北京地區(qū)的粉塵天氣及其影響因素

北京地區(qū)的粉塵天氣及其影響因素

0北京常用凈化方式的源地研究在中國北方，它每年都會發(fā)生灰塵。沙塵天氣不僅給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動帶來不利影響,給人們的生活造成不便,而且導(dǎo)致空氣環(huán)境質(zhì)量惡化,嚴重危害人體健康。在過去幾年里,沙塵暴問題已經(jīng)引起政府部門和社會公眾的密切關(guān)注,環(huán)境保護和氣象部門的專家們對沙塵暴的發(fā)生、發(fā)展和傳輸?shù)臋C理,以及人類活動對沙塵暴的影響問題,已經(jīng)進行過比較深入的研究,取得了不少重要的成果。任陣海、蘇福慶、高慶先等研究了我國北方地區(qū)沙塵暴發(fā)生機理、沙塵暴源地、輸送路徑、輸送類型等問題。郭亞萍等報導(dǎo)了中國沙塵暴的成因及防治措施。楊東貞等研究了中國沙塵暴的發(fā)生源地及輸送沉降問題。夏訓(xùn)誠等研究了中國西北地區(qū)沙塵暴災(zāi)害及防治。全浩等探討了中國黃沙的高空傳輸路線。程道遠等報導(dǎo)了大氣沙塵的來源,陳廣庭等研究證明,北京沙塵天氣發(fā)生,除了外地輸入的沙塵物質(zhì)外,主要是地面揚塵造成的。陳立奇研究報導(dǎo)了中國沙漠地區(qū)發(fā)生的沙塵暴,每年向北太平洋輸送的沙塵物質(zhì)約8×109kg。曲紹厚等通過對衛(wèi)星云圖和沙塵輸送路徑地表的土質(zhì)分析,證明沙塵暴攜帶的沙塵物質(zhì),多半來自沙漠和戈壁,而不是來自黃土高原。趙性存等分析了中國大氣沙塵的特征。周明煜等研究了北京地區(qū)塵暴過程的氣溶膠特征。徐國昌等分析報導(dǎo)了甘肅特大沙塵暴的起因和輸送規(guī)律。耿寬宏在1960年對起沙風(fēng)速問題進行了研究。馬溶之早在1934年,就開始注意對北京降塵天氣的研究。由于大氣環(huán)境影響問題沒有國界,國外一些學(xué)者對中國的沙塵暴問題也十分感興趣。國外學(xué)者常把來自中國西北地區(qū)的沙塵稱為亞洲塵(AsianDust)。前蘇聯(lián)的B.A.奧勃魯契夫研究了中國的沙與黃土問題。日本的高山四郎(1920年)曾經(jīng)用顯微鏡觀察了在天津和旅順收集到的沙塵,分析了沙塵粒子的粒徑和礦物成分。小泉四郎(1934年)在中國東北、天津、山東、河北以及朝鮮半島和日本本土采集沙塵,分析了沙塵粒子徑譜分布和化學(xué)成分。北京處于中國西北部沙塵暴源地的下風(fēng)向地區(qū),沙塵暴的發(fā)生和傳輸,不僅會給北京地區(qū)的經(jīng)濟活動帶來嚴重不利影響,還會給北京市民的社會活動帶來諸多不便,甚至危害北京市民的身體健康。因此找出影響北京沙塵天氣的源地,分析源地氣候特征及其與北京沙塵天氣的關(guān)系,對控制和改善北京地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量,具有十分重要的意義。本文將通過對西北地區(qū)氣象資料的分析和研究,說明影響北京的沙塵暴發(fā)源地、傳輸路徑,并通過對源地的氣溫、降水等氣候要素的分析,進一步揭示北京沙塵天氣發(fā)生、加劇的原因。1影響中國沙區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的區(qū)域差異沙塵暴天氣的發(fā)生必須具備三個條件:沙源、大風(fēng)、氣流輻合(垂直對流)。