沙尘天气是特殊地理环境和气象条件所致的自然现象, 是我国影响范围极大的灾害性天气(全林生等, 2001;刘泉等, 2004)。国外从20世纪20年代就开始了沙尘天气时空分布及成因方面的研究(Idso, 1974; 1977; Jauregui, 1989; Littmmann, 1991;黄富祥等, 2001;尤莉等, 2004)。我国沙尘天气主要出现在西北和华北地区(康杜娟等, 2005), 与北方沙漠及沙漠化土地分布相一致(王式功等, 2003)。近年来, 国内外许多学者在沙尘天气起因、控制和预测研究方面取得了诸多成果(Middleton, 1986; Gillctte, 1989; Husar, 2001);赵峰等(2004)对浑善达克沙区大风和沙尘天气进行统计分析, 建立了沙尘暴天气的多级预测模型; 周自江等(2006)利用1961—2002年我国681个台站沙尘天气资料研究了沙尘活动的时间序列; 王金艳等(2007)在研究区域沙尘暴发生气候特征的基础上, 提出了春季沙尘暴发生的气候概念模型。以往研究侧重于从宏观角度对沙尘天气的气候条件、时空分布、成因分析和预测模型建立等, 对气象条件的年度变化制约下垫面条件影响沙尘天气的研究没有引起足够重视。本文通过对沙尘天气年度气象条件分析, 研究气象要素与沙尘天气发生的相关关系, 以期为沙尘天气近期预测提供依据。

内蒙古中西部地区是我国沙尘天气多发、频发区之一(陈素华, 2005), 乌兰布和沙漠地处内蒙古河套平原西南部, 介于黄河、狼山和巴音乌拉山之间, 属于中亚中、高纬度的干旱、半干旱区, 是我国荒漠与干草原的过渡地带。乌兰布和沙漠与西部的巴丹吉林、腾格里沙漠和东部的库布齐沙漠、毛乌素沙地及北部蒙古国南部大片荒漠共同形成了中亚沙尘暴多发源区域(达布希拉图等, 2005)。研究该区多年沙尘天气与气象条件关系及其变化规律, 对于揭示沙尘天气的发生机理和沙尘天气预测具有重要参考价值。

1 研究区概况与研究方法

内蒙古磴口县位于乌兰布和沙漠东北部, 年平均气温7.5 ~ 8.5 ℃, 1月平均气温-10 ℃, 7月平均气温23.8 ℃, 绝对最高气温41 ℃, 最低气温-29.6 ℃。日照3 100 ~ 3 300 h, 10 ℃以上积温3 100 ~ 3 400 ℃。年平均降水量100 ~ 145 mm, 集中在6—8月。年蒸发量2 400 ~ 2 900 mm, 相对湿度47 %。全年无霜期140 ~ 168 d。

本文运用内蒙古磴口县气象站沙尘天气和地面气象资料(1954—2003年)和中国林业科学研究院沙漠林业实验中心野外定位观测站资料(1983—2004年), 定位站设在磴口县城西北45 km处。按地面气象观测规范规定(中央气象局, 1979), 沙尘天气分为3个不同等级:由强风将地面大量尘沙吹起, 使空气很混浊, 水平能见度小于1.0 km为沙尘暴; 水平能见度在1.0 ~ 10.0 km为扬沙; 尘土、细沙均匀地浮在空中, 水平能见度大于10.0 km为浮尘。大风日数按观测规范规定为瞬时风速达17 m·s^-1以上的日数。在分析沙尘天气发生频率、季节变化和年际变化的基础上, 应用1983—1989年资料, 对蒸发量、大气相对湿度、降水量、气温和地温等气象因子与沙尘天气进行了相关分析。

数据处理和分析采用Excel 2005和SPSS11.5软件。

2 结果与分析 2.1 沙尘天气的季节和年际变化

中国大部分地区的沙尘天气发生在春季, 且在4月份出现最多(翟盘茂等, 2003), 但不同地区由于特定的地理条件、下垫面生态环境和天气气候系统等因素的差异, 沙尘天气的季节分布仍有所不同。对乌兰布和沙漠1983—2004年资料分析(图 1)结果表明:乌兰布和沙漠沙尘天气主要出现在2—6月份, 4月份发生频率最高, 2—6月沙尘天气约占全年的58.5 %; 冬季次之, 秋季最少。这一结果与中国北方气象台(站)观测结果基本一致(翟盘茂等, 2003), 但扬沙天气峰值持续时间更长(4 ~ 6个月)。

