近5年奈曼旗風(fēng)環(huán)境特征與輸沙勢(shì)分析

在中國(guó)，年降水量小于400mm的干旱和半干旱地區(qū)通常屬于土壤侵蝕區(qū)。風(fēng)蝕導(dǎo)致的生態(tài)后果主要表現(xiàn)為土地沙漠化的加速發(fā)展和沙塵災(zāi)害的頻繁發(fā)生,而引起土壤風(fēng)蝕的最主要、最直接的動(dòng)力因素是具有一定強(qiáng)度的起沙風(fēng)。因此,研究干旱、半干旱地區(qū)的風(fēng)況及合成輸沙勢(shì),有助于深入探究研究區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)狀況,并解釋沙塵天氣頻繁出現(xiàn)的原因。奈曼旗地處科爾沁沙地腹地,位于中緯度西風(fēng)帶,是西路、西北路和偏北路冷空氣入侵的必經(jīng)之地,冬季受蒙古冷高壓的控制,盛行西北及偏北風(fēng),夏季受大陸低氣壓和副熱帶高壓的控制,以偏南和西南風(fēng)為主,是近年來(lái)我國(guó)風(fēng)蝕強(qiáng)烈、沙漠化發(fā)展速度最快、沙塵危害程度最嚴(yán)重的區(qū)域之一。本文利用中國(guó)科學(xué)院奈曼沙漠化研究站氣象觀(guān)測(cè)場(chǎng)1998—2002年的風(fēng)速、風(fēng)向原始數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析了奈曼旗近5年來(lái)的起沙風(fēng)分布特征,同時(shí)引用起沙風(fēng)資料,并選擇適宜的輸沙量加權(quán)方程,探討了研究區(qū)的合成輸沙勢(shì),旨在為科爾沁沙地的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)提供依據(jù)。1研究領(lǐng)域和方法1.1降水量逐年增加研究區(qū)為典型溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫6.3℃,降水量366mm,有75%集中在6~9月,春季(3~5月)降水量?jī)H占全年降水量的12%左右。年平均蒸發(fā)量1935mm,約為年降水量的4倍。多年平均風(fēng)速3.5m·s-1,全年平均風(fēng)速大于土壤風(fēng)蝕臨界起動(dòng)風(fēng)速(5m·s-1)的日數(shù)近200d,主要出現(xiàn)在春季和冬季。1.2風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)定1998—2002年的風(fēng)速、風(fēng)向原始數(shù)據(jù)及降水資料均取自于中國(guó)科學(xué)院奈曼沙漠化研究站氣象觀(guān)測(cè)場(chǎng)(42°55′N(xiāo),120°45′E;海拔358m)自記系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)段為1h。風(fēng)速、風(fēng)向的觀(guān)測(cè)高度為10m,原始風(fēng)向數(shù)據(jù)用0°~360°方位角表示。由于系統(tǒng)故障,導(dǎo)致個(gè)別月份的數(shù)據(jù)不夠完整,有鑒于此,起沙風(fēng)頻數(shù)均用起沙風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)數(shù)與總統(tǒng)計(jì)時(shí)數(shù)的百分比表示。1.2.1速及出現(xiàn)頻數(shù)將逐年的原始風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)以1h為統(tǒng)計(jì)單位,根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果統(tǒng)計(jì)計(jì)算每月風(fēng)速≥5m·s-1的起沙風(fēng)的平均風(fēng)速、最大風(fēng)速及出現(xiàn)頻數(shù)。為了突出起沙風(fēng)的分布特征,并基于計(jì)算合成輸沙勢(shì)的需要,僅分析起沙風(fēng)的風(fēng)向變率,即先將逐年原始數(shù)據(jù)中風(fēng)速低于5m·s-1的數(shù)據(jù)刪去,然后以1h為統(tǒng)計(jì)單位,逐月統(tǒng)計(jì)N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SW、SSW、WSW、W、WNW、NW和NNW16個(gè)方位的起沙風(fēng),并計(jì)算不同方位起沙風(fēng)的平均風(fēng)速、最大風(fēng)速及出現(xiàn)頻數(shù)。