內(nèi)蒙古半干旱區(qū)2002內(nèi)蒙古半干旱區(qū)沙塵天氣特征及其與地表特征的關(guān)系

內(nèi)蒙古半干旱區(qū)2002內(nèi)蒙古半干旱區(qū)沙塵天氣特征及其與地表特征的關(guān)系

1中國：一個(gè)異常的風(fēng)速下的引領(lǐng)性事件沙漠主要發(fā)生在中國北方嚴(yán)重的干旱地區(qū)和半干旱地區(qū)。這是一個(gè)嚴(yán)重的有害天氣。沙塵暴天氣所引發(fā)的天氣氣候效應(yīng),對人類生存環(huán)境和社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,同時(shí)沙塵暴也是不可忽視的大氣和生態(tài)環(huán)境問題之一,因而沙塵暴是國內(nèi)外學(xué)者和公眾所關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。目前,氣象工作者對沙塵天氣做了不少研究,其中包括討論沙塵暴發(fā)生時(shí)的天氣形勢以及氣象要素的變化,也有不少研究是圍繞沙塵暴氣候特點(diǎn)開展的,還有各地沙塵氣溶膠的觀測分析、沙塵暴數(shù)值模擬、中國荒漠化和沙塵暴活動(dòng)趨勢關(guān)系的分析等。研究表明,天氣氣候因素和地表物理特征是觸發(fā)沙塵災(zāi)害性天氣的兩個(gè)必要因素。沙塵暴的出現(xiàn),除了需要大風(fēng)天氣條件外,還需要下墊面的條件。從20世紀(jì)80年代初以來,在中國主要的沙塵頻發(fā)地區(qū),風(fēng)動(dòng)力呈明顯的逐年減弱趨勢。同時(shí),地表覆蓋特征的動(dòng)態(tài)變化對沙塵天氣事件的影響越來越顯著。在氣象因子適合的條件下,地表特征的物理性質(zhì)決定沙塵天氣是否發(fā)生,地表覆蓋類型及土壤物理屬性的時(shí)空不均勻性是造成沙塵天氣時(shí)空變化的重要影響因素之一。雖然已有一些研究認(rèn)為沙塵天氣的發(fā)生與地表植被覆蓋率變化有關(guān),但作為影響沙塵天氣重要因素的地表特征究竟起到什么作用,還較少有研究涉及,并且針對內(nèi)蒙古半干旱地區(qū)的此類研究更是較少。位于內(nèi)蒙古東部的渾善達(dá)克沙地是中國四大沙地之一,屬于半干旱溫帶草原氣候,生態(tài)地理區(qū)位處于農(nóng)牧業(yè)多層次過渡帶,生態(tài)環(huán)境具有很大的脆弱性和敏感性。其代表站朱日和站是國家基準(zhǔn)氣候站(42°24′N,112°54′E,海拔1151.9m),位于內(nèi)蒙古中部南緣,渾善達(dá)克沙地西側(cè),同時(shí)朱日和也是內(nèi)蒙古地區(qū)沙塵天氣頻發(fā)中心之一。因此,作者利用朱日和氣象站觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀測的地表特征資料,分析內(nèi)蒙古半干旱地區(qū)朱日和地區(qū)沙塵天氣特征及其與地表特征中的歸一化植被指數(shù)(NDVI)\,葉面積指數(shù)(LAI)和植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)的關(guān)系,從而揭示地表特征變化對沙塵天氣發(fā)生的影響,并給出定量的分析結(jié)果,可為中國關(guān)鍵地區(qū)沙塵天氣數(shù)值模式參數(shù)化方案的改進(jìn)、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高和綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。2數(shù)據(jù)和方法2.1不考慮到一個(gè)獨(dú)立的沙天氣的觀測時(shí)次本文氣象資料來源于中國氣象局氣象信息中心,選取了2002年1月1日至2010年10月30日的朱日和氣象站地面10m高度風(fēng)速、降水量和沙塵天氣數(shù)據(jù)等。