承德沙塵天氣空間分布特征、成因及防治措施

李玄姝，常春平，李云強(qiáng)

（1.河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院／河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050024；2.河北省承德市氣象局，河北 承德067000）

沙塵暴、揚(yáng)沙和浮塵均屬沙塵天氣現(xiàn)象范疇[1]，統(tǒng)稱沙塵天氣。沙塵天氣所引發(fā)的氣候?qū)W效應(yīng)，對(duì)區(qū)域環(huán)境、自然資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及居民的日常生活造成威脅而受到世界范圍的關(guān)注。一些學(xué)者[2－3]開始嘗試?yán)蔑L(fēng)速、降水等氣候因子和下墊面因子建立綜合氣候影響指數(shù)模型，綜合分析氣候因素對(duì)沙塵天氣頻率格局的影響，并取得了一定進(jìn)展。然而沙塵天氣的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，涉及到大氣運(yùn)動(dòng)與地表狀況等諸多因素[4]，精確預(yù)測(cè)沙塵天氣仍有很大的困難，沙塵天氣的綜合氣象指數(shù)模型仍處于探索階段。

承德地處河北省東北部，位于東經(jīng)115°54′—119°15′，北緯40°12′—42°37′，占河北省土地總面積的21.15%，與北京市、天津市，遼寧省朝陽市、內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市毗鄰，處于首都北京與北部的沙地渾善達(dá)克沙地中間，是沙地?cái)U(kuò)張南侵的必經(jīng)之路，因而成為抵御沙塵危害、守衛(wèi)首都北大門的要塞。該地區(qū)屬燕山地槽與內(nèi)蒙古高原過渡地帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，氣候的季節(jié)波動(dòng)很大，地勢(shì)自西北向東南傾斜，地形復(fù)雜，山脈縱橫，河谷狹窄、地面切割破碎，是我國北方地區(qū)受沙塵災(zāi)害危害較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。本文基于1981—2010年承德沙塵天氣及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，分析承德沙塵天氣空間分布特征及其成因，并提出相應(yīng)的防治措施，為更好地防治和減少沙塵天氣的危害提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文資料來源于河北省承德市氣象信息中心，選取承德市、承德縣、豐寧、圍場(chǎng)、灤平、寬城、平泉、隆化、興隆9個(gè)氣象臺(tái)站。每個(gè)氣象臺(tái)站選取1981—2010年的氣象資料，包括：各月風(fēng)沙天氣（沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵）發(fā)生日數(shù)、大風(fēng)日數(shù)、風(fēng)速、降水量和氣溫。

1.2 分析方法

文中采用1981—2010年承德地區(qū)9個(gè)氣象站地面觀測(cè)資料，使用Sigmaplot軟件采用Kriging差值分析承德近30a沙塵天氣、大風(fēng)日數(shù)、風(fēng)速、降水量和氣溫的空間分布，并利用SPSS軟件做相關(guān)分析。為了判定沙塵與各氣象要素之間的密切程度，文中主要采用了相關(guān)系數(shù)值的統(tǒng)計(jì)計(jì)算及t檢驗(yàn)方法[5]，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：r12——兩組變量的相關(guān)系數(shù)；n——樣本數(shù)；x1——變量1；x2——變量2；——變量1，2的平均值。計(jì)算出相關(guān)系數(shù)后，用t檢驗(yàn)方法來判斷相關(guān)性是否在某一水平下顯著，相關(guān)系數(shù)的臨界值計(jì)算公式如下：

式中：rc——相關(guān)系數(shù)的臨界值；n——樣本數(shù)；ta——自由度n－2和顯著水平下的t檢驗(yàn)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙塵天氣的空間分布特征

