内蒙古半干旱区2002内蒙古半干旱区沙尘天气特征及其与地表特征的关系

内蒙古半干旱区2002内蒙古半干旱区沙尘天气特征及其与地表特征的关系

1中国：一个异常的风速下的引领性事件沙漠主要发生在中国北方严重的干旱地区和半干旱地区。这是一个严重的有害天气。沙尘暴天气所引发的天气气候效应,对人类生存环境和社会政治、经济产生严重影响,同时沙尘暴也是不可忽视的大气和生态环境问题之一,因而沙尘暴是国内外学者和公众所关注的热点问题之一。目前,气象工作者对沙尘天气做了不少研究,其中包括讨论沙尘暴发生时的天气形势以及气象要素的变化,也有不少研究是围绕沙尘暴气候特点开展的,还有各地沙尘气溶胶的观测分析、沙尘暴数值模拟、中国荒漠化和沙尘暴活动趋势关系的分析等。研究表明,天气气候因素和地表物理特征是触发沙尘灾害性天气的两个必要因素。沙尘暴的出现,除了需要大风天气条件外,还需要下垫面的条件。从20世纪80年代初以来,在中国主要的沙尘频发地区,风动力呈明显的逐年减弱趋势。同时,地表覆盖特征的动态变化对沙尘天气事件的影响越来越显著。在气象因子适合的条件下,地表特征的物理性质决定沙尘天气是否发生,地表覆盖类型及土壤物理属性的时空不均匀性是造成沙尘天气时空变化的重要影响因素之一。虽然已有一些研究认为沙尘天气的发生与地表植被覆盖率变化有关,但作为影响沙尘天气重要因素的地表特征究竟起到什么作用,还较少有研究涉及,并且针对内蒙古半干旱地区的此类研究更是较少。位于内蒙古东部的浑善达克沙地是中国四大沙地之一,属于半干旱温带草原气候,生态地理区位处于农牧业多层次过渡带,生态环境具有很大的脆弱性和敏感性。其代表站朱日和站是国家基准气候站(42°24′N,112°54′E,海拔1151.9m),位于内蒙古中部南缘,浑善达克沙地西侧,同时朱日和也是内蒙古地区沙尘天气频发中心之一。因此,作者利用朱日和气象站观测数据和卫星观测的地表特征资料,分析内蒙古半干旱地区朱日和地区沙尘天气特征及其与地表特征中的归一化植被指数(NDVI)\,叶面积指数(LAI)和植被净初级生产力(NPP)的关系,从而揭示地表特征变化对沙尘天气发生的影响,并给出定量的分析结果,可为中国关键地区沙尘天气数值模式参数化方案的改进、预报准确率的提高和综合治理提供科学依据。2数据和方法2.1不考虑到一个独立的沙天气的观测时次本文气象资料来源于中国气象局气象信息中心,选取了2002年1月1日至2010年10月30日的朱日和气象站地面10m高度风速、降水量和沙尘天气数据等。本文没有采用普遍的“站日”为计量单位,而是定义当台站一个观测时次出现了扬沙或沙尘暴天气,就认为该站出现了一个沙尘天气时次,这样可以获得更多沙尘天气细节信息;而浮尘是指尘土、细沙均匀地浮游在空中,通常为沙尘暴、扬沙出现后尚未下沉的细粒浮游空中而成,因此在本文中不考虑为一次独立的沙尘天气。NDVI、LAI和NPP数据来自美国国家宇航局(NASA)的Terra/MODIS观测资料,研究时段为2001年1月至2010年12月。2.2临界起沙阈值计算野外实验、模式参数化和统计分析是近年来确定临界起沙风速的3种主要方法。由于野外观测中,不同学者给出的起沙过程的概念和判断不同,获取临界起沙风速的实验观测高度、沙尘浓度等参数存在差异,而参数化方案的复杂性、不完备性以及输入参量的不确定性导致了其在实际应用中的困难。所以本文采用统计分析方法计算临界起沙阈值。Kurosaki等利用气象观测站的地面10m高度风速和天气观测,定义风速为u时的起沙频率(fems|u)为:fems|u=Nems|u/Nall|u×100%(1)fems|u=Νems|u/Νall|u×100%(1)式中:Nems|u为风速u时的沙尘天气次数;Nall|u为风速u时总的观测次数。起沙频率为5%和50%时所对应的风速分别为临界起沙风速ut5%和ut50%。其中,ut5%代表在某一观测站地表条件接近最有利于沙尘释放的临界起沙风速,ut50%代表一般地表的临界起沙风速。