中國西北三省(區)風雪流發生的可能性

張 帥, 丁國棟, 趙媛媛, 高廣磊, 于明含, 包巖峰

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

雪害是現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域，同氣象、地形地貌、環境等多方面都有密切的聯系[6-7]。針對風雪流的研究能揭示風雪運動規律，減輕風雪災害，促進風雪災害區的生產發展。國外在20世紀30年代就已經開始了對風雪流的研究，50—60年代研究的主要內容是風雪流的基本規律和理論；70年代至今，對風雪流的研究深入到發生機理；目前國外研究風雪流的機理特征的主要方法是數學模型法[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域，得到了快速的發展，在風吹雪形成的物理過程、中國雪害區劃、分布規律以及災害的防治等方面都有了詳細的研究[9-11]。現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]，但是基于數值模擬的模型研究都是以跟蹤單顆雪粒的運動為基礎，在平坦床面上建立的一維模型，且雪粒被簡化為規則球體的微觀分析；王中隆[15]對風吹雪地區的劃分主要基于野外觀測調查，對于宏觀尺度風雪流發生的預測研究較少。風雪流的發生及其差異是氣候、地形、人為等多因素綜合作用的結果[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生可能性進行等級劃分。分析氣象數據，考量風雪流形成條件，研究風雪流發生可能性，以期為北方地區防治風雪災害提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 研究資料

本研究選取中國新疆、內蒙古、甘肅3省有氣象資料記錄的區站，采集1981—2010年30 a間的地面氣象數據資料。由于風雪流災害多發生在每年的冬春季節，所以對1，2，3，10，11，12這6個月的數據進行分析。氣象資料來源于中國氣象科學數據共享服務網，區站數共計130個。

風雪流的產生需要2個必要因素，風力條件是風雪流發生的動力基礎，降雪或積雪是風雪流發生的物質基礎，因此本研究從風雪流產生的2個條件入手，分析各區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日平均風速達到起動風速時，便存在著風雪流發生的可能性。

1.2 等級劃分方法

風雪流根據風速、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，因此根據風速來劃分各區站發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，因此統計各區站平均每月達到風雪流發生條件的天數，并分析各區站發生風雪災害前后的氣象資料，研究持續性的過境風對風雪流發生的影響，結合野外雪面吹蝕狀況，設定每超過5 d，初始等級上調1級，超過10 d即上調2級，以此類推。

通過對各區站的等級評價來分析風雪流災害發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，對存在林網的區站進行調查，認為在有森林分布的區域，即使達到風雪流發生的條件，如果沒有發生過風雪災害，則表明林網的防護作用較強，在將來也不會發生風雪災害。由于區站數量較多，因此結果與分析中在每個省份有風雪流發生可能性的區站中各隨機選取3個區站和受地形影響較大的特殊區站阿拉山口作為代表區站進行分析。

2 結果與分析

2.1 風雪流的地域分布

根據風雪災害發生可能性的等級劃分標準將130個區站進行等級評定，結果如表1所示，有85個區站約占65.4%的地區存在發生風雪流的可能性。通過分析各區站的經緯度可以發現，內蒙古幾近全境都有發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的34.6%的區域幾乎不存在風雪流發生的可能性。

表1 西北3省(區)風雪流發生可能性各等級區站數

甘肅省地處黃河上游，連接黃土高原、青藏高原、內蒙古高原，其中中部和東部共計51.7%的區域都沒有受到風雪流災害的威脅，有風雪流發生可能性的區域集中分布在甘肅西部，少數分布在東南地區，受祁連山的影響海拔較高，高山積雪會加大風雪災害。內蒙古緯度較高，氣候寒冷，幾乎全境都有風雪流災害發生的可能性，比較嚴重的區域如朱日和等都位于內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；東北地區雖然達到風雪流發生的條件，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。

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

2.2 風雪流的季節變化

從新疆、甘肅、內蒙古各選取3個滿足風雪流發生條件的典型區站以及受地形影響較大的阿拉山口區站作為代表，分析各月份30 a來的平均風速，以及達到風雪流發生條件的天數(表2)。從表2中可以看到，各區站平均每月達到風雪流發生條件的天數最多的月份集中在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定，且高于大多數區站，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域時，由于空氣質量不能大量堆積，勢必加速流出峽谷，形成狹管效應，增大了過境風速。

表2 研究區各區站達到風雪流發生條件的天數及平均風速

綜合分析各區站的氣象資料我們可以發現，平均風速以及達到風雪流發生條件的日數的最大值均出現在3和12月，表明這2個月發生風雪流災害時，嚴重程度最大，在有風雪流發生可能性的區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、環境等因素干擾較小，平均風速在一個穩定的區間內波動；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年出現急劇跳漲，隨后一直保持在較高水平。其他區

站在30 a內平均風速基本穩定，上下波動較小。

圖1為研究區內代表區站30 a符合風雪流條件的天數統計。由圖1和表3可以看出，各區站達到風雪流發生條件的天數和平均風速呈正相關關系，達坂城和13間房的天數變化趨勢同平均風速一致，其余區站雖有波動，但無明顯變化趨勢。結合表3可知，平均風速和達到風雪流發生條件的天數在指示風雪流發生可能性及災害程度上有較為一致的正相關關系，可以將2個指標結合進行分析。從數據我們可以看到，大多數區站在30 a內生態環境沒有得到改善，一直存在著風雪流發生的可能性，風雪災害仍然是威脅中國西北地區生產發展的重大災害之一。

圖1 不同地區代表區站30 a符合風雪流發生條件的天數

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，另外由于部分地區地處山區海拔較高，風向還受到山脈走勢的影響；內蒙古主要受西風的影響，有害風向西北風偏多，部分地區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，最大化發揮防護作用。

3 討 論

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

(2) 大風造成的風雪災害具有極強的破壞力，因此大風日數可以作為風雪流發生危害程度的指標補充，通過分析130個區站的大風日數資料，發現3和12月是大風日數最多的2個月，發生風雪流時危害最嚴重，與上述數據一致。風雪同發期是是風雪流極易發生的時期，也是發生風雪流災害最嚴重的時期，在生產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]在研究中對中國發生風吹雪的區域進行劃分，本研究在研究區內的結果與之相吻合，并進一步對風雪流發生災害等級進行預測；劉洪鵠等[21]在其研究中統計發現，風雪流最早發生在10月，最晚結束在3月，這一統計結果表明本研究中對氣象資料的選取是適當的。

(4) 建立防護林是防止吹蝕的有效措施，但中國西北地區氣候相對干旱，不適合大面積的造林活動，因此在營造農田防護林、防雪林等人工林時，應結合當地氣候和生態條件，合理安排種植密度，適度經營，促進防護林的可持續發展。

圖2 西北三省(區)代表區站風向玫瑰圖表3 研究區各代表區站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嶺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 論

通過分析中國西北3省130個區站1981—2010年達到風雪流形成條件的天數及平均風速，可以發現，北方3省65.4%的地區有發生風雪流災害的可能性，48.5%的區域風雪流發生可能性等級較低，16.9%的區域風雪流發生可能性等級較高；3和12月是平均風速最高，過境時間最長的月份，且大風日數也最多，是風雪流發生可能性最大、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省各區站發生風雪流災害的基礎條件還在，環境沒有改善的趨勢，大部分地區仍持續遭受風雪災害的威脅。