烏審旗近60年來風沙天氣與氣候變化分析

烏審旗近60年來風沙天氣與氣候變化分析

風是形成地形的基本營力之一，特別是在干旱氣候條件下，它不僅是決定沙漠表面形狀的主要動力，也是沙害的直接動力。對一個地區(qū)風沙活動強度的研究,不僅是揭示該區(qū)沙丘形成演變的前提條件,也是為區(qū)域沙害防治服務的理論依據(jù)。毛烏素沙地雖然位于半干旱草原地區(qū),但流沙廣布,風沙危害嚴重,是我國荒漠化研究的重點地區(qū)。根據(jù)土地沙漠化發(fā)生的不同地貌和沙源類型,分為就地起沙型和風沙型兩類,其中就地起沙型沙漠化還可分為沙地就地起沙型、河流谷地就地起沙型和風化殘積就地起沙型3種,不同類型沙漠化土地不僅具有不同的地理分布和地貌類型特征,而且具有不同的粒度分布特征。一般認為,現(xiàn)代沙漠化主要是人為因素作用的結(jié)果,是人為作用對生態(tài)系統(tǒng)的干擾和植被破壞后,以風力為主導外營力所產(chǎn)生的土地退化,從人類活動對環(huán)境的影響分析和景觀變化與沙漠化的關(guān)聯(lián)分析也證明了這一觀點。因此,人類的積極干預加上相對優(yōu)越的水熱條件使得毛烏素沙地比我國其它任何一個沙漠更有希望被改良和利用。客觀認識該區(qū)風沙活動規(guī)律,是治理區(qū)域風沙災害、改良和利用沙地的前提,但目前關(guān)于該區(qū)風沙活動規(guī)律的研究報道并不多見。本文以地處毛烏素沙地腹地的烏審旗為研究區(qū),計算分析該區(qū)風沙活動強度和一般特征,以期為毛烏素沙區(qū)風沙災害的防治實踐提供理論依據(jù)。1研究領域和方法1.1氣候、土壤條件烏審旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西南部,內(nèi)蒙古自治區(qū)最南端,地處黃河流域中上游,毛烏素沙地腹部。海拔一般在1300～1400m,地勢西北高、東南低,沙漠、灘地、梁地呈西北—東南條帶狀分布。該旗位于溫帶南部季風區(qū)的邊緣,屬溫帶極端大陸性氣候,干旱多風,蒸發(fā)強烈,日照充足。年平均氣溫為7.1℃,年日照時數(shù)平均為2956.6h.,無霜期平均為140～150d,年平均降水量為355.1mm,全年降水不均,秋季降雨量占全年的70%左右,而蒸發(fā)量是年降雨量的7倍。土壤類型與其地貌類型相對應,對應梁地、灘地、沙地地貌的土壤類型分別為栗鈣土、草甸土、鹽堿土或沼澤潛育土以及各類風沙土,其中以風沙土分布最廣,約占全旗土壤面積的78.3%。該旗屬于典型草原帶,境內(nèi)的天然植被有栗鈣土上發(fā)育的地帶性植被—本氏針茅群落、檸條灌叢,沙地植被類型有沙地先鋒植物群落、油蒿群落、臭柏灌叢、中間錦雞兒灌叢、柳灣林等等,低濕地植被主要分布在河漫灘、湖濱低地、灘地、丘間低地等,鹽化草甸為輕鹽漬化草甸土上形成的草甸群落。1.2學習方法1.2.1全站建站時間和氣象條件沙塵天氣、風速、風向資料均來源于烏審旗內(nèi)烏審召鄉(xiāng)、達布察克鎮(zhèn)和河南鄉(xiāng)3個氣象站,3個站建站時間分別為1990,1959和1982年。沙塵天氣按照各站建站以來至2005年的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。為了便于不同臺站的比較,沙塵天氣空間變化統(tǒng)計,起沙風、輸沙勢和輸沙量的統(tǒng)計和計算都采用各站1990-2005年的氣象數(shù)據(jù)。1.2.2計算砂量強度的指標(1)臨界起沙風速臨界起沙風速會因觀測時距、觀測高度、起沙性質(zhì)的變化而不同。根據(jù)前人研究結(jié)果,對應于氣象站測風10m高度,臨界起沙風速取6.3m/s。從3個氣象站同期記錄中統(tǒng)計大于臨界起沙風速的各風速段出現(xiàn)次數(shù)和持續(xù)時間,得到16方位每年起沙風時間。