近50年來民勤沙塵暴的環(huán)境特征
近50年來民勤沙塵暴的環(huán)境特征
張克存1 , 屈建軍1 , 馬中華2
（1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 ，甘肅 蘭州 730000；2. 甘肅省民勤縣氣象局，甘肅 民勤 733300）
摘要：根據(jù)民勤縣氣象局近50年來觀測的1436次沙塵暴資料，系統(tǒng)地分析了這一時段沙塵暴發(fā)生的時間特性。從沙塵暴發(fā)生的機(jī)制出發(fā)，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐钠渌鼩庀笠?，初步確定沙塵暴和與之對應(yīng)的氣象要素之間的關(guān)系,為該地區(qū)治理沙害、恢復(fù)生態(tài)提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：民勤； 沙塵暴； 環(huán)境特征
沙塵暴是一種危害極大的災(zāi)害性天氣,它的發(fā)生發(fā)展既是一種加速土地荒漠化的重要過程,又是土地荒漠化發(fā)展到一定程度的具體表現(xiàn)[1]。作為一種氣象災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境問題，早已引起世界各國的注意。30年代美國西南部大草原的過度開墾、放牧和50年代哈薩克斯坦的大量開拓荒地，均導(dǎo)致地表、植被的嚴(yán)重破壞，加之氣候干旱，使數(shù)以百萬噸記的沙塵被吹走，大面積的農(nóng)田被毀，造成極其嚴(yán)重的沙塵暴災(zāi)害。非洲撒哈拉沙漠南緣薩赫勒地區(qū)，在70年代初至80年代中，由于連續(xù)干旱也出現(xiàn)了類似的慘狀。我國也是沙塵暴災(zāi)害嚴(yán)重國家之一，西北地區(qū)為沙塵暴多發(fā)區(qū)，甘肅河西走廊一帶尤為嚴(yán)重，1950年至今共發(fā)生過6次強(qiáng)沙塵暴[2]。本文就以河西走廊東北部的民勤為例探討這一地區(qū)沙塵暴的時間特性。
民勤位于河西走廊東北部，地處巴丹吉林和騰格里兩大沙漠的相壤地帶，境內(nèi)沙漠、戈壁、鹽堿灘地和剝蝕殘丘占全縣土地面積的91%，其中沙漠面積達(dá)92.5萬hm2。平均年降水量110mm左右，而蒸發(fā)量高達(dá)2644mm，為降水量的24倍，干燥度大于4，平均年沙塵暴日數(shù)37天，最大風(fēng)力11級，屬于典型的干旱荒漠氣候。風(fēng)大沙多,大風(fēng)沙塵暴頻繁，風(fēng)沙危害嚴(yán)重，其境內(nèi)沙塵暴的發(fā)生特性在河西走廊沙區(qū)具有很強(qiáng)的代表性[3]。
1. 資料來源
本文根據(jù)民勤縣氣象局自1954年來觀測的逐日沙塵暴資料，詳細(xì)地記錄了每次沙塵暴發(fā)生的起止時間。所統(tǒng)計的沙塵暴是根據(jù)我國的氣象觀測規(guī)范所定義的,即沙塵暴系指由于強(qiáng)風(fēng)將地面大量沙塵吹起,使空氣很混濁,水平能見度小于1.0km的天氣現(xiàn)象[4]。
為了確定沙塵暴和當(dāng)?shù)仄渌鼩庀笠刂g的關(guān)系，還記錄了這一時段的歷年各月大于0.1mm的降水日數(shù)及降水量、月平均風(fēng)速、大于8級的大風(fēng)日數(shù)和耕地變化情況。
2. 結(jié)果與分析
2.1沙塵暴發(fā)生的時間特性
圖1反映了自1954年以來民勤縣沙塵暴發(fā)生的年際變化規(guī)律。★代表每年沙塵暴發(fā)生的次數(shù)，●代表每年沙塵暴累計持續(xù)時間。從圖1不難看出，在這一期間，沙塵暴總的發(fā)展趨勢是在減少，特別是90年代以后，減少的幅度很大，然而在80年代出現(xiàn)了回升[5]。這可能與當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境變化息息相關(guān)，在80年代當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)一度的開墾荒地?zé)岢薄４笃L有梭梭、白刺、沙棗樹和甘草等荒漠植被的戈壁被開墾種植籽瓜，秋收后，原來固定的戈壁大面積裸露，遭受風(fēng)沙襲擊，為當(dāng)?shù)厣硥m暴的發(fā)生提供豐富的物質(zhì)條件。另外，由于大面積的開墾荒地，使得當(dāng)?shù)氐牡叵滤畤?yán)重超采，據(jù)統(tǒng)計從70年代至今，全縣共打井1.1萬多眼，其中200～300m的深井就達(dá)260眼，年提取地下水6億多m3，每年凈超采地下水3億多m3，導(dǎo)致地下水位急劇下降。引起一系列生態(tài)災(zāi)難，如礦化度增加、植被大面積的死亡、天然草場退化等，最終導(dǎo)致風(fēng)沙災(zāi)害加劇，沙塵暴頻繁發(fā)生。
