中國西北三省(區(qū))風雪流發(fā)生的可能性

張 帥, 丁國棟, 趙媛媛, 高廣磊, 于明含, 包巖峰

(1.北京林業(yè)大學 水土保持國家林業(yè)局重點實驗室, 北京 100083; 2.北京林業(yè)大學 水土保持學院寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 北京 100083; 3.中國林業(yè)科學研究院 荒漠化研究所, 北京 100091)

雪害是現(xiàn)今世界所面臨的十大災害之一[1]，風吹雪或稱風雪流是雪害的重要組成部分，對降雪以及積雪起著重新分配的作用[2-3]。當風力達到一定的強度，雪粒被搬運，輸移，隨風一起運動便形成了風雪流[4]。風雪流是氣流挾帶著分散雪粒的非典型兩相流[5]。風雪流的研究與防治是一個綜合性的研究領(lǐng)域，同氣象、地形地貌、環(huán)境等多方面都有密切的聯(lián)系[6-7]。針對風雪流的研究能揭示風雪運動規(guī)律，減輕風雪災害，促進風雪災害區(qū)的生產(chǎn)發(fā)展。國外在20世紀30年代就已經(jīng)開始了對風雪流的研究，50—60年代研究的主要內(nèi)容是風雪流的基本規(guī)律和理論；70年代至今，對風雪流的研究深入到發(fā)生機理；目前國外研究風雪流的機理特征的主要方法是數(shù)學模型法[8]。中國在建國初期基于國防建設需要，開始了對風雪流的研究；在20世紀70年代后，風雪流作為災害防治的一個研究領(lǐng)域，得到了快速的發(fā)展，在風吹雪形成的物理過程、中國雪害區(qū)劃、分布規(guī)律以及災害的防治等方面都有了詳細的研究[9-11]?，F(xiàn)有研究建立了眾多風吹雪模型，分別討論了溫度、積雪時間、與雪粒粒徑對啟動摩阻風速的影響，分析了不同雪粒形狀對風雪流過程的影響[12-14]，但是基于數(shù)值模擬的模型研究都是以跟蹤單顆雪粒的運動為基礎(chǔ)，在平坦床面上建立的一維模型，且雪粒被簡化為規(guī)則球體的微觀分析；王中隆[15]對風吹雪地區(qū)的劃分主要基于野外觀測調(diào)查，對于宏觀尺度風雪流發(fā)生的預測研究較少。風雪流的發(fā)生及其差異是氣候、地形、人為等多因素綜合作用的結(jié)果[16]，其形成過程需要有豐富的降雪或積雪，同時還需要一定的風力，2個條件缺一不可，因此風速和雪是影響風雪災害最重要的兩個因素[17]。本研究擬從氣象資料入手，分析風雪流形成的條件，在宏觀尺度上對風雪流發(fā)生可能性進行等級劃分。分析氣象數(shù)據(jù)，考量風雪流形成條件，研究風雪流發(fā)生可能性，以期為北方地區(qū)防治風雪災害提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究資料

本研究選取中國新疆、內(nèi)蒙古、甘肅3省有氣象資料記錄的區(qū)站，采集1981—2010年30 a間的地面氣象數(shù)據(jù)資料。由于風雪流災害多發(fā)生在每年的冬春季節(jié)，所以對1，2，3，10，11，12這6個月的數(shù)據(jù)進行分析。氣象資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，區(qū)站數(shù)共計130個。

風雪流的產(chǎn)生需要2個必要因素，風力條件是風雪流發(fā)生的動力基礎(chǔ)，降雪或積雪是風雪流發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此本研究從風雪流產(chǎn)生的2個條件入手，分析各區(qū)站氣象資料的風速及降雪狀況，認為有降雪或存在積雪的地區(qū)日平均風速達到起動風速時，便存在著風雪流發(fā)生的可能性。

