近50年来民勤沙尘暴的环境特征
近50年来民勤沙尘暴的环境特征
张克存1 , 屈建军1 , 马中华2
（1.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 ，甘肃 兰州 730000；2. 甘肃省民勤县气象局，甘肃 民勤 733300）
摘要：根据民勤县气象局近50年来观测的1436次沙尘暴资料，系统地分析了这一时段沙尘暴发生的时间特性。从沙尘暴发生的机制出发，并结合当地的其它气象要素，初步确定沙尘暴和与之对应的气象要素之间的关系,为该地区治理沙害、恢复生态提供理论依据。
关键词：民勤； 沙尘暴； 环境特征
沙尘暴是一种危害极大的灾害性天气,它的发生发展既是一种加速土地荒漠化的重要过程,又是土地荒漠化发展到一定程度的具体表现[1]。作为一种气象灾害和生态环境问题，早已引起世界各国的注意。30年代美国西南部大草原的过度开垦、放牧和50年代哈萨克斯坦的大量开拓荒地，均导致地表、植被的严重破坏，加之气候干旱，使数以百万吨记的沙尘被吹走，大面积的农田被毁，造成极其严重的沙尘暴灾害。非洲撒哈拉沙漠南缘萨赫勒地区，在70年代初至80年代中，由于连续干旱也出现了类似的惨状。我国也是沙尘暴灾害严重国家之一，西北地区为沙尘暴多发区，甘肃河西走廊一带尤为严重，1950年至今共发生过6次强沙尘暴[2]。本文就以河西走廊东北部的民勤为例探讨这一地区沙尘暴的时间特性。
民勤位于河西走廊东北部，地处巴丹吉林和腾格里两大沙漠的相壤地带，境内沙漠、戈壁、盐碱滩地和剥蚀残丘占全县土地面积的91%，其中沙漠面积达92.5万hm2。平均年降水量110mm左右，而蒸发量高达2644mm，为降水量的24倍，干燥度大于4，平均年沙尘暴日数37天，最大风力11级，属于典型的干旱荒漠气候。风大沙多,大风沙尘暴频繁，风沙危害严重，其境内沙尘暴的发生特性在河西走廊沙区具有很强的代表性[3]。
1. 资料来源
本文根据民勤县气象局自1954年来观测的逐日沙尘暴资料，详细地记录了每次沙尘暴发生的起止时间。所统计的沙尘暴是根据我国的气象观测规范所定义的,即沙尘暴系指由于强风将地面大量沙尘吹起,使空气很混浊,水平能见度小于1.0km的天气现象[4]。
为了确定沙尘暴和当地其它气象要素之间的关系，还记录了这一时段的历年各月大于0.1mm的降水日数及降水量、月平均风速、大于8级的大风日数和耕地变化情况。
2. 结果与分析
2.1沙尘暴发生的时间特性
图1反映了自1954年以来民勤县沙尘暴发生的年际变化规律。★代表每年沙尘暴发生的次数，●代表每年沙尘暴累计持续时间。从图1不难看出，在这一期间，沙尘暴总的发展趋势是在减少，特别是90年代以后，减少的幅度很大，然而在80年代出现了回升[5]。这可能与当地的生态环境变化息息相关，在80年代当地出现一度的开垦荒地热潮。大片长有梭梭、白刺、沙枣树和甘草等荒漠植被的戈壁被开垦种植籽瓜，秋收后，原来固定的戈壁大面积裸露，遭受风沙袭击，为当地沙尘暴的发生提供丰富的物质条件。另外，由于大面积的开垦荒地，使得当地的地下水严重超采，据统计从70年代至今，全县共打井1.1万多眼，其中200～300m的深井就达260眼，年提取地下水6亿多m3，每年净超采地下水3亿多m3，导致地下水位急剧下降。引起一系列生态灾难，如矿化度增加、植被大面积的死亡、天然草场退化等，最终导致风沙灾害加剧，沙尘暴频繁发生。
图2统计了1954～2000年各月沙尘暴的记录情况，一年中3、4和5月份沙尘暴发生的次数和持续的时间最高，尤其是4月份达到全年的峰值。5月份以后发生的次数和持续的时间急剧下降，9月份达到低谷，10月份后又出现回升[6]。沙尘暴这种波动与一年的季节变化和当地的物候关系甚密。春季沙尘暴发生的频率高是由于气温回升，裸露的地表开始解冻，土壤变得疏松，另外，由于受蒙古高压的控制，气旋活动比较旺盛，为沙尘暴的孕育和发展提供了动力基础。5月份以后，随着气温的回升和降水的增加，大面积种植的庄稼使得地表覆盖度提高，沙尘暴发生的机会大大减少。进入9月份秋收后，地表零星裸露，沙尘暴又开始增加。不过，冬季由于地表封冻，相对于春季，沙尘暴持续的时间和发生的次数还是比较轻的。另外，对每次沙尘暴持续的时间特性作了统计，具体情况见表1。
表1 沙尘暴持续的时间特性
tab. 1 temporal characteristics of sandstorm retaining
沙尘暴持续时间 （分钟） 次数 频率 （％）
0-120 917 63.86
120-240 305 21.24