圖2統(tǒng)計了1954～2000年各月沙塵暴的記錄情況，一年中3、4和5月份沙塵暴發(fā)生的次數(shù)和持續(xù)的時間最高，尤其是4月份達(dá)到全年的峰值。5月份以后發(fā)生的次數(shù)和持續(xù)的時間急劇下降，9月份達(dá)到低谷，10月份后又出現(xiàn)回升[6]。沙塵暴這種波動與一年的季節(jié)變化和當(dāng)?shù)氐奈锖蜿P(guān)系甚密。春季沙塵暴發(fā)生的頻率高是由于氣溫回升，裸露的地表開始解凍，土壤變得疏松，另外，由于受蒙古高壓的控制，氣旋活動比較旺盛，為沙塵暴的孕育和發(fā)展提供了動力基礎(chǔ)。5月份以后，隨著氣溫的回升和降水的增加，大面積種植的莊稼使得地表覆蓋度提高，沙塵暴發(fā)生的機(jī)會大大減少。進(jìn)入9月份秋收后，地表零星裸露，沙塵暴又開始增加。不過，冬季由于地表封凍，相對于春季，沙塵暴持續(xù)的時間和發(fā)生的次數(shù)還是比較輕的。另外，對每次沙塵暴持續(xù)的時間特性作了統(tǒng)計，具體情況見表1。
表1 沙塵暴持續(xù)的時間特性
tab. 1 temporal characteristics of sandstorm retaining
沙塵暴持續(xù)時間 （分鐘） 次數(shù) 頻率 （％）
0-120 917 63.86
120-240 305 21.24
240-360 119 8.29
360-480 61 4.25
480-600 23 1.60
≥600 11 0.76
∑ 1436 100
一次沙塵暴一般持續(xù)1到2個小時,從民勤縣氣象局自1954年來統(tǒng)計的1436次沙塵暴持續(xù)的時間可以看到，在0～120分鐘沙塵暴共發(fā)生917次，占63.86％。持續(xù)時間很長的沙塵暴（超過6小時）的比重很小，超過10小時的沙塵暴只有11次，占這一時段沙塵暴總量的7.6％，特大沙塵暴發(fā)生的頻率不是很高。這就是說，沙塵暴是一種短暫的天氣現(xiàn)象，是在大尺度的氣候背景下，由于局地地形、特定的下墊面條件造成不穩(wěn)定的大氣層結(jié)引起的。
表2 沙塵暴發(fā)生的時間特性
tab. 2temporal characteristics of sandstorm occurring
沙塵暴開始時間 次數(shù) 頻率（％）
0:00-3:00 70 4.87
3:00-6:00 55 3.83
6:00-9:00 119 8.29
9:00-12:00 199 13.86
12:00-15:00 264 18.38
15:00-18:00 227 15.81
18:00-21:00 436 30.36
21:00-24:00 66 4.60
∑ 1436 100
從表2可以看出，沙塵暴的發(fā)生時間大多集中在中午至傍晚，夜間至午前相對較少，這顯然與近地層空氣熱力穩(wěn)定性的日變化有關(guān)[7]。午后由于地表升溫，有利于空氣對流，使得氣流的紊動性加強(qiáng)，沙顆粒的起動相對來講比較容易，更重要的是為沙塵暴的孕育和發(fā)展提供了穩(wěn)定的環(huán)境條件，當(dāng)有冷空氣過境時,高低空對流加強(qiáng),有利于沙塵暴的發(fā)生[8]。另外，筆者計算了每年沙暴持續(xù)時間與發(fā)生次數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)r=0.886，在顯著水平a取0.01時進(jìn)行t檢驗，得到t＝12.81＞ta/2 =2.66（自由度n取60），說明每年沙暴持續(xù)時間與發(fā)生次數(shù)之間相關(guān)性非常顯著。
2.2沙塵暴與其它氣象要素之間的關(guān)系
