巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区一次暴风雨过程分析

巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区一次暴风雨过程分析

沙漠是沙漠及其周边地区独特的灾难自然灾害自然形态。其气候变化对人类栖息地、社会经济活动有一定影响。这是环境和生态环境中不可忽视的问题之一。20世纪以来,科学工作者开展了沙漠化及沙尘暴时空分布、成因、结构以及监测与对策方面的大量研究,并对沙尘暴的产生条件、环流形势、时空分布、分析预报、沙尘粒子的物理化学特征、长距离输送、局地触发机制以及起沙机制的数值模拟等多方面的研究取得进展[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。薛建军等对2002年3月18-22日发生在我国北方地区的一次强沙尘暴过程进行了分析,指出沙尘天气的产生原因:包括上游沙尘高空输送沉降、本地热力作用、蒙古气旋和锋面附近大风。张仁健等研究表明,沙尘暴发生时,近地层风速明显增大,空气相对湿度迅速减少,边界层湍流交换强烈。郑新江等利用卫星云图及常规气象资料对1998年4月14-15日强沙尘暴进行了分析,指出此次过程是由斜压槽及冷锋触发的。许东蓓等通过对发生在新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地的一次强沙尘暴的数值模拟发现,非静力MM5模式能较好地模拟出强沙尘暴的地面强风系统、高空锋区的发生发展。,岳平等对2004年7月12日出现在我国内蒙古西部和河西走廊西端的一次沙尘暴天气过程进行了分析;从上述分析看,此前的研究均是范围较大的区域性沙尘暴天气过程。而沙尘暴的产生及沙尘输送与微气象条件密切相关,这方面的研究却报道较少,尤其是在沙漠中微气象要素在沙尘暴发生前后的变化研究就更少。而近年来,由于观测手段的不断改进,这为在沙尘暴源区进行观测试验提供了可能,而研究起沙与微气象学条件的关系,是理解沙尘暴形成和输送的重要基础。拐子湖地区位于巴丹吉林沙漠北缘,自然环境非常恶劣,干旱少雨,风沙大。年平均8级以上的大风近百天,年平均沙尘暴30天,历史最大风速为38m/s。冬季极端最低-30.7℃,夏季极端最高气温44.8℃,沙漠温度可达80℃,历年平均降水量41mm,历年平均蒸发量为4217.9mm。干燥、少雨、炎热、大风多是这里的主要气候特征。刘景涛、郑明倩的研究指出阿盟的拐子湖地区是内蒙古的强和特强沙尘暴主要多发区之一同时也是我国沙尘暴北移路径的必经之地。蔡雪鹏研究指出近30年来拐子湖地区平均年沙尘暴日数有30.6天,其中每年的4月份为最。文中利用巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区2010年4月份开始的沙尘暴加强观测实验资料,选取一次沙尘暴起沙过程资料分析沙地下垫面微气象要素在沙尘暴过程中的变化情况,探讨沙尘暴天气过程中起沙与风速等微气要素的关系,为沙漠地区起沙机制提供一定的研究基础。1实验数据及存储沙尘暴加强观测实验场位于巴丹吉林沙漠北缘的拐子湖气象站南800m处一平坦的沙地上,纬度41°22′N,经度102°22′E,海拔为960m,在观测场布置风蚀起沙监测系统一套,其中H11-LIN型风蚀传感器由美国Sensit公司生产,安装高度为5cm、10cm,可测量沙尘天气过程的沙尘撞击颗粒数、撞击动能及沙粒运动速度,结合贴地层风速梯度仪,可求出沙尘天气过程的起沙临界摩擦速度。贴地层梯度风速、风向仪,风速安装高度为5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、200cm,风向安装高度为20cm、200cm,200cm高度安装有空气温湿度传感器,可监测沙尘天气过程中贴地层风速廓线特征。