近5年奈曼旗风环境特征与输沙势分析

近5年奈曼旗风环境特征与输沙势分析

在中国，年降水量小于400mm的干旱和半干旱地区通常属于土壤侵蚀区。风蚀导致的生态后果主要表现为土地沙漠化的加速发展和沙尘灾害的频繁发生,而引起土壤风蚀的最主要、最直接的动力因素是具有一定强度的起沙风。因此,研究干旱、半干旱地区的风况及合成输沙势,有助于深入探究研究区的风沙活动状况,并解释沙尘天气频繁出现的原因。奈曼旗地处科尔沁沙地腹地,位于中纬度西风带,是西路、西北路和偏北路冷空气入侵的必经之地,冬季受蒙古冷高压的控制,盛行西北及偏北风,夏季受大陆低气压和副热带高压的控制,以偏南和西南风为主,是近年来我国风蚀强烈、沙漠化发展速度最快、沙尘危害程度最严重的区域之一。本文利用中国科学院奈曼沙漠化研究站气象观测场1998—2002年的风速、风向原始数据,统计分析了奈曼旗近5年来的起沙风分布特征,同时引用起沙风资料,并选择适宜的输沙量加权方程,探讨了研究区的合成输沙势,旨在为科尔沁沙地的生态环境评价提供依据。1研究领域和方法1.1降水量逐年增加研究区为典型温带半干旱大陆性季风气候,多年平均气温6.3℃,降水量366mm,有75%集中在6~9月,春季(3~5月)降水量仅占全年降水量的12%左右。年平均蒸发量1935mm,约为年降水量的4倍。多年平均风速3.5m·s-1,全年平均风速大于土壤风蚀临界起动风速(5m·s-1)的日数近200d,主要出现在春季和冬季。1.2风速、风向测定1998—2002年的风速、风向原始数据及降水资料均取自于中国科学院奈曼沙漠化研究站气象观测场(42°55′N,120°45′E;海拔358m)自记系统,数据采集间隔时段为1h。风速、风向的观测高度为10m,原始风向数据用0°~360°方位角表示。由于系统故障,导致个别月份的数据不够完整,有鉴于此,起沙风频数均用起沙风出现的时数与总统计时数的百分比表示。1.2.1速及出现频数将逐年的原始风速、风向数据以1h为统计单位,根据有关研究结果统计计算每月风速≥5m·s-1的起沙风的平均风速、最大风速及出现频数。为了突出起沙风的分布特征,并基于计算合成输沙势的需要,仅分析起沙风的风向变率,即先将逐年原始数据中风速低于5m·s-1的数据删去,然后以1h为统计单位,逐月统计N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SW、SSW、WSW、W、WNW、NW和NNW16个方位的起沙风,并计算不同方位起沙风的平均风速、最大风速及出现频数。1.2.2pohential的计算输沙势(DriftPotential,简称DP)代表潜在的最大输沙量,按矢量单位(VU)计算,通常用能够以图解形式显示输沙量及方向变率的沙玫瑰图来表示。沙玫瑰图为输沙量环形频率分布图,表示16个方位的潜在输沙量。图内臂长与给定的方向输沙量成正比例;各个方向的矢量单位总和在矢量上可归结为单一合成量,该合成输沙方向的量称之为合成输沙势(ResultantDriftPotential,简称RDP),该合成输沙方向(ResultantDriftDirection,简称RDD)表示输沙的净走向。在计算RDP之前,首先要选择一个能利用起沙风资料计算输沙量的加权方程。Bagnold、Lettau和Lettau等的输沙量经验方程都表明,输沙量与摩阻速度有关。由于Lettau和Lettau的方程与Belly(1965)的风洞实验结果一致,而且科尔沁沙地的地表状况基本符合该方程的假设条件,因此,本文采用Lettau和Lettau的输沙量方程计算相对潜在输沙量。方程为:q=C(d/D)1/2(ρ/g)(u∗−u*t)u2∗(1)q=C(d/D)1/2(ρ/g)(u*-u*t)u*2(1)式中:q为输沙量;g为重力加速度;ρ为空气密度;d为沙物质粒径;D为标准粒径(0.25mm);u*为摩阻速度;u*t为临界摩阻速度;C为回归系数(4.2)。