北京地区的粉尘天气及其影响因素

北京地区的粉尘天气及其影响因素

0北京常用净化方式的源地研究在中国北方，它每年都会发生灰尘。沙尘天气不仅给工农业生产活动带来不利影响,给人们的生活造成不便,而且导致空气环境质量恶化,严重危害人体健康。在过去几年里,沙尘暴问题已经引起政府部门和社会公众的密切关注,环境保护和气象部门的专家们对沙尘暴的发生、发展和传输的机理,以及人类活动对沙尘暴的影响问题,已经进行过比较深入的研究,取得了不少重要的成果。任阵海、苏福庆、高庆先等研究了我国北方地区沙尘暴发生机理、沙尘暴源地、输送路径、输送类型等问题。郭亚萍等报导了中国沙尘暴的成因及防治措施。杨东贞等研究了中国沙尘暴的发生源地及输送沉降问题。夏训诚等研究了中国西北地区沙尘暴灾害及防治。全浩等探讨了中国黄沙的高空传输路线。程道远等报导了大气沙尘的来源,陈广庭等研究证明,北京沙尘天气发生,除了外地输入的沙尘物质外,主要是地面扬尘造成的。陈立奇研究报导了中国沙漠地区发生的沙尘暴,每年向北太平洋输送的沙尘物质约8×109kg。曲绍厚等通过对卫星云图和沙尘输送路径地表的土质分析,证明沙尘暴携带的沙尘物质,多半来自沙漠和戈壁,而不是来自黄土高原。赵性存等分析了中国大气沙尘的特征。周明煜等研究了北京地区尘暴过程的气溶胶特征。徐国昌等分析报导了甘肃特大沙尘暴的起因和输送规律。耿宽宏在1960年对起沙风速问题进行了研究。马溶之早在1934年,就开始注意对北京降尘天气的研究。由于大气环境影响问题没有国界,国外一些学者对中国的沙尘暴问题也十分感兴趣。国外学者常把来自中国西北地区的沙尘称为亚洲尘(AsianDust)。前苏联的B.A.奥勃鲁契夫研究了中国的沙与黄土问题。日本的高山四郎(1920年)曾经用显微镜观察了在天津和旅顺收集到的沙尘,分析了沙尘粒子的粒径和矿物成分。小泉四郎(1934年)在中国东北、天津、山东、河北以及朝鲜半岛和日本本土采集沙尘,分析了沙尘粒子径谱分布和化学成分。北京处于中国西北部沙尘暴源地的下风向地区,沙尘暴的发生和传输,不仅会给北京地区的经济活动带来严重不利影响,还会给北京市民的社会活动带来诸多不便,甚至危害北京市民的身体健康。因此找出影响北京沙尘天气的源地,分析源地气候特征及其与北京沙尘天气的关系,对控制和改善北京地区的大气环境质量,具有十分重要的意义。本文将通过对西北地区气象资料的分析和研究,说明影响北京的沙尘暴发源地、传输路径,并通过对源地的气温、降水等气候要素的分析,进一步揭示北京沙尘天气发生、加剧的原因。1影响中国沙区域环境质量的区域差异沙尘暴天气的发生必须具备三个条件:沙源、大风、气流辐合(垂直对流)。有沙源不一定起沙,但无沙源一定不起沙。通过对历史天气图资料和卫星遥感资料的分析证明,影响我国北方地区的沙尘暴发源地主要位于蒙古国、俄罗斯、哈萨克斯坦境内,以及我国的新疆、内蒙古、青海、甘肃等地区。根据起沙的地理位置的不同,我们将影响我国的沙尘源地划分为境外源地和境内源地。上述地区发生的沙尘暴常常影响我国北方的大部分地区,它们也是导致北京沙尘天气发生,影响北京空气环境质量的重要因素。蒙古国南部的戈壁地区,面积约占该国国土面积的三分之一,是地球上最大的四个沙尘暴源地之一。在西伯利亚强冷气流的冲击下,该地区经常出现上升气旋,将地表裸露的大量干燥、疏松的沙尘卷到空中,并随气流南下,导致沿途沙尘暴天气的出现。2001年我国北方地区观测到的32次沙尘暴天气,其中有18次是来源于蒙古国的南部戈壁地区。我国北方地区沙尘暴的境内源地,主要分布在新疆的塔克拉玛干沙漠、古尔班通古沙漠、库姆塔格沙漠,甘肃的敦煌附近,河西走廊,内蒙古的巴丹吉林沙漠、腾格里、乌兰布和沙漠、毛乌素沙漠、浑善达克沙地,青海的柴达木盆地。