有沙源不一定起沙,但無沙源一定不起沙。通過對歷史天氣圖資料和衛(wèi)星遙感資料的分析證明,影響我國北方地區(qū)的沙塵暴發(fā)源地主要位于蒙古國、俄羅斯、哈薩克斯坦境內(nèi),以及我國的新疆、內(nèi)蒙古、青海、甘肅等地區(qū)。根據(jù)起沙的地理位置的不同,我們將影響我國的沙塵源地劃分為境外源地和境內(nèi)源地。上述地區(qū)發(fā)生的沙塵暴常常影響我國北方的大部分地區(qū),它們也是導(dǎo)致北京沙塵天氣發(fā)生,影響北京空氣環(huán)境質(zhì)量的重要因素。蒙古國南部的戈壁地區(qū),面積約占該國國土面積的三分之一,是地球上最大的四個沙塵暴源地之一。在西伯利亞強冷氣流的沖擊下,該地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)上升氣旋,將地表裸露的大量干燥、疏松的沙塵卷到空中,并隨氣流南下,導(dǎo)致沿途沙塵暴天氣的出現(xiàn)。2001年我國北方地區(qū)觀測到的32次沙塵暴天氣,其中有18次是來源于蒙古國的南部戈壁地區(qū)。我國北方地區(qū)沙塵暴的境內(nèi)源地,主要分布在新疆的塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古沙漠、庫姆塔格沙漠,甘肅的敦煌附近,河西走廊,內(nèi)蒙古的巴丹吉林沙漠、騰格里、烏蘭布和沙漠、毛烏素沙漠、渾善達克沙地,青海的柴達木盆地。2兩種典型天氣的比較根據(jù)生消時間和輸送距離,可以把沙塵暴分為局地生消型和遠地輸送型兩類。我國境內(nèi)的局地生消型源地主要位于新疆塔里木盆地、青海柴達木盆地以及西藏的部分地區(qū)。該類型沙塵暴受局地大氣環(huán)流和地理環(huán)境的影響,沙塵不易向外地輸送,局地起沙局地消亡,影響范圍較小,日變化比較明顯;但一旦遇到強的天氣系統(tǒng)過境,也可以形成遠距離輸送。我國境內(nèi)的遠距離輸送型源地位于內(nèi)蒙古的額濟納和阿拉善地區(qū),以及渾善達克沙漠西部邊緣地區(qū)。西部沙源主要影響河套以西地區(qū),渾善達克沙漠邊緣地區(qū)則主要影響北京地區(qū)以及華北廣大地區(qū)。輸送型沙塵的輸送距離和影響范圍主要由大氣環(huán)流狀況決定。我國東部地區(qū)沙塵天氣主要受蒙古低渦的影響。一般蒙古低渦形成后,首先卷起當(dāng)?shù)氐纳硥m,并逐漸東移南下,在移動過程中,低渦尾部的輻合上升氣流將沿途沙塵一并卷入低渦中,向下游輸送。北京正處于下風(fēng)向地區(qū),深厚低渦往往能帶來沙塵天氣。影響北京的沙塵暴傳輸路徑,最主要的有兩條,他們分別是西路傳輸和北路傳輸。氣象資料的統(tǒng)計分析結(jié)果表明,在影響北京地區(qū)的沙塵暴天氣過程里,北路沙塵暴與西路沙塵暴之比約為2∶1。圖1給出影響北京沙塵天氣的最主要的兩條傳輸路徑示意圖。3我國總體降水量為5.10mm,在自然條件下,土壤對于土壤、坡位的生長具有一定的影響地表干燥裸露疏松的沙土是形成沙塵暴的物質(zhì)基礎(chǔ)。我國的新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、青海等地區(qū),有廣闊的沙漠、半沙漠和裸露的黃土地帶。這些地區(qū)地處亞洲大陸腹地,氣候干燥,降水稀少,年降水量通常只有100～200mm。