依据Edwin的表述,用10m高度的风速近似代表摩阻速度,于是方程(1)可归纳为:q∝V2(V−Vt)(2)q∝V2(V-Vt)(2)一定时间内的输沙量则为:q∝V2(V−Vt)t(3)q∝V2(V-Vt)t(3)式中:V2(V-Vt)又称加权因素;V为起沙风风速;Vt为临界起沙风速(5m·s-1);t为起沙风出现频数。2结果与分析2.1月至5月从图1可以看出,研究区近5a来各月起沙风的出现频数及其风速特征存在一定差异。一年之中,起沙风的月平均风速基本在5.3~7.5m·s-1之间波动,其中春季(3~5月)较高,平均风速为6.6m·s-1,3、4月的平均风速达到了6.9m·s-1,个别年份超过了7m·s-1;秋冬季(9月至翌年2月)次之,平均风速为6.3m·s-1;夏季(6~8月)较低,平均风速为5.8m·s-1。从起沙风的年内出现频数及最大风速看,研究区每年都会出现两个风力强劲频繁期,即3~5月和10月至翌年2月。3~5月起沙风的发生频数很高,分别占21%~35%、25%~42%和12%~24%,出现的最大风速分别为9.5~14.3m·s-1、10.8~16.9m·s-1和9.5~12.5m·s-1;同期的降水量分别为0~11.8mm、12.8~17.1mm和8.1~50.5mm,仅占全年降水的0~4.2%、3.5%~9.3%和2.7%~13.7%,同期的蒸发量却是同期降水量的17.2倍;此期正值地表冻土融化、植物尚未返青或萌动期,地面基本呈裸露状态。10月至翌年2月,起沙风的发生频数占4%~30%,出现的最大风速为7.5~14.3m·s-1。该时段内尽管风力较大,但前期仍有枯萎的植被覆盖地表,后期表土层封冻(10月底冻结,3月初冻融),下垫面的可移动性不大。可见,3~5月是起沙风多发期、地表冻融裸露期及大气、土壤干旱期相耦合的时期,这种多重因素的耦合为地表的风沙运移提供了强有力的动力条件和丰富的沙源。由此,3~5月可视为研究区的风沙活动期。统计分析还发现,起沙风的出现频数及其风速特征在年际间亦存在着一定的差异。1998—2002年逐年的起沙风频数累计分别为197%、181%、176%、148%和185%,逐年3~5月的起沙风频数累计分别为75%、68%、88%、85%和89%,逐年3~5月的起沙风平均风速分别为6.6m·s-1、6.3m·s-1、6.8m·s-1、6.7m·s-1和6.8m·s-1。由此可见,从1998—2001年,年起沙风频数呈逐年递减趋势,而2002年有所增加,但真正能引发沙尘移动的起沙风频数(3~5月累计频数)在2000—2002年近3a内呈较高的态势,且风力较为强劲。2.2风向沙风场的频率和平均风速表1为研究区近5a来风沙活动期间不同风向起沙风的风速变化动态,图2反映的是同期起沙风的方向变率。结合表1和图2来看,研究区4月的风力更为强劲频繁,3月次之,5月较弱。3~5月为典型的锐双峰风况,西北风占主导地位,南风和西南风次之。3月各风向起沙风的累计频数为27.9%,其中NNW、NW、WNW最多(每一风向的出现频数达4.1%以上),累计频数达15.9%,平均风速也较高,在6.7~7.8m·s-1之间,最大风速为12.2~14.3m·s-1;WSW、S、W、SSW及N风的频率亦较高(每一风向的出现频数达1.4%以上),累计频数达9.1%,平均风速为6.0~7.2m·s-1;其余8个风向风的累计频数只有2.9%。4月各风向起沙风累计频数为33.3%,其中S、SSW、NW、NNW和WNW最多,累计频数达23.6%,平均风速在6.3~8.4m·s-1之间,最大风速为10.6~16.9m·s-1;N、WSW、SW及W出现的频率亦较高,累计频数达7.3%,平均风速为6.5~7.4m·s-1;其余7个风向风的累计频数只有2.4%。