彰武縣北部沙區(qū)沙塵天氣特征研究

張日升,遲琳琳,宋鴿,王翠萍

(1.遼寧省沙地治理與利用研究所,遼寧章古臺(tái)科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,遼寧 阜新 123000;2.國(guó)家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,陜西 西安 710048)

沙塵天氣是指強(qiáng)風(fēng)從地面卷起大量沙塵,使空氣混濁,能見(jiàn)度明顯下降的一種天氣現(xiàn)象[1]。根據(jù)我國(guó)氣象部門(mén)的規(guī)定,沙塵天氣分為浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴、特強(qiáng)沙塵暴5個(gè)等級(jí)。它的發(fā)生不僅破壞了生態(tài)環(huán)境污染了空氣,還對(duì)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活造成了一定的危害[2,3]。

遼寧省彰武縣北部地處科爾沁沙地南部,地屬半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶,屬亞濕潤(rùn)半干旱區(qū),不僅風(fēng)多、風(fēng)大、風(fēng)急,而且年均降水量450 mm,極端干旱年份曾在270 mm左右,而同期蒸發(fā)量卻是降水的3～5倍。加之,風(fēng)期與旱期同步,形成“十年九旱”的現(xiàn)象。而且彰武縣北部地處蒙古、華北植物區(qū)系交錯(cuò)地帶,是我國(guó)東部林區(qū)向西部草原的過(guò)渡帶,地處我國(guó)一級(jí)生態(tài)敏感帶上,生態(tài)環(huán)境脆弱。特殊的環(huán)境,使彰武縣北部沙塵天氣頻發(fā),是遼寧沙塵天氣的高發(fā)區(qū)。

根據(jù)周自江、王小玲等對(duì)我國(guó)多年的沙塵天氣數(shù)據(jù)分析認(rèn)為,我國(guó)的沙塵天氣從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始逐漸減少,2000年以后有增加的趨勢(shì)[4,5]。高振榮等研究認(rèn)為,大風(fēng)日數(shù)減少、平均風(fēng)速減小是敦煌地區(qū)沙塵天氣呈明顯遞減的主要?dú)庀笤騕6]。從資料上看,對(duì)沙塵天氣的研究主要集中在我國(guó)的西北和華北地區(qū),對(duì)東北地區(qū)的沙塵天氣研究較少。本文研究遼寧省彰武縣北部章古臺(tái)鎮(zhèn)的沙塵天氣特征,以期為遼西北沙區(qū)的生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地南部的章古臺(tái)鎮(zhèn)(42°43′—42°51′ N,120°53′—122°22′ E),屬中溫帶亞濕潤(rùn)干旱地區(qū),隸屬遼寧省阜新市彰武縣,主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是干旱多風(fēng)。1983—2021年年均氣溫6.63 ℃,年均降水量494.0 mm,降水變化率大,各季分配不均,70%以上集中在夏季;年均蒸發(fā)量1 463 mm,相對(duì)濕度62.8%,旱季長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月。冬季以西北和偏北風(fēng)為主,平均風(fēng)速2.5 m·s-1;春季多南風(fēng)、偏西南風(fēng),風(fēng)力大,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。土壤類型以風(fēng)沙土為主,占89.4%,土壤有機(jī)質(zhì)及其他養(yǎng)分含量都比較低。該地區(qū)從1955年開(kāi)始營(yíng)建以樟子松和楊樹(shù)為主的防風(fēng)固沙林。

2 材料與方法

沙塵天氣數(shù)據(jù)取自遼寧章古臺(tái)科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站觀測(cè)記錄,氣象數(shù)據(jù)來(lái)自該站的自動(dòng)氣象站(CAWS600B,華云公司,中國(guó)),降雨量監(jiān)測(cè)采用SL3-1型雙翻斗式雨量傳感器。沙塵天氣的開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、類型風(fēng)向、風(fēng)力由人工觀測(cè)。

本文采用Excel2021軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙塵天氣次數(shù)的年分布特征

沙塵天氣監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。由表1可見(jiàn),2010—2021年共監(jiān)測(cè)到彰武北部章古臺(tái)地區(qū)發(fā)生沙塵天氣154次,平均年發(fā)生沙塵天氣次數(shù)為12.8次。其中2018年是沙塵天氣最多的一年,共發(fā)生了21次。2014年最少,共發(fā)生了5次。從沙塵天氣發(fā)生等級(jí)看,強(qiáng)沙塵暴發(fā)生2次,沙塵暴發(fā)生11次,強(qiáng)沙塵暴與沙塵暴占沙塵天氣的8.4%。雖然沙塵暴頻率不高,但強(qiáng)度較大,破壞力強(qiáng),由沙塵暴造成的大氣污染及對(duì)環(huán)境的破壞十分嚴(yán)重。浮塵天氣較少,共發(fā)生12次。浮塵主要受我國(guó)西北路和西路沙塵暴的影響,遠(yuǎn)處沙塵經(jīng)上層氣流攜帶而來(lái)。章古臺(tái)地區(qū)的沙塵天氣以揚(yáng)沙天氣為主,12年間共發(fā)129次,占沙塵天氣的83.8%。在章古臺(tái)地區(qū)沒(méi)有監(jiān)測(cè)到特強(qiáng)沙塵暴。

表1 2010—2021年沙塵天氣月分布情況 單位:次

圖1 沙塵天氣的年度變化

沙塵次數(shù)存在明顯的年際變化,呈波動(dòng)起伏狀,2011—2015年,沙塵發(fā)生次數(shù)較少,年均≤12次,2016—2021年,沙塵發(fā)生次數(shù)在13～21次。

