寧夏鹽池地區(qū)暴風(fēng)雨特強及強強研究

寧夏鹽池地區(qū)暴風(fēng)雨特強及強強研究

寧夏位于洛杉磯高原西北角。地勢南高北低。該地區(qū)表面侵蝕嚴重。西部是騰格里沙漠，西北部是烏蘭布和沙漠。春季大部分時間對沙漠天氣影響。強沙是該地區(qū)春季的一個嚴重災(zāi)害。2000年入春以來,大風(fēng)揚沙和沙塵暴天氣頻繁,造成了重大的經(jīng)濟損失和社會影響。由于沙塵暴天氣來勢猛、受災(zāi)面積大,對農(nóng)林業(yè)、畜牧業(yè)、電力、通訊和人民生命財產(chǎn)有著極大危害。1993年5月5日發(fā)生的特強沙塵暴持續(xù)約5h,能見度幾乎為0,波及寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古等省區(qū),造成直接經(jīng)濟損失6.4億元,有約300余人傷亡。鑒于沙塵暴對經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等的巨大影響,中國氣象局于1993年9月在甘肅蘭州舉辦了沙塵暴預(yù)報服務(wù)專題研討會,取得了一批成果。幾年來召開過多次有關(guān)沙塵暴的國際學(xué)術(shù)會議,其研究內(nèi)容涉及沙塵輸送、沙塵暴發(fā)生和沙塵沉降等問題。1997年我國出版了的《中國沙塵暴研究》專輯,匯集了近年來沙塵暴研究所取得的主要成果,內(nèi)容包括沙塵暴時空分布特征和天氣學(xué)分析、數(shù)值試驗和業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報、外場觀測以及科學(xué)試驗和沙塵暴對經(jīng)濟、社會活動的影響等。近幾年,隨著國家自然科學(xué)基金委及科技部對沙塵暴研究支持力度的加大,對沙塵暴的研究在深度和廣度上都有了很大的發(fā)展為了開展寧夏強沙塵暴成災(zāi)機理和控災(zāi)對策研究,必須先摸清該區(qū)沙塵暴發(fā)生類型、特征和規(guī)律。本文在分析寧夏各氣象站沙塵暴歷史觀測記錄的基礎(chǔ)上,利用K-均值聚類、逐步判別和因子檢驗等多種統(tǒng)計方法,深入研究了沙塵暴災(zāi)害天氣類型,在分型的基礎(chǔ)上,對各種類型的沙塵暴發(fā)生特征進行了研究,使人們對沙塵暴天氣的認識更近了一步。1重灌區(qū)中泥沙對干草原螯蝦影響據(jù)研究,寧夏沙塵暴發(fā)生頻率和發(fā)生強度高值區(qū)位于賀蘭山東部的鹽池荒漠化干草原上,這里是沙塵暴的多發(fā)中心,引黃灌區(qū)受賀蘭山阻擋,沙塵暴的影響相對較弱。因此,我們選擇鹽池氣象站1951\_2000年沙塵暴發(fā)生過程期間的10m電接風(fēng)速、沙塵暴開始、結(jié)束時間、對應(yīng)平均能見度資料和逐日常規(guī)氣象觀測資料進行研究。2區(qū)常用天氣類型的劃分沙塵暴影響因子較多,分類比較復(fù)雜。徐啟運等在研究我國西北地區(qū)沙塵暴天氣時空分布特征時,提出了用瞬間極大風(fēng)速和最小能見度為指標的沙塵暴天氣強度劃分標準,把西北地區(qū)沙塵暴天氣分成4類,但實際應(yīng)用中由于風(fēng)速在不同季節(jié)與沙塵暴發(fā)生程度的對應(yīng)關(guān)系不明確,即同樣的風(fēng)速,在春季與初夏引起的沙塵暴程度不同,不同地域(如華北與西北)同樣風(fēng)速引起的沙塵暴程度也不同,因此不能用風(fēng)速作為沙塵暴的分類標準,必須對寧夏沙塵暴天氣類型進行重新劃分。我們利用聚類分析,根據(jù)沙塵暴天氣發(fā)生時的能見度和持續(xù)時間,按照中國氣象局沙塵暴能見度分類標準,引入沙塵暴持續(xù)時間因素,將該區(qū)1954\_2000年沙塵暴天氣過程分成4類,得到按沙塵暴實際發(fā)生情況的客觀分類(表1)。3寧夏鹽池荒漠化統(tǒng)計規(guī)律3.1強沙場期次及年際變化根據(jù)鹽池氣象站1954\_2000年觀測的沙塵暴發(fā)生次數(shù)及歷時(h)記載,可以看出沙塵暴發(fā)生次數(shù)及歷時的年際變化趨勢基本一致(圖1),沙塵暴發(fā)生次數(shù)具有波動性,波動振幅變化大,期間有6個高峰期,1954\_1960年\,1963年、1971\_1972年、1976\_1977年、1980\_1985年、1993\_1995年。