民勤与河西走廊的风沙

民勤与河西走廊的风沙

1单次侧沙源和地形特征对民勤泥沙起沙的影响随着沙气候研究方法和方法的丰富和适应性的提高，它逐渐从定性转变为定量。数值模式已成为研究特定区域性沙尘天气形成的物理机制必不可少的工具,目的在于精细化沙尘天气的预报,目前一些沙尘数值模式已建立并发展起来,它们为沙尘暴的发生机制以及预报提供了新途径。近些年来,研究沙尘模式方面的工作也在逐渐全面化,纪飞等和刘春涛等在沙尘模式中耦合MM4,Shao使用沙尘暴的起沙数值模式,李耀辉等把沙尘暴模式耦合在新一代数值模式GRAPES中,建立了西北地区沙尘暴数值预报模式。刘志丽等对沙尘气溶胶的移动路径采用HYSPLIT4模型进行质点后向轨迹分析方法进行探讨;Gong等开发NARCM模式等。此外,风洞实验、地理信息系统、分形理论等技术手段也为沙尘天气研究提供了新途径。董治宝等在风洞模拟实验的基础上,研究了不同下垫面特征与风沙流活动的物理关系;Carlson利用遥感的光学厚度数据对一次沙尘天气携沙总量进行计算;赵琳娜等利用集成较高精度的地理信息数据及沙尘暴数值模式系统对一次沙尘暴的气象背景、起沙源及沙尘输送进行模拟并取得较好结果;从2002年起,由国家气象中心研发的沙尘同期数值预报系统已开始投入到中国沙尘天气实时业务预报的使用中,同时在应用过程中不断被改进。近年来,许多学者借助中尺度数值模式对沙尘暴的研究展开相应工作,并且取得了显著成就,尤其对造成沙尘暴发生的天气系统和物理量场配置的模式输出量方面有很多研究,但对于不同发展期沙尘暴的物理量分布特征变化,尤其是针对地形影响沙尘暴天气的研究较少。中国西北不同区域沙尘暴的发生发展具有明显的地域特征。地形不同,其沙尘粒子特征(粒径分布、水分含量等)不同,起沙所需的风动力条件就不同,如王训明等对戈壁地区下垫面覆盖影响风蚀强度做了实验研究,段海霞等对2011年7次沙尘暴过程中土壤湿度与沙尘暴发生之间的关系做了分析。西北地域广袤,以沙漠、戈壁、废耕荒地、稀疏植被等干旱半干旱地貌景观为主,均为风沙活动的重点区域,而其中的河西走廊因其“狭管”地形,成为西北沙尘暴多发区。民勤位于河西走廊中段,在其周边很小的范围内,集中分布着沙漠(荒漠)、沙漠-绿洲过渡带和绿洲3种西北干旱区典型的地表形态,构成了干旱区主要的起沙下垫面条件,使得民勤具有研究西北干旱区起沙近地面主要特征得天独厚的优势。民勤又地处巴丹吉林和腾格里两大沙漠的接壤地带,正好位于雅布赖山和龙首山形成的小型“狭管”口下方,有利的地形和丰富的沙尘源,加之又是中国西北路径冷空气的必经之地,使得民勤又成为河西走廊沙尘暴的重点发生区。那么,“得天独厚”的地形条件对民勤沙尘暴的多发究竟有何具体影响?本文利用数值模拟手段试图探讨这一问题。2010年4月24至25日,受北方冷空气影响,甘肃省大部分地区相继出现了大范围的沙尘天气。4月24日19:09和20:00,民勤两次出现“黑风”,能见度达到0m,10min的最大风速达18.4m·s-1(8级),黑风持续时间超过2h,21:10—22:13转为强沙尘暴,最小能见度300m,强沙尘暴持续1h。本文针对此次民勤的特强沙尘暴天气过程,利用沙尘数值模式GRAPES_SDM对沙尘暴的起沙和沙尘浓度进行模拟,由于民勤地区特殊的地形,对模式采取地形参数化方案,即通过改变特定区域地形特征,设计其对沙尘暴影响的敏感性试验,在此基础上初步探讨特殊地形对沙尘暴会产生怎样的影响。这将为探讨民勤生态环境脆弱性的原因、合理修复和治理提供科学依据。2数据和grahamtrading2.1常规资料和热资料本文所用资料主要有:①野外观测资料,即利用GRIMMEDM180颗粒物监测仪观测的此次沙尘暴过程中的PM10、PM2.5、PM1.0数值。②民勤县气象站(中国北方沙尘暴观测站之一)4月22—27日标准等高面层上的高空气象要素值;逐日每1h的常规观测资料,包括气温、相对湿度、气压、风速、风向、地表温度、能见度。