1.2.2pohential的計(jì)算輸沙勢(shì)(DriftPotential,簡(jiǎn)稱(chēng)DP)代表潛在的最大輸沙量,按矢量單位(VU)計(jì)算,通常用能夠以圖解形式顯示輸沙量及方向變率的沙玫瑰圖來(lái)表示。沙玫瑰圖為輸沙量環(huán)形頻率分布圖,表示16個(gè)方位的潛在輸沙量。圖內(nèi)臂長(zhǎng)與給定的方向輸沙量成正比例;各個(gè)方向的矢量單位總和在矢量上可歸結(jié)為單一合成量,該合成輸沙方向的量稱(chēng)之為合成輸沙勢(shì)(ResultantDriftPotential,簡(jiǎn)稱(chēng)RDP),該合成輸沙方向(ResultantDriftDirection,簡(jiǎn)稱(chēng)RDD)表示輸沙的凈走向。在計(jì)算RDP之前,首先要選擇一個(gè)能利用起沙風(fēng)資料計(jì)算輸沙量的加權(quán)方程。Bagnold、Lettau和Lettau等的輸沙量經(jīng)驗(yàn)方程都表明,輸沙量與摩阻速度有關(guān)。由于Lettau和Lettau的方程與Belly(1965)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,而且科爾沁沙地的地表狀況基本符合該方程的假設(shè)條件,因此,本文采用Lettau和Lettau的輸沙量方程計(jì)算相對(duì)潛在輸沙量。方程為:q=C(d/D)1/2(ρ/g)(u??u*t)u2?(1)q=C(d/D)1/2(ρ/g)(u*-u*t)u*2(1)式中:q為輸沙量;g為重力加速度;ρ為空氣密度;d為沙物質(zhì)粒徑;D為標(biāo)準(zhǔn)粒徑(0.25mm);u*為摩阻速度;u*t為臨界摩阻速度;C為回歸系數(shù)(4.2)。依據(jù)Edwin的表述,用10m高度的風(fēng)速近似代表摩阻速度,于是方程(1)可歸納為:q∝V2(V?Vt)(2)q∝V2(V-Vt)(2)一定時(shí)間內(nèi)的輸沙量則為:q∝V2(V?Vt)t(3)q∝V2(V-Vt)t(3)式中:V2(V-Vt)又稱(chēng)加權(quán)因素;V為起沙風(fēng)風(fēng)速;Vt為臨界起沙風(fēng)速(5m·s-1);t為起沙風(fēng)出現(xiàn)頻數(shù)。2結(jié)果與分析2.1月至5月從圖1可以看出,研究區(qū)近5a來(lái)各月起沙風(fēng)的出現(xiàn)頻數(shù)及其風(fēng)速特征存在一定差異。一年之中,起沙風(fēng)的月平均風(fēng)速基本在5.3~7.5m·s-1之間波動(dòng),其中春季(3~5月)較高,平均風(fēng)速為6.6m·s-1,3、4月的平均風(fēng)速達(dá)到了6.9m·s-1,個(gè)別年份超過(guò)了7m·s-1;秋冬季(9月至翌年2月)次之,平均風(fēng)速為6.3m·s-1;夏季(6~8月)較低,平均風(fēng)速為5.8m·s-1。從起沙風(fēng)的年內(nèi)出現(xiàn)頻數(shù)及最大風(fēng)速看,研究區(qū)每年都會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)風(fēng)力強(qiáng)勁頻繁期,即3~5月和10月至翌年2月。3~5月起沙風(fēng)的發(fā)生頻數(shù)很高,分別占21%~35%、25%~42%和12%~24%,出現(xiàn)的最大風(fēng)速分別為9.5~14.3m·s-1、10.8~16.9m·s-1和9.5~12.5m·s-1;同期的降水量分別為0~11.8mm、12.8~17.1mm和8.1~50.5mm,僅占全年降水的0~4.2%、3.5%~9.3%和2.7%~13.7%,同期的蒸發(fā)量卻是同期降水量的17.2倍;此期正值地表凍土融化、植物尚未返青或萌動(dòng)期,地面基本呈裸露狀態(tài)。10月至翌年2月,起沙風(fēng)的發(fā)生頻數(shù)占4%~30%,出現(xiàn)的最大風(fēng)速為7.5~14.3m·s-1。該時(shí)段內(nèi)盡管風(fēng)力較大,但前期仍有枯萎的植被覆蓋地表,后期表土層封凍(10月底凍結(jié),3月初凍融),下墊面的可移動(dòng)性不大?？梢?jiàn),3~5月是起沙風(fēng)多發(fā)期、地表凍融裸露期及大氣、土壤干旱期相耦合的時(shí)期,這種多重因素的耦合為地表的風(fēng)沙運(yùn)移提供了強(qiáng)有力的動(dòng)力條件和豐富的沙源。由此,3~5月可視為研究區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)期。