塔里木盆地、吐魯番盆地、柴達木盆地則不超過25mm;賀蘭山以東,年降水量為200～400mm;賀蘭山以西年降水量在200mm以下;在塔克拉瑪干沙漠的中部和東部,柴達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,春季降水量則更為稀少。由于降水稀少,地表土層干燥、疏松,很容易被大風(fēng)吹起,形成沙塵天氣:因此,這些地區(qū)就成為產(chǎn)生沙塵暴的主要起沙源地。北京處于地球上的暖溫帶北部邊緣,多年平均降水量為557mm。北部地區(qū)鄰接農(nóng)牧交錯帶,即我國北方農(nóng)耕區(qū)與天然草地牧區(qū)接壤的過度地帶,年降水量在250～500mm,屬于半干旱地區(qū)。北京地區(qū)西靠太行山,北依燕山。由于特殊的地理位置和復(fù)雜的氣候條件,北京地區(qū)幾乎每年都要遭受沙塵暴的侵襲。此外,由于人類活動的影響,自然生態(tài)環(huán)境的破壞,局部地區(qū)沙塵天氣的發(fā)生有加劇的趨勢。3.1年來平均氣溫特征通過對我國最主要的幾個沙塵源地(渾善達克沙地和巴丹吉林沙漠附近)的二十幾個氣象站的氣溫資料分析,發(fā)現(xiàn)我國西北地區(qū)的干旱、半干旱地區(qū)近40年來1月份平均氣溫有明顯的增加趨勢;夏季7月份平均氣溫略有增加,但不明顯;全年平均氣溫呈增加趨勢。由于1月份增溫明顯,故做詳細分析。內(nèi)蒙中部和西部的氣溫變化過程如圖2和3所示?？梢钥闯?源區(qū)40年來1月份平均氣溫呈現(xiàn)波動式的增加,增溫幅度達到每10年0.3～1.02℃。劇烈增溫說明在主要的沙源區(qū),40年來冬季的平均溫度一直在升高,有變暖的趨勢。這一變化趨勢對于生態(tài)環(huán)境建設(shè)十分不利,特別是對病蟲害防治極為不利,使得本來已經(jīng)十分脆弱的沙源區(qū)生態(tài)環(huán)境更加脆弱。冬季增溫將會增加土壤水分蒸發(fā),到春季解凍后,土壤表層水分含量少,從而使同等風(fēng)力條件下,植被或土壤的抗風(fēng)蝕能力減弱,相對加速了以土壤風(fēng)蝕為標志的風(fēng)沙活動,極易形成沙塵天氣。從圖2和3中可以看出,沙塵源區(qū)歷年平均氣溫是增加的,同全國其他地區(qū)相比,增溫幅度更為明顯。因此,沙塵源區(qū)是我國冬季變暖非常明顯的地區(qū)。3.2降水量和氣溫通過對影響北京沙塵天氣的沙塵源地20個氣象站的降水資料(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趨勢,春季降水量減幅大于年降水量減幅(見圖4,5,6)。降水量減少,氣溫增加,導(dǎo)致影響北京沙塵天氣的源地呈現(xiàn)溫暖和干旱的氣候特征。由于氣候干燥,蒸發(fā)量大,土壤表層水分含量少,為起沙創(chuàng)造了條件。降水減少,特別是春季降水減少,對沙塵天氣的發(fā)生和發(fā)展有很大的影響。4沙子的源與北京沙子的天氣關(guān)系4.1北京應(yīng)用于北京年5月5日結(jié)構(gòu)植被覆蓋度較通過對北京沙塵源區(qū)20個站春冬季降水和北京沙塵暴關(guān)系對比發(fā)現(xiàn):二連浩特、阿巴嘎旗、滿都拉、額濟納旗等地的降水和北京沙塵暴發(fā)生次數(shù)有顯著的負相關(guān)關(guān)系(見圖7,8,9)。在沙塵源區(qū)二連浩特等地,降水特別是春季降水偏少的年份,由于返青季節(jié)缺水,地表植被覆蓋度減少,裸露土地面積增加,致使春季大風(fēng)季節(jié)發(fā)生沙塵暴的頻次增加。