③国家气象局下发的每6h一次的T213格点资料,用于模式初始场和边界条件。除具体注明外,文中时刻都为北京时间。2.2基于共享机制的沙尘数值模式GRAPES_SDM是中国气象局兰州干旱气象研究所和中国气象局数值预报发展中心合作研制的耦合于GRAPES(Global/RegionalAssimilationandPredictionEnhancedSystem)的沙尘数值模式(SandandDustModel)系统。此模式包括了沙尘天气过程中的起沙、沙尘传输、并合、吸湿增长、沙尘的干沉降与云下清洗等物理过程。针对中国西北沙尘暴的地表及沙尘源区气候特征,此模式是目前沙尘暴模式中使用较为广泛的沙尘数值模式。GRAPES_SDM根据西北地区下垫面特征做了一系列改进工作,如进行了土地利用反演、土壤质地反演、土壤湿度反演,为沙尘浓度提供初值,增加3DVAR_DUST系统,及对民勤地区的土地利用进行更精细的反演等等,并建立了沙尘模式预报定量结果与定性观测之间的相互对应关系,使得模式性能得到较大提高。但从实际应用的情况看,模式对沙尘浓度的预报和模拟结果与观测结果相比仍存在一定的系统性略偏高。2.3气象要素输出量模拟初始和边界场采用国家气象局下发的每6h一次的T213资料;模式模拟输出相关气象要素值。本次模拟时间从4月23日00:00开始,至26日20:00结束,共84h。模式结果:每1h输出一次(2)GRAPES每6h给沙尘模式输入一次边界条件。2.4日植物叶片中常用的在线比较利用民勤气象站4月24—26日常规观测数据与模式模拟相同时间段输出数据作对比,结果如图1。从图1可看出,在民勤黑风发生时,沙尘浓度观测与模拟值都急剧增大。据实况结果得知,25日沙尘暴的持续使得沙尘浓度值稳定在一个峰值状态下,25日07:00—19:00观测值与模拟值都是峰值区;在24日19:00沙尘暴爆发时,地面气压有明显下降趋势,总体来看,观测值与模拟值结果相近。从图2A中可看出,在24日19:00之前,地面温度观测值与模拟值都处在峰值区,模拟值偏小,整体趋势在时间上是吻合的。图2B显示,在沙尘暴初期,观测值与模拟值的临界风速大概在5m·s-1,最强沙尘暴爆发时,模拟值在时间上要提前于观测值,整体趋势相近。3土地对人类旅行的影响的敏感模拟试验3.1影响沙带的地形3.1.1从拉玛干到反应地区的引领作用沙尘暴经过时,大量沙尘会伴随着大风被吹离地面。从相关沙尘天气的观测事实中可以验证地形对沙尘上扬高度的影响,例如两个重要的沙尘源地———蒙古国、内蒙古西部和塔克拉玛干沙漠,在这两个地区形成的沙尘暴影响范围就存在明显差异。尽管形成于南疆盆地的沙尘暴有时很强,但是影响范围通常仅局限在西北地区;而在蒙古国及内蒙古中西部形成的沙尘暴不仅强度大,而且影响范围常能扩展到中国华北、东北、长江流域,甚至横穿太平洋影响美洲西部。山地迎风坡地形对沙尘上扬也有影响,这种地形将使气流产生爬坡运动,从而导致气流强迫抬升,而这种强迫抬升不需要存在上下游天气系统的配合,需要的条件仅是当遇到地形阻挡时,水平风速达到一定强度的气流被强迫抬升造成沙尘的上扬。3.1.2地形影响下的引领原理沙尘粒子在沙尘暴发生时主要聚集在边界层中,中国北方地形高度可能会大于边界层高度,所以携带沙尘粒子的气流遇到地形坡度较缓且地形高度小于边界层高度时,携沙气流会沿着坡地爬升,部分沙尘翻越地形后在背风坡处沉降,从而造成沙尘扩散强度的减弱;当携沙气流遇到地形坡度较陡且地形高度大于边界层高度地形时,由于地形阻挡使得气流产生明显绕流,进而改变沙尘扩散的方向。如果在高原地区发生沙尘暴,则携沙气流移向下游平原地区受地形阻挡很小,同时陡峭的下坡地形会加大沙尘扩散程度。中国地形呈现出西高东低、西北高东南低的特点,其中西部和北部高原地区是沙尘天气的频发区。因此沙尘传输在地形因素影响下将向南部和东部地区扩展。大气层结状态对沙尘暴的发生和维持具有重要的影响。