彰武县北部沙区沙尘天气特征研究

张日升,迟琳琳,宋鸽,王翠萍

(1.辽宁省沙地治理与利用研究所,辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测研究站,辽宁 阜新 123000;2.国家林业和草原局西北调查规划设计院,陕西 西安 710048)

沙尘天气是指强风从地面卷起大量沙尘,使空气混浊,能见度明显下降的一种天气现象[1]。根据我国气象部门的规定,沙尘天气分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴、特强沙尘暴5个等级。它的发生不仅破坏了生态环境污染了空气,还对当地的生产生活造成了一定的危害[2,3]。

辽宁省彰武县北部地处科尔沁沙地南部,地属半干旱农牧交错带,属亚湿润半干旱区,不仅风多、风大、风急,而且年均降水量450 mm,极端干旱年份曾在270 mm左右,而同期蒸发量却是降水的3～5倍。加之,风期与旱期同步,形成“十年九旱”的现象。而且彰武县北部地处蒙古、华北植物区系交错地带,是我国东部林区向西部草原的过渡带,地处我国一级生态敏感带上,生态环境脆弱。特殊的环境,使彰武县北部沙尘天气频发,是辽宁沙尘天气的高发区。

根据周自江、王小玲等对我国多年的沙尘天气数据分析认为,我国的沙尘天气从20世纪70年代末开始逐渐减少,2000年以后有增加的趋势[4,5]。高振荣等研究认为,大风日数减少、平均风速减小是敦煌地区沙尘天气呈明显递减的主要气象原因[6]。从资料上看,对沙尘天气的研究主要集中在我国的西北和华北地区,对东北地区的沙尘天气研究较少。本文研究辽宁省彰武县北部章古台镇的沙尘天气特征,以期为辽西北沙区的生态治理提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于科尔沁沙地南部的章古台镇(42°43′—42°51′ N,120°53′—122°22′ E),属中温带亚湿润干旱地区,隶属辽宁省阜新市彰武县,主要气候特点是干旱多风。1983—2021年年均气温6.63 ℃,年均降水量494.0 mm,降水变化率大,各季分配不均,70%以上集中在夏季;年均蒸发量1 463 mm,相对湿度62.8%,旱季长达9个月。冬季以西北和偏北风为主,平均风速2.5 m·s-1;春季多南风、偏西南风,风力大,持续时间长。土壤类型以风沙土为主,占89.4%,土壤有机质及其他养分含量都比较低。该地区从1955年开始营建以樟子松和杨树为主的防风固沙林。

2 材料与方法

沙尘天气数据取自辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测研究站观测记录,气象数据来自该站的自动气象站(CAWS600B,华云公司,中国),降雨量监测采用SL3-1型双翻斗式雨量传感器。沙尘天气的开始时间、结束时间、类型风向、风力由人工观测。

本文采用Excel2021软件对试验数据进行统计与分析。

3 结果与分析

3.1 沙尘天气次数的年分布特征

沙尘天气监测结果见图1。由表1可见,2010—2021年共监测到彰武北部章古台地区发生沙尘天气154次,平均年发生沙尘天气次数为12.8次。其中2018年是沙尘天气最多的一年,共发生了21次。2014年最少,共发生了5次。从沙尘天气发生等级看,强沙尘暴发生2次,沙尘暴发生11次,强沙尘暴与沙尘暴占沙尘天气的8.4%。虽然沙尘暴频率不高,但强度较大,破坏力强,由沙尘暴造成的大气污染及对环境的破坏十分严重。浮尘天气较少,共发生12次。浮尘主要受我国西北路和西路沙尘暴的影响,远处沙尘经上层气流携带而来。章古台地区的沙尘天气以扬沙天气为主,12年间共发129次,占沙尘天气的83.8%。在章古台地区没有监测到特强沙尘暴。

表1 2010—2021年沙尘天气月分布情况 单位:次

图1 沙尘天气的年度变化

沙尘次数存在明显的年际变化,呈波动起伏状,2011—2015年,沙尘发生次数较少,年均≤12次,2016—2021年,沙尘发生次数在13～21次。

3.2 沙尘天气次数的月分布特征

2010—2021年章古台地区的沙尘天气从2月开始,到6月结束,主要发生在3—5月。在各年中沙尘天气发生最早的日期是2018年的2月8日,最晚的日期是同年的6月12日。从表1中可以看出,12年间3月份发生了29次沙尘天气,占总沙尘天气的18.8%;4月发生63次,占40.9%,5月发生56次,占36.4%,可见4月、5月是章古台地区沙尘天气发生的主要月份。4月是当地土壤完全解冻的时期,祼露的地表有大量的沙尘物质;5月是当地农耕的重要月份,大量的农田表层土壤活化,又受到强风的影响极易发生扬沙,这是造成这2个月份的沙尘天气较多的重要原因。

3.3 日变化和持续时间

将2018—2021年每次沙尘天气出现具体时段以小时为单位进行统计,得到了章古台地区每小时出现的累积次数,并与这4年的沙尘天气出现总次数相比得到频率。

从图2可以看出,章古台地区全天都可能发生沙尘天气,白天相对较多,主要出现在11:00—19:00,夜间较少,凌晨4:00—7:00最少。

图2 沙尘天气发生时间频率曲线

根据2018—2021年每次沙尘天气发生的起止时间计算持续时间,2018—2021年章古台地区沙尘天气发生平均时长为7 h 42 min。其中,2018年章古台地区沙尘天气平均时长为6 h 26 min,2019年为8 h 26 min,2020年为6 h 35 min,2021年为9 h 7 min。章古台地区持续时间最长的沙尘天气为18 h(2019年4月16日11:00—17日5:00),最短的沙尘天气为1 h 30 min(2020年4月24日17:30—19:00)。

3.4 发生沙尘天气时的风力因子

3.4.1 风向 对2019—2021年沙尘天气的风向进行统计发现,在沙尘天气发生时,西南风占35.3%,其次南风为29.4%,再次西北风为23.5%,最后是北风和西风(图3)。西南风和南风占沙尘天气发生时风向的64.7%,主要原因是章古台地区4—5月吹西南风和南风时,气温较高,地表易干燥,更有利于地表沙尘的活化。

图3 发生沙尘天气时的主要风向

3.4.2 风力 根据监测,章古台地区当5级风持续1 h左右时,就可能发生扬沙天气,当风力达到6～7级时,可能发生沙尘暴。

3.5 沙尘天气与环境因子的关系

将2017—2021年沙尘发生次数与当年冬春季(11月—4月)气象指标及前一年秋季植被盖度进行相关性分析,结果显示:沙尘次数与当地冬春季大风日数和平均气温显著相关(表2),与前一年秋季植被盖度具有一定的相关性,但关系不显著,与冬春季的平均降水量和蒸发量不相关,原因是沙尘天气是大尺度范围内的,与小区域内的气象和下垫面条件关系不大。

表2 沙尘发生次数与冬春季气象指标间的相关性

4 结论

4.1 2010—2021年共监测到彰武县北部章古台地区发生沙尘天气154次,平均年发生沙尘天气次数为12.8次,以扬沙天气为主。

4.2 彰武县北部章古台地区的沙尘天气从2月开始,4月和5月是沙尘天气集中发生的月份。沙尘天气多发生在白天的11:00—19:00,夜间较少,凌晨4:00—7:00最少。

4.3 在彰武县章古台地区,西南风和南风发生沙尘天气的概率大,其次是西北风。在3—5月5级风持续1 h左右,发生沙尘天气的概率较大。每年沙尘次数与当地冬春季大风日数和平均气温显著相关。