1.2 等級劃分方法

風雪流根據(jù)風速、雪顆粒的吹揚高度可劃分為低吹雪(風速5～8 m/s)、高吹雪(風速8～10.7 m/s)、暴風雪(風速>10.8 m/s)3個類別[18]，風速的大小在一定程度上決定了風雪災害的嚴重程度，因此根據(jù)風速來劃分各區(qū)站發(fā)生風雪災害可能性的初始等級：5～8 m/s(和風)為第1等級；8～11 m/s(清風)為第2等級；>11 m/s(強風)為第3等級。Tominaga等[19]通過野外觀測得出的經(jīng)驗公式表明，長時間的起風天氣會加劇風雪流的災害，因此統(tǒng)計各區(qū)站平均每月達到風雪流發(fā)生條件的天數(shù)，并分析各區(qū)站發(fā)生風雪災害前后的氣象資料，研究持續(xù)性的過境風對風雪流發(fā)生的影響，結(jié)合野外雪面吹蝕狀況，設定每超過5 d，初始等級上調(diào)1級，超過10 d即上調(diào)2級，以此類推。

通過對各區(qū)站的等級評價來分析風雪流災害發(fā)生可能性在空間上的分布，并分析其在時間尺度上的變化趨勢。同時參考中國森林分布，對存在林網(wǎng)的區(qū)站進行調(diào)查，認為在有森林分布的區(qū)域，即使達到風雪流發(fā)生的條件，如果沒有發(fā)生過風雪災害，則表明林網(wǎng)的防護作用較強，在將來也不會發(fā)生風雪災害。由于區(qū)站數(shù)量較多，因此結(jié)果與分析中在每個省份有風雪流發(fā)生可能性的區(qū)站中各隨機選取3個區(qū)站和受地形影響較大的特殊區(qū)站阿拉山口作為代表區(qū)站進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 風雪流的地域分布

根據(jù)風雪災害發(fā)生可能性的等級劃分標準將130個區(qū)站進行等級評定，結(jié)果如表1所示，有85個區(qū)站約占65.4%的地區(qū)存在發(fā)生風雪流的可能性。通過分析各區(qū)站的經(jīng)緯度可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古幾近全境都有發(fā)生風雪流災害的可能，新疆主要集中在北部和東部，甘肅省主要集中在西部；包括新疆中部和南部以及甘肅東部在內(nèi)的34.6%的區(qū)域幾乎不存在風雪流發(fā)生的可能性。

表1 西北3省(區(qū))風雪流發(fā)生可能性各等級區(qū)站數(shù)

甘肅省地處黃河上游，連接黃土高原、青藏高原、內(nèi)蒙古高原，其中中部和東部共計51.7%的區(qū)域都沒有受到風雪流災害的威脅，有風雪流發(fā)生可能性的區(qū)域集中分布在甘肅西部，少數(shù)分布在東南地區(qū)，受祁連山的影響海拔較高，高山積雪會加大風雪災害。內(nèi)蒙古緯度較高，氣候寒冷，幾乎全境都有風雪流災害發(fā)生的可能性，比較嚴重的區(qū)域如朱日和等都位于內(nèi)蒙古中部陰山山脈的北麓，主要影響因素是地形，陰山積雪會加大風雪災害；其他地區(qū)氣候較干燥，降雪較少，風雪流災害相對較弱，主要受到氣候的影響；東北地區(qū)雖然達到風雪流發(fā)生的條件，但由于森林分布較廣，對風雪流起到很強的防護作用，所以基本上不會受到風雪災害的威脅。

新疆地處大陸內(nèi)部，氣候干燥，境內(nèi)半數(shù)地區(qū)不存在風雪流災害的威脅，有風雪流發(fā)生可能性的地區(qū)集中在阿爾泰山及天山附近的綠洲盆地，氣候相對濕潤，少數(shù)區(qū)域在昆侖山西麓；山脈之間的沙漠地區(qū)由于氣候干燥，降雪和積雪都極少，部分綠洲均有植被分布，因此不會發(fā)生風雪流災害。