3.2 沙塵天氣次數(shù)的月分布特征

2010—2021年章古臺(tái)地區(qū)的沙塵天氣從2月開(kāi)始,到6月結(jié)束,主要發(fā)生在3—5月。在各年中沙塵天氣發(fā)生最早的日期是2018年的2月8日,最晚的日期是同年的6月12日。從表1中可以看出,12年間3月份發(fā)生了29次沙塵天氣,占總沙塵天氣的18.8%;4月發(fā)生63次,占40.9%,5月發(fā)生56次,占36.4%,可見(jiàn)4月、5月是章古臺(tái)地區(qū)沙塵天氣發(fā)生的主要月份。4月是當(dāng)?shù)赝寥劳耆鈨龅臅r(shí)期,祼露的地表有大量的沙塵物質(zhì);5月是當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕的重要月份,大量的農(nóng)田表層土壤活化,又受到強(qiáng)風(fēng)的影響極易發(fā)生揚(yáng)沙,這是造成這2個(gè)月份的沙塵天氣較多的重要原因。

3.3 日變化和持續(xù)時(shí)間

將2018—2021年每次沙塵天氣出現(xiàn)具體時(shí)段以小時(shí)為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到了章古臺(tái)地區(qū)每小時(shí)出現(xiàn)的累積次數(shù),并與這4年的沙塵天氣出現(xiàn)總次數(shù)相比得到頻率。

從圖2可以看出,章古臺(tái)地區(qū)全天都可能發(fā)生沙塵天氣,白天相對(duì)較多,主要出現(xiàn)在11:00—19:00,夜間較少,凌晨4:00—7:00最少。

圖2 沙塵天氣發(fā)生時(shí)間頻率曲線

根據(jù)2018—2021年每次沙塵天氣發(fā)生的起止時(shí)間計(jì)算持續(xù)時(shí)間,2018—2021年章古臺(tái)地區(qū)沙塵天氣發(fā)生平均時(shí)長(zhǎng)為7 h 42 min。其中,2018年章古臺(tái)地區(qū)沙塵天氣平均時(shí)長(zhǎng)為6 h 26 min,2019年為8 h 26 min,2020年為6 h 35 min,2021年為9 h 7 min。章古臺(tái)地區(qū)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的沙塵天氣為18 h(2019年4月16日11:00—17日5:00),最短的沙塵天氣為1 h 30 min(2020年4月24日17:30—19:00)。

3.4 發(fā)生沙塵天氣時(shí)的風(fēng)力因子

3.4.1 風(fēng)向 對(duì)2019—2021年沙塵天氣的風(fēng)向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),在沙塵天氣發(fā)生時(shí),西南風(fēng)占35.3%,其次南風(fēng)為29.4%,再次西北風(fēng)為23.5%,最后是北風(fēng)和西風(fēng)(圖3)。西南風(fēng)和南風(fēng)占沙塵天氣發(fā)生時(shí)風(fēng)向的64.7%,主要原因是章古臺(tái)地區(qū)4—5月吹西南風(fēng)和南風(fēng)時(shí),氣溫較高,地表易干燥,更有利于地表沙塵的活化。

圖3 發(fā)生沙塵天氣時(shí)的主要風(fēng)向

3.4.2 風(fēng)力 根據(jù)監(jiān)測(cè),章古臺(tái)地區(qū)當(dāng)5級(jí)風(fēng)持續(xù)1 h左右時(shí),就可能發(fā)生揚(yáng)沙天氣,當(dāng)風(fēng)力達(dá)到6～7級(jí)時(shí),可能發(fā)生沙塵暴。

3.5 沙塵天氣與環(huán)境因子的關(guān)系

將2017—2021年沙塵發(fā)生次數(shù)與當(dāng)年冬春季(11月—4月)氣象指標(biāo)及前一年秋季植被蓋度進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示:沙塵次數(shù)與當(dāng)?shù)囟杭敬箫L(fēng)日數(shù)和平均氣溫顯著相關(guān)(表2),與前一年秋季植被蓋度具有一定的相關(guān)性,但關(guān)系不顯著,與冬春季的平均降水量和蒸發(fā)量不相關(guān),原因是沙塵天氣是大尺度范圍內(nèi)的,與小區(qū)域內(nèi)的氣象和下墊面條件關(guān)系不大。

表2 沙塵發(fā)生次數(shù)與冬春季氣象指標(biāo)間的相關(guān)性

4 結(jié)論

4.1 2010—2021年共監(jiān)測(cè)到彰武縣北部章古臺(tái)地區(qū)發(fā)生沙塵天氣154次,平均年發(fā)生沙塵天氣次數(shù)為12.8次,以揚(yáng)沙天氣為主。

4.2 彰武縣北部章古臺(tái)地區(qū)的沙塵天氣從2月開(kāi)始,4月和5月是沙塵天氣集中發(fā)生的月份。沙塵天氣多發(fā)生在白天的11:00—19:00,夜間較少,凌晨4:00—7:00最少。

4.3 在彰武縣章古臺(tái)地區(qū),西南風(fēng)和南風(fēng)發(fā)生沙塵天氣的概率大,其次是西北風(fēng)。在3—5月5級(jí)風(fēng)持續(xù)1 h左右,發(fā)生沙塵天氣的概率較大。每年沙塵次數(shù)與當(dāng)?shù)囟杭敬箫L(fēng)日數(shù)和平均氣溫顯著相關(guān)。