沙尘暴发生时边界层常会形成混合层,加之特定的地形上下游配置可以形成混合层平流,我们借助图3来了解这种地形影响。图3A中,a区为高原上形成的深厚混合层,当上下游地形落差较小时,a区的混合层空气平流到平原上空b区,由于高原地势较低,此时b区与平原的地面混合层c区之间位温差异很小,气流很容易连通,从而形成更为深厚的混合层。显然这种情况下有利于高原a区的沙尘暴向下游平原地区扩展,同时也会导致下游平原地区沙尘暴的强度加强,这种传输特点可以看作整体推进式的传输。相反,当a区高原地势高,上下游地形落差较大时,如图3B所示,a区混合层空气被平流到平原上空b1区,在地形的影响下,b1与c1区之间的位温差异较大,b1区与c1区之间被隔断,b1区的沙尘要沉降必须通过一定的外力系统系作用产生下沉运动。因此,这种地形形成的大气层结状态不利于高原的沙尘进入c1区,c1区沙尘暴强度将相对较弱。而b1区的沙尘可能会通过较少的沉降实现远距离的分离式输送。中国北方地形异常复杂,以上两种不同地形的情况都有可能出现,不同的地形配置对沙尘暴扩展的影响方式和程度是不同的。3.1.3沉降气流形成的地形波地形不仅对沙尘传输、上扬有影响,还对沙尘沉降有作用。对存在于行星边界层中的沙尘,气流遇地形下坡过程中,由于强迫产生的下沉气流会造成沙尘在扩散发展的同时沉降,沉降值与地形坡度成正比。此外,某区域地形的起伏形成的地形波,不仅出现在地面附近,还能够以由下而上的运动方式向对流层扩展,地形波随地形尺度的增大(减小)而减小(增大)。因此,在自由大气中远距离传输的沙尘将在地形波下沉支的强迫下沉降,特别是在没有系统性的下沉运动形成时,这种影响非常明显。3.1.4地形条件的“郁管效应”当气流由开阔地带流入地形构成的峡谷时,风速增大;而流出峡谷时,空气流速又会减缓,这种地形峡谷对气流的影响被称为“狭管效应”。狭管处的风速V2与入口处的风速V1有着如下关系:V2=V1*(L1/L2),其中L1为狭管入口处的截面宽度,L2为狭管出口的截面宽度;地形的“狭管效应”特点是,当气流由开阔地带流入峡谷时,空气将会加速流动,风速增大。河西走廊为1100km呈西北-东南向的狭长地带,南有祁连山、阿尔金山,北有马鬃山、合黎山、龙首山,南北山之间形成较窄的狭管。这种特殊的地理环境在沙尘暴的发展中起着重要的作用。3.2巴丹吉林沙漠西部陆缘加里东地区民勤位于河西走廊中段北侧,地处巴丹吉林沙漠东南侧,腾格里沙漠的西北侧(图4)。巴丹吉林沙漠东端雅布赖山脉,是巴丹吉林和腾格里沙漠之间隆起的一个山脉,为东北-西南走向,海拔1600~1800m,面积1800km2,长约110km,最宽处20km,最高峰1938m,是巴丹吉林沙漠东部边缘的重要屏障,其东南角是阿拉善右旗高地,雅布赖山与阿拉善右旗高地对峙,与河西走廊中部偏北的龙首山一起组成西北-东南走向的喇叭状峡谷带。龙首山属于河西走廊北山的一部分,地处38°55′—38°58′N、100°55′101°00′E,海拔2100~3439m。民勤正位于由龙首山和雅布赖山这两座山脉形成的喇叭形山口东南方向下游不远处,是河西走廊“狭管”中部的又一小“狭管”。由于被巴丹吉林和腾格里两大沙漠包围着,整个民勤绿洲地貌多为流动或半流动的沙丘及其围绕着的绿洲,加之河西走廊大的地理环境背景下民勤周边特殊地形———双“狭管”,为民勤沙尘暴天气多发易发提供了动力条件和丰富的沙源。3.3特殊地形条件下的强、特强击穿天气位于雅布赖山南端沙口西南方的民勤,处于龙首山与阿拉善右旗高地形成喇叭口状峡谷的东南侧。日间温度在戈壁沙漠地区迅速上升而导致的热力不稳定、地形因素引起的动力抬升和扰动作用以及狭管效应,都会为触发沙尘天气的局地中、小尺度天气系统提供有利条件,若此时配合适当的大尺度天气系统,则由这种特殊地形和下垫面引起的中、小尺度系统会促使强或特强沙尘暴的发生。