240-360 119 8.29
360-480 61 4.25
480-600 23 1.60
≥600 11 0.76
∑ 1436 100
一次沙尘暴一般持续1到2个小时,从民勤县气象局自1954年来统计的1436次沙尘暴持续的时间可以看到，在0～120分钟沙尘暴共发生917次，占63.86％。持续时间很长的沙尘暴（超过6小时）的比重很小，超过10小时的沙尘暴只有11次，占这一时段沙尘暴总量的7.6％，特大沙尘暴发生的频率不是很高。这就是说，沙尘暴是一种短暂的天气现象，是在大尺度的气候背景下，由于局地地形、特定的下垫面条件造成不稳定的大气层结引起的。
表2 沙尘暴发生的时间特性
tab. 2temporal characteristics of sandstorm occurring
沙尘暴开始时间 次数 频率（％）
0:00-3:00 70 4.87
3:00-6:00 55 3.83
6:00-9:00 119 8.29
9:00-12:00 199 13.86
12:00-15:00 264 18.38
15:00-18:00 227 15.81
18:00-21:00 436 30.36
21:00-24:00 66 4.60
∑ 1436 100
从表2可以看出，沙尘暴的发生时间大多集中在中午至傍晚，夜间至午前相对较少，这显然与近地层空气热力稳定性的日变化有关[7]。午后由于地表升温，有利于空气对流，使得气流的紊动性加强，沙颗粒的起动相对来讲比较容易，更重要的是为沙尘暴的孕育和发展提供了稳定的环境条件，当有冷空气过境时,高低空对流加强,有利于沙尘暴的发生[8]。另外，笔者计算了每年沙暴持续时间与发生次数之间的相关系数r=0.886，在显著水平a取0.01时进行t检验，得到t＝12.81＞ta/2 =2.66（自由度n取60），说明每年沙暴持续时间与发生次数之间相关性非常显著。
2.2沙尘暴与其它气象要素之间的关系
沙尘暴灾害性天气的出现，离不开强劲的风力、丰富的沙尘源和不稳定的空气诸因子的结合，其中风是沙尘暴发生的动力条件，沙是物质基础，不稳定的空气层结为沙尘暴的孕育和发展提供了良好的环境基础。所以研究沙尘暴与诸气象要素之间的关系也就是找出这些气象要素如何影响沙尘暴发生的这三个基本条件，下面分别加以论述。
2.2.1沙尘暴与大风日数
研究结果表明,沙尘暴的发生一般需要足够强劲持久的风力和地表丰富的松散干燥的沙尘，亦即风和沙尘是形成沙尘暴的两个主要因素。我国沙化土地面积20世纪50年代末期到70年代中期平均每年扩展1560km2，至90年代中期每年扩展达2460 km2[9]。这意味着我国地表覆被整体在恶化,沙尘暴的物质源越来越丰富,其发生次数理应呈增多趋势。这显然与上述的沙尘暴普遍减少趋势不吻合,甚至是矛盾的。在这种情况下,沙尘暴的减少将意味着风的因素可能起了主导作用[7]。为此,笔者分析了民勤自1954年至2000年期间各年的沙尘暴日数和大于8级的大风情况，分析结果见图3。
图3表明，每年沙尘暴发生次数与大风日数存在很好的一致性，相关系数r=0.542，在显著水平a取0.01时进行t检验，得到t＝4.32＞ta/2 =2.66（自由度n取60），说明每年沙尘暴发生次数与大风日数之间相关性非常显著。从另一方面也有力的说明在一年内为什么春季沙尘暴比较旺盛、持续的时间较长。春季或初春,在冷锋到来之前,地面受热增温(裸露沙质地面),暖空气在盆地内作气旋性辐合上升,形成热低压。辐合上升气流一直升到3000m高空，再往上主要是辐散气流，当高空气流的水平辐散超过低层水平辐合气流的时候，加大了低空辐合气流的补偿作用，有利于地面热低压的继续发展。在它的前面和后面出现大风，形成沙尘暴天气[10]。另外，我们还可以看出，从50年代开始到60年代末期沙尘暴发生的次数和前面所讲的持续时间有所减少，到80年代初又持续增加，结合图1我们初步推断沙尘暴的发展具有周期性。正如以前的学者所研究的,我国沙尘暴从20世纪50年代以来呈波动减少之势,其中60年代和70年代略有上升,80至90年代在减少中有回升；2000年更是急剧增加，这些现象可能预示着新一轮沙尘暴活跃期已经开始[5]。
2.2.2沙尘暴与降水
降水最直观的特征就是影响地表的湿度从而对沙尘暴发生的物质来源产生影响，因为地表湿度增加，沙颗粒之间的内聚力和拖曳系数加大，这样沙粒的临界起动风速增加，沙尘暴发生发展的几率会大大减少，具体情况见图4。