土壤温、湿度传感器埋藏深度为2.5cm、5cm、10cm,监测分析沙尘天气过程的土壤湿度、土壤温度变化,确定风蚀起沙土壤水分。实验观测为24小时连续,自动观测记录,所有的数据以小时、分钟、秒,三种形式记录。选取2010年4月7日的一次沙尘暴过程的数据,并以EXCEL和SPSS软件进行统计处理。2单日暴雨发生过程2010年4月7日在拐子湖气象站记录中天空以cidens云为主,最高气压为909.3hpa,最低气压为898.3hpa,最高气温为22°C,最低温度为2.2°C,蒸发量为7.9mm,在14:50分出现最大风速22.6m/s,日照时数达10.9小时,沙尘暴开始于14:30,到18:30结束。2.1:24—贴地层梯度风速、风向在沙尘暴过境前后的变化在沙尘暴过程中,观测场中贴地层梯度风向、风速仪除了5cm高度的风杯由于被扬起的沙粒卡住没有记录风速外,其他一切都很正常,完整记录了地面水平风场在沙尘暴过境前后的时间演变情况,从图1中可以看到贴地面各层风速全天基本保持随着高度的升高而风速变大,这与风速随高度的变化规律一致;自0:00开始到6:00是各层风速均较小,这应该与夜晚由于下地面降温,贴地层大气受下垫面影响而降温,从而导致大气层稳定。随着日出受太阳辐射影响,贴地层大气开始波动,无论是风速还是风向在6:00-8:00这段时间里进行调整,特别是风向震动尤为明显,在WN方和WS方来回调整,在8:00以后风向基本维持在WNW方向上,同时贴地层各层风速开始变大,一直到沙尘暴发生过程中,200cm高度最大风速达到14.4m/s,在18:00左右贴地各层风速开始下降,同时风向也开始发生变化,由WNW方向变W方向,进一步维持在WS方向,沙尘暴的强度开始减弱,到18:30,沙尘暴过程结束,在19:00-22:00这个过程中,风速和风向都保持稳定,风速维持在4m/s左右,而风也维持在W方向上,在22:00-23:30这个时间内风速又发生了波动,风速开始上升,在23:30以后快速下降,同时风向也开始发生明显的变化。2.2空气相对湿度随湿地温度和湿度变化的规律如图2所示,在4月7日一天中200cm高度的温度最大值为20.6℃,出现在沙尘暴过程中的16:10,最低温度为2.62℃,出现在日出前7:00,随着日出太阳高度的变大,温度上升;而相对湿度最大值为27.97%,出现时间为10:00;最小值为10.37%,出现时间为在沙尘暴过程中的17:00,相对湿度从0:00-10:00这段时间里波动上升,此后相对湿度一直呈下降趋势,水汽压和相对湿地成正相关,温度和相对湿度整体上成负相关,温度最高时相对湿度最小,但是相对湿度的最大值并不和温度的最低值完全对应,二者相差大约3小时,形成这个原因是由于0:00到日出前这段时间内由于温度的下降,空气饱和度也相应的变小,空气的相对湿度自然会有所上升,同时在这段时间内由于沙地表层温度的下降,空气中微量水分在沙表层凝结,在日出后,随着太阳高度的升高,温度上升,地表凝结的水分开始又蒸发到空气中,使空气中的相对湿度继续上升,从而使相对湿度的最大值时间落后于温度最低时间。在14:30-18:30这段时间里,出现的是暖干状态,这对于于起沙、扬沙极为有利,这也正好是沙尘暴过境的时间。这同胡泽勇研究沙尘暴过境与敦煌地面气象要素变化一致。在沙尘暴过境是时,空气的相对湿度和水汽压都是在波动中下降,水汽压的波动尤为明显;这也同张仁健研究一致。2.3沙区土壤水分变化特征由于沙地体积含水量变化采用的是小时平均数据,图3显示含水量和地温的变化趋势基本一致。在图3(a)中可以得到沙地含水量随深度加深而变大,25mm深度的含水量变化与其他两层更为明显,在7:00-10:00这个时间段是含水量最低的时间,在10:00-15:00这个时间内含水量变大,在沙尘暴过境的14:30-18:30时间段内,沙地含各层水量变化维持在一天的最高值,这与李宁研究得出在沙尘暴过程中不一定是土壤含水量最低是一致的。