盡管沙塵災(zāi)害在承德市均有發(fā)生，但是區(qū)域內(nèi)沙塵災(zāi)害發(fā)生的空間差異十分明顯，沙塵天氣多發(fā)于西北部壩上地區(qū)，這一帶沙塵天氣日數(shù)等值線分布較密，由西北向東南遞減趨勢(shì)明顯。近30a來承德沙塵天氣的發(fā)生日數(shù)以豐寧最多，多年平均達(dá)到6.7d／a，其次為灤平，多年平均為4d／a，分別占到承德地區(qū)年均沙塵天氣的25.09%和14.98%，興隆發(fā)生次數(shù)最少，多年平均僅為0.5d／a（圖1）。整體來看，承德沙塵天氣空間分布由西北到東南遞減并有一個(gè)突出的舌形等值線。這條等值線基本上沿著“豐寧—灤平—承德縣—寬城”的方向向東南方向延伸。

圖1 1981－2010年承德年均沙塵天氣的空間分布

2.2 沙塵天氣的空間分布成因

2.2.1 沙塵天氣空間分布的氣候成因

（1）大風(fēng)日數(shù)。強(qiáng)冷空氣是形成沙塵天氣的動(dòng)力因素，是沙塵暴形成的必備條件，強(qiáng)冷空氣通過形成強(qiáng)的氣壓梯度和變壓梯度，使冷空氣能夠推動(dòng)暖空氣加速運(yùn)動(dòng)，從而形成地面大風(fēng)。強(qiáng)冷空氣的形成首先受大尺度環(huán)流的影響，主要是歐洲大槽的東移、歐亞經(jīng)緯向環(huán)流的轉(zhuǎn)變等所誘發(fā)的冷空氣南下形成強(qiáng)冷鋒天氣活動(dòng)或高空低壓槽過境，它是沙塵天氣發(fā)生的主要?jiǎng)恿6]。尤其是在春季，是我國北方地區(qū)冷鋒活動(dòng)最為頻繁的季節(jié)，通常是位于西伯利亞的冷空氣在我國境內(nèi)由西北向東南爆發(fā)，這構(gòu)成了承德沙塵災(zāi)害的主要?jiǎng)恿υ矗瑫r(shí)也影響了承德沙塵天氣的空間分布狀況。1981—2010年承德大風(fēng)日數(shù)空間分布以豐寧最多，多年平均達(dá)到19.23d／a，其次為灤平和圍場(chǎng)，多年分別平均為13.03d／a和12.58d／a，寬城發(fā)生次數(shù)最少，多年平均僅為2.13d／a（圖2a）。大風(fēng)日數(shù)的空間分布整體上呈現(xiàn)從西北向東南沿著“豐寧—灤平—承德縣—寬城”的方向遞減的趨勢(shì)，這與沙塵天氣的空間分布基本一致，經(jīng)過Pearson相關(guān)性分析可知各站點(diǎn)沙塵天氣與大風(fēng)日數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.927，并且通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。這說明該地區(qū)沙塵天氣發(fā)生與大風(fēng)日數(shù)具有較強(qiáng)的正相關(guān)性。

（2）風(fēng)速。風(fēng)速是影響沙塵天氣的重要?dú)庀笠蜃樱挥酗L(fēng)力超過地表臨界侵蝕風(fēng)速，才有可能導(dǎo)致地表風(fēng)蝕和局地沙塵天氣的發(fā)生。近30a來承德風(fēng)速的空間分布以豐寧縣最高，多年年均風(fēng)速平均達(dá)到1.94m／s，其次為平泉和圍場(chǎng)，分別多年年均風(fēng)速平均為1.79m／s和1.74m／s，承德縣風(fēng)速最低，多年年均風(fēng)速平均僅為0.97m／s（圖2b）。該地區(qū)的風(fēng)速也呈由西北向東南遞減的趨勢(shì)。經(jīng)過Pearson相關(guān)性分析可知各站點(diǎn)沙塵天氣與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為0.606，說明風(fēng)速與沙塵天氣的分布具有正相關(guān)性。

（3）降水量。降水通過增大土壤濕度、提高地表物質(zhì)的緊實(shí)度增強(qiáng)土壤的抗風(fēng)蝕能力。承德地區(qū)受到緯度因素和海陸分布的影響，1981—2010年降水量空間分布以興隆最多，多年平均年降水量達(dá)到688.39 mm，其次為寬城，多年分別平均年降水量為601.76 mm，圍場(chǎng)的降水量最少，多年平均年降水量?jī)H為427.87mm（圖2c），降水量由南部、東南部向西北部遞減。經(jīng)過Pearson相關(guān)性分析可知各站點(diǎn)沙塵天氣與降水量的相關(guān)系數(shù)為－0.752，并且通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，表明降水的空間分布與沙塵天氣的空間分布具有較高的反相關(guān)性。

