乌审旗近60年来风沙天气与气候变化分析

乌审旗近60年来风沙天气与气候变化分析

风是形成地形的基本营力之一，特别是在干旱气候条件下，它不仅是决定沙漠表面形状的主要动力，也是沙害的直接动力。对一个地区风沙活动强度的研究,不仅是揭示该区沙丘形成演变的前提条件,也是为区域沙害防治服务的理论依据。毛乌素沙地虽然位于半干旱草原地区,但流沙广布,风沙危害严重,是我国荒漠化研究的重点地区。根据土地沙漠化发生的不同地貌和沙源类型,分为就地起沙型和风沙型两类,其中就地起沙型沙漠化还可分为沙地就地起沙型、河流谷地就地起沙型和风化残积就地起沙型3种,不同类型沙漠化土地不仅具有不同的地理分布和地貌类型特征,而且具有不同的粒度分布特征。一般认为,现代沙漠化主要是人为因素作用的结果,是人为作用对生态系统的干扰和植被破坏后,以风力为主导外营力所产生的土地退化,从人类活动对环境的影响分析和景观变化与沙漠化的关联分析也证明了这一观点。因此,人类的积极干预加上相对优越的水热条件使得毛乌素沙地比我国其它任何一个沙漠更有希望被改良和利用。客观认识该区风沙活动规律,是治理区域风沙灾害、改良和利用沙地的前提,但目前关于该区风沙活动规律的研究报道并不多见。本文以地处毛乌素沙地腹地的乌审旗为研究区,计算分析该区风沙活动强度和一般特征,以期为毛乌素沙区风沙灾害的防治实践提供理论依据。1研究领域和方法1.1气候、土壤条件乌审旗位于内蒙古自治区鄂尔多斯市西南部,内蒙古自治区最南端,地处黄河流域中上游,毛乌素沙地腹部。海拔一般在1300～1400m,地势西北高、东南低,沙漠、滩地、梁地呈西北—东南条带状分布。该旗位于温带南部季风区的边缘,属温带极端大陆性气候,干旱多风,蒸发强烈,日照充足。年平均气温为7.1℃,年日照时数平均为2956.6h.,无霜期平均为140～150d,年平均降水量为355.1mm,全年降水不均,秋季降雨量占全年的70%左右,而蒸发量是年降雨量的7倍。土壤类型与其地貌类型相对应,对应梁地、滩地、沙地地貌的土壤类型分别为栗钙土、草甸土、盐碱土或沼泽潜育土以及各类风沙土,其中以风沙土分布最广,约占全旗土壤面积的78.3%。该旗属于典型草原带,境内的天然植被有栗钙土上发育的地带性植被—本氏针茅群落、柠条灌丛,沙地植被类型有沙地先锋植物群落、油蒿群落、臭柏灌丛、中间锦鸡儿灌丛、柳湾林等等,低湿地植被主要分布在河漫滩、湖滨低地、滩地、丘间低地等,盐化草甸为轻盐渍化草甸土上形成的草甸群落。1.2学习方法1.2.1全站建站时间和气象条件沙尘天气、风速、风向资料均来源于乌审旗内乌审召乡、达布察克镇和河南乡3个气象站,3个站建站时间分别为1990,1959和1982年。沙尘天气按照各站建站以来至2005年的数据进行统计。为了便于不同台站的比较,沙尘天气空间变化统计,起沙风、输沙势和输沙量的统计和计算都采用各站1990-2005年的气象数据。1.2.2计算砂量强度的指标(1)临界起沙风速临界起沙风速会因观测时距、观测高度、起沙性质的变化而不同。根据前人研究结果,对应于气象站测风10m高度,临界起沙风速取6.3m/s。从3个气象站同期记录中统计大于临界起沙风速的各风速段出现次数和持续时间,得到16方位每年起沙风时间。(2)输沙势特性理论输沙势是衡量区域风沙活动强度的重要指标,也是目前风沙活动强度计算应用最广泛的方法。Fryberger提出了通用的输沙势计算公式DP=V2(V-Vt)t.(1)式中,DP为输沙势,为矢量单位(VU),V为起沙风风速,Vt为临界起动风速,二者单位均为m/h,t为起沙风作用时间,一般以频率表示。(3)输沙率计算公式输沙量的计算依赖于输沙率的精确测定,由于输沙率在空间分布上具有明显的非均一性和随时间变化的非定常性,就目前技术而言,进行长时间输沙总量的连续测定几乎是不可能的。因此,对于较大区域输沙量的计算多通过理论输沙率公式进行。现有的输沙率公式很多,本文计算选择的是凌裕泉提出的“最大可能输沙量”,他选取了两个风力强度不同的多向风地区宁夏沙坡头和莫高窟以及一个主体环流较为单一的新疆尉犁地区进行计算,发现计算结果和各种研究方法所得结果一致。公式为q=8.95×0.1×(V-Vt)1.9,Vt=6.3m/s.(2)其中,q为输沙率,单位取g/cm/min,V,Vt同式(1)。