毛乌素沙地凝结水形成的物理过程及其影响因素

Mu Us Sandland, China's ecologically fragile area, water in this area is a key factor to determine the ecological structure and function, and water shortage seriously affects the local ecological environment security and restricts the social and economic development. Due to vapor condenstation as a form of precipitation condensation water is of great ecological significance, since it could affect the growth of desert steppe xerophytes, compensate loss of soil moisture for evapotranspiration and maintain the survival of crust. However, due to the relatively small amount of condensation water, it was often ignored in the most of water study..In this project, the formation mechanism of condensation water would be studied through laboratory experiments and field observations, combined with weighing techniques of high precision lysimeter, to distinguish three types of condensation water originating from different sources of water vapor. In addition, the amount of condensation water under different underlying surface conditions would be measured and predicted by using eddy covariance techniques and numerical models respectively. On the basis of this study, the effects of different meteorological factors as well as underlying surface types on the condensation water formation would be evaluated.The expected results could provide scientific theory basis for the assessment of water resources and ecological benefits of condensation water in sandy land.

毛乌素沙地是我国生态环境脆弱的地区，在这一区域水分是决定生态结构与功能的关键因子，水资源短缺严重影响当地的生态环境安全并制约着社会经济的发展。凝结水作为降水的一种形式，在影响荒漠草原旱生植物生长、弥补蒸发蒸腾造成的土壤水分损耗以及维系结皮生存等方面具有重要的生态学意义，但由于凝结水形成数量相对较少，在以往大多的水分研究中它经常会被忽略。.本研究，通过室内实验和野外观测，结合高精度蒸渗仪称量技术研究凝结水形成机制，实现对不同水汽来源凝结水量区分。利用涡度相关技术和经验数学模型，测定和估算不同下垫面条件下凝结水量。在此研究的基础上对气象因子以及不同下垫面类型对凝结水形成的影响进行评价。预期成果可以为沙地水资源评估以及凝结水生态效益评价提供科学的理论依据。

毛乌素沙地生态环境脆弱，土地退化严重，水资源短缺制约着当地的经济发展并影响生态环境的安全。凝结水是干旱、半干旱地区重要的水分输入，本研究通过室内实验和野外观测，结合高精度蒸渗仪称量技术研究凝结水形成机制，实现对不同水汽来源凝结水量区分。利用气象站观测试验地的气象因子，采用微渗仪称重法测定不同下垫面的凝结水量，以及沙丘不同坡向、坡位的凝结水量。利用涡度相关技术和经验数学模型，测定和估算不同下垫面条件下凝结水量，建立凝结水的估算模型。. 试验结果表明，沙地凝结水由大气水汽凝结、土壤孔隙水汽凝结和吸湿水三部分组成，其中土壤孔隙水汽凝结对凝结水量贡献率最大。春季，沙地凝结水主要来自于土壤孔隙水汽凝结和吸湿水，土壤孔隙水汽凝结量占总凝结水量的95%。秋季，大气凝结水量比例增加，占沙地凝结水量的41%，小于土壤水汽凝结量(56%)，土壤吸湿水对土壤凝结水的贡献率最小(3%)。. 本研究发现，影响沙地凝结水形成的主要因素有空气温度、相对湿度、云量、风速、土壤热通量。当其他条件相同，沙地凝结水量与云量、土壤热通量和相对湿度呈线性关系，随相对湿度的增加而增加，随云量和土壤热通量的增加而减少。沙地凝结水量与气温和风速呈非线性关系，在初始阶段凝结水量会随着气温或风速的增加而增加，当气温或风速达到一定阈值后，趋势相反。. 野外试验发现，毛乌素沙地不同下垫面凝结水量差异显著(P≤0.05)：采用表面积为45.34cm²的微型蒸渗仪称重测量，裸地(0.085mm)>草地(结皮))>灌木(0.041mm)，草地凝结水量(0.072mm)与生物结皮凝结水量(0.071mm)无显著差异(P>0.05)。. 微地形对沙地凝结水影响的试验结果表明，沙丘不同坡向和坡位的凝结水量差异显著(P≤0.05)，雨前，阳坡的凝结水量(0.066mm)高于阴坡(0.043mm)，坡顶凝结水量(0.042mm)最少；雨后，阴坡(0.308mm)的凝结量高于阳坡(0.259mm)，坡顶(0.150mm)仍最少。. 通过数值模拟试验，本研究校验了传统凝结水量预测模型中的参数，采用不同数学模型估算不同下垫面的凝结水量，并与蒸渗仪称重结果进行对比分析，结果表明传统 凝结水量预测模型能够较为准确地估算出毛乌素沙地凝结水量。