倾继祖等对1993年5月5日强沙尘暴的研究发现,此次强沙尘暴天气发展过程中,有两个沙尘暴的核心区分别位于狭管地形处和雅布赖山南端沙口下风方。气流在“狭管效应”作用下风速加大的结果正是造成民勤大风日数多的重要原因。试验所选研究区域如图5所示。根据以上特殊地形,利用GRAPES_SDM模式中的static_data.ctl进行区域选取,图5A中的黑色实线区域为雅布赖山脉所在区域,图5C中黑色实线区域代表龙首山及河西走廊南边祁连山脉区域;图5B和图5D分别是对应于雅布赖山和龙首山及河西走廊南边祁连山区域的模式格点范围。3.4地形对植物的敏感性试验本文在控制试验的基础上设计了3种方案进行敏感性试验,模拟研究民勤及其周边特殊地形地貌对起沙(地面风速、沙尘通量)、扩散等的作用。为简单起见,将形成民勤小“狭管”的龙首山和雅布赖山分别称为南山、北山。使用原地形高度资料作为控制试验。敏感性试验方案一:在原地形高度基础上将所选两块区域(即南、北两山)的地形高度减小50%;敏感性试验方案二:在原地形高度基础上将所选两块区域的地形高度增加一倍;敏感性试验方案三:保持原地形高度不变,对所选两块区域地形进行移动,即增加南、北两山间的距离。主要从4个方面来分析地形对沙尘暴的作用:A.风速;B.地面沙尘通量;C.沙尘输送和扩散;D.沙尘浓度。选取民勤地区来分析风速和地面沙尘通量在地形控制试验与敏感性试验中的差异(图6)。3.4.1变化地形时风速随时间变化从图7可看出,地形经过3次方案改变后,对于民勤上游峡口站点来说,相对于控制试验,地面风速在时间上有明显变化。敏感性试验方案一的风速略有加大,数值约为14m·s-1;敏感性试验方案二的风速随时间变化整体趋势是增加的,但在沙尘暴过境时的速度减小为11m·s-1;敏感性试验方案三中移开两山方案中,风速明显下降。为了仔细分析改变地形对于单站风速的影响,基于3种敏感性试验方案中单站风速随时间变化,与控制试验的风速值做差值进行比对,结果如图8所示。从图8发现,敏感性试验方案一中风速值相对于控制试验在24日20:00的差值为-3m·s-1,而此时对应于沙尘暴爆发时期,其余时刻的风速差值几乎都维持在0m·s-1以上,说明敏感性试验方案一的地形在沙尘暴发生时对民勤站的风速有消弱作用。敏感性试验方案二中,风速与控制试验差值在沙尘暴过境前后为负值,整体数值在0m·s-1以上,说明改变地形后的风速大于控制试验中的风速。根据地形对携沙气流的作用可知,敏感性试验方案二中,气流遇山体发生明显的绕流,原本经过民勤站时的风速会因绕流汇合而加强。敏感性试验方案三中的风速值明显要大于控制试验中的风速值,谷值出现在24日20:00前沙尘暴爆发时期,差值为-2m·s-1左右,当增大山距后,原本存在的地形对大风经过民勤的阻挡会减弱,这种结果的产生可以说明第三种方案会加强所选地形下游某一地区风速值。3.4.2地面常用敏感性试验控制试验中,地面起沙通量在24日20:00达到峰值,值约为15000g·s-1·m-2,随后起沙通量有小浮动(图9A);同样的时间段,敏感性试验方案一中,本地沙尘通量峰值减为11000g·s-1·m-2(图9B);敏感性试验方案二中,24日20:00地面沙尘通量峰值降为9000g·s-1·m-2以下,整体小于控制试验中的数值(图9C);敏感性试验方案三中,地面沙尘通量峰值为12000g·s-1·m-2左右,且在24日08:00(世界标准时间)有较小沙尘通量值(图9D)。对比这3种敏感性试验方案与控制试验地面沙尘通量峰值发现,相同时间段内,3种地形敏感性试验模拟沙尘通量峰值要低于控制试验中的数值,其中减少最多的是敏感性试验方案二。3.4.3试验设计及结果根据本次民勤黑风暴发生的时间段选取3个不同时间点(24日17:00、19:00、21:00),在3种敏感性试验方案基础上,分析地形对沙尘输送的影响。3.4.3.动态地形对比控制试验显示,沙尘暴爆发前24日17:00(图10A)河西走廊以北巴丹吉林沙漠周边地区已出现大风沙尘天气。