(2)輸沙勢特性理論輸沙勢是衡量區(qū)域風沙活動強度的重要指標,也是目前風沙活動強度計算應用最廣泛的方法。Fryberger提出了通用的輸沙勢計算公式DP=V2(V-Vt)t.(1)式中,DP為輸沙勢,為矢量單位(VU),V為起沙風風速,Vt為臨界起動風速,二者單位均為m/h,t為起沙風作用時間,一般以頻率表示。(3)輸沙率計算公式輸沙量的計算依賴于輸沙率的精確測定,由于輸沙率在空間分布上具有明顯的非均一性和隨時間變化的非定常性,就目前技術(shù)而言,進行長時間輸沙總量的連續(xù)測定幾乎是不可能的。因此,對于較大區(qū)域輸沙量的計算多通過理論輸沙率公式進行?，F(xiàn)有的輸沙率公式很多,本文計算選擇的是凌裕泉提出的“最大可能輸沙量”,他選取了兩個風力強度不同的多向風地區(qū)寧夏沙坡頭和莫高窟以及一個主體環(huán)流較為單一的新疆尉犁地區(qū)進行計算,發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果和各種研究方法所得結(jié)果一致。公式為q=8.95×0.1×(V-Vt)1.9,Vt=6.3m/s.(2)其中,q為輸沙率,單位取g/cm/min,V,Vt同式(1)。根據(jù)該公式計算輸沙率,乘以相應時間,就可以得到各站的最大可能輸沙量。2沙的活動特征和強度2.1沙的活動特征2.1.1浮塵天氣天氣類型在烏審旗各站多年平均風沙活動日數(shù)中(表1),揚沙天氣日數(shù)最多,為27d,在3種風沙天氣中所占比例為64%左右,其中烏審召鄉(xiāng)高達76.44%,可見揚沙是該旗風沙天氣的主要形式。而最嚴重的風沙現(xiàn)象——沙塵暴,多年平均日數(shù)達到8.8d,烏審召鄉(xiāng)、達布察克鎮(zhèn)、河南鄉(xiāng)3個站沙塵暴天氣日數(shù)分別占三種風沙日數(shù)的16.4%,17.8%和30.4%。浮塵天氣主要與上風向地區(qū)的風沙活動有關(guān),全旗多年平均浮塵天氣日數(shù)為7.5d,3個站浮塵天氣日數(shù)分別占3種風沙日數(shù)的7.1%,27.1%和9.2%?？梢姙鯇徠祜L沙活動發(fā)生頻繁,分布廣泛。2.1.2沙的活動時間的變化特征(1)沙區(qū)年際變化1959-2005年間,烏審旗地區(qū)降水趨于減少,氣溫逐漸升高,氣候有暖干化傾向,有利于該區(qū)風沙活動加強。但根據(jù)烏審旗達布察克鎮(zhèn)1959-2005年風沙活動日數(shù)統(tǒng)計,該區(qū)50a間風沙活動具有明顯的年際變化(圖1)。其中1961-1965年間風沙活動最頻繁,年平均風沙日數(shù)達104d,這與1956,1960-1961年兩次無防護設施條件下的大范圍墾荒有關(guān);1966-1970年間風沙活動減少;而從1971-1977年間風沙活動再一次加強,這與1969-1971年間第3次無防設的毀林毀草開荒有關(guān),1974-1977年間,雖然大風日數(shù)與風沙活動較少年份相當,但是各種沙塵天氣卻顯著多于其它年份,這與當時開荒造成地表植被覆蓋度減少有關(guān);1978-2000年間實施的“三北防護林”工程以及2000年開始實施的退耕還林還草工程使得林草覆蓋率大大提高,相應地從1978-2005年,風沙活動日數(shù)盡管存在小范圍的波動,但整體大幅度減少(圖1)。在年際變化上烏審召、河南鄉(xiāng)具有與達布察鎮(zhèn)近似的變化規(guī)律(圖1)?？梢娙祟惢顒优c該區(qū)風沙活動密切相關(guān),既有正向的加強也有逆向的干預。(2)年生時期泥沙天氣概況從烏審旗各站各月多年平均大風、沙塵暴、揚沙和浮塵日數(shù)(圖2)可以看出,風沙天氣現(xiàn)象均以4月最多,7,8月最少。分季而論,則以春季最多,占全年的44.6%,冬季次之,占21.7%,夏、秋二季最少。