在大氣降水比較多的年份,由于地表植被覆蓋度相對較大,發(fā)生沙塵暴的概率就比較小。其他站與北京也有一定的負相關(guān),但不特別明顯。在二連浩特、朱日和、化德一帶的冬春降水和北京沙塵暴的關(guān)系,與其他站相比較,負相關(guān)最為明顯。這說明:由于春季返青季節(jié)天氣干旱少雨,使得草場得不到充足的水分,草場植被長得不好,有大量的裸露地。再加上過牧現(xiàn)象十分嚴重,形成廣闊的沙塵源地。這一地區(qū)正是影響北京的沙塵暴源地。以二連浩特為例,1966年北京的沙塵暴是峰值,這一年二連浩特的降水量比前兩年銳減。1973年降水較高,為小波峰,北京沒有發(fā)生沙塵暴;而1980年降水偏少的年份,是波谷,因此,北京地區(qū)的沙塵暴出現(xiàn)一小波峰。大部分時段總的趨勢是降水量增加,北京沙塵暴發(fā)生次數(shù)減少;降水量減少,北京沙塵暴發(fā)生次數(shù)增加。當(dāng)然,在這種變化趨勢中也還有一些波動,有個別年份不完全符合這一趨勢,如1960年以前,1990年到1993年等。北京地區(qū)沙塵暴發(fā)生次數(shù)與沙塵源區(qū)春季大氣降水量有比較顯著的負相關(guān)關(guān)系,說明沙塵暴在很大程度上是一種與大氣條件密切相關(guān)的自然現(xiàn)象。在局部地區(qū),由于人類活動的影響,沙塵源地的地域面積正在擴大,因此每年沙塵暴發(fā)生的次數(shù)和強度也在增加。4.2負相關(guān)系不顯著沙源地冬春季降水和北京揚沙天氣的關(guān)系不明顯,負相關(guān)不顯著。說明北京的揚沙起因與源區(qū)降水沒有明顯的關(guān)系,北京揚沙天氣的發(fā)生主要是本地條件引起的。4.3浮塵天氣發(fā)生次數(shù)通過對沙源地20個氣象站春季降水和北京浮塵天氣關(guān)系比較,發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙西部阿拉善右旗、甘肅民勤、寧夏銀川、中寧一帶和北京浮塵天氣有一定的負相關(guān)(見圖10)。說明遠距離沙塵暴天氣對北京大氣環(huán)境質(zhì)量的影響非常明顯。以阿拉善右旗為例,1960年降水量是個小波峰,浮塵為波谷(僅發(fā)生1次浮塵)1973年浮塵發(fā)生了14次,為第二峰值,而降水量僅有幾毫米大部分時段總的趨勢是:春季降水增加,北京浮塵次數(shù)減少;春季降水減少,北京浮塵發(fā)生次數(shù)增加。說明北京浮塵天氣受上風(fēng)區(qū)天氣影響很明顯?？傮w上風(fēng)沙源區(qū)春季降水與北京浮塵天氣是負相關(guān)的。也有一些年份不符和這一趨勢,如1984年至1989年等。90年代浮塵發(fā)生次數(shù)減少,趨勢不明顯。5結(jié)論地球上的沙塵暴,本來是一種自然現(xiàn)象;但是,近50年來,由于人類活動的影響,在局部地區(qū),沙塵暴的發(fā)生次數(shù)和強度,呈現(xiàn)增加的趨勢。沙塵暴的發(fā)生必須具備三個條件:沙源、大風(fēng)、氣流輻合(垂直對流)。有沙源不一定起沙,但無沙源則一定不起沙。影響我國北方地區(qū)沙塵天氣的境外源地主要位于哈薩克斯坦、俄羅斯以及蒙古國境內(nèi);境內(nèi)源地主要位于內(nèi)蒙古中西部沙漠、半沙漠和戈壁地區(qū),新疆的沙漠、半沙漠地區(qū),以及甘肅和青海等地區(qū)。向北京地