2.3不同风压fdo的变化Kimura等利用沙尘天气频率与风速大于临界起沙风速频率,定义标准化沙尘天气频率NfDO为:NfDO=fDO/fu＞ut5%(2)ΝfDΟ=fDΟ/fu＞ut5%(2)式中:fDO为沙尘天气频率;fu>ut5%为风速大于临界起沙风速ut5%的频率。NfDO的变化可以反映土壤可蚀性变化,高NfDO对应脆弱的地表条件,易发生沙尘天气;低NfDO对应较好的地表条件,不易发生沙尘天气。2.4临界起沙风速Laurent等以应力分割方案为基础,利用POLDER-1双向反射分布函数(BRDF)反演计算得到0.25°×0.25°分辨率的地表粗糙度分布,可建立中性条件下中国和蒙古沙漠地区的10m高度临界起沙风速分布图,临界起沙风速范围从沙质沙漠的7m·s-1到戈壁地区的20m·s-1以上。Park等定义归一化累积沙尘发生频率比达到3.5%时所对应的风速为临界起沙风速,并利用1996\_2002年春季不同沙源地区的世界气象组织地面气象观测站3h风速、相对湿度和降水观测资料,配合沙尘暴和起沙等天气现象记录,得到戈壁、沙地、黄土高原和混合土地类型等不同下垫面的临界起沙风速分别为9.5、7.5、6.0m·s-1和9.2m·s-1。3沙子时间的变化特征3.1朱日和2000论高沙模式利用朱日和站2002\_2010年的3\_5月的地面10m高度风速和天气现象观测资料,按公式(1)计算风速u时的起沙频率fems|u(图1)。朱日和2002\_2010年3\_5月10m高度的平均风速为5.5m·s-1,起沙频率为5%对应临界起沙风速ut5%为9.4m·s-1,临界起沙风速较大,说明朱日和地区接近混合型土地类型,下垫面特征较为复杂。从图1还可以发现,随着风速的增加,沙尘天气也越来越来频繁,当风速超过18m·s-1时,起沙频率为100%,说明超过18m·s-1的强风是春季发生沙尘天气的充分条件。3.2临界起沙风速图2A显示了2002\_2010年各月朱日和地区沙尘天气频率fDO、临界起沙风速ut5%、大于临界起沙风速(9.4m·s-1)频率fu>ut5%;图2B显示了各月降水量、NDVI、LAI和NPP。图2A中,由于7\_9月极少有沙尘天气发生,所以没有计算临界起沙风速值。从图2A中可以看出临界起沙风速在3\_5月最小,临界起沙风速在春季比其他季节都低,表明朱日和地区地表条件的季节变化对临界起沙风速有重要影响,春季的地表更容易发生沙尘天气。同时在春季的大于临界起沙风速频率最高,而7\_9月最低。从图2B可以看出3\_5月朱日和地区降水量、NDVI、LAI和NPP也是处于低值。因此低的临界起沙风速和高的大于临界起沙风速频率,最终导致在3\_5月沙尘天气频率最高。图2B还显示了6\_9月是朱日和地区的降水季节,其NDVI、LAI和NPP都处于高值。3.3年际变化特征图3显示2002\_2010年朱日和站3\_5月沙尘天气频率fDO、标准化沙尘天气频率NfDO和大于临界起沙风速频率fu>ut5%。从图3可以看出,fDO和fu>ut5%都没有通过线性减少趋势显著性检验,其年际变化呈波动特征。分析fDO和fu>ut5%的相关性,其相关系数为0.692(p<0.05),2002年的fu>ut5%最高而对应的fDO也最高,2009年的fu>ut5%最低对应的fDO也是最低。因此强风是引起沙尘天气的重要原因。但在2004、2006年和2010年的fu>ut5%都很接近,但其fDO却很不同,2006年的NfDO比其他年份大,说明同等的强风频率下如果地表受风蚀,则更易发生沙尘天气。所以地表可蚀性的动态变化也是沙尘天气发生次数变化的重要原因。4砂雨与地表形态的关系4.1夏季降水量、ndvix、larax和nppm优势计算了2001\_2010年的6\_8月的朱日和地区夏季降水量,同时取6\_8月的NDVI、LAI和NPP的最大值作为当年的值,分别记为NDVImax、LAImax和NPPmax。图4显示了2001\_2010年的夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax年变化。可以看出,NDVImax、LAImax和NPPmax都与夏季降水量之间有很好的相关性。