（4）溫度。氣溫與降水因子結(jié)合共同影響地表蒸發(fā)量，從而影響到地表物質(zhì)的抗風(fēng)蝕能力。該地區(qū)受到緯度因素和城市化作用的影響，1981—2010年承德氣溫空間分布以承德縣最高，近30a平均年均溫達(dá)到11.63℃，其次為寬城，多年平均年均溫為11.43℃，圍場(chǎng)年均溫最低，多年平均僅為6.84℃（圖2d）。通過Pearson相關(guān)性分析可知各站點(diǎn)沙塵天氣與氣溫的相關(guān)系數(shù)為－0.33，相關(guān)性不高。

圖2 1981－2010年承德年均大風(fēng)日數(shù)、風(fēng)速、降水以及氣溫空間分布

2.2.2 沙塵天氣空間分布的下墊面成因

（1）地形。下墊面熱力屬性的差異是在一定的天氣系統(tǒng)和獨(dú)特的地貌結(jié)構(gòu)作用下形成的，這種差異容易形成局地小尺度熱力性渦旋，氣層不穩(wěn)定，更容易激發(fā)熱力性對(duì)流，形成沙塵天氣[7]。承德市沙塵災(zāi)害空間分布呈現(xiàn)舌形沿著“豐寧—灤平—承德縣—寬城”等值線向東南方向延伸的特征，舌尖的位置一直達(dá)到寬城附近，恰好對(duì)應(yīng)了灤河的主河道。這說明沙塵天氣的產(chǎn)生與下墊面地形關(guān)系密切，原因如下：第一，灤河的河谷走向?yàn)槲鞅睎|南走向，發(fā)源于豐寧縣壩上大灘鎮(zhèn)，向西流經(jīng)張家口沽源縣，向北流經(jīng)內(nèi)蒙古多倫縣后，再流經(jīng)承德的豐寧、隆化、灤平、雙灤區(qū)、承德市、承德縣、興隆、寬城，最后注入潘家口水庫，恰好與春季時(shí)的盛行風(fēng)向一致，有利于大風(fēng)在河谷內(nèi)穿越，峽谷的管道效應(yīng)促進(jìn)了風(fēng)力的增強(qiáng)，提高了其向下游輸沙的能力。第二，灤河河谷西北高東南低，海拔高度迅速降低，壩上地區(qū)海拔高度為1 260～1 635 m，到隆化、灤平地區(qū)海拔下降為519～578m，承德市海拔高度僅為350m，這樣的地形非常適合風(fēng)場(chǎng)的維持和發(fā)展，為風(fēng)沙的遠(yuǎn)距離輸送提供了非常好的條件。第三，發(fā)生沙塵災(zāi)害的春季，河谷內(nèi)的河道基本是干涸的，河道中的植被由于水位的消落也低于周邊，這樣大量的松散物質(zhì)就暴露在強(qiáng)風(fēng)之下為沙塵天氣的產(chǎn)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。這樣的研究結(jié)果與肖嗣榮[8]研究河北省沙塵天氣時(shí)得到的結(jié)論相似。