图 2是乌兰布和沙漠1983—2004年沙尘天气日数的年际变化曲线图。结果显示:该区20世纪80年代沙尘天气活动频繁, 特别是在1983—1987年间, 每年的扬沙日数都在100 d以上(1986年高达164 d); 90年代初期沙尘天气日数显著下降, 中期至末期处于低值; 21世纪初, 沙尘天气的发生日数又有所回升。这一趋势与中国北方平均沙尘天气日数的变化趋势吻合(全林生等, 2001;范一大等, 2006)。

2.2 大风对沙尘天气发生频率的影响

沙尘天气的形成一般需要具备3个基本条件, 即强劲的风力、丰富的沙尘源和不稳定的空气层结(王涛等, 2001;邱玉等, 2005), 而三者主要与脆弱的自然生态环境、特定的天气系统过程和独特的地貌结构有关(胡金明, 1999)。大风和不稳定空气层结是由大气运动状态决定的, 是沙尘天气形成的驱动因子, 对沙尘暴的强度、移动路径和持续时间起决定作用; 而沙尘源则为沙尘天气的形成提供丰富的沙粒和尘埃, 决定了沙尘暴源地空间分布。乌兰布和沙漠属于阿拉善—狼山旋扭构造沉降带, 成土母质为上新统和中下更新统的古老河湖相冲积洪积、冲积湖积型中细沙和粉细沙, 厚度约100 m(王玉魁, 2005), 植被覆盖率小于15 %的沙地面积占80 %以上。图 3是1954—1995年各月平均大风与沙尘暴天气曲线。该图显示, 大风日数与沙尘暴天气的季节变化表现出极高的一致性(r =0.927 0, p < 0.01), 表明乌兰布和沙漠充足的沙源为沙尘天气发生提供了物质来源, 当具备了起沙风的动力条件时, 极易发生沙尘天气。基于上述分析, 本文选取沙尘天气活动频繁且波动较大的1983—1989年沙尘天气和地面气象资料, 对影响沙尘天气的几个主要因子进行分析。

图 4是1983—1989年各月沙尘天气发生的平均日数, 可以看出, 沙尘暴和浮尘天气4月份发生频率最高, 扬沙天气多发生在4—7月份; 沙尘天气发生日数与各月平均风速相关分析结果表明(表 1):沙尘暴和浮尘天气日数与2—6月份平均风速呈极显著正相关(r_沙尘暴 =0.588, r_浮尘 =0.548, p < 0.01);扬沙日数与平均风速呈显著正相关(r_扬沙 = 0.352, p < 0.05), 说明风速越大, 沙尘天气发生的频率越高。

2.3 大气相对湿度、蒸发量和降

水量对沙尘天气的影响图 5是1983—1989年2—10月各月平均大气相对湿度曲线图, 总体看来4—5月大气相对湿度较低, 这一时期也正是沙尘天气多发期。大气相对湿度与降水量和蒸发量关系最为密切, 表 2统计了1983—1989年期间各年2—6月份降水量和水面蒸发量, 可以看出, 降水量与蒸发量形成了明显反差, 降水虽然使大气干燥程度有所缓和, 但由于降水量较少而蒸发量过高使大气相对湿度仍处于低值水平。

由于降水主要集中在夏季和秋季, 而沙尘天气多发的2—6月平均降水量只占全年降水总量的15.8 %, 最低的年份仅占当年降水量的1.38 % (1987年) (图 6)。在风力条件相同的情况下, 沙尘天气的发生强度取决于地表植被和土壤水分状况(田育红, 2005), 因此在植被覆盖率低的地区, 降水量直接影响地表沙层含水量和起沙能力。研究区正常年份土壤解冻从3月上旬开始, 此时因冻融作用地表沙层水分含量略有增加; 至4月份, 温度升高, 太阳辐射增强以及大风天气增多, 但因降水量较少, 致使地表干燥(0 ~ 30 cm沙层含水率仅为1.02 %) (王玉魁等, 2005), 这为沙尘天气的形成创造了有利条件。