根据该公式计算输沙率,乘以相应时间,就可以得到各站的最大可能输沙量。2沙的活动特征和强度2.1沙的活动特征2.1.1浮尘天气天气类型在乌审旗各站多年平均风沙活动日数中(表1),扬沙天气日数最多,为27d,在3种风沙天气中所占比例为64%左右,其中乌审召乡高达76.44%,可见扬沙是该旗风沙天气的主要形式。而最严重的风沙现象——沙尘暴,多年平均日数达到8.8d,乌审召乡、达布察克镇、河南乡3个站沙尘暴天气日数分别占三种风沙日数的16.4%,17.8%和30.4%。浮尘天气主要与上风向地区的风沙活动有关,全旗多年平均浮尘天气日数为7.5d,3个站浮尘天气日数分别占3种风沙日数的7.1%,27.1%和9.2%。可见乌审旗风沙活动发生频繁,分布广泛。2.1.2沙的活动时间的变化特征(1)沙区年际变化1959-2005年间,乌审旗地区降水趋于减少,气温逐渐升高,气候有暖干化倾向,有利于该区风沙活动加强。但根据乌审旗达布察克镇1959-2005年风沙活动日数统计,该区50a间风沙活动具有明显的年际变化(图1)。其中1961-1965年间风沙活动最频繁,年平均风沙日数达104d,这与1956,1960-1961年两次无防护设施条件下的大范围垦荒有关;1966-1970年间风沙活动减少;而从1971-1977年间风沙活动再一次加强,这与1969-1971年间第3次无防设的毁林毁草开荒有关,1974-1977年间,虽然大风日数与风沙活动较少年份相当,但是各种沙尘天气却显著多于其它年份,这与当时开荒造成地表植被覆盖度减少有关;1978-2000年间实施的“三北防护林”工程以及2000年开始实施的退耕还林还草工程使得林草覆盖率大大提高,相应地从1978-2005年,风沙活动日数尽管存在小范围的波动,但整体大幅度减少(图1)。在年际变化上乌审召、河南乡具有与达布察镇近似的变化规律(图1)。可见人类活动与该区风沙活动密切相关,既有正向的加强也有逆向的干预。(2)年生时期泥沙天气概况从乌审旗各站各月多年平均大风、沙尘暴、扬沙和浮尘日数(图2)可以看出,风沙天气现象均以4月最多,7,8月最少。分季而论,则以春季最多,占全年的44.6%,冬季次之,占21.7%,夏、秋二季最少。春季,大风日数占全年沙尘天气日数的43%,浮尘占58.3%,扬沙占41.5%,沙尘暴占45.2%。春季风沙活动强烈的主要原因在于,气温回升迅速,表土解冻并十分松散,植物枝叶尚未萌发,冷暖气团交汇频繁而引发大风日数增多,导致风沙天气剧增。一年之中7,8,9三个月大风、浮尘、扬沙、沙尘暴日数均最小,分别占全年的16.6%,6.7%、17.9%和14.6%,这显然与该时期降水较多、地面植被较好和风力较弱有关,7,8,9三个月降水量占全年降水的70%至80%,冬季降水稀少甚至个别年份为零。浮尘日数也绝大多数出现在冬、春半年(占82.6%),且春季独占了58.3%,这与春季多风且地面干燥有关,夏季浮尘日数最小,仅占6.7%,显然与该地区进入雨季有关。2.1.3乌审旗沙天气类型分布的区域特征虽然各站在风沙日数的年内分布上均以春季为主,在年际变化上乌审召、河南乡具有与达布察克镇近似的变化规律,但在频繁程度和表现形式上具有明显区别。年平均风沙日数最多的乌审召高达61d,最少的河南乡只有39d。风沙活动频繁的年份有的站高达117d(乌审召,1993年),较少的年份只有14d(河南乡,2003年),风沙活动整体上呈现自北向南逐渐减弱的特征。造成这种差异主要有两方面的原因,一是动力条件的差异,就多年平均大风日数而言,乌审召为30d,达布察克镇为乌审召的1/2,河南乡仅为乌审召的1/3(表1);二是乌审召、达布察克镇、河南乡距离沙源的位置不同,相应地风沙活动呈现从毛乌素沙地腹地向沙地边缘逐渐减弱的特征。为研究风沙活动分布的区域特征,根据3种风沙天气在总的风沙日数中所占比例不同,可将乌审旗风沙天气的组合特征分为下列两种类型(图3),一是扬沙型,占3种沙尘天气总数的76%以上,浮尘在9%以下,年风沙日数在52d以上,代表站是乌审召和达布察克镇;二是扬沙-沙尘暴型,代表站是河南乡,扬沙日数占3种沙尘天气总数的58%,沙尘暴日数占36%,分别是乌审召和达布察克镇的2倍和4倍,年风沙日数为39d。