（2）地表性質(zhì)。近30a來北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的毛烏素沙地、烏蘭察布市后山地區(qū)、河北壩上地區(qū)，沙化土地的年均擴(kuò)展速度達(dá)8%以上[9]。研究表明，承德壩上高原特別是豐寧、圍場(chǎng)是承德沙塵天氣的主要發(fā)生區(qū)域，豐寧、圍場(chǎng)位于承德西北部與渾善達(dá)克沙地最為接近，因此受到外來沙源的影響最大，該地區(qū)成土母質(zhì)以玄武巖為主，土壤質(zhì)地多為沙壤或沙土質(zhì)地表。山地坡陡，谷深，其中一些地區(qū)山體巖石風(fēng)化嚴(yán)重，同時(shí)由于不合理的人類活動(dòng)（過度開發(fā)自然資源、過量砍伐森林、過度開墾土地）導(dǎo)致植被覆蓋度低，水土流失嚴(yán)重。尤其在空氣干燥少雨的冬春季節(jié)，對(duì)于處于壩上地區(qū)的豐寧來講，沙塵災(zāi)害尤為嚴(yán)重；而位于承德南部、東南部的興隆和寬城由于離沙源區(qū)相對(duì)較遠(yuǎn)，地形相對(duì)較平坦以及較好的植被覆蓋受沙塵天氣影響相對(duì)較小。

3 防治對(duì)策

3.1 合理配置農(nóng)林牧生產(chǎn)比例，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)

首先是調(diào)整農(nóng)林牧用地比例，主要是減少旱作農(nóng)田面積，增加林草用地比例。特別是豐寧和圍場(chǎng)地區(qū)應(yīng)停止在大于25°的陡坡地和沙坨地進(jìn)行耕作，用于種植牧草和灌木，因?yàn)檫@部分土地用于農(nóng)作最容易發(fā)生水土流失，在水分較好的地區(qū)配置一部分農(nóng)田防護(hù)林，改善生產(chǎn)生活生態(tài)條件。在水分條件較差的地區(qū)種植高產(chǎn)人工草地，用于發(fā)展畜牧業(yè)。其次是調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，一方面在南部、東南部農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中加大經(jīng)濟(jì)作物的比重并合理進(jìn)行夏糧與大秋作物的配置；在北部、西北部的人工草地和林地中增加適合于本地區(qū)的種植品種。

3.2 加強(qiáng)植被的保護(hù)、恢復(fù)與重建

執(zhí)行嚴(yán)格的山林保育制度，加強(qiáng)冬季和春季的樵采管理，尤其是河谷地區(qū)的林木采伐。做好水土保持工作，遏制河谷地區(qū)沙源對(duì)于風(fēng)沙災(zāi)害形成的作用。控制家畜數(shù)量，減輕草地壓力，按照草地產(chǎn)草量確定草地的載畜量并加快人工草地建設(shè)。

3.3 減輕人口對(duì)資源環(huán)境的壓力

根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，分析不同地區(qū)資源環(huán)境現(xiàn)實(shí)承載力和潛在承載力，制定相應(yīng)的人口發(fā)展規(guī)劃，使人口增長逐步適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境發(fā)展的需要。對(duì)那些沙塵災(zāi)害已經(jīng)極為嚴(yán)重，已不適于居住的村鎮(zhèn)以及生態(tài)價(jià)值極為重要的片源村莊，要逐步實(shí)行持續(xù)的移民政策，有計(jì)劃的把這些地方的農(nóng)牧民搬遷到附近或其他適宜居住的地方。通過移民和輸出勞務(wù)，減少直接依賴于土地的農(nóng)業(yè)人口，解決一些地區(qū)人口壓力過大的問題。

3.4 完善鄉(xiāng)村發(fā)展規(guī)劃，節(jié)約利用土地資源

合理地進(jìn)行鄉(xiāng)村發(fā)展規(guī)劃一方面可以推動(dòng)農(nóng)村地區(qū)脫貧致富，整合可供農(nóng)村發(fā)展所需的各種資源；另一方面，廣大的農(nóng)村地區(qū)通過科學(xué)合理的管理可以成為強(qiáng)有力的防風(fēng)固沙的屏障。通過退耕還林還草工程的實(shí)施，逐步將生態(tài)脆弱的承德壩上地區(qū)建設(shè)成為京津地區(qū)的天然屏障。在燕山山區(qū)的縣市中，做好原生林和經(jīng)濟(jì)林的管理，合理布置林果產(chǎn)業(yè)和增加地表植被，有效增加下墊面對(duì)于沙塵的粘滯力，減輕沙塵災(zāi)害對(duì)下游的危害，通過產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)實(shí)現(xiàn)保持水土的目的。

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