本文沒有采用普遍的“站日”為計(jì)量單位,而是定義當(dāng)臺站一個(gè)觀測時(shí)次出現(xiàn)了揚(yáng)沙或沙塵暴天氣,就認(rèn)為該站出現(xiàn)了一個(gè)沙塵天氣時(shí)次,這樣可以獲得更多沙塵天氣細(xì)節(jié)信息;而浮塵是指塵土、細(xì)沙均勻地浮游在空中,通常為沙塵暴、揚(yáng)沙出現(xiàn)后尚未下沉的細(xì)粒浮游空中而成,因此在本文中不考慮為一次獨(dú)立的沙塵天氣。NDVI、LAI和NPP數(shù)據(jù)來自美國國家宇航局(NASA)的Terra/MODIS觀測資料,研究時(shí)段為2001年1月至2010年12月。2.2臨界起沙閾值計(jì)算野外實(shí)驗(yàn)、模式參數(shù)化和統(tǒng)計(jì)分析是近年來確定臨界起沙風(fēng)速的3種主要方法。由于野外觀測中,不同學(xué)者給出的起沙過程的概念和判斷不同,獲取臨界起沙風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)觀測高度、沙塵濃度等參數(shù)存在差異,而參數(shù)化方案的復(fù)雜性、不完備性以及輸入?yún)⒘康牟淮_定性導(dǎo)致了其在實(shí)際應(yīng)用中的困難。所以本文采用統(tǒng)計(jì)分析方法計(jì)算臨界起沙閾值。Kurosaki等利用氣象觀測站的地面10m高度風(fēng)速和天氣觀測,定義風(fēng)速為u時(shí)的起沙頻率(fems|u)為:fems|u=Nems|u/Nall|u×100%(1)fems|u=Νems|u/Νall|u×100%(1)式中:Nems|u為風(fēng)速u時(shí)的沙塵天氣次數(shù);Nall|u為風(fēng)速u時(shí)總的觀測次數(shù)。起沙頻率為5%和50%時(shí)所對應(yīng)的風(fēng)速分別為臨界起沙風(fēng)速ut5%和ut50%。其中,ut5%代表在某一觀測站地表?xiàng)l件接近最有利于沙塵釋放的臨界起沙風(fēng)速,ut50%代表一般地表的臨界起沙風(fēng)速。2.3不同風(fēng)壓fdo的變化Kimura等利用沙塵天氣頻率與風(fēng)速大于臨界起沙風(fēng)速頻率,定義標(biāo)準(zhǔn)化沙塵天氣頻率NfDO為:NfDO=fDO/fu＞ut5%(2)ΝfDΟ=fDΟ/fu＞ut5%(2)式中:fDO為沙塵天氣頻率;fu>ut5%為風(fēng)速大于臨界起沙風(fēng)速ut5%的頻率。NfDO的變化可以反映土壤可蝕性變化,高NfDO對應(yīng)脆弱的地表?xiàng)l件,易發(fā)生沙塵天氣;低NfDO對應(yīng)較好的地表?xiàng)l件,不易發(fā)生沙塵天氣。2.4臨界起沙風(fēng)速Laurent等以應(yīng)力分割方案為基礎(chǔ),利用POLDER-1雙向反射分布函數(shù)(BRDF)反演計(jì)算得到0.25°×0.25°分辨率的地表粗糙度分布,可建立中性條件下中國和蒙古沙漠地區(qū)的10m高度臨界起沙風(fēng)速分布圖,臨界起沙風(fēng)速范圍從沙質(zhì)沙漠的7m·s-1到戈壁地區(qū)的20m·s-1以上。Park等定義歸一化累積沙塵發(fā)生頻率比達(dá)到3.5%時(shí)所對應(yīng)的風(fēng)速為臨界起沙風(fēng)速,并利用1996\_2002年春季不同沙源地區(qū)的世界氣象組織地面氣象觀測站3h風(fēng)速、相對濕度和降水觀測資料,配合沙塵暴和起沙等天氣現(xiàn)象記錄,得到戈壁、沙地、黃土高原和混合土地類型等不同下墊面的臨界起沙風(fēng)速分別為9.5、7.5、6.0m·s-1和9.2m·s-1。3沙子時(shí)間的變化特征3.1朱日和2000論高沙模式利用朱日和站2002\_2010年的3\_5月的地面10m高度風(fēng)速和天氣現(xiàn)象觀測資料,按公式(1)計(jì)算風(fēng)速u時(shí)的起沙頻率fems|u(圖1)。朱日和2002\_2010年3\_5月10m高度的平均風(fēng)速為5.5m·s-1,起沙頻率為5%對應(yīng)臨界起沙風(fēng)速ut5%為9.4m·s-1,臨界起沙風(fēng)速較大,說明朱日和地區(qū)接近混合型土地類型,下墊面特征較為復(fù)雜。