宽单峰风况或窄单峰风况^［4］。

2 结果与分析

2.1 起沙风特征

2.1.1 起沙风风速及频率特征

保护区2019，2020，2023，2024年4 a平均起沙风风速比较稳定，平均风速6.3~6.4 m/s。年最大风速为14.0 m/s左右，2020—2024年有增大的趋势，2024年最大风速比2020年增加34.0%，2024年最大风速达到16.2 m/s。平均年起沙风频率为8%，2019年最大，起沙风频率为10%，其中2020，2023，2024年有逐年增大的趋势，起沙风频率从7%增至9%，年平均增幅为16.3%（图2）。

保护区月平均起沙风风速为5.8~7.2 m/s，平均为6.3 m/s。其中，7月平均起沙风风速最大，10月最小，大部分月份月平均起沙风速在6.0~7.0 m/s之间；月最大风速中，最大值出现在7月，达13.5 m/s，12月最小，最大风速为7.6 m/s，变化幅度较大，波动幅度为76.6%。月起沙风频率变化较显著，2月最小，起沙风频率为1%，4月最大，为19%，其中1—3月和5—8月变化较小，其他月份波动较大，3—4月波动幅度最大（图3）。

研究结果表明，保护区起沙风频率春夏两季明显偏高，起沙风频率为11%~12%；秋冬两季起沙风明显偏少，冬季起沙风频率最低，为2%。季节最大风速也是春夏两季较大，季节平均起沙风风速变化不大，为6.1~6.7 m/s（图4）。

2.1.2 起沙风风向特征

从全年来看，保护区起沙风风向主要集中在E和ENE，风向占比为45.3%，其中占比最大的单风向为E，占比为23.3%，其次是NW， NE， WSW， WNW， W 5个风向，占比为42.1%，起沙风速5.0~7.0 m/s；起沙风分布偏少的方向集中在SE， SSE， S，N， SS 5个风向，风向占比为2.8%，风向占比最小单风向是SE（图5）。

保护区起沙风风向分布具有明显的季节性。起沙风主要集中在春夏两季，占全年的73.3%。全年高风速（≥10 m/s）中，春夏两季占92.9%，其中夏季占比达78.8%。春季主风向呈对称分布，主风向为WNW， W，E， ENE，主风向占比为74.0%，4个主风向占比均为17%~20%；夏季主风向为ENE和E，主风向占比为39.5%，其中，占比最大的单风向为E，占比为20.8%。秋冬季起沙风主风向与夏季一致，主要集中在ENE和E 2个方向上，两个季节主风向分别占比为57.8%和58.8%。起沙风风速大部分分布于5.0 m/s到8.0 m/s之间，该区间的风速占比达93.6%（图6）。

2.2 输沙势特征

输沙势作为描述区域风沙活动特征及风能环境的重要指标，是衡量区域风沙活动强度以及风沙地貌演变的重要因子，在风沙活动研究中被广泛采用^［5，24］。对保护区4 a输沙势的统计分析（图7）表明，年均输沙势（D_P ）为666.39 VU，主要集中在E和ENE 2个方向上，依据Fryberger的风能环境划分方法，保护区总体属于高风能区，年均合成输沙势（R_DP ）为141.09 VU，年均方向变率为0.233 5，属于小变率，风况较复杂。其中，2019年D_P 最大，达710.45 VU，2020年最小，为573 VU；R_DP 最大值出现在2020年，为269.64 VU，2024年最小，R_DP 仅为36.56 VU，变化幅度较大；2019年和2020年R_DD 分别为90°和120°，而2023年和2024年R_DD 在270°左右；从风向变率看，2020年最大，为中变率，风况为钝双峰或锐双峰，其他年份均是小变率，属于复合风或钝双峰风况。

由于受起沙风风速、风向的季节差异影响，输沙势出现随季节变化的特征。保护区季节输沙势分布与起沙风分布相似。春夏季D_P 较大，占全年D_P 的80.8%，其中夏季最大，占比为52.1%；冬季D_P 最小，为37.1 VU；R_DP 最大值出现在夏季，为161.1 VU，与其他季节R_DP 相差较大，冬季最小，仅有14.7 VU；从R_DD 来看，春夏季在W， WNW方向，而秋冬季集中在E方向；春季风向变率为低变率，属于复合风况，夏、秋、冬季为中变率，属于钝双峰或锐双峰风况（图8）。

3 讨 论

甘肃敦煌西湖国家级自然保护区起沙风频率及最大风速从2020—2024年有逐步增大的趋势，平均增幅为17.0%左右，增幅比较明显。这种情况可能与保护区地处西北腹地，受西风带影响较大，而西风带强度增强及全球气候变暖改变大气环流导致大风天气增多，加之近年来，随着敦煌市旅游业的发展，城市规模扩建，形成“热岛效应”，对局部气流造成影响，导致风速增大。

