巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區(qū)一次暴風雨過程分析

巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區(qū)一次暴風雨過程分析

沙漠是沙漠及其周邊地區(qū)獨特的災難自然災害自然形態(tài)。其氣候變化對人類棲息地、社會經(jīng)濟活動有一定影響。這是環(huán)境和生態(tài)環(huán)境中不可忽視的問題之一。20世紀以來,科學工作者開展了沙漠化及沙塵暴時空分布、成因、結構以及監(jiān)測與對策方面的大量研究,并對沙塵暴的產(chǎn)生條件、環(huán)流形勢、時空分布、分析預報、沙塵粒子的物理化學特征、長距離輸送、局地觸發(fā)機制以及起沙機制的數(shù)值模擬等多方面的研究取得進展[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。薛建軍等對2002年3月18-22日發(fā)生在我國北方地區(qū)的一次強沙塵暴過程進行了分析,指出沙塵天氣的產(chǎn)生原因:包括上游沙塵高空輸送沉降、本地熱力作用、蒙古氣旋和鋒面附近大風。張仁健等研究表明,沙塵暴發(fā)生時,近地層風速明顯增大,空氣相對濕度迅速減少,邊界層湍流交換強烈。鄭新江等利用衛(wèi)星云圖及常規(guī)氣象資料對1998年4月14-15日強沙塵暴進行了分析,指出此次過程是由斜壓槽及冷鋒觸發(fā)的。許東蓓等通過對發(fā)生在新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地的一次強沙塵暴的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),非靜力MM5模式能較好地模擬出強沙塵暴的地面強風系統(tǒng)、高空鋒區(qū)的發(fā)生發(fā)展。,岳平等對2004年7月12日出現(xiàn)在我國內(nèi)蒙古西部和河西走廊西端的一次沙塵暴天氣過程進行了分析;從上述分析看,此前的研究均是范圍較大的區(qū)域性沙塵暴天氣過程。而沙塵暴的產(chǎn)生及沙塵輸送與微氣象條件密切相關,這方面的研究卻報道較少,尤其是在沙漠中微氣象要素在沙塵暴發(fā)生前后的變化研究就更少。而近年來,由于觀測手段的不斷改進,這為在沙塵暴源區(qū)進行觀測試驗提供了可能,而研究起沙與微氣象學條件的關系,是理解沙塵暴形成和輸送的重要基礎。拐子湖地區(qū)位于巴丹吉林沙漠北緣,自然環(huán)境非常惡劣,干旱少雨,風沙大。年平均8級以上的大風近百天,年平均沙塵暴30天,歷史最大風速為38m/s。冬季極端最低-30.7℃,夏季極端最高氣溫44.8℃,沙漠溫度可達80℃,歷年平均降水量41mm,歷年平均蒸發(fā)量為4217.9mm。干燥、少雨、炎熱、大風多是這里的主要氣候特征。劉景濤、鄭明倩的研究指出阿盟的拐子湖地區(qū)是內(nèi)蒙古的強和特強沙塵暴主要多發(fā)區(qū)之一同時也是我國沙塵暴北移路徑的必經(jīng)之地。蔡雪鵬研究指出近30年來拐子湖地區(qū)平均年沙塵暴日數(shù)有30.6天,其中每年的4月份為最。文中利用巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區(qū)2010年4月份開始的沙塵暴加強觀測實驗資料,選取一次沙塵暴起沙過程資料分析沙地下墊面微氣象要素在沙塵暴過程中的變化情況,探討沙塵暴天氣過程中起沙與風速等微氣要素的關系,為沙漠地區(qū)起沙機制提供一定的研究基礎。1實驗數(shù)據(jù)及存儲沙塵暴加強觀測實驗場位于巴丹吉林沙漠北緣的拐子湖氣象站南800m處一平坦的沙地上,緯度41°22′N,經(jīng)度102°22′E,海拔為960m,在觀測場布置風蝕起沙監(jiān)測系統(tǒng)一套,其中H11-LIN型風蝕傳感器由美國Sensit公司生產(chǎn),安裝高度為5cm、10cm,可測量沙塵天氣過程的沙塵撞擊顆粒數(shù)、撞擊動能及沙粒運動速度,結合貼地層風速梯度儀,可求出沙塵天氣過程的起沙臨界摩擦速度。