沙塵暴產(chǎn)生因素與氣候特性研討范文

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作者：楊艷程捷田明中王麗孟晶晶單位：中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院北京

哈爾濱市沙塵暴時(shí)空分布規(guī)律

1時(shí)間分布規(guī)律

1．1年代分布特征

通過對哈爾濱市沙塵暴發(fā)生次數(shù)進(jìn)行年代統(tǒng)計(jì)，可得到以下規(guī)律(圖3)。

(1)哈爾濱市在20世紀(jì)70年代沙塵暴出現(xiàn)次數(shù)最多，60年代次之，80年代明顯減少，90年代最少。在70年代，沙塵暴年均發(fā)生14次，其中最高可達(dá)8次/年，是一個(gè)高頻爆發(fā)期。而80年代年均7．5次/年，90年代年均為1．1次/年。70年代沙塵暴發(fā)生的次數(shù)是80年代的近2倍，是90年代的10倍之多。這表明，哈爾濱市沙塵暴發(fā)生的總次數(shù)年際間變化在60年代前呈上升的趨勢，70年代之后呈下降趨勢，而且下降的速度很快(圖3)。

(2)進(jìn)入21世紀(jì)以來，沙塵暴發(fā)生次數(shù)又有上升的趨勢，但等級較一般，主要以揚(yáng)沙、浮塵為主，出現(xiàn)增長的階段(圖4)。不難看出，哈爾濱市沙塵暴發(fā)生的規(guī)律明顯，年際間發(fā)生頻數(shù)具體特征的變化，強(qiáng)與特強(qiáng)沙塵暴天氣呈上升趨勢，這與人口增長、不合理生產(chǎn)活動(dòng)、荒漠化越來越嚴(yán)重、干旱與半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境的失衡，及全球背景下沙塵暴近十幾年來，整個(gè)北方沙塵暴進(jìn)入相對活躍期，存在著必然的聯(lián)系。

1．2季節(jié)分布特征

根據(jù)觀測資料，哈爾濱市沙塵暴一年四季均有發(fā)生，但存在明顯的季節(jié)性，沙塵暴活動(dòng)最強(qiáng)的月份是在溫度適中的3－4月。表2是1961－2010年間累年沙塵暴按月和季節(jié)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表明哈爾濱市沙塵暴主要發(fā)生在春季，占全年總數(shù)的85．07%，少數(shù)發(fā)生在秋季和冬季，極少數(shù)發(fā)生在夏季。

春季，該區(qū)氣溫回升，土壤表土層中的冰融化，土層松動(dòng)，再加之，大氣強(qiáng)對流空氣變得不穩(wěn)定，到4月平均風(fēng)速達(dá)到最大，這為沙塵暴的發(fā)生提供了豐富的物源和動(dòng)力條件。在加上干燥疏松的下墊面、與高空環(huán)流的有機(jī)配合使沙塵暴在4月爆發(fā)次數(shù)最多;8月地表植被覆蓋良好，莊稼使表層土壤固結(jié)，加上夏季雨水多，不易形成沙塵暴，而冬季以2月居多且以浮塵天氣為主(圖5)。圖5哈爾濱市及區(qū)縣沙塵暴月暴發(fā)頻數(shù)變化圖Fig．5MonthlydistributionofduststormsinHarbin(1961－2010)表2哈爾濱市城區(qū)及周邊區(qū)縣沙塵暴月份及季節(jié)分布(1961－2010年)Tab．2MonthlyandseasonaldistributionofduststormsinHarbin(1961－2010)沙塵暴次數(shù)春季夏季秋季冬季月份345678910111212月份總數(shù)541329913302115358季節(jié)總數(shù)285161816季節(jié)分配率(%)85．074．786．374．78

2空間分布規(guī)律

2．1區(qū)域分布特征

張麗娟等(2001年)利用1954－2000年哈爾濱市沙塵暴的資料及黑龍江各站點(diǎn)的氣象資料繪制了黑龍江省沙塵暴區(qū)域分布圖，文中參考其部分?jǐn)?shù)據(jù)并結(jié)合最新的氣象資料，對黑龍江省沙塵暴地域分區(qū)圖進(jìn)行了局部修改(圖6)，可以看出，黑龍江省沙塵暴主要分布在西南，存在兩個(gè)高發(fā)區(qū)有中心，哈爾濱市就是其中一個(gè)。

