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,遼寧章古臺科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,遼寧 阜新 123000;2.國家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,陜西 西安 710048)

沙塵天氣是指強風從地面卷起大量沙塵,使空氣混濁,能見度明顯下降的一種天氣現(xiàn)象[1]。根據(jù)我國氣象部門的規(guī)定,沙塵天氣分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴、特強沙塵暴5個等級。它的發(fā)生不僅破壞了生態(tài)環(huán)境污染了空氣,還對當?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)牧交錯帶,屬亞濕潤半干旱區(qū),不僅風多、風大、風急,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)系交錯地帶,是我國東部林區(qū)向西部草原的過渡帶,地處我國一級生態(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、王小玲等對我國多年的沙塵天氣數(shù)據(jù)分析認為,我國的沙塵天氣從20世紀70年代末開始逐漸減少,2000年以后有增加的趨勢[4,5]。高振榮等研究認為,大風日數(shù)減少、平均風速減小是敦煌地區(qū)沙塵天氣呈明顯遞減的主要氣象原因[6]。從資料上看,對沙塵天氣的研究主要集中在我國的西北和華北地區(qū),對東北地區(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鎮(zhèn)(42°43′—42°51′ N,120°53′—122°22′ E),屬中溫帶亞濕潤干旱地區(qū),隸屬遼寧省阜新市彰武縣,主要氣候特點是干旱多風。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,相對濕度62.8%,旱季長達9個月。冬季以西北和偏北風為主,平均風速2.5 m·s-1;春季多南風、偏西南風,風力大,持續(xù)時間長。土壤類型以風沙土為主,占89.4%,土壤有機質(zhì)及其他養(yǎng)分含量都比較低。該地區(qū)從1955年開始營建以樟子松和楊樹為主的防風固沙林。

2 材料與方法

沙塵天氣數(shù)據(jù)取自遼寧章古臺科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站觀測記錄,氣象數(shù)據(jù)來自該站的自動氣象站(CAWS600B,華云公司,中國),降雨量監(jiān)測采用SL3-1型雙翻斗式雨量傳感器。沙塵天氣的開始時間、結(jié)束時間、類型風向、風力由人工觀測。

本文采用Excel2021軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析。

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)測結(jié)果見圖1。由表1可見,2010—2021年共監(jiān)測到彰武北部章古臺地區(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)生等級看,強沙塵暴發(fā)生2次,沙塵暴發(fā)生11次,強沙塵暴與沙塵暴占沙塵天氣的8.4%。雖然沙塵暴頻率不高,但強度較大,破壞力強,由沙塵暴造成的大氣污染及對環(huán)境的破壞十分嚴重。浮塵天氣較少,共發(fā)生12次。浮塵主要受我國西北路和西路沙塵暴的影響,遠處沙塵經(jīng)上層氣流攜帶而來。章古臺地區(qū)的沙塵天氣以揚沙天氣為主,12年間共發(fā)129次,占沙塵天氣的83.8%。在章古臺地區(qū)沒有監(jiān)測到特強沙塵暴。

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年章古臺地區(qū)的沙塵天氣從2月開始,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4月、5月是章古臺地區(qū)沙塵天氣發(fā)生的主要月份。4月是當?shù)赝寥劳耆鈨龅臅r期,祼露的地表有大量的沙塵物質(zhì);5月是當?shù)剞r(nóng)耕的重要月份,大量的農(nóng)田表層土壤活化,又受到強風的影響極易發(fā)生揚沙,這是造成這2個月份的沙塵天氣較多的重要原因。

3.3 日變化和持續(xù)時間

將2018—2021年每次沙塵天氣出現(xiàn)具體時段以小時為單位進行統(tǒng)計,得到了章古臺地區(qū)每小時出現(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,章古臺地區(qū)全天都可能發(fā)生沙塵天氣,白天相對較多,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)生時間頻率曲線

根據(jù)2018—2021年每次沙塵天氣發(fā)生的起止時間計算持續(xù)時間,2018—2021年章古臺地區(qū)沙塵天氣發(fā)生平均時長為7 h 42 min。其中,2018年章古臺地區(qū)沙塵天氣平均時長為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。章古臺地區(qū)持續(xù)時間最長的沙塵天氣為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)生沙塵天氣時的風力因子

3.4.1 風向 對2019—2021年沙塵天氣的風向進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),在沙塵天氣發(fā)生時,西南風占35.3%,其次南風為29.4%,再次西北風為23.5%,最后是北風和西風(圖3)。西南風和南風占沙塵天氣發(fā)生時風向的64.7%,主要原因是章古臺地區(qū)4—5月吹西南風和南風時,氣溫較高,地表易干燥,更有利于地表沙塵的活化。

圖3 發(fā)生沙塵天氣時的主要風向

3.4.2 風力 根據(jù)監(jiān)測,章古臺地區(qū)當5級風持續(xù)1 h左右時,就可能發(fā)生揚沙天氣,當風力達到6～7級時,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)與當年冬春季(11月—4月)氣象指標及前一年秋季植被蓋度進行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示:沙塵次數(shù)與當?shù)囟杭敬箫L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)與冬春季氣象指標間的相關(guān)性

4 結(jié)論

4.1 2010—2021年共監(jiān)測到彰武縣北部章古臺地區(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,以揚沙天氣為主。

4.2 彰武縣北部章古臺地區(qū)的沙塵天氣從2月開始,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 在彰武縣章古臺地區(qū),西南風和南風發(fā)生沙塵天氣的概率大,其次是西北風。在3—5月5級風持續(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?shù)囟杭敬箫L日數(shù)和平均氣溫顯著相關(guān)。