蒸发量资料为常规气象观测最大潜在蒸发量值。研究区远离海洋、降水量少、气候干燥、植被稀疏, 受气候、土壤、植被等综合因素影响, 2—6月份蒸发量值均在210 mm以上。赵仲莲等(2005)认为, 蒸发量可作为衡量沙源是否丰富的判别依据, 蒸发量越大的地方, 越有可能产生沙尘天气。

大气相对湿度、蒸发量和降水量与沙尘天气相关分析结果表明:沙尘暴和扬沙日数与大气相对湿度呈极显著负相关(r_沙尘暴 =-0.420, r_扬沙 =-0.428, p < 0.01), 与蒸发量呈极显著正相关(r_沙尘暴 =0.518, r_扬沙 = 0.653, p < 0.01);与降水量呈显著负相关(r_扬沙 =-0.396, p < 0.05);浮尘天气与地面大气相对湿度呈负相关(r_浮尘 =-0.177, p >0.05), 与蒸发量呈正相关(r_浮尘 =0.226, p >0.05), 但都不显著。

2.4 气温、地温条件对沙尘天气的影响

中国北方沙尘天气的季节分布是春多秋少, 其主要原因是春季气温回暖地表解冻后土质疏松, 容易起沙(康杜娟等, 2005)。图 7是1983—1989年气温和地温(0 ~ 20 cm)变化曲线, 研究区2月份气温和地温均在0℃以下, 3月上旬气温和地温逐渐回升(达到1 ~ 3 ℃), 之后急剧上升, 土壤解冻。春季北方地区冷空气和蒙古气旋活动频繁, 大气层结稳定程度差, 气流垂直运动剧烈, 大风天气频发, 而此时地面植被尚不能对地表形成有效的保护, 特别是由于草场大面积退化、沙化严重, 土壤保墒能力下降, 当大风达到起沙风速(6.8 m·s^-1)时(王志刚, 1995), 即可形成沙尘天气。

图 8是1983—1989年2—6月气温和地温变化图, 气温与地温变化趋势一致。沙尘天气与气温和地温相关分析结果表明(表 1):沙尘暴、扬沙日数与当年2—6月气温(r_沙尘暴 =0.485, r_扬沙 =0.602, p < 0.01)和0 ~ 20 cm地温(r_沙尘暴 =0.467, r_扬沙 =0.597, p < 0.01)呈极显著正相关; 浮尘天气日数与气温(r_浮尘 =0.200, p >3结论与讨论乌兰布和沙漠沙尘天气主要出现在2—6月份, 占全年的58.5 %, 冬季次之, 秋季最少, 4月份发生频率最高; 沙尘天气有明显的年代和年际变化特征, 该区20世纪80年代沙尘天气活动频繁, 90年代初期沙尘天气显著下降, 中期至末期处于低值; 21世纪初, 沙尘天气的发生又有所回升。

该区充足的沙源为沙尘天气的发生提供了物质来源, 当具备了起沙风的动力条件时, 极易发生沙尘天气。2—6月份沙尘暴、浮尘和扬沙日数与风速呈极显著和显著正相关, 沙尘暴和扬沙日数与大气相对湿度呈极显著负相关, 与蒸发量呈极显著正相关; 浮尘天气与大气相对湿度呈负相关, 与蒸发量呈正相关; 扬沙、沙尘暴日数与当年2—6月份气温和地温(0 ~ 20 cm)呈极显著正相关。

沙尘天气受气候和区域地理环境制约, 但气候条件的年际变化对沙尘天气的影响不应忽视。当年或上一年降水量、温度等气象要素对下垫面条件(包括植物被、土壤水分和地面温度等)的影响, 对沙尘天气的形成起着重要作用, 所以, 把近期气象条件分析作为沙尘天气预测手段是一条可行的途径。特别是在沙尘天气多发区加强气象要素的监测分析, 结合大气环流变化规律, 探索气象条件与沙尘天气发生发展的机制和规律是今后研究的方向。