沙塵暴災(zāi)害性天氣的出現(xiàn)，離不開強(qiáng)勁的風(fēng)力、豐富的沙塵源和不穩(wěn)定的空氣諸因子的結(jié)合，其中風(fēng)是沙塵暴發(fā)生的動力條件，沙是物質(zhì)基礎(chǔ)，不穩(wěn)定的空氣層結(jié)為沙塵暴的孕育和發(fā)展提供了良好的環(huán)境基礎(chǔ)。所以研究沙塵暴與諸氣象要素之間的關(guān)系也就是找出這些氣象要素如何影響沙塵暴發(fā)生的這三個基本條件，下面分別加以論述。
2.2.1沙塵暴與大風(fēng)日數(shù)
研究結(jié)果表明,沙塵暴的發(fā)生一般需要足夠強(qiáng)勁持久的風(fēng)力和地表豐富的松散干燥的沙塵，亦即風(fēng)和沙塵是形成沙塵暴的兩個主要因素。我國沙化土地面積20世紀(jì)50年代末期到70年代中期平均每年擴(kuò)展1560km2，至90年代中期每年擴(kuò)展達(dá)2460 km2[9]。這意味著我國地表覆被整體在惡化,沙塵暴的物質(zhì)源越來越豐富,其發(fā)生次數(shù)理應(yīng)呈增多趨勢。這顯然與上述的沙塵暴普遍減少趨勢不吻合,甚至是矛盾的。在這種情況下,沙塵暴的減少將意味著風(fēng)的因素可能起了主導(dǎo)作用[7]。為此,筆者分析了民勤自1954年至2000年期間各年的沙塵暴日數(shù)和大于8級的大風(fēng)情況，分析結(jié)果見圖3。
圖3表明，每年沙塵暴發(fā)生次數(shù)與大風(fēng)日數(shù)存在很好的一致性，相關(guān)系數(shù)r=0.542，在顯著水平a取0.01時進(jìn)行t檢驗，得到t＝4.32＞ta/2 =2.66（自由度n取60），說明每年沙塵暴發(fā)生次數(shù)與大風(fēng)日數(shù)之間相關(guān)性非常顯著。從另一方面也有力的說明在一年內(nèi)為什么春季沙塵暴比較旺盛、持續(xù)的時間較長。春季或初春,在冷鋒到來之前,地面受熱增溫(裸露沙質(zhì)地面),暖空氣在盆地內(nèi)作氣旋性輻合上升,形成熱低壓。輻合上升氣流一直升到3000m高空，再往上主要是輻散氣流，當(dāng)高空氣流的水平輻散超過低層水平輻合氣流的時候，加大了低空輻合氣流的補償作用，有利于地面熱低壓的繼續(xù)發(fā)展。在它的前面和后面出現(xiàn)大風(fēng)，形成沙塵暴天氣[10]。另外，我們還可以看出，從50年代開始到60年代末期沙塵暴發(fā)生的次數(shù)和前面所講的持續(xù)時間有所減少，到80年代初又持續(xù)增加，結(jié)合圖1我們初步推斷沙塵暴的發(fā)展具有周期性。正如以前的學(xué)者所研究的,我國沙塵暴從20世紀(jì)50年代以來呈波動減少之勢,其中60年代和70年代略有上升,80至90年代在減少中有回升；2000年更是急劇增加，這些現(xiàn)象可能預(yù)示著新一輪沙塵暴活躍期已經(jīng)開始[5]。
2.2.2沙塵暴與降水
降水最直觀的特征就是影響地表的濕度從而對沙塵暴發(fā)生的物質(zhì)來源產(chǎn)生影響，因為地表濕度增加，沙顆粒之間的內(nèi)聚力和拖曳系數(shù)加大，這樣沙粒的臨界起動風(fēng)速增加，沙塵暴發(fā)生發(fā)展的幾率會大大減少，具體情況見圖4。
圖4可以看出，降水量多的年份對應(yīng)的沙塵暴會相應(yīng)地減少。進(jìn)一步分析這些數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系發(fā)現(xiàn)，80年代以前，年均降水量和沙塵暴之間的這種反相關(guān)不是很明顯，80年代以后這種反相關(guān)性對應(yīng)的非常良好。這種情況可能是80年代以前影響民勤沙塵暴發(fā)生發(fā)展的主要源區(qū)不在本地而在外地。80年代以后民勤沙塵暴的發(fā)生很大程度上是就地起沙，主要與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的改變，掀起一度的開荒熱種籽瓜，進(jìn)而“棄田拋荒”有關(guān)。
2.3沙塵暴與耕地變化之間的關(guān)系
濫墾是造成沙漠化擴(kuò)張，引起沙塵暴的重要因素之一。由于盲目地開墾土地，自然植被遭到破壞，地表裸露，特別是開墾后大面積輪耕或棄種，導(dǎo)致風(fēng)蝕現(xiàn)象加重[11]。為此筆者分析了民勤縣自1954年來耕地變化情況，見表3。