2.2 風雪流的季節(jié)變化

從新疆、甘肅、內(nèi)蒙古各選取3個滿足風雪流發(fā)生條件的典型區(qū)站以及受地形影響較大的阿拉山口區(qū)站作為代表，分析各月份30 a來的平均風速，以及達到風雪流發(fā)生條件的天數(shù)(表2)。從表2中可以看到，各區(qū)站平均每月達到風雪流發(fā)生條件的天數(shù)最多的月份集中在3，11，12月；平均風速最大的月份在3，12月。阿拉山口各月的平均風速相對穩(wěn)定，且高于大多數(shù)區(qū)站，這是由于阿拉山口靠近風源地，水平氣壓梯度大，極易起風，且阿拉山口地勢狹長，過境氣流由開闊地帶進入狹窄區(qū)域時，由于空氣質(zhì)量不能大量堆積，勢必加速流出峽谷，形成狹管效應，增大了過境風速。

表2 研究區(qū)各區(qū)站達到風雪流發(fā)生條件的天數(shù)及平均風速

綜合分析各區(qū)站的氣象資料我們可以發(fā)現(xiàn)，平均風速以及達到風雪流發(fā)生條件的日數(shù)的最大值均出現(xiàn)在3和12月，表明這2個月發(fā)生風雪流災害時，嚴重程度最大，在有風雪流發(fā)生可能性的區(qū)站應提前制定防護措施。

2.3 風雪流的年際變化

1981—2010年風雪流逐年平均風速如表3所示，阿拉山口由于獨特的地形條件，受人為、環(huán)境等因素干擾較小，平均風速在一個穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)波動；達坂城和13間房的平均風速年際變化較大，達坂城平均風速有明顯下降的趨勢，13間房平均風速在1999年出現(xiàn)急劇跳漲，隨后一直保持在較高水平。其他區(qū)

站在30 a內(nèi)平均風速基本穩(wěn)定，上下波動較小。

圖1為研究區(qū)內(nèi)代表區(qū)站30 a符合風雪流條件的天數(shù)統(tǒng)計。由圖1和表3可以看出，各區(qū)站達到風雪流發(fā)生條件的天數(shù)和平均風速呈正相關(guān)關(guān)系，達坂城和13間房的天數(shù)變化趨勢同平均風速一致，其余區(qū)站雖有波動，但無明顯變化趨勢。結(jié)合表3可知，平均風速和達到風雪流發(fā)生條件的天數(shù)在指示風雪流發(fā)生可能性及災害程度上有較為一致的正相關(guān)關(guān)系，可以將2個指標結(jié)合進行分析。從數(shù)據(jù)我們可以看到，大多數(shù)區(qū)站在30 a內(nèi)生態(tài)環(huán)境沒有得到改善，一直存在著風雪流發(fā)生的可能性，風雪災害仍然是威脅中國西北地區(qū)生產(chǎn)發(fā)展的重大災害之一。

圖1 不同地區(qū)代表區(qū)站30 a符合風雪流發(fā)生條件的天數(shù)

2.4 風向變化

由圖2可以看出，新疆主要受西伯利亞的西北風以及來自太平洋的東南風影響，有害風向為東北風。西北風較為干燥，雪源以高山積雪為主，另外由于部分地區(qū)地處山區(qū)海拔較高，風向還受到山脈走勢的影響；內(nèi)蒙古主要受西風的影響，有害風向西北風偏多，部分地區(qū)由于蒙古高原及陰山山脈的影響，風向偏西南方向；甘肅主要受西北風，由于祁連山山脈也是西北—東南走向，所以對風向的影響作用很小。防護林及防護措施應針對有害風向合理布設，最大化發(fā)揮防護作用。

3 討 論

(1) 由于區(qū)站數(shù)量較多，文中選取10個代表區(qū)站進行分析，對85個有風雪流發(fā)生可能性的區(qū)站的季節(jié)變化、年際變化分析結(jié)論與代表區(qū)站結(jié)論相一致。西北3省份區(qū)站的有害風向以西北風為主，個別區(qū)站由于地形等條件會產(chǎn)生差異。綜上，代表區(qū)站的研究結(jié)論可用來說明西北3省(區(qū))風雪流發(fā)生可能性的特征。