自70年代中期以來,鹽池沙塵暴年發(fā)生次數(shù)在波動中逐漸降低。該圖還表現(xiàn)出明顯的周期波動,既有沙塵暴持續(xù)高發(fā)期,又有相對穩(wěn)定的低發(fā)期,其中高發(fā)期持續(xù)年份相對較短,僅3～4a,相對低發(fā)期一般持續(xù)2～7a;對上述統(tǒng)計結(jié)果進行的周期分析還顯示,沙塵暴發(fā)生存在18a、22a、11a、7a、3a的主周期,其中以11a、7a和3a周期最顯著。根據(jù)圖1,對歷史樣本進行了分類,由于強沙塵暴危害嚴重,也是人們關(guān)注的焦點,我們分析了鹽池1970年以來強沙塵暴發(fā)生次數(shù)的年際變化趨勢,并用正交多項式進行了趨勢模擬(圖2)。圖2有幾個特點:一是從正交多項式趨勢線的走向來看,在較長一段時期內(nèi),強沙塵暴發(fā)生的次數(shù)有一定的穩(wěn)定性,趨勢總體上處在同一水平上;二是從發(fā)生強沙塵暴極值來看,20世紀70年代最多年發(fā)生4次,80年代最多年發(fā)生5次,90年代最多年僅發(fā)生2次,說明強沙塵暴年發(fā)生次數(shù)有減少的趨勢;三是從不同年代強沙塵暴發(fā)生頻率來看,70年代發(fā)生9次,80年代發(fā)生11次,90年代發(fā)生達15次,表明雖然一年內(nèi)發(fā)生3次以上強沙塵暴的概率減少了,但發(fā)生1～2次強沙塵暴的概率明顯增多,90年代幾乎每年都會有1～2次強沙塵暴天氣,特別是近年來,這種趨勢有增無減。3.2單峰型罪犯需防風(fēng)固沙圖3是根據(jù)938個沙塵暴樣本按月統(tǒng)計的平均發(fā)生次數(shù)和持續(xù)日數(shù),二者有很好的一致性,呈單峰型,均表現(xiàn)出沙塵暴發(fā)生在12月至翌年6月份,7～11月幾乎沒有沙塵暴天氣;其中3～5月為沙塵暴多發(fā)季節(jié),4月份最多,與這一時期氣溫急劇回升、降水少和地表土壤水分減少并容易起沙有關(guān)。3.3月內(nèi)溫度和持續(xù)時間分布圖4是根據(jù)沙塵暴發(fā)生時間按季節(jié)統(tǒng)計的頻率分布。從全年來看,沙塵暴一般從上午9:00開始,22:00結(jié)束,即沙塵暴一般發(fā)生在白天,夜晚基本不發(fā)生;從不同季節(jié)發(fā)生情況來看,春季頻率最大,持續(xù)時間也最長,冬季發(fā)生頻率較低,持續(xù)時間也較短。一般上午11:00才開始,下午18:00就結(jié)束,持續(xù)7h。其他季節(jié)不發(fā)生沙塵暴天氣。4不同類型砂機的砂源分析4.1年際變化及趨勢分析不同沙塵暴強度的風(fēng)向頻率分布特征反映了沙塵暴天氣過程的類型。根據(jù)不同強度沙塵暴發(fā)生前、中、后的風(fēng)向資料,分別統(tǒng)計了其在各自類別中的風(fēng)向頻率,發(fā)現(xiàn)不同強度的沙塵暴風(fēng)向頻率分布有一定的相似性但存在明顯的不同點(圖5)。首先,從沙塵暴發(fā)生前、中、后的風(fēng)向最大頻率來看,弱沙塵暴風(fēng)向集中在WNW方向上,中度沙塵暴擴展到WNW-W方向范圍,強沙塵暴最大風(fēng)向頻率出現(xiàn)在NNW方向上,且從WNW至WSW分布比較均勻,在NW方向的沙塵暴較少。NNW方向上的沙塵暴來源于鹽池北部毗鄰的毛烏素沙地,WNW-WSW方向的沙塵暴分別來源于賀蘭山西北部的烏蘭布和沙漠和西部的騰格里沙漠或河西走廊等更遠的地區(qū)。特強沙塵暴天氣集中在WNW-WSW方向上,最大頻率在W方向上,其他方向上的發(fā)生幾率基本上均很小。說明該區(qū)特強沙塵暴的沙源地主要在寧夏西部的騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和河西走廊北部等更遠的地區(qū),而毛烏素沙地僅在NNW方向的大風(fēng)時,影響鹽池縣等寧夏東部地區(qū)和陜北的榆林地區(qū),對灌區(qū)基本沒有影響。