相关性分析发现,NDVImax与夏季降水量的相关系数为0.966,LAImax与夏季降水量的相关系数为0.968,NPPmax与夏季降水量的相关系数为0.738,均通过了水平为0.05的显著性检验。4.2nfdo与夏季降水、ndvix、larammx和nppm优势图5分析了2002\_2010年3\_5月的NfDO与上一年度的夏季降水量、6\_8月NDVImax、LAImax和NPPmax的关系。如图5中箭头所指的位置,当夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax超过一定的阈值时,NfDO很低,它们分别是夏季降水量大于100mm,NDVImax大于0.24,LAImax大于0.3,NPPmax大于0.6g·m-2·d-1(以碳计算)。NfDO与夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax的关系满足y=a/xb的函数关系(图5)。因此我们利用ln(y)=ln(a)-b×ln(x)线性关系得到NfDO与夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax回归曲线和相关系数。NfDO与夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax的相关系数分别为-0.760(p=0.016)、-0.790(p=0.011)、-0.793(p=0.011)和-0.679(p=0.044),相关显著水平都在p<0.05。徐兴奎等指出地表植被残存的根茎是影响冬春两季沙尘天气发生频次的重要因素之一,残留根茎通过改善土壤、固定砂砾、增大对地表摩擦阻挡作用,对下一年春季沙尘天气产生滞后性作用。Kurosaki等认为夏季的降水显著地影响植物的生长,夏季生长的植被在来年的春天一部分以残存的根茎存在,通过覆盖地表、增加空气摩擦等方式显著地影响土壤的可蚀性。由此可以推断,当夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax高或低时,对应的下一年的春季NfDO应该是低或高。通过数据分析我们发现,在内蒙半干旱区朱日和地区,当夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax超过一定的阈值时,NfDO总是低,低于0.1。因为可以认为夏季有效的降水促进了植物的生长,夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax都很高时,来年春天土壤不容易侵蚀,即使在来年的春天风频率较高时,沙尘天气也不易发生。当夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax低于阈值时,NfDO有60%处于高值,超过了0.2,最高达到0.65,有40%的NfDO较低,介于0.1与0.2之间。总的来说,当夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax低于阈值时,较易发生沙尘天气。5地表特征变化对泥沙天气的影响机制本文通过分析2002\_2010年半干旱区朱日和地区沙尘天气的地表特征,得到如下结论:2002\_2010年朱日和地区的春季平均风速为5.4m·s-1,临界起沙风速为9.4m·s-1,起沙频率和强风频率呈波动变化。起沙频率和强风频率有很好相关性,强风是引起沙尘天气的重要原因,尤其是超过18m·s-1的强风。在同等的强风频率下,地表条件越差,越容易受风蚀,更容易发生沙尘天气,因此地表可蚀性的动态变化是沙尘天气发生频次变化的重要原因。通过分析夏季降水量、NDVImax、LAImax和NPPmax与次年春季标准化沙尘天气频率的关系,发现当夏季降水量大于100mm,NDVImax大于0.24,LAImax大于0.3,NPPmax大于0.6g·m-2·d-1(以碳计算),标准化沙尘天气频率很低,沙尘天气不易发生;而当夏季降水量、NDVImax、LAImax和N