哈爾濱市中部城區(qū)從1961－2010年共發(fā)生沙塵暴335次，平均每年發(fā)生沙塵暴6．7次，無沙塵暴的年份占13．3%;雙城市從1961－2010年共發(fā)生沙塵暴270次，平均每年發(fā)生沙塵暴5．4次，2000年后以揚(yáng)沙、浮塵為主，其中2001年次數(shù)最多，達(dá)13次。

2．2降塵通量時(shí)空分布規(guī)律

從2009年3月－2010年6月利用自然沉降法逐周進(jìn)行收集哈爾濱市呼蘭縣、雙城市的自然降塵，沉降在一個(gè)敞開的容器中。采樣后用重量法測定降塵量。結(jié)果用單位面積、單位時(shí)間內(nèi)從大氣中自然沉降的顆粒物質(zhì)量，來計(jì)算出大氣降塵向地面輸入的通量。降塵量的計(jì)算公式:M(t/km2•Day)=10000(W1－W0)/SD(1)式中:M為降塵總量(t/km2•Day);W0為空容器的重量(g);W1為降塵加容器的重量(g);S為容器的面積(三次平均值)(cm2);D為截隔采樣的天數(shù)。經(jīng)過公式(1)計(jì)算，得出:呼蘭縣2009年的降塵通量為0．5301t/km2，2010年的降塵通量為0．6085t/km2;雙城市2009年的降塵通量為1．1690t/km2，2010年的降塵通量為1．4057t/km2;從月份來看，呼蘭和雙城降塵通量最大月份均在4月份，呼蘭4月降塵通量為2．893t/km2，其次為3月;雙城4月份和5月份的降塵通量相當(dāng)，均達(dá)到6．146左右，其次為3月份，與沙塵暴暴發(fā)的季節(jié)分布特征保持一致。

哈爾濱市沙塵暴發(fā)生氣象條件

1與大風(fēng)日數(shù)的關(guān)系

大風(fēng)是沙塵暴發(fā)生的動(dòng)力條件，但往往沙塵暴發(fā)生的日數(shù)少于大風(fēng)日數(shù)，因?yàn)槌耸艽箫L(fēng)影響外，還受下墊面因素的制約，一般來講，沙塵暴發(fā)生的次數(shù)與大風(fēng)日數(shù)呈正相關(guān)(圖7)。

對于沙塵暴起動(dòng)風(fēng)速的研究，最早拜格諾根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出:起動(dòng)風(fēng)速與沙礫粒徑的平方根成正比(表3)，這個(gè)結(jié)果經(jīng)過了反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，然而，啟動(dòng)風(fēng)速還和地表性質(zhì)、沙子含水率、地表粗糙度等有關(guān)，如地表沙子含水，增加了沙子的粘滯性，這樣要求沙子的起動(dòng)風(fēng)速值加大，鑒于此，在不同的地區(qū)，沙塵暴起動(dòng)風(fēng)速按照實(shí)際情況而定，根據(jù)哈爾濱市沙塵暴的監(jiān)測情況可以看出，哈爾濱市沙塵暴的風(fēng)速大于8m/s時(shí)，可出現(xiàn)沙塵暴天氣。

2與風(fēng)速、風(fēng)向的關(guān)系

從風(fēng)向、風(fēng)速關(guān)系圖(圖8)中可以進(jìn)一步看出，在3－5月，風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)(S－WSW)條件時(shí)，沙塵暴發(fā)生次數(shù)占總次數(shù)的83．39%;西北風(fēng)向(W－N)時(shí)，沙塵暴發(fā)生次數(shù)占總次數(shù)的11．86%;出現(xiàn)東風(fēng)(NNE－SSE)時(shí)，出現(xiàn)沙塵暴的次數(shù)僅占4．75%。由此可見，在西南風(fēng)條件下，沙塵暴出現(xiàn)的幾率最大。