貼地層梯度風速、風向儀,風速安裝高度為5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、200cm,風向安裝高度為20cm、200cm,200cm高度安裝有空氣溫濕度傳感器,可監(jiān)測沙塵天氣過程中貼地層風速廓線特征。土壤溫、濕度傳感器埋藏深度為2.5cm、5cm、10cm,監(jiān)測分析沙塵天氣過程的土壤濕度、土壤溫度變化,確定風蝕起沙土壤水分。實驗觀測為24小時連續(xù),自動觀測記錄,所有的數(shù)據(jù)以小時、分鐘、秒,三種形式記錄。選取2010年4月7日的一次沙塵暴過程的數(shù)據(jù),并以EXCEL和SPSS軟件進行統(tǒng)計處理。2單日暴雨發(fā)生過程2010年4月7日在拐子湖氣象站記錄中天空以cidens云為主,最高氣壓為909.3hpa,最低氣壓為898.3hpa,最高氣溫為22°C,最低溫度為2.2°C,蒸發(fā)量為7.9mm,在14:50分出現(xiàn)最大風速22.6m/s,日照時數(shù)達10.9小時,沙塵暴開始于14:30,到18:30結束。2.1:24—貼地層梯度風速、風向在沙塵暴過境前后的變化在沙塵暴過程中,觀測場中貼地層梯度風向、風速儀除了5cm高度的風杯由于被揚起的沙?？ㄗ]有記錄風速外,其他一切都很正常,完整記錄了地面水平風場在沙塵暴過境前后的時間演變情況,從圖1中可以看到貼地面各層風速全天基本保持隨著高度的升高而風速變大,這與風速隨高度的變化規(guī)律一致;自0:00開始到6:00是各層風速均較小,這應該與夜晚由于下地面降溫,貼地層大氣受下墊面影響而降溫,從而導致大氣層穩(wěn)定。隨著日出受太陽輻射影響,貼地層大氣開始波動,無論是風速還是風向在6:00-8:00這段時間里進行調(diào)整,特別是風向震動尤為明顯,在WN方和WS方來回調(diào)整,在8:00以后風向基本維持在WNW方向上,同時貼地層各層風速開始變大,一直到沙塵暴發(fā)生過程中,200cm高度最大風速達到14.4m/s,在18:00左右貼地各層風速開始下降,同時風向也開始發(fā)生變化,由WNW方向變W方向,進一步維持在WS方向,沙塵暴的強度開始減弱,到18:30,沙塵暴過程結束,在19:00-22:00這個過程中,風速和風向都保持穩(wěn)定,風速維持在4m/s左右,而風也維持在W方向上,在22:00-23:30這個時間內(nèi)風速又發(fā)生了波動,風速開始上升,在23:30以后快速下降,同時風向也開始發(fā)生明顯的變化。2.2空氣相對濕度隨濕地溫度和濕度變化的規(guī)律如圖2所示,在4月7日一天中200cm高度的溫度最大值為20.6℃,出現(xiàn)在沙塵暴過程中的16:10,最低溫度為2.62℃,出現(xiàn)在日出前7:00,隨著日出太陽高度的變大,溫度上升;而相對濕度最大值為27.97%,出現(xiàn)時間為10:00;最小值為10.37%,出現(xiàn)時間為在沙塵暴過程中的17:00,相對濕度從0:00-10:00這段時間里波動上升,此后相對濕度一直呈下降趨勢,水汽壓和相對濕地成正相關,溫度和相對濕度整體上成負相關,溫度最高時相對濕度最小,但是相對濕度的最大值并不和溫度的最低值完全對應,二者相差大約3小時,形成這個原因是由于0:00到日出前這段時間內(nèi)由于溫度的下降,空氣飽和度也相應的變小,空氣的相對濕度自然會有所上升,同時在這段時間內(nèi)由于沙地表層溫度的下降,空氣中微量水分在沙表層凝結,在日出后,隨著太陽高度的升高,溫度上升,地表凝結的水分開始又蒸發(fā)到空氣中,使空氣中的相對濕度繼續(xù)上升,從而使相對濕度的最大值時間落后于溫度最低時間。在14:30-18:30這段時間里,出現(xiàn)的是暖干狀態(tài),這對于于起沙、揚沙極為有利,這也正好是沙塵暴過境的時間。這同胡澤勇研究沙塵暴過境與敦煌地面氣象要素變化一致。在沙塵暴過境是時,空氣的相對濕度和水汽壓都是在波動中下降,水汽壓的波動尤為明顯;這也同張仁健研究一致。2.3沙區(qū)土壤水分變化特征由于沙地體積含水量變化采用的是小時平均數(shù)據(jù),圖3顯示含水量和地溫的變化趨勢基本一致。