從圖5還可看出,除特強沙塵暴外,其他類型的沙塵暴在SSW-SSE方向上也有一個小的峰值,這可能與鹽池南部荒漠化草場植被破壞和生態(tài)環(huán)境退化有關(guān),屬于就地起沙類型。這種類型能造成弱至中度的沙塵暴災(zāi)害,但還不能造成強沙塵暴災(zāi)害。另外,從不同強度沙塵暴的風(fēng)向頻率數(shù)值間的比較可看出,中度以下的沙塵暴風(fēng)向集中且頻率較大,強至特強沙塵暴風(fēng)向分布較寬,各個風(fēng)向上的風(fēng)向頻率數(shù)值較接近,且比前者數(shù)值小。為了研究沙塵暴發(fā)生過程的風(fēng)向變化規(guī)律,繪制了不同強度沙塵暴發(fā)生前、后和發(fā)生過程中風(fēng)向頻率的比較圖(圖6)。從總體上看,沙塵暴發(fā)生前、中、后的過程中,風(fēng)向有向偏北轉(zhuǎn)向的趨勢。這種趨勢在弱沙塵暴天氣上表現(xiàn)不顯著,但在沙塵暴強度增強時,越來越顯著。如特強沙塵暴天氣發(fā)生前最大風(fēng)向頻率為WSW,發(fā)生過程中轉(zhuǎn)向W方向,過程結(jié)束后風(fēng)向轉(zhuǎn)向WNW,這與造成不同強度沙塵暴的天氣類型有關(guān)。從不同強度沙塵暴發(fā)生過程中的風(fēng)向頻率比較來看,弱和中度沙塵暴最大頻率在WNW方向上,強沙塵暴出現(xiàn)在WNW-NNW方向上,特強沙塵暴則集中在以W向為中心的WNW-WSW方向。根據(jù)以上分析,參考徐啟運等的河西走廊地區(qū)沙塵暴劃分結(jié)果,把該區(qū)沙塵暴劃分為西北氣流型、鋒線型、局地中小尺度天氣型。西北氣流型沙塵暴過程發(fā)生前、中、后風(fēng)向變化不大;鋒線型則在發(fā)生前與發(fā)生時有較大的風(fēng)向差異,但發(fā)生后風(fēng)向與發(fā)生時差異不大;局地中小尺度天氣型沙塵暴發(fā)生前、中、后風(fēng)向均可以有巨大的變化。4.2特強應(yīng)用與引領(lǐng)天氣的關(guān)系圖7是按照不同強度沙塵暴統(tǒng)計的樣本每隔10分鐘測定的風(fēng)速平均值。反映了兩方面的差別:一是從沙塵暴發(fā)生期間風(fēng)速與強度間的關(guān)系可以看出,風(fēng)速越大,沙塵暴強度越強;但從強沙塵暴風(fēng)速反而大于特強沙塵暴風(fēng)速來看,二者沒有直接的聯(lián)系。這可以從沙塵暴源地和沙塵粒子量得到解釋。根據(jù)以上分析,特強沙塵暴起沙源地有遠、近多處沙漠或戈壁,只要達到一定風(fēng)速,這些源地的沙塵粒子均可進入大氣,從其持續(xù)時間最長可以推斷出大尺度天氣過程比例較大,屬西北氣流型,影響區(qū)域廣泛,起沙源地多,空中沙塵粒子濃度較高;而強沙塵暴雖然系統(tǒng)性過程比例也較多,但中尺度強鋒線型也占一定比例,這種天氣雖然風(fēng)速最大,但起沙源地比前者少,空中沙塵粒子濃度比前者低一些,造成沙塵暴強度不及前者。從沙塵暴持續(xù)時間可以看出,特強沙塵暴平均持續(xù)14h,強沙塵暴可持續(xù)12h,中沙塵暴平均持續(xù)9.5h,而弱沙塵暴僅持續(xù)3.5h。不同類型沙塵暴風(fēng)速和持續(xù)時間均有較大差異,可證明不同天氣系統(tǒng)、起沙源地的多寡及源地位置是造成沙塵暴強度變化的原因。5泥沙發(fā)生的季節(jié)和日變化(1)沙塵暴發(fā)生次數(shù)及歷時的年際變化趨勢基本一致,沙塵暴發(fā)生日數(shù)具有波動性,波動振幅變化大。20世紀70年代中期以來,鹽池沙塵暴發(fā)生日數(shù)在波動中逐漸降低。(2)沙塵暴發(fā)生次數(shù)及持續(xù)時間的年內(nèi)變化有很好的一致性,其中3～5月為沙塵暴多發(fā)季節(jié),4月份最多。(3)沙塵暴發(fā)生次數(shù)的日變化一般從上午9:00開始,22:00結(jié)束,即沙塵暴一般發(fā)生在白天,夜晚基本不發(fā)生;從不同季節(jié)發(fā)生情況來看,春季頻率最大,持續(xù)時間也最長,冬季發(fā)生頻率較低,持續(xù)時間也較短。(4)弱沙塵暴風(fēng)向集中在WNW方向上,中度沙塵暴擴展到WNW-W方向范圍,強沙塵暴最大風(fēng)向頻率出現(xiàn)在NNW方向上,特強沙塵暴天氣集中在WNW-WSW方向上