2.2沙的活动强度的特点2.2.1南乡抗风险能力从1990-2005年间乌审旗各站点起沙风作用时间(表2)来看,位于该旗上风向(北部)的乌审召乡起沙风作用时间最长,达10518h.,占到16a总时间的64.8%;其次是位于该旗中部的达布察克镇,起沙风作用时间为2988h.,占总时间的18.4%;最小的是位于南部的河南乡,为2736h.,占到全年总时间的16.9%。对不同风向起沙风作用时间统计(表2)显示,3个站点多年平均起沙风作用时间以WNW,NW,NNW,N,W的5个风向为主,分别占所有风向起沙风的22.4%,21.9%,18.4%,6.7%和4.9%,合计占74.2%,可见乌审旗境内的主害风为西北风。上述起沙风作用时间是不同等级起沙风作用时间的总和,对不同等级起沙风速作用时间占总数百分比统计(表3)可以看出,风速越大出现频率越小。6.4～7.3m/s的风速平均占总时数的46%左右,最大的为达布察克镇,占到55.6%,最小的为河南乡,占41.2%;6.4～8.3m/s的风速平均占到70.1%,其中达布察克镇达到82.6%,河南乡最小,也有62.7%;而6.4～10.3m/s的风速平均占90%左右,其中达布察克镇占到97%左右,最小的河南乡也占到82.9%。因此,乌审旗地区的起沙风集中在6.4～10.3m/s之间。2.2.2乌审旗主要输沙势能力Fryberger将区域风环境分为高能(>400VU)、中能(200～400VU)及低能(<200VU)3类。从乌审旗多年输沙势计算结果可以看出(表4),乌审旗以河南乡最大,达到333.87VU,最小的是达布察克镇,有218.94VU,乌审召乡介于二者之间。由此可见,乌审旗整体上处于中风能环境。2.2.3最大可能合成输沙量的确定根据最大可能输沙率的计算公式,得到各站不同风向在一定时段内的最大可能输沙量(图4)。根据式(3),(4),(5),(6),利用不同风向的输沙量便可求得最大可能合成输沙强度与合成输沙方向(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)最大可能合成输沙强度为:Q=((∑QN)2+(∑QW)2)1/2,(5)最大可能合成输沙方向为:A=arctan(∑QN/(∑QW)).(6)不同风向在一定时段内的最大可能输沙量的计算表明(图4),3个站点在WNW,NW,NNW这3个风向上的输沙量和分别占总输沙量的72.21%,51.02%和70.10%;3个站点在W,WNW,NW,NNW,N的5个风向上的输沙量总和平均占各站总输沙量的76%左右,这与该旗起起沙风的风向频率分布一致(表2)。合成输沙量的计算结果显示(表5),整个乌审旗的输沙量差异较大,最大的乌审召达17504.19kg/(m·a),而达布察克镇与河南乡分别为4134.94kg/(m·a)和4521.05kg/(m·a),只有乌审召的1/4左右。达布察克镇输沙量略小于河南乡,这是因为达布察克镇高层城市建筑物等对风速有减弱作用。总体而言,乌审旗风沙活动强度呈现自北向南逐渐减弱的趋势。3乌审旗沙活动特征及强度乌审旗风沙活动频繁,在1959-2005年间乌审旗各种风沙活动日数高达3437d;在3种风沙天气中,扬沙是风沙活动出现的主要形式,所占比例为64%左右;本区3个气象台站均有高频率的沙尘暴发生,平均每年沙尘暴日数都在6d以上。1959到2005年间,1961-1965年、1971-1977年为风沙活动最强烈的两个阶段,1978年以来风沙活动逐渐减弱。风沙天气现象均以4月最多,7,8月最少,春季最多,冬季次之,夏、秋二季最少;从风沙活动空间变化来看,乌审旗风沙天气的组合特征分为两种类型:一是扬沙型,代表站是乌审召和达布察克镇。二是扬沙-沙尘暴型,代表站是河南乡。乌审旗风沙活动强度呈现自北向南逐渐减弱的趋势,乌审召、达布察克镇、河南乡起沙风作用时间依次为10518h,2988h和2736h.。3个站点多年平均起沙风以WNW,NW,NNW,N,W的5个风向为主,占所有起沙风风向的74.2%。该区整体处于中风能环境,3站年输沙势平均为274.4VU,3站在W,WNW,NW,NNW,N这5个风向上的输沙量总和平均占各站总输沙量的76%左右。合成输沙量的计算结果显示,整个乌审旗的输沙量差异较大,最大的乌审召达17504.19kg/(m·a),而达布察克镇与河南乡分别为4134.94kg/(m·a)和4521.05kg