在圖3(a)中可以得到沙地含水量隨深度加深而變大,25mm深度的含水量變化與其他兩層更為明顯,在7:00-10:00這個時間段是含水量最低的時間,在10:00-15:00這個時間內(nèi)含水量變大,在沙塵暴過境的14:30-18:30時間段內(nèi),沙地含各層水量變化維持在一天的最高值,這與李寧研究得出在沙塵暴過程中不一定是土壤含水量最低是一致的。在沙塵暴結束后含水量略有下降,但總體含水量很低。在圖3(b)中地溫的變化情況是0cm地溫比5cm和10cm變化幅度要大,越深變化幅度也小,但總的變化趨勢是一致的,在白天地溫是隨深度的加深溫度越小,夜晚情況則反之。且隨著深度加深,無論是升溫還是降溫的時間都會相應的延后。隨著太陽高度變大,太陽輻射變強,地溫在8:00-15:00這個時間段內(nèi)升高,最高達33.7℃,地表溫度在沙塵暴開始過境的14:30-18:30這個時間段內(nèi),各層地溫維持在一天的高溫狀態(tài)下?？偟膩碚f,在這次沙塵暴過境時地溫和含水量都維持在一天的高值狀態(tài)下。2.4拐子湖氣象站對比分析由于這套風蝕觀測系統(tǒng)沒有地面氣壓的記錄,考慮到風沙觀測場離拐子湖氣象站相距僅800m,并且地面平坦,因此,用拐子湖氣象站觀測的氣壓數(shù)據(jù)進行分析,如圖4所示,在0:00-10:00這個時間段內(nèi)氣壓變化不大,基本維持在908hpa上下,在10:00以后氣壓突然下降,地面風速加大,地面開始起沙,在14:30沙塵暴爆發(fā),在沙塵暴過境中氣壓一直下降,到沙塵暴結束后,氣壓進一步下降,但下降的幅度變小。由此可以得出這次沙塵暴是由于低壓過境所致。3沙處理中砂參數(shù)的估算3.1臨界起沙風速利用H11-LIN型風蝕傳感器在5cm和10cm高度捕獲的起沙顆粒,選取貼地層100cm高度處的風速,分析二者之間的關系,如圖5可以看出,無論是5cm還10cm高度,都是在100cm處風速最大的時段捕獲的沙粒數(shù)最多。從圖上還可以看出,在沙塵暴開始的14:30前地面就開始起沙,在100cm高度的風速達到6.5m/s時地面開始起沙,可以把這個風速近似作為該地的臨界起沙風速。比張宏升在渾善達克沙地地區(qū)得到的臨界起沙風速6m/s要大,比申彥波等在敦煌沙地上觀測到的臨界起沙風速7m/s要小。美國環(huán)?？偩滞扑]的計算地面起沙率閥值風速為5.4m/s?？紤]到不同地區(qū)沙粒徑的差異,這個數(shù)值還是可信的。3.2粗糙度值與kzz0的關系地表摩擦速度(u*)是確定沙源地區(qū)地表能否起沙的有效判據(jù)之一。風蝕起沙觀測和實驗結果顯示:當u*超過某一閾值時,粒子便會脫離地面進入大氣,該摩擦速度稱為臨界摩擦速度,用u*t表示。在無風沙運動的床面上大氣呈中性時,風速與高度的對數(shù)值成正比,風速對數(shù)廓線才存在:u=u?k㏑zz0(1)u=u*k㏑zz0(1)u=5.75u?zz0(2)u=5.75u*zz0(2)式中:u為高度z處的風速,u*為摩阻速度,z為高程,zo為粗糙度,當z=z0時,則u=0,即在高程等于粗糙度時,風速為零。根據(jù)上面公式,利用兩個觀測高度的風速差推導出如下計算公式: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兩層風速資料,利用公式(3)計算得到1441個粗糙度值z0,范圍是0.1x10-11到0.1m,平均粗糙度為0.0014m,變化范圍同張瑞軍在新疆肖塘地區(qū)計算的最小值數(shù)量級一致,最大值和平均值都要大。利用式(4)計算摩阻速度u*,在到中性層接條件下,摩阻速度u*的范圍在0.10-0.7m/s之間變化,平均值為0.29m/s,均比張瑞軍在新疆肖塘區(qū)要小,考慮到其是計算沙漠邊緣過度帶上的數(shù)值,因此計算結果是可信的。3.32摩阻速度的線性相關200cm高度的風速地摩阻速的影響非常明顯,隨著風速的增大,摩阻速度同時增大,呈線性相關,擬合方程y=0.0417x+0.0175,相關系數(shù)R=0.9199,相關性非常好。所以風速增大時,摩阻速度必然增大,輸沙量也相應隨之提高。4c計算開放系數(shù)為6.通過對巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區(qū)沙塵暴起沙觀測試驗,選取2010年4月7日一次沙塵暴過境前后數(shù)據(jù),分析微氣象要素在沙塵暴過程中的變化,