(2) 大風造成的風雪災害具有極強的破壞力，因此大風日數(shù)可以作為風雪流發(fā)生危害程度的指標補充，通過分析130個區(qū)站的大風日數(shù)資料，發(fā)現(xiàn)3和12月是大風日數(shù)最多的2個月，發(fā)生風雪流時危害最嚴重，與上述數(shù)據(jù)一致。風雪同發(fā)期是是風雪流極易發(fā)生的時期，也是發(fā)生風雪流災害最嚴重的時期，在生產(chǎn)實踐中要加強對這一時期的防范，防災減災，減少損失。

(3) 王中隆等[20]在研究中對中國發(fā)生風吹雪的區(qū)域進行劃分，本研究在研究區(qū)內(nèi)的結(jié)果與之相吻合，并進一步對風雪流發(fā)生災害等級進行預測；劉洪鵠等[21]在其研究中統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，風雪流最早發(fā)生在10月，最晚結(jié)束在3月，這一統(tǒng)計結(jié)果表明本研究中對氣象資料的選取是適當?shù)摹?/p>

(4) 建立防護林是防止吹蝕的有效措施，但中國西北地區(qū)氣候相對干旱，不適合大面積的造林活動，因此在營造農(nóng)田防護林、防雪林等人工林時，應結(jié)合當?shù)貧夂蚝蜕鷳B(tài)條件，合理安排種植密度，適度經(jīng)營，促進防護林的可持續(xù)發(fā)展。

圖2 西北三省(區(qū))代表區(qū)站風向玫瑰圖表3 研究區(qū)各代表區(qū)站30 a平均風速

年份平均風速/(m·s-1)阿拉山口達坂城哈巴河十三間房華家?guī)X馬鬃山烏鞘嶺海力素滿都拉朱日和19818.38.47.37.36.77.16.66.87.36.919829.58.16.97.76.27.16.66.36.66.819838.98.17.28.36.16.56.36.16.76.819849.18.26.77.96.66.76.56.36.87.019859.88.76.67.56.56.76.86.26.96.719869.58.56.87.46.96.56.56.46.87.019879.38.77.47.76.76.56.96.76.97.019888.37.87.17.16.26.76.76.46.66.719898.37.67.08.16.46.46.46.46.16.519909.48.46.78.66.66.76.66.46.56.419918.87.96.87.96.26.66.76.66.56.919928.98.36.97.46.46.36.76.56.86.919938.77.67.27.36.36.76.76.66.97.019948.57.26.77.06.46.46.96.56.66.619958.58.16.67.36.56.86.76.46.76.719969.08.16.97.26.27.16.76.86.87.219978.57.97.17.26.56.56.66.56.66.519988.57.46.47.46.46.56.46.56.86.919998.07.46.611.56.16.56.66.36.76.720008.37.46.712.06.26.46.76.76.76.620017.97.46.810.76.06.66.46.97.06.520028.07.56.611.46.26.56.56.66.96.920037.17.86.612.16.66.47.06.26.56.320046.77.36.211.46.26.86.56.66.76.520057.47.26.111.06.36.56.76.16.76.720067.67.36.110.56.26.36.56.16.36.720078.67.26.111.66.76.46.56.36.36.720087.76.46.011.36.66.86.46.46.36.320098.46.56.110.85.96.96.56.56.56.720108.46.76.311.76.37.36.56.86.97.1

4 結(jié) 論

通過分析中國西北3省130個區(qū)站1981—2010年達到風雪流形成條件的天數(shù)及平均風速，可以發(fā)現(xiàn)，北方3省65.4%的地區(qū)有發(fā)生風雪流災害的可能性，48.5%的區(qū)域風雪流發(fā)生可能性等級較低，16.9%的區(qū)域風雪流發(fā)生可能性等級較高；3和12月是平均風速最高，過境時間最長的月份，且大風日數(shù)也最多，是風雪流發(fā)生可能性最大、風雪災害最嚴重的月份，應采取有效措施進行防范；從時間尺度上看，30 a間西北3省各區(qū)站發(fā)生風雪流災害的基礎(chǔ)條件還在，環(huán)境沒有改善的趨勢，大部分地區(qū)仍持續(xù)遭受風雪災害的威脅。