春季,大風日數(shù)占全年沙塵天氣日數(shù)的43%,浮塵占58.3%,揚沙占41.5%,沙塵暴占45.2%。春季風沙活動強烈的主要原因在于,氣溫回升迅速,表土解凍并十分松散,植物枝葉尚未萌發(fā),冷暖氣團交匯頻繁而引發(fā)大風日數(shù)增多,導致風沙天氣劇增。一年之中7,8,9三個月大風、浮塵、揚沙、沙塵暴日數(shù)均最小,分別占全年的16.6%,6.7%、17.9%和14.6%,這顯然與該時期降水較多、地面植被較好和風力較弱有關(guān),7,8,9三個月降水量占全年降水的70%至80%,冬季降水稀少甚至個別年份為零。浮塵日數(shù)也絕大多數(shù)出現(xiàn)在冬、春半年(占82.6%),且春季獨占了58.3%,這與春季多風且地面干燥有關(guān),夏季浮塵日數(shù)最小,僅占6.7%,顯然與該地區(qū)進入雨季有關(guān)。2.1.3烏審旗沙天氣類型分布的區(qū)域特征雖然各站在風沙日數(shù)的年內(nèi)分布上均以春季為主,在年際變化上烏審召、河南鄉(xiāng)具有與達布察克鎮(zhèn)近似的變化規(guī)律,但在頻繁程度和表現(xiàn)形式上具有明顯區(qū)別。年平均風沙日數(shù)最多的烏審召高達61d,最少的河南鄉(xiāng)只有39d。風沙活動頻繁的年份有的站高達117d(烏審召,1993年),較少的年份只有14d(河南鄉(xiāng),2003年),風沙活動整體上呈現(xiàn)自北向南逐漸減弱的特征。造成這種差異主要有兩方面的原因,一是動力條件的差異,就多年平均大風日數(shù)而言,烏審召為30d,達布察克鎮(zhèn)為烏審召的1/2,河南鄉(xiāng)僅為烏審召的1/3(表1);二是烏審召、達布察克鎮(zhèn)、河南鄉(xiāng)距離沙源的位置不同,相應地風沙活動呈現(xiàn)從毛烏素沙地腹地向沙地邊緣逐漸減弱的特征。為研究風沙活動分布的區(qū)域特征,根據(jù)3種風沙天氣在總的風沙日數(shù)中所占比例不同,可將烏審旗風沙天氣的組合特征分為下列兩種類型(圖3),一是揚沙型,占3種沙塵天氣總數(shù)的76%以上,浮塵在9%以下,年風沙日數(shù)在52d以上,代表站是烏審召和達布察克鎮(zhèn);二是揚沙-沙塵暴型,代表站是河南鄉(xiāng),揚沙日數(shù)占3種沙塵天氣總數(shù)的58%,沙塵暴日數(shù)占36%,分別是烏審召和達布察克鎮(zhèn)的2倍和4倍,年風沙日數(shù)為39d。2.2沙的活動強度的特點2.2.1南鄉(xiāng)抗風險能力從1990-2005年間烏審旗各站點起沙風作用時間(表2)來看,位于該旗上風向(北部)的烏審召鄉(xiāng)起沙風作用時間最長,達10518h.,占到16a總時間的64.8%;其次是位于該旗中部的達布察克鎮(zhèn),起沙風作用時間為2988h.,占總時間的18.4%;最小的是位于南部的河南鄉(xiāng),為2736h.,占到全年總時間的16.9%。對不同風向起沙風作用時間統(tǒng)計(表2)顯示,3個站點多年平均起沙風作用時間以WNW,NW,NNW,N,W的5個風向為主,分別占所有風向起沙風的22.4%,21.9%,18.4%,6.7%和4.9%,合計占74.2%,可見烏審旗境內(nèi)的主害風為西北風。上述起沙風作用時間是不同等級起沙風作用時間的總和,對不同等級起沙風速作用時間占總數(shù)百分比統(tǒng)計(表3)可以看出,風速越大出現(xiàn)頻率越小。6.4～7.3m/s的風速平均占總時數(shù)的46%左右,最大的為達布察克鎮(zhèn),占到55.6%,最小的為河南鄉(xiāng),占41.2%;6.4～8.3m/s的風速平均占到70.1%,其中達布察克鎮(zhèn)達到82.6%,河南鄉(xiāng)最小,也有62.7%;而6.4～10.3m/s的風速平均占90%左右,其中達布察克鎮(zhèn)占到97%左右,最小的河南鄉(xiāng)也占到82.9%。