統(tǒng)計(jì)分析還發(fā)現(xiàn),起沙風(fēng)的出現(xiàn)頻數(shù)及其風(fēng)速特征在年際間亦存在著一定的差異。1998—2002年逐年的起沙風(fēng)頻數(shù)累計(jì)分別為197%、181%、176%、148%和185%,逐年3~5月的起沙風(fēng)頻數(shù)累計(jì)分別為75%、68%、88%、85%和89%,逐年3~5月的起沙風(fēng)平均風(fēng)速分別為6.6m·s-1、6.3m·s-1、6.8m·s-1、6.7m·s-1和6.8m·s-1。由此可見(jiàn),從1998—2001年,年起沙風(fēng)頻數(shù)呈逐年遞減趨勢(shì),而2002年有所增加,但真正能引發(fā)沙塵移動(dòng)的起沙風(fēng)頻數(shù)(3~5月累計(jì)頻數(shù))在2000—2002年近3a內(nèi)呈較高的態(tài)勢(shì),且風(fēng)力較為強(qiáng)勁。2.2風(fēng)向沙風(fēng)場(chǎng)的頻率和平均風(fēng)速表1為研究區(qū)近5a來(lái)風(fēng)沙活動(dòng)期間不同風(fēng)向起沙風(fēng)的風(fēng)速變化動(dòng)態(tài),圖2反映的是同期起沙風(fēng)的方向變率。結(jié)合表1和圖2來(lái)看,研究區(qū)4月的風(fēng)力更為強(qiáng)勁頻繁,3月次之,5月較弱。3~5月為典型的銳雙峰風(fēng)況,西北風(fēng)占主導(dǎo)地位,南風(fēng)和西南風(fēng)次之。3月各風(fēng)向起沙風(fēng)的累計(jì)頻數(shù)為27.9%,其中NNW、NW、WNW最多(每一風(fēng)向的出現(xiàn)頻數(shù)達(dá)4.1%以上),累計(jì)頻數(shù)達(dá)15.9%,平均風(fēng)速也較高,在6.7~7.8m·s-1之間,最大風(fēng)速為12.2~14.3m·s-1;WSW、S、W、SSW及N風(fēng)的頻率亦較高(每一風(fēng)向的出現(xiàn)頻數(shù)達(dá)1.4%以上),累計(jì)頻數(shù)達(dá)9.1%,平均風(fēng)速為6.0~7.2m·s-1;其余8個(gè)風(fēng)向風(fēng)的累計(jì)頻數(shù)只有2.9%。4月各風(fēng)向起沙風(fēng)累計(jì)頻數(shù)為33.3%,其中S、SSW、NW、NNW和WNW最多,累計(jì)頻數(shù)達(dá)23.6%,平均風(fēng)速在6.3~8.4m·s-1之間,最大風(fēng)速為10.6~16.9m·s-1;N、WSW、SW及W出現(xiàn)的頻率亦較高,累計(jì)頻數(shù)達(dá)7.3%,平均風(fēng)速為6.5~7.4m·s-1;其余7個(gè)風(fēng)向風(fēng)的累計(jì)頻數(shù)只有2.4%。5月各風(fēng)向起沙風(fēng)累計(jì)頻數(shù)為19.0%,其中WNW、NW、NNW、S、SSW、N和W較多,累計(jì)頻數(shù)達(dá)15.0%,平均風(fēng)速為5.9~6.6m·s-1,最大風(fēng)速為8.4~12.5m·s-1;其余9個(gè)風(fēng)向風(fēng)的累計(jì)頻數(shù)為4.0%。2.3沙動(dòng)態(tài)特征輸沙勢(shì)和輸沙方向能夠清楚地反映一個(gè)地區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度以及沙物質(zhì)的搬運(yùn)方向。通常高合成輸沙勢(shì)地區(qū)有較高的風(fēng)能,表現(xiàn)為風(fēng)向較單一或風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度較大;而低合成輸沙勢(shì)地區(qū)表現(xiàn)為多風(fēng)向或風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度較小。從逐年輸沙勢(shì)的月變化動(dòng)態(tài)看(表2),研究區(qū)的DP和RDP也有兩個(gè)高值區(qū)段,分別為3~5月和10月至翌年2月,并且3、4月的DP和RDP值都較高。輸沙勢(shì)的年內(nèi)分布特征與上述起沙風(fēng)的變化趨勢(shì)一致。另外,風(fēng)沙活動(dòng)期的RDP、DP和RDD在年際間也有差異,其中2000—2002年的DP/RDP值較高,RDP較大,表明近3a內(nèi)的風(fēng)向較單一,風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度大,土壤風(fēng)蝕強(qiáng)烈。