從圖1還可以發(fā)現(xiàn),隨著風(fēng)速的增加,沙塵天氣也越來越來頻繁,當(dāng)風(fēng)速超過18m·s-1時(shí),起沙頻率為100%,說明超過18m·s-1的強(qiáng)風(fēng)是春季發(fā)生沙塵天氣的充分條件。3.2臨界起沙風(fēng)速圖2A顯示了2002\_2010年各月朱日和地區(qū)沙塵天氣頻率fDO、臨界起沙風(fēng)速ut5%、大于臨界起沙風(fēng)速(9.4m·s-1)頻率fu>ut5%;圖2B顯示了各月降水量、NDVI、LAI和NPP。圖2A中,由于7\_9月極少有沙塵天氣發(fā)生,所以沒有計(jì)算臨界起沙風(fēng)速值。從圖2A中可以看出臨界起沙風(fēng)速在3\_5月最小,臨界起沙風(fēng)速在春季比其他季節(jié)都低,表明朱日和地區(qū)地表?xiàng)l件的季節(jié)變化對臨界起沙風(fēng)速有重要影響,春季的地表更容易發(fā)生沙塵天氣。同時(shí)在春季的大于臨界起沙風(fēng)速頻率最高,而7\_9月最低。從圖2B可以看出3\_5月朱日和地區(qū)降水量、NDVI、LAI和NPP也是處于低值。因此低的臨界起沙風(fēng)速和高的大于臨界起沙風(fēng)速頻率,最終導(dǎo)致在3\_5月沙塵天氣頻率最高。圖2B還顯示了6\_9月是朱日和地區(qū)的降水季節(jié),其NDVI、LAI和NPP都處于高值。3.3年際變化特征圖3顯示2002\_2010年朱日和站3\_5月沙塵天氣頻率fDO、標(biāo)準(zhǔn)化沙塵天氣頻率NfDO和大于臨界起沙風(fēng)速頻率fu>ut5%。從圖3可以看出,fDO和fu>ut5%都沒有通過線性減少趨勢顯著性檢驗(yàn),其年際變化呈波動(dòng)特征。分析fDO和fu>ut5%的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)為0.692(p<0.05),2002年的fu>ut5%最高而對應(yīng)的fDO也最高,2009年的fu>ut5%最低對應(yīng)的fDO也是最低。因此強(qiáng)風(fēng)是引起沙塵天氣的重要原因。但在2004、2006年和2010年的fu>ut5%都很接近,但其fDO卻很不同,2006年的NfDO比其他年份大,說明同等的強(qiáng)風(fēng)頻率下如果地表受風(fēng)蝕,則更易發(fā)生沙塵天氣。所以地表可蝕性的動(dòng)態(tài)變化也是沙塵天氣發(fā)生次數(shù)變化的重要原因。4砂雨與地表形態(tài)的關(guān)系4.1夏季降水量、ndvix、larax和nppm優(yōu)勢計(jì)算了2001\_2010年的6\_8月的朱日和地區(qū)夏季降水量,同時(shí)取6\_8月的NDVI、LAI和NPP的最大值作為當(dāng)年的值,分別記為NDVImax、LAImax和NPPmax。圖4顯示了2001\_2010年的夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax年變化?？梢钥闯?NDVImax、LAImax和NPPmax都與夏季降水量之間有很好的相關(guān)性。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),NDVImax與夏季降水量的相關(guān)系數(shù)為0.966,LAImax與夏季降水量的相關(guān)系數(shù)為0.968,NPPmax與夏季降水量的相關(guān)系數(shù)為0.738,均通過了水平為0.05的顯著性檢驗(yàn)。4.2nfdo與夏季降水、ndvix、larammx和nppm優(yōu)勢圖5分析了2002\_2010年3\_5月的NfDO與上一年度的夏季降水量、6\_8月NDVImax、LAImax和NPPmax的關(guān)系。如圖5中箭頭所指的位置,當(dāng)夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax超過一定的閾值時(shí),NfDO很低,它們分別是夏季降水量大于100mm,NDVImax大于0.24,LAImax大于0.3,NPPmax大于0.6g·m-2·d-1(以碳計(jì)算)。