因此,烏審旗地區(qū)的起沙風集中在6.4～10.3m/s之間。2.2.2烏審旗主要輸沙勢能力Fryberger將區(qū)域風環(huán)境分為高能(>400VU)、中能(200～400VU)及低能(<200VU)3類。從烏審旗多年輸沙勢計算結(jié)果可以看出(表4),烏審旗以河南鄉(xiāng)最大,達到333.87VU,最小的是達布察克鎮(zhèn),有218.94VU,烏審召鄉(xiāng)介于二者之間。由此可見,烏審旗整體上處于中風能環(huán)境。2.2.3最大可能合成輸沙量的確定根據(jù)最大可能輸沙率的計算公式,得到各站不同風向在一定時段內(nèi)的最大可能輸沙量(圖4)。根據(jù)式(3),(4),(5),(6),利用不同風向的輸沙量便可求得最大可能合成輸沙強度與合成輸沙方向(表5)。∑QN=QN-Qs+(QNE+QNW-QSE-QSW)cos45°+(QNNE+QNNW-QSSE-QSSW)cos22.5°+(QENE+QWNW-QESE-QWSW)cos67.5,(3)∑QW=QW-QE+(QNW+QSW-QNE-QSE)cos45°+(QWNW+QWSW-QENE-QESE)cos22.5°+(QNNW+QSSW-QNNE-QSSE)cos67.5,(4)最大可能合成輸沙強度為:Q=((∑QN)2+(∑QW)2)1/2,(5)最大可能合成輸沙方向為:A=arctan(∑QN/(∑QW)).(6)不同風向在一定時段內(nèi)的最大可能輸沙量的計算表明(圖4),3個站點在WNW,NW,NNW這3個風向上的輸沙量和分別占總輸沙量的72.21%,51.02%和70.10%;3個站點在W,WNW,NW,NNW,N的5個風向上的輸沙量總和平均占各站總輸沙量的76%左右,這與該旗起起沙風的風向頻率分布一致(表2)。合成輸沙量的計算結(jié)果顯示(表5),整個烏審旗的輸沙量差異較大,最大的烏審召達17504.19kg/(m·a),而達布察克鎮(zhèn)與河南鄉(xiāng)分別為4134.94kg/(m·a)和4521.05kg/(m·a),只有烏審召的1/4左右。達布察克鎮(zhèn)輸沙量略小于河南鄉(xiāng),這是因為達布察克鎮(zhèn)高層城市建筑物等對風速有減弱作用?？傮w而言,烏審旗風沙活動強度呈現(xiàn)自北向南逐漸減弱的趨勢。3烏審旗沙活動特征及強度烏審旗風沙活動頻繁,在1959-2005年間烏審旗各種風沙活動日數(shù)高達3437d;在3種風沙天氣中,揚沙是風沙活動出現(xiàn)的主要形式,所占比例為64%左右;本區(qū)3個氣象臺站均有高頻率的沙塵暴發(fā)生,平均每年沙塵暴日數(shù)都在6d以上。1959到2005年間,1961-1965年、1971-1977年為風沙活動最強烈的兩個階段,1978年以來風沙活動逐漸減弱。風沙天氣現(xiàn)象均以4月最多,7,8月最少,春季最多,冬季次之,夏、秋二季最少;從風沙活動空間變化來看,烏審旗風沙天氣的組合特征分為兩種類型:一是揚沙型,代表站是烏審召和達布察克鎮(zhèn)。二是揚沙-沙塵暴型,代表站是河南鄉(xiāng)。烏審旗風沙活動強度呈現(xiàn)自北向南逐漸減弱的趨勢,烏審召、達布察克鎮(zhèn)、河南鄉(xiāng)起沙風作用時間依次為10518h,2988h和2736h.。3個站點多年平均起沙風以WNW,NW,NNW,N,W的5個風向為主,占所有起沙風風向的74.2%。該區(qū)整體處于中風能環(huán)境,3站年輸沙勢平均為274.4VU,3站在W,WNW,NW,NNW,N這5個風向上的輸沙量總和平均占各站總輸沙量的76%左右。合成輸沙量的計算結(jié)果顯示,整個烏審旗的輸沙量差異較大,最大的烏審召達17504.19kg/(m·a),而達布察克鎮(zhèn)與河南鄉(xiāng)分別為4134.94kg/(m·a)和4521.05kg