5月各风向起沙风累计频数为19.0%,其中WNW、NW、NNW、S、SSW、N和W较多,累计频数达15.0%,平均风速为5.9~6.6m·s-1,最大风速为8.4~12.5m·s-1;其余9个风向风的累计频数为4.0%。2.3沙动态特征输沙势和输沙方向能够清楚地反映一个地区的风沙活动强度以及沙物质的搬运方向。通常高合成输沙势地区有较高的风能,表现为风向较单一或风沙活动强度较大;而低合成输沙势地区表现为多风向或风沙活动强度较小。从逐年输沙势的月变化动态看(表2),研究区的DP和RDP也有两个高值区段,分别为3~5月和10月至翌年2月,并且3、4月的DP和RDP值都较高。输沙势的年内分布特征与上述起沙风的变化趋势一致。另外,风沙活动期的RDP、DP和RDD在年际间也有差异,其中2000—2002年的DP/RDP值较高,RDP较大,表明近3a内的风向较单一,风沙活动强度大,土壤风蚀强烈。从沙玫瑰图(图3)看,研究区近5a来风沙活动期的RDP为66.3VU,RDP/DP为0.67,RDD为ESE113°。根据Fryberger的区域风能分类标准(表3),本区在风沙活动期间为锐双峰风况,属于高风能环境,风沙流活动以风蚀为主,沙物质朝东南偏东方向输移。3沙漠化转沙期1998—结论与讨论(1)近5a来,研究区春季起沙风的发生频率最高,风速最大。从3~5月起沙风的风向变率看,主要有西北风、南风及西南风两组优势风向,其中西北风发生频次高,风力强劲,是造成研究区沙物质向东南方向移动的主导风;南风及西南风的发生频次及风速虽不及西北风,仍然会携带一定的沙量向东北方向移动,从而引起输沙净走向向东南偏东偏移。(2)研究区DP和RDP的年内分布特征与起沙风的月变化趋势一致,每一年总会出现3~5月和10月至翌年2月两个高值区段,而6~9月为低值区段。由于3~5月的降水很少,仅占全年降水的0~13.7%,而同期的蒸发量却很大,约为同期降水量的17倍,由此造成已经冻融的表土层呈干旱疏松状态;加之这一时期大面积分布的沙质草地植被盖度极小,仅有0.3%~16%,尚不能有效地覆盖保护地表;沙质农田正值春耕播种期,表土层完全裸露,在强风的作用下,极易风蚀。因此这三个月是研究区土壤风蚀的主要发生期;10月至翌年2月也是起沙风多发期,但由于地表仍有枯萎的植被覆盖或进入封冻状态,土壤风蚀发生的可能性显著下降;6~9月起沙风发生频率低、风速小,特别是这一时期植物已进入旺盛生长期,地面植被盖度较大,土壤风蚀发生的可能性极小。由此表明,3~5月为研究区的风沙活动期,此区段内的输沙量可近似看作是研究区的年总输沙量。(3)研究区近5a来平均每年3~5月的RDP为66.3VU,RDD为113°,RDP/DP为0.67。按照Fryberger的区域风能分类标准,科尔沁沙地在春季属于高风能锐双峰风向的高合成输沙势地区,风的输沙能力较强,沙物质向东南方向移动。以往有研究曾依据区内5月份两个典型大风天气下不同下垫面的风沙流结构数和特征值,得出了流动沙丘、半流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘均处于风蚀或搬运状态的结论;刘新民等也发现,研究区新月型沙丘的移动速度为16.1m·a-1,新月型沙丘链的移动速度为8.1m·a-1,沙垄的移动速度为9.9m·a-1。上述研究结果都表明,研究区的季节性风蚀活动非常强烈。(4)由3~5月的RDP值可知,研究区1998年属中等风能环境,1999年属低风能环境,2000—2002年属高风能环境。已有降水资料表明,研究区除了1998年的年降水量(369mm)与该区多年平均降水量(366mm)