2004年5月8日，雙城市11:10分發(fā)生沙塵暴天氣，持續(xù)4個(gè)小時(shí)之久，平均風(fēng)速7．8m/s，瞬時(shí)風(fēng)速最大達(dá)到18m/s，據(jù)地面監(jiān)測記錄顯示，在距沙塵暴發(fā)生5分鐘后瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到10m/s，到14:50分地面風(fēng)速逐漸減小，地面能見度好轉(zhuǎn)，沙塵暴天氣接近結(jié)束。哈爾濱市沙塵暴天氣發(fā)生前風(fēng)速很小，但在沙塵暴發(fā)生的5－10分鐘內(nèi)，風(fēng)速迅速達(dá)到最大，風(fēng)速的急速增加可以為沙粒的起動(dòng)提供必要的條件，沙塵暴結(jié)束的15分鐘內(nèi)，風(fēng)速只有2－3m/s，在沙塵暴整個(gè)天氣過程中，風(fēng)速呈波動(dòng)式變化。

3與氣溫的關(guān)系

1961－1988年，哈爾濱市沙塵暴當(dāng)日、前一日、次日平均氣溫曲線(圖9)，絕大多數(shù)情況，沙塵暴當(dāng)時(shí)平均氣溫高于前一日和次日的氣溫。在溫度偏高的情況下多發(fā)生沙塵暴，進(jìn)一步說明了沙塵天氣的發(fā)生與低層大氣層結(jié)的不穩(wěn)定和強(qiáng)對流有關(guān)。春、夏季節(jié)，地面受熱增溫快，容易產(chǎn)生空氣層結(jié)不穩(wěn)定，滿足沙塵暴起沙的熱力條件。春季出現(xiàn)氣溫回暖的突變情況，很容易誘發(fā)沙塵天氣，因?yàn)榇杭驹鰷睾笫杷傻谋韺訛樯硥m天氣的發(fā)生提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。但并不表示，氣溫增高就會(huì)發(fā)生沙塵暴，氣溫對沙塵暴的影響不是絕對的，是相對復(fù)雜的。

在年際變化或年代變化中，主要是通過調(diào)整大氣環(huán)流減弱了風(fēng)的作用(動(dòng)力條件)，從而間接地影響了沙塵天氣的發(fā)生;季節(jié)變化中，主要是冬季(氣溫低)向春季(氣溫高)過渡時(shí)，提供了比較豐富的沙塵物源(物質(zhì)條件);月際變化中，主要是3－8月份在降水量極小、地表覆蓋狀況差、晝夜溫差大的地區(qū)，地面受熱增溫快，易滿足空氣層結(jié)不穩(wěn)定(熱力條件)，這一結(jié)論在很多學(xué)者的研究成果中得到了共識。

哈爾濱市沙塵暴與下墊面因子的關(guān)系

1與地貌的關(guān)系

廣袤的高原、眾多的沙漠沙地等地形地貌條件是沙塵暴區(qū)域分布特征的下墊面因子之一，為分析哈爾濱市沙塵暴與地貌的關(guān)系，根據(jù)研究區(qū)受影響的風(fēng)向分別選擇了西南向、西北向兩條剖面線:A－B剖面，內(nèi)蒙古科爾沁沙地－哈爾濱市市區(qū);C－B剖面，呼倫貝爾沙地－哈爾濱市市區(qū)。這兩條剖面貫穿了哈爾濱市沙塵暴移動(dòng)所經(jīng)過的幾乎全部地貌類型，并與哈爾濱市沙塵暴的移動(dòng)路徑相吻合，最大程度的反應(yīng)了地貌與沙塵暴之間的關(guān)系。由剖面A－B(圖10)、C－B(圖11)可以看出，引起哈爾濱市沙塵暴的主要風(fēng)向的地貌組合顯然不同，西南向主要是以平原為主，無遮擋，地表起伏不大，沙源地主要有渾善達(dá)克沙地－科爾沁沙地－拉林河流域的沙化地;西北風(fēng)向地貌組合為呼倫貝爾高原－大興安嶺山地－松嫩平原，由于大興安嶺的阻擋，使得呼倫貝爾沙地很難進(jìn)入哈爾濱市，只有近距離的嫩江流域的沙化地為沙塵天氣提供物源。