2两种典型天气的比较根据生消时间和输送距离,可以把沙尘暴分为局地生消型和远地输送型两类。我国境内的局地生消型源地主要位于新疆塔里木盆地、青海柴达木盆地以及西藏的部分地区。该类型沙尘暴受局地大气环流和地理环境的影响,沙尘不易向外地输送,局地起沙局地消亡,影响范围较小,日变化比较明显;但一旦遇到强的天气系统过境,也可以形成远距离输送。我国境内的远距离输送型源地位于内蒙古的额济纳和阿拉善地区,以及浑善达克沙漠西部边缘地区。西部沙源主要影响河套以西地区,浑善达克沙漠边缘地区则主要影响北京地区以及华北广大地区。输送型沙尘的输送距离和影响范围主要由大气环流状况决定。我国东部地区沙尘天气主要受蒙古低涡的影响。一般蒙古低涡形成后,首先卷起当地的沙尘,并逐渐东移南下,在移动过程中,低涡尾部的辐合上升气流将沿途沙尘一并卷入低涡中,向下游输送。北京正处于下风向地区,深厚低涡往往能带来沙尘天气。影响北京的沙尘暴传输路径,最主要的有两条,他们分别是西路传输和北路传输。气象资料的统计分析结果表明,在影响北京地区的沙尘暴天气过程里,北路沙尘暴与西路沙尘暴之比约为2∶1。图1给出影响北京沙尘天气的最主要的两条传输路径示意图。3我国总体降水量为5.10mm,在自然条件下,土壤对于土壤、坡位的生长具有一定的影响地表干燥裸露疏松的沙土是形成沙尘暴的物质基础。我国的新疆、内蒙古、甘肃、青海等地区,有广阔的沙漠、半沙漠和裸露的黄土地带。这些地区地处亚洲大陆腹地,气候干燥,降水稀少,年降水量通常只有100～200mm。塔里木盆地、吐鲁番盆地、柴达木盆地则不超过25mm;贺兰山以东,年降水量为200～400mm;贺兰山以西年降水量在200mm以下;在塔克拉玛干沙漠的中部和东部,柴达木盆地西部以及巴丹吉林沙漠中,年降水量在50mm以下,降雨主要集中在夏季6～8月,春季降水量则更为稀少。由于降水稀少,地表土层干燥、疏松,很容易被大风吹起,形成沙尘天气:因此,这些地区就成为产生沙尘暴的主要起沙源地。北京处于地球上的暖温带北部边缘,多年平均降水量为557mm。北部地区邻接农牧交错带,即我国北方农耕区与天然草地牧区接壤的过度地带,年降水量在250～500mm,属于半干旱地区。北京地区西靠太行山,北依燕山。由于特殊的地理位置和复杂的气候条件,北京地区几乎每年都要遭受沙尘暴的侵袭。此外,由于人类活动的影响,自然生态环境的破坏,局部地区沙尘天气的发生有加剧的趋势。3.1年来平均气温特征通过对我国最主要的几个沙尘源地(浑善达克沙地和巴丹吉林沙漠附近)的二十几个气象站的气温资料分析,发现我国西北地区的干旱、半干旱地区近40年来1月份平均气温有明显的增加趋势;夏季7月份平均气温略有增加,但不明显;全年平均气温呈增加趋势。由于1月份增温明显,故做详细分析。内蒙中部和西部的气温变化过程如图2和3所示。可以看出,源区40年来1月份平均气温呈现波动式的增加,增温幅度达到每10年0.3～1.02℃。剧烈增温说明在主要的沙源区,40年来冬季的平均温度一直在升高,有变暖的趋势。这一变化趋势对于生态环境建设十分不利,特别是对病虫害防治极为不利,使得本来已经十分脆弱的沙源区生态环境更加脆弱。冬季增温将会增加土壤水分蒸发,到春季解冻后,土壤表层水分含量少,从而使同等风力条件下,植被或土壤的抗风蚀能力减弱,相对加速了以土壤风蚀为标志的风沙活动,极易形成沙尘天气。从图2和3中可以看出,沙尘源区历年平均气温是增加的,同全国其他地区相比,增温幅度更为明显。因此,沙尘源区是我国冬季变暖非常明显的地区。