沙尘暴爆发时19:00(图10B),在祁连山和雅布赖山形成的狭管效应地形作用下,河西走廊地区风矢量有向中心压缩的趋势。此次黑风发生时,沙尘浓度值大且范围广,民勤处于大值区中。从风场形势看,风速较大的地方对应于沙尘浓度的高值区,观察河西走廊地形处的风向发现,在两山脉之间明显有风速的密集带,并且在河西走廊南缘,在地形的作用下风向有绕流状态,而对于雅布赖山区域,由于此山本身的高度不大,所以风场绕流形势不太明显。到21:00沙尘暴强度明显减弱,河西走廊地区风速的密集带随之消失,沙尘浓度高值中心移出民勤地区(图10C)。敏感性试验方案一与控制试验对比发现,沙尘暴发生前(图10D)、爆发时(图10E)及发生后(图10F)整体沙尘扩散范围较控制试验缩小,正如地形对沙尘传输影响一样,当携沙气流遇到地形坡度较缓地势时,携沙气流会沿着坡地爬升,部分沙尘还可翻越地形到达背风坡造成是沉降,这种地形改变将会减弱沙尘扩散程度。但对于两山的下游地区,沙尘浓度范围扩大,配合风场形势发现,龙首山所在研究区域高度削减之后,对风的阻挡作用减小,风的绕流已不明显,且在“狭管”口下风方处,由于地形改变的缘故,风速密集区消弱,中心强度也相应减弱(图10E)。3.4.3.偏北风和偏西风增加一倍山高后,沙尘暴发生前(图10G)、中(图10H)、后期(图10I)的模拟结果发现,在原本沙尘浓度的集中区域被分成两部分,由于河西走廊处祁连山脉的增高,西北风在经过此处时受阻,转为偏北风与偏西风两类,偏北风促使祁连山脉以南的青藏高原北部地区出现沙尘浓度强度中心;偏西风与雅布赖山区域南边的风汇合经过民勤地区。图10H风速比控制试验图10B大一倍,而沙尘浓度高值区范围缩小。当地势相对高的地域发生沙尘暴,携沙气流向下游地区的扩散不仅不受阻挡,还会加剧沙尘暴向东部和南部地区发展。我们从图10G-I对比控制试验可看出,沙尘范围的确是绕过山体向南部扩散,并形成新的沙尘中心,而且山体高度增加后的阻挡作用使沙尘向东传输和扩散的强度明显减弱。3.4.3.民勤地区偏北风风场现状由图10J-L可知,通过把包括龙首山在内的祁连山脉向西南方向移动、雅布赖山向东北方向移动后,风场形势相比控制试验有明显的不同,西北风在河西走廊中部以西由于山地的阻挡风向转为西南偏西风,且有沙尘的堆积。雅布赖山的移动促使上游西北风向逐渐转变为偏北风,民勤地区沙尘暴影响范围减小,沙尘浓度值减小,风速增大。对比控制试验与方案三沙尘影响范围发现,方案三中由于增大两山脉之间距离,使得气流遇山向河西走廊地区汇合,风向较控制试验中发生转变,在这种地形作用与风场形势下,沙尘浓度较控制试验减小,沙尘影响范围在向东南方向扩散过程中有所扩大。3.4.4敏感性试验方案为了更直观地分析本次研究区域发生的特强沙尘暴在不同地形条件下的变化情况,给出民勤站的控制试验(图11A)与敏感性试验(图11B-D)沙尘浓度模拟结果。从图11A可以看出,本次特强沙尘暴发生前后,民勤地区总共经历了3次沙尘浓度的高值阶段,其中24日20:00沙尘浓度值最大,为17000μg·m-3,这时也正是黑风爆发前后,之后的峰值都减小。敏感性试验方案一中,沙尘暴发生时民勤的沙尘浓度值较控制试验略有降低,峰值为16000μg·m-3,其后沙尘浓度趋势仍比控制试验有较为明显减小(图11B)。敏感性试验方案二中,沙尘浓度在黑风爆发前后较控制试验明显降低,峰值为11000μg·m-3,但随后的两次沙尘浓度明显高于控制试验,也高于24日20:00的峰值(图11C)。敏感性试验方案三中,24日20:00左右民勤地区沙尘浓度值几乎为零,其后的两次峰值相近,为12000μg·m-3(图11D)。3种敏感性试验方案中民勤地区的沙尘浓度值都呈减小趋势,其中,减小程度最大的是敏感性试验方案三,敏感性试验方案二次之。4地形变化对民勤站内不同地形的影响表3本文对2010年4月24日民勤