綜上所述，西南風(fēng)為哈爾濱市沙塵暴的主導(dǎo)風(fēng)向，沙塵暴發(fā)生次數(shù)占總次數(shù)較大比例的原因與地貌的組合存在密切的關(guān)系，沙源以遠(yuǎn)源為主;其次為西北向方向，以近距離沙源為主。

2與植被、土壤的關(guān)系

根據(jù)2009年7－8月的哈爾濱市實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，依據(jù)全國《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和黑龍江省《關(guān)于〈土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程〉補(bǔ)充規(guī)定》中土地利用標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合不同類型土壤的巖性、經(jīng)營特點(diǎn)、利用方式和覆蓋度特征等因素，將哈爾濱市區(qū)、呼蘭區(qū)、雙城市劃分一級土地利用類型9個(gè)。

哈爾濱市地區(qū)的土地利用類型主要以旱地為主，其次為沙化地。旱地為人為的墾殖活動(dòng)，其提供的懸移顆粒較多，而沙塵暴中懸移顆粒的多少，主要取決于風(fēng)速的大小和荒漠化的程度，因此，旱地為沙塵暴提供大量的粉塵沙源物質(zhì)，而沙化地的顆粒較粗，其提供的粉塵相對旱田較少，發(fā)生躍移的可能性更大。

結(jié)論與討論

(1)哈爾濱市沙塵暴時(shí)空分布存在一定的規(guī)律。年代變化特征:沙塵暴發(fā)生次數(shù)在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)次數(shù)最多，是一個(gè)高頻爆發(fā)期，60年代次之，80年代明顯減少，90年代最少。進(jìn)入21世紀(jì)以來，沙塵暴發(fā)生次數(shù)又有上升的趨勢。1)季節(jié)分布規(guī)律:主要發(fā)生在春季，占全年總數(shù)的85．07%，少數(shù)發(fā)生在秋季和冬季，極少數(shù)發(fā)生在夏季。2)空間分布規(guī)律，沙塵暴發(fā)生次數(shù)哈爾濱市西南方向雙城市比北部呼蘭區(qū)的多，主要受地貌因素和風(fēng)向的控制。

(2)哈爾濱市沙塵暴天氣條件特征明顯。沙塵暴發(fā)生的日數(shù)與大風(fēng)日數(shù)呈正相關(guān):風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)(S－WSW)時(shí)，塵暴出現(xiàn)的幾率最大，其次為西北風(fēng)，東風(fēng)最少。

(3)沙塵暴發(fā)生與地貌的關(guān)系組合密切。西南向主要是以平原為主，無遮擋，地表起伏不大，沙源地主要有渾善達(dá)克沙地、科爾沁沙地、拉林河流域的沙化地;西北風(fēng)向地貌組合為呼倫貝爾高原、大興安嶺山地、松嫩平原，由于大興安嶺的阻擋，使得遠(yuǎn)源沙地呼倫貝爾沙地很難進(jìn)入哈爾濱市，只有近距離的嫩江流域的沙化地為沙塵天氣提供物源。

(4)哈爾濱市地區(qū)的土地利用類型主要為旱地，其次為沙化地。旱地為其提供的懸移顆粒較多，而沙化地的顆粒較粗，提供的粉塵相對農(nóng)田較少，發(fā)生躍移的可能性更大。

雖然從哈爾濱市沙塵暴的發(fā)生規(guī)律和氣象特征，可以推斷出沙塵暴的來源和移動(dòng)路徑，但證據(jù)還不夠充分，需要更多的調(diào)查、分析使其豐富和可信，如降塵樣的粒度分析、同位素示蹤或高空氣象運(yùn)移圖。對哈爾濱市沙塵暴的研究還需不斷的深入，文中旨在引起更多學(xué)者對中國東北部沙塵暴的關(guān)注，為哈爾濱市沙塵暴的監(jiān)測和防治提供科學(xué)的資料，為今后的研究打下良好的基礎(chǔ)。