3.2降水量和气温通过对影响北京沙尘天气的沙尘源地20个气象站的降水资料(1961—2000年)的分析,可以看出,源地的年降水量和春季降水量都呈下降趋势,春季降水量减幅大于年降水量减幅(见图4,5,6)。降水量减少,气温增加,导致影响北京沙尘天气的源地呈现温暖和干旱的气候特征。由于气候干燥,蒸发量大,土壤表层水分含量少,为起沙创造了条件。降水减少,特别是春季降水减少,对沙尘天气的发生和发展有很大的影响。4沙子的源与北京沙子的天气关系4.1北京应用于北京年5月5日结构植被覆盖度较通过对北京沙尘源区20个站春冬季降水和北京沙尘暴关系对比发现:二连浩特、阿巴嘎旗、满都拉、额济纳旗等地的降水和北京沙尘暴发生次数有显著的负相关关系(见图7,8,9)。在沙尘源区二连浩特等地,降水特别是春季降水偏少的年份,由于返青季节缺水,地表植被覆盖度减少,裸露土地面积增加,致使春季大风季节发生沙尘暴的频次增加。在大气降水比较多的年份,由于地表植被覆盖度相对较大,发生沙尘暴的概率就比较小。其他站与北京也有一定的负相关,但不特别明显。在二连浩特、朱日和、化德一带的冬春降水和北京沙尘暴的关系,与其他站相比较,负相关最为明显。这说明:由于春季返青季节天气干旱少雨,使得草场得不到充足的水分,草场植被长得不好,有大量的裸露地。再加上过牧现象十分严重,形成广阔的沙尘源地。这一地区正是影响北京的沙尘暴源地。以二连浩特为例,1966年北京的沙尘暴是峰值,这一年二连浩特的降水量比前两年锐减。1973年降水较高,为小波峰,北京没有发生沙尘暴;而1980年降水偏少的年份,是波谷,因此,北京地区的沙尘暴出现一小波峰。大部分时段总的趋势是降水量增加,北京沙尘暴发生次数减少;降水量减少,北京沙尘暴发生次数增加。当然,在这种变化趋势中也还有一些波动,有个别年份不完全符合这一趋势,如1960年以前,1990年到1993年等。北京地区沙尘暴发生次数与沙尘源区春季大气降水量有比较显著的负相关关系,说明沙尘暴在很大程度上是一种与大气条件密切相关的自然现象。在局部地区,由于人类活动的影响,沙尘源地的地域面积正在扩大,因此每年沙尘暴发生的次数和强度也在增加。4.2负相关系不显著沙源地冬春季降水和北京扬沙天气的关系不明显,负相关不显著。说明北京的扬沙起因与源区降水没有明显的关系,北京扬沙天气的发生主要是本地条件引起的。4.3浮尘天气发生次数通过对沙源地20个气象站春季降水和北京浮尘天气关系比较,发现内蒙西部阿拉善右旗、甘肃民勤、宁夏银川、中宁一带和北京浮尘天气有一定的负相关(见图10)。说明远距离沙尘暴天气对北京大气环境质量的影响非常明显。以阿拉善右旗为例,1960年降水量是个小波峰,浮尘为波谷(仅发生1次浮尘)1973年浮尘发生了14次,为第二峰值,而降水量仅有几毫米大部分时段总的趋势是:春季降水增加,北京浮尘次数减少;春季降水减少,北京浮尘发生次数增加。说明北京浮尘天气受上风区天气影响很明显。总体上风沙源区春季降水与北京浮尘天气是负相关的。也有一些年份不符和这一趋势,如1984年至1989年等。90年代浮尘发生次数减少,趋势不明显。5结论地球上的沙尘暴,本来是一种自然现象;但是,近50年来,由于人类活动的影响,在局部地区,沙尘暴的发生次数和强度,呈现增加的趋势。沙尘暴的发生必须具备三个条件:沙源、大风、气流辐合(垂直对流)。有沙源不一定起沙,但无沙源则一定不起沙。影响我国北方地区沙尘天气的境外源地主要位于哈萨克斯坦、俄罗斯以及蒙古国境内;境内源地主要位于内蒙古中西部沙漠、半沙漠和戈壁地区,新疆的沙漠、半沙漠地区,以及甘肃和青海等地区。向北京地