表3 民勤縣1954-2000年的耕地變化（單位：萬畝）
tab.3 changes of arable lands from 1954 to 2000 in minqin county
年份 耕地面積 棄耕地面積 年份 耕地面積 棄耕地面積
1954 100.15 -1.24 1977 90.9 -0.44
1955 97.15 3.00 1978 91.54 -0.64
1956 103.28 -6.13 1979 92.31 -0.77
1957 102.8 1.00 1980 92.03 0.28
1958 99.89 2.91 1981 91.71 0.28
1959 98.76 1.13 1982 91.38 0.33
1960 95.38 3.38 1983 91.86 -0.48
1961 92.56 2.82 1984 91.05 0.81
1962 91.76 0.80 1985 92.37 -1.32
1963 91.96 -0.20 1986 92.42 -0.05
1964 91.75 0.21 1987 93.24 -0.82
1965 91.48 0.27 1988 93.4 -0.16
1966 92.02 -0.54 1989 93.54 -0.14
1967 91.68 0.34 1990 93.41 0.13
1968 90.32 1.35 1991 91.4 2.01
1969 90.5 -0.18 1992 91.47 -0.07
1970 89.56 0.94 1993 91.57 -0.10
1971 89.72 -0.16 1994 91.69 -0.12
1972 89.99 -0.27 1995 91.64 0.05
1973 89.97 0.02 1997 91.67 -0.03
1974 90.03 -0.06 1998 93.11 -1.44
1975 90.13 -0.10 1999 93.11 0.00
1976 90.46 -0.33 2000 92.8 0.31
從表3很清楚地看出：自50年代起到70年代，民勤縣的耕地面積是在減少，大片的土地棄耕，特別是在60年代初（59年棄耕土地1.13萬畝；60年3.38萬畝、61年2.82萬畝），剛好與這一時期沙塵暴達(dá)到峰值對應(yīng)很好。75年以后，耕地面積變化處于動態(tài)均衡，雖然91年（棄耕2.01萬畝，這與當(dāng)?shù)睾诠献褍r格暴跌有關(guān)）出現(xiàn)突變，基本上以開墾為主。92年沙塵暴又急劇增加，91年（11次）、92年（19次）、93年（12次）。由此可見，棄耕是造成當(dāng)?shù)厣硥m暴的一個主要原因。如何調(diào)整民勤縣的土地結(jié)構(gòu)是一個迫在眉睫的問題，特別是在開發(fā)西北，國家實施退耕還林還草計劃的背景下。如果這一問題處理不好，作為我國北方沙塵暴源區(qū)的民勤將會成為一個加速沙塵暴發(fā)展的啟動器，對我國北方乃至全國生態(tài)環(huán)境的惡化影響至為關(guān)鍵。
3.結(jié)論
本文通過對民勤縣自1954年來發(fā)生的1436次沙塵暴統(tǒng)計得出如下結(jié)論：不論是發(fā)生的頻次還是持續(xù)的時間，沙塵暴總的趨勢是在減少；在一年內(nèi)3～5月份沙塵暴發(fā)生的次數(shù)最多和持續(xù)時間最長，特別是4月份達(dá)到峰值；一天內(nèi)，沙塵暴的發(fā)生時間大多集中在中午至傍晚，夜間至午前相對較少，這與近地層空氣熱力穩(wěn)定性的日變化有關(guān)，而且沙塵暴一般持續(xù)的時間是2個小時左右；初步推斷沙塵暴的發(fā)生具有周期性，這可能與全球性的氣候背景周期性的變化有關(guān)，如太陽黑子，厄爾尼諾等。最后，結(jié)合當(dāng)?shù)氐钠渌鼩庀笠兀瑢@一時段發(fā)生的1436次沙塵暴做了回歸分析，得出如下方程：t=751+110nd+9.8nw-6.0np-3.56p。
致謝
本文在搜集資料的過程中得到民勤縣氣象局、林業(yè)局有關(guān)同志的支持，在此深表感謝！
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