图4可以看出，降水量多的年份对应的沙尘暴会相应地减少。进一步分析这些数据之间的内在联系发现，80年代以前，年均降水量和沙尘暴之间的这种反相关不是很明显，80年代以后这种反相关性对应的非常良好。这种情况可能是80年代以前影响民勤沙尘暴发生发展的主要源区不在本地而在外地。80年代以后民勤沙尘暴的发生很大程度上是就地起沙，主要与当地农业结构的改变，掀起一度的开荒热种籽瓜，进而“弃田抛荒”有关。
2.3沙尘暴与耕地变化之间的关系
滥垦是造成沙漠化扩张，引起沙尘暴的重要因素之一。由于盲目地开垦土地，自然植被遭到破坏，地表裸露，特别是开垦后大面积轮耕或弃种，导致风蚀现象加重[11]。为此笔者分析了民勤县自1954年来耕地变化情况，见表3。
表3 民勤县1954-2000年的耕地变化（单位：万亩）
tab.3 changes of arable lands from 1954 to 2000 in minqin county
年份 耕地面积 弃耕地面积 年份 耕地面积 弃耕地面积
1954 100.15 -1.24 1977 90.9 -0.44
1955 97.15 3.00 1978 91.54 -0.64
1956 103.28 -6.13 1979 92.31 -0.77
1957 102.8 1.00 1980 92.03 0.28
1958 99.89 2.91 1981 91.71 0.28
1959 98.76 1.13 1982 91.38 0.33
1960 95.38 3.38 1983 91.86 -0.48
1961 92.56 2.82 1984 91.05 0.81
1962 91.76 0.80 1985 92.37 -1.32
1963 91.96 -0.20 1986 92.42 -0.05
1964 91.75 0.21 1987 93.24 -0.82
1965 91.48 0.27 1988 93.4 -0.16
1966 92.02 -0.54 1989 93.54 -0.14
1967 91.68 0.34 1990 93.41 0.13
1968 90.32 1.35 1991 91.4 2.01
1969 90.5 -0.18 1992 91.47 -0.07
1970 89.56 0.94 1993 91.57 -0.10
1971 89.72 -0.16 1994 91.69 -0.12
1972 89.99 -0.27 1995 91.64 0.05
1973 89.97 0.02 1997 91.67 -0.03
1974 90.03 -0.06 1998 93.11 -1.44
1975 90.13 -0.10 1999 93.11 0.00
1976 90.46 -0.33 2000 92.8 0.31
从表3很清楚地看出：自50年代起到70年代，民勤县的耕地面积是在减少，大片的土地弃耕，特别是在60年代初（59年弃耕土地1.13万亩；60年3.38万亩、61年2.82万亩），刚好与这一时期沙尘暴达到峰值对应很好。75年以后，耕地面积变化处于动态均衡，虽然91年（弃耕2.01万亩，这与当地黑瓜籽价格暴跌有关）出现突变，基本上以开垦为主。92年沙尘暴又急剧增加，91年（11次）、92年（19次）、93年（12次）。由此可见，弃耕是造成当地沙尘暴的一个主要原因。如何调整民勤县的土地结构是一个迫在眉睫的问题，特别是在开发西北，国家实施退耕还林还草计划的背景下。如果这一问题处理不好，作为我国北方沙尘暴源区的民勤将会成为一个加速沙尘暴发展的启动器，对我国北方乃至全国生态环境的恶化影响至为关键。
3.结论
本文通过对民勤县自1954年来发生的1436次沙尘暴统计得出如下结论：不论是发生的频次还是持续的时间，沙尘暴总的趋势是在减少；在一年内3～5月份沙尘暴发生的次数最多和持续时间最长，特别是4月份达到峰值；一天内，沙尘暴的发生时间大多集中在中午至傍晚，夜间至午前相对较少，这与近地层空气热力稳定性的日变化有关，而且沙尘暴一般持续的时间是2个小时左右；初步推断沙尘暴的发生具有周期性，这可能与全球性的气候背景周期性的变化有关，如太阳黑子，厄尔尼诺等。最后，结合当地的其它气象要素，对这一时段发生的1436次沙尘暴做了回归分析，得出如下方程：t=751+110nd+9.8nw-6.0np-3.56p。
致谢
本文在搜集资料的过程中得到民勤县气象局、林业局有关同志的支持，在此深表感谢！
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