從沙玫瑰圖(圖3)看,研究區(qū)近5a來(lái)風(fēng)沙活動(dòng)期的RDP為66.3VU,RDP/DP為0.67,RDD為ESE113°。根據(jù)Fryberger的區(qū)域風(fēng)能分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(表3),本區(qū)在風(fēng)沙活動(dòng)期間為銳雙峰風(fēng)況,屬于高風(fēng)能環(huán)境,風(fēng)沙流活動(dòng)以風(fēng)蝕為主,沙物質(zhì)朝東南偏東方向輸移。3沙漠化轉(zhuǎn)沙期1998—結(jié)論與討論(1)近5a來(lái),研究區(qū)春季起沙風(fēng)的發(fā)生頻率最高,風(fēng)速最大。從3~5月起沙風(fēng)的風(fēng)向變率看,主要有西北風(fēng)、南風(fēng)及西南風(fēng)兩組優(yōu)勢(shì)風(fēng)向,其中西北風(fēng)發(fā)生頻次高,風(fēng)力強(qiáng)勁,是造成研究區(qū)沙物質(zhì)向東南方向移動(dòng)的主導(dǎo)風(fēng);南風(fēng)及西南風(fēng)的發(fā)生頻次及風(fēng)速雖不及西北風(fēng),仍然會(huì)攜帶一定的沙量向東北方向移動(dòng),從而引起輸沙凈走向向東南偏東偏移。(2)研究區(qū)DP和RDP的年內(nèi)分布特征與起沙風(fēng)的月變化趨勢(shì)一致,每一年總會(huì)出現(xiàn)3~5月和10月至翌年2月兩個(gè)高值區(qū)段,而6~9月為低值區(qū)段。由于3~5月的降水很少,僅占全年降水的0~13.7%,而同期的蒸發(fā)量卻很大,約為同期降水量的17倍,由此造成已經(jīng)凍融的表土層呈干旱疏松狀態(tài);加之這一時(shí)期大面積分布的沙質(zhì)草地植被蓋度極小,僅有0.3%~16%,尚不能有效地覆蓋保護(hù)地表;沙質(zhì)農(nóng)田正值春耕播種期,表土層完全裸露,在強(qiáng)風(fēng)的作用下,極易風(fēng)蝕。因此這三個(gè)月是研究區(qū)土壤風(fēng)蝕的主要發(fā)生期;10月至翌年2月也是起沙風(fēng)多發(fā)期,但由于地表仍有枯萎的植被覆蓋或進(jìn)入封凍狀態(tài),土壤風(fēng)蝕發(fā)生的可能性顯著下降;6~9月起沙風(fēng)發(fā)生頻率低、風(fēng)速小,特別是這一時(shí)期植物已進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)期,地面植被蓋度較大,土壤風(fēng)蝕發(fā)生的可能性極小。由此表明,3~5月為研究區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)期,此區(qū)段內(nèi)的輸沙量可近似看作是研究區(qū)的年總輸沙量。(3)研究區(qū)近5a來(lái)平均每年3~5月的RDP為66.3VU,RDD為113°,RDP/DP為0.67。按照Fryberger的區(qū)域風(fēng)能分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),科爾沁沙地在春季屬于高風(fēng)能銳雙峰風(fēng)向的高合成輸沙勢(shì)地區(qū),風(fēng)的輸沙能力較強(qiáng),沙物質(zhì)向東南方向移動(dòng)。以往有研究曾依據(jù)區(qū)內(nèi)5月份兩個(gè)典型大風(fēng)天氣下不同下墊面的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)數(shù)和特征值,得出了流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘、半固定沙丘和固定沙丘均處于風(fēng)蝕或搬運(yùn)狀態(tài)的結(jié)論;劉新民等也發(fā)現(xiàn),研究區(qū)新月型沙丘的移動(dòng)速度為16.1m·a-1,新月型沙丘鏈的移動(dòng)速度為8.1m·a-1,沙壟的移動(dòng)速度為9.9m·a-1。上述研究結(jié)果都表明,研究區(qū)的季節(jié)性風(fēng)蝕活動(dòng)非常強(qiáng)烈。(4)由3~5月的RDP值可知,研究區(qū)1998年屬中等風(fēng)能環(huán)境,1999年屬低風(fēng)能環(huán)境,2000—2002年屬高風(fēng)能環(huán)境。已有降水資料表明,研究區(qū)除了1998年的年降水量(369mm)與該區(qū)多年平均降水量(366mm)