NfDO與夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax的關(guān)系滿足y=a/xb的函數(shù)關(guān)系(圖5)。因此我們利用ln(y)=ln(a)-b×ln(x)線性關(guān)系得到NfDO與夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax回歸曲線和相關(guān)系數(shù)。NfDO與夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax的相關(guān)系數(shù)分別為-0.760(p=0.016)、-0.790(p=0.011)、-0.793(p=0.011)和-0.679(p=0.044),相關(guān)顯著水平都在p<0.05。徐興奎等指出地表植被殘存的根莖是影響冬春兩季沙塵天氣發(fā)生頻次的重要因素之一,殘留根莖通過改善土壤、固定砂礫、增大對地表摩擦阻擋作用,對下一年春季沙塵天氣產(chǎn)生滯后性作用。Kurosaki等認(rèn)為夏季的降水顯著地影響植物的生長,夏季生長的植被在來年的春天一部分以殘存的根莖存在,通過覆蓋地表、增加空氣摩擦等方式顯著地影響土壤的可蝕性。由此可以推斷,當(dāng)夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax高或低時(shí),對應(yīng)的下一年的春季NfDO應(yīng)該是低或高。通過數(shù)據(jù)分析我們發(fā)現(xiàn),在內(nèi)蒙半干旱區(qū)朱日和地區(qū),當(dāng)夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax超過一定的閾值時(shí),NfDO總是低,低于0.1。因?yàn)榭梢哉J(rèn)為夏季有效的降水促進(jìn)了植物的生長,夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax都很高時(shí),來年春天土壤不容易侵蝕,即使在來年的春天風(fēng)頻率較高時(shí),沙塵天氣也不易發(fā)生。當(dāng)夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax低于閾值時(shí),NfDO有60%處于高值,超過了0.2,最高達(dá)到0.65,有40%的NfDO較低,介于0.1與0.2之間?？偟膩碚f,當(dāng)夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax低于閾值時(shí),較易發(fā)生沙塵天氣。5地表特征變化對泥沙天氣的影響機(jī)制本文通過分析2002\_2010年半干旱區(qū)朱日和地區(qū)沙塵天氣的地表特征,得到如下結(jié)論:2002\_2010年朱日和地區(qū)的春季平均風(fēng)速為5.4m·s-1,臨界起沙風(fēng)速為9.4m·s-1,起沙頻率和強(qiáng)風(fēng)頻率呈波動(dòng)變化。起沙頻率和強(qiáng)風(fēng)頻率有很好相關(guān)性,強(qiáng)風(fēng)是引起沙塵天氣的重要原因,尤其是超過18m·s-1的強(qiáng)風(fēng)。在同等的強(qiáng)風(fēng)頻率下,地表?xiàng)l件越差,越容易受風(fēng)蝕,更容易發(fā)生沙塵天氣,因此地表可蝕性的動(dòng)態(tài)變化是沙塵天氣發(fā)生頻次變化的重要原因。通過分析夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax與次年春季標(biāo)準(zhǔn)化沙塵天氣頻率的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)夏季降水量大于100mm,NDVImax大于0.24,LAImax大于0.3,NPPmax大于0.6g·m-2·d-1(以碳計(jì)算),標(biāo)準(zhǔn)化沙塵天氣頻率很低,沙塵天氣不易發(fā)生;而當(dāng)夏季降水量、NDVImax、LAImax和N