保护区位于库姆塔格沙漠东沿，月最大风速在7月达到最大。1—3月和5—7月起沙风频率变化较为平缓，其他月份波动幅度较大，月平均起沙风风速变化幅度较小，起沙风主要集中在春夏两季，占比达到74%，春夏两季大风天气频繁，这些与王永胜等^［13］、鱼燕萍等^［18］和胡菲等^［19］研究基本一致。主要原因是保护区地处内陆腹地，地貌多为平坦的荒漠、戈壁，植被稀疏，属典型的大陆性荒漠气候^［20］，冬春季地表温度变化显著，长期受蒙古冷高压影响^［19］，蒙古高压和南疆热低压交汇，形成较大的气压梯度，加之保护区位于河西走廊西段，两侧分布有山脉，地形狭窄，气流通过时受挤压形成“狭管效应”，导致该区春夏两季容易形成频繁且强劲的大风天气。

保护区全年和四季起沙风风向主要为东风组和西风组，全年主风向为东风组，占比57%左右，次风向为西风组，占比40%左右，该结果与王永胜等^［13］关于库姆塔格沙漠东沿以及鱼燕萍等^［18］关于敦煌戈壁、沙漠的风向研究基本一致。该区域主导风向为东西风，主要原因与其独特的地理位置、地形条件及气候密切相关，敦煌地处河西走廊西端，北靠马鬃山，南依祁连山，东西向的走廊地形形成天然风道，该区域又位于东亚季风区与西风带的过渡地带，这种过渡性特征使得东风和西风成为主导，迫使气流沿东西方向流动。

从输沙势来看，保护区起沙风与输沙势分布趋势基本相同。年输沙势为666.4 VU，属于高风能区，春夏季输沙势占比在80%以上，全年和四季输沙势主要集中ENE和E 2个方向，2023年和2024年合成输沙势方向位于偏西方向，与胡菲等^［29］关于敦煌戈壁输沙势特征基本一致。保护区位于敦煌市绿洲以西，毗邻库姆塔格沙漠，沙源丰富，春夏两季合成输沙势方向在偏西方向，而全年输沙势主要集中在春夏两季，导致当地春夏季沙尘暴频发。据观测，毗邻敦煌绿洲西缘的库姆塔格沙漠每年向绿洲推进3~4 m^［17］，给当地社会经济发展造成严重威胁。由于合成输沙势在东西方向，所以在实施相关防风固沙工程时，如通过沙障、草方格、防护林带等措施固沙，建议与输沙势走向垂直^［25］，提高防风固沙的效果。

本研究仅从风速、风向方面分析研究区的风沙状况，而影响沙丘的形成和运移的因素除了风况外还有地形、沙源和植被状况等，需对该区风沙活动强度进行研究，如在野外建立观测点，长期监测风沙流，分析地表沉积物搬运特征和动态变化规律，以期为该区风沙灾害防治与生态系统的恢复和保护提供科学依据^{［13，29］}。

4 结 论

敦煌西湖保护区年平均起沙风风速为6.3~6.4 m/s，平均年起沙风频率8.4%，年最大风速为16.2 m/s。月平均起沙风风速为6.3 m/s，其中7月最大，为7.2 m/s，10月最小，为5.8 m/s；月起沙风频率差异显著，4月起沙风频率最大，达19%，2月最小，起沙风频率为1%；起沙风主要集中在春夏两季，起沙风占全年的74.0%，平均起沙风频率为11%~13%，秋冬季起沙风频率较低且大风天气较少。

起沙风和输沙势主要集中在E和ENE方向上，季节间输沙势差异较为显著。春夏季输沙势占比较大，占全年输沙势的80.8%，其中夏季最大，占比为52.1%，冬季最小，仅为37.1 VU。4 a的输沙势均在500.0 VU以上，属于高风能区，年均合成输沙势为141.1 VU，年输沙势方向变率指数均值为0.24，低风向变率，属于复合风况。

保护区起沙风风速近年来有增大的趋势，且大风天气频繁，全年风向以东西风为主。起沙风主要集中在春夏两季，占全年的73.3%。全年高风速（≥10 m/s）春夏两季占92.9%，四季起沙风风向以ENE和E为主。

保护区年输沙势为666.39 VU，属于高风能区，年合成输沙势方向为东西走向；春夏两季合成输沙势方向在W和WNW，而秋冬两季集中在E，全年和四季输沙势方向变率为中低变率，风况较为复杂。

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基金资助

甘肃省林业和草原计划项目“甘肃省公益林生态效益监测”［2015（622）］