在沙尘暴结束后含水量略有下降,但总体含水量很低。在图3(b)中地温的变化情况是0cm地温比5cm和10cm变化幅度要大,越深变化幅度也小,但总的变化趋势是一致的,在白天地温是随深度的加深温度越小,夜晚情况则反之。且随着深度加深,无论是升温还是降温的时间都会相应的延后。随着太阳高度变大,太阳辐射变强,地温在8:00-15:00这个时间段内升高,最高达33.7℃,地表温度在沙尘暴开始过境的14:30-18:30这个时间段内,各层地温维持在一天的高温状态下。总的来说,在这次沙尘暴过境时地温和含水量都维持在一天的高值状态下。2.4拐子湖气象站对比分析由于这套风蚀观测系统没有地面气压的记录,考虑到风沙观测场离拐子湖气象站相距仅800m,并且地面平坦,因此,用拐子湖气象站观测的气压数据进行分析,如图4所示,在0:00-10:00这个时间段内气压变化不大,基本维持在908hpa上下,在10:00以后气压突然下降,地面风速加大,地面开始起沙,在14:30沙尘暴爆发,在沙尘暴过境中气压一直下降,到沙尘暴结束后,气压进一步下降,但下降的幅度变小。由此可以得出这次沙尘暴是由于低压过境所致。3沙处理中砂参数的估算3.1临界起沙风速利用H11-LIN型风蚀传感器在5cm和10cm高度捕获的起沙颗粒,选取贴地层100cm高度处的风速,分析二者之间的关系,如图5可以看出,无论是5cm还10cm高度,都是在100cm处风速最大的时段捕获的沙粒数最多。从图上还可以看出,在沙尘暴开始的14:30前地面就开始起沙,在100cm高度的风速达到6.5m/s时地面开始起沙,可以把这个风速近似作为该地的临界起沙风速。比张宏升在浑善达克沙地地区得到的临界起沙风速6m/s要大,比申彦波等在敦煌沙地上观测到的临界起沙风速7m/s要小。美国环保总局推荐的计算地面起沙率阀值风速为5.4m/s。考虑到不同地区沙粒径的差异,这个数值还是可信的。3.2粗糙度值与kzz0的关系地表摩擦速度(u*)是确定沙源地区地表能否起沙的有效判据之一。风蚀起沙观测和实验结果显示:当u*超过某一阈值时,粒子便会脱离地面进入大气,该摩擦速度称为临界摩擦速度,用u*t表示。在无风沙运动的床面上大气呈中性时,风速与高度的对数值成正比,风速对数廓线才存在:u=u∗k㏑zz0(1)u=u*k㏑zz0(1)u=5.75u∗zz0(2)u=5.75u*zz0(2)式中:u为高度z处的风速,u*为摩阻速度,z为高程,zo为粗糙度,当z=z0时,则u=0,即在高程等于粗糙度时,风速为零。根据上面公式,利用两个观测高度的风速差推导出如下计算公式:lgz0=u1lgz2−u2lgz1u1−u2(3)u∗=u2−u15.75(lgz2−lgz1(4)lgz0=u1lgz2-u2lgz1u1-u2(3)u*=u2-u15.75(lgz2-lgz1(4)取50cm和200cm两层风速资料,利用公式(3)计算得到1441个粗糙度值z0,范围是0.1x10-11到0.1m,平均粗糙度为0.0014m,变化范围同张瑞军在新疆肖塘地区计算的最小值数量级一致,最大值和平均值都要大。利用式(4)计算摩阻速度u*,在到中性层接条件下,摩阻速度u*的范围在0.10-0.7m/s之间变化,平均值为0.29m/s,均比张瑞军在新疆肖塘区要小,考虑到其是计算沙漠边缘过度带上的数值,因此计算结果是可信的。3.32摩阻速度的线性相关200cm高度的风速地摩阻速的影响非常明显,随着风速的增大,摩阻速度同时增大,呈线性相关,拟合方程y=0.0417x+0.0175,相关系数R=0.9199,相关性非常好。所以风速增大时,摩阻速度必然增大,输沙量也相应随之提高。4c计算开放系数为6.通过对巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区沙尘暴起沙观测试验,选取2010年4月7日一次沙尘暴过境前后数据,分析微气象要素在沙尘暴过程中的变化,