世界沙尘暴研究进展

1第一章第一章第一章第一章世界沙尘暴研究进展世界沙尘暴研究进展世界沙尘暴研究进展世界沙尘暴研究进展王式功1董光荣2陈惠忠2尚可政1(1.兰州大学资源环境学院大气科学系甘肃兰州730000)(2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃兰州730000)摘要摘要摘要摘要:沙尘暴是一种危害极大的灾害性天气。它的发生发展既是一种加速土地荒漠化的重要过程，又是土地荒漠化发展到一定程度的具体表现。本文从沙尘暴的基本特征与危害，沙尘暴形成原因分析与数值模拟研究,沙尘输送及沙尘暴灾害防灾减灾对策研究等几方面,对沙尘暴的有关研究成果进行了简要的回顾，较系统地反映了沙尘暴研究的某些进展。关键词关键词关键词关键词:沙尘暴；研究进展荒漠化作为一个全球性的重大环境问题，已受到广泛关注，它与全球气候变化、生物多样性一起构成当今世界三大科学前沿课题。众所周知，荒漠化是由自然因素(主要是气候因素)和人为因素两方面共同作用的结果。其中沙尘暴既是一种加速土地荒漠化的重要过程，又是土地荒漠化发展到一定程度的具体体现，具有一定的指示意义。因此，对沙尘暴进行全面、系统、深入的研究，有助于搞清荒漠化过程中的某些动力学机制。沙尘暴是发生在沙漠及其邻近地区特有的一种灾害性天气。国外从本世纪20和30年代就开始了沙尘暴时空分布、成因与结构以及监测与对策方面的研究。我国从70年代开始对沙尘暴天气进行研究，自1993年5月5日我国西北地区的特强沙尘暴天气发生后，引起了我国政府和科学工作者们的高度重视，有力地推动了沙尘暴研究的广泛开展，于1993年9月在兰州召开了“首届全国沙尘暴天气研讨会”。之后1993年11月29日国家科委又召开汇报会，将沙尘暴研究正式列入“八五”攻关项目。1994年以来，国家自然科学基金委先后资助了多项沙尘暴方面的研究项目，部分省、市的有关科技部门也立项支持对沙尘暴进行研究。特别是2000年春季以来，由于沙尘暴发生次数的明显增多，再一次向人们敲响了生态环境加快恶化的警钟，唤起了全民的广泛关注。因此，我国政府各有关部门(如科技部等)进一步加大了对沙尘暴研究及其防治措施的支持力度，沙尘暴研究与防治高潮迭起。本文对国内外近期就沙尘暴的有关研究作一简要回顾，旨在进一步提高对沙尘暴重要性的认识，促进沙尘暴研究的深入开展，拓宽沙尘暴防治对策研究的有效途径。1．．．．沙尘暴的基本特征与危害沙尘暴的基本特征与危害沙尘暴的基本特征与危害沙尘暴的基本特征与危害1．．．．1沙尘暴定义、命名与等级划分沙尘暴定义、命名与等级划分沙尘暴定义、命名与等级划分沙尘暴定义、命名与等级划分沙尘暴(sand-duststorm)是沙暴(sandstorm)和尘暴(duststorm)两者兼有的总称，是大量沙尘物质被强风吹到空中，使空气很浑浊(水平能见度小于1千米)的严重的风沙现象。其中沙暴系指8级以上的大风把大量沙粒吹入近地面气层所形成的携沙风暴；尘暴则是指大风把大量尘埃及其它细粒物质卷入高空所形成的风暴(赵兴梁，1993)。关于沙尘暴不同的国家或地区有不同的命名，如在印度西北部地区，将季风到来之前的季节内出现的对流性沙尘暴，称其为安德海(Andhi)；在非洲和阿拉伯地区称之为哈布(Haboob)(Josephetal.,1980)；另有的地区称之为“phantom”，即“鬼怪”的意思(Wolfsonetal.,1986)。对沙尘暴强度的等级划分，一般采用风速和能见度两个指标。如Joseph对发生在印度西北部的沙尘暴划分为三个等级:即4级风速≤6级，500m≤能见度1000m,称为弱沙尘暴;当6级风速≤8级,200m2≤能见度500m称为中等强度的沙尘暴；而风速≥9级，能见度200m,则称之为强沙尘暴。我国对沙尘暴的定义,与上述的定义大体相同,只是在强沙尘暴的等级范畴内,又划分出了强和特强沙尘暴,即50m≤能见度200m时,称为强沙尘暴,当其达到最大强度(瞬时最大风速≥25m/s,能见度50m,甚至降到0m)时,称为特强沙尘暴(或黑风暴,俗称“黑风”)(徐国昌等，1979)。1．．．．2沙尘暴时空分布的统计特征沙尘暴时空分布的统计特征沙尘暴时空分布的统计特征沙尘暴时空分布的统计特征1．2．1空间分布与土地沙漠化区域相联系，全世界有四大沙尘暴多发区，分别位于中亚、北美、中非和澳大利亚(颜宏，1993)。我国的沙尘暴区属于中亚沙尘暴区的一部分，主要发生在北方地区。总的特点是:西北多于东北地区，平原(或盆地)多于山区，沙漠及其边缘多于其它地区。且主要集中在两大区域:一个位于塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠，在其西南部又有两个中心，即从麦盖提经巴楚至柯坪为一中心，平均年沙尘暴日数为20.0-38.8天；从莎车经和田到且末为另一个中心区，平均年沙尘暴日数为25-35天。从巴丹吉林沙漠东部，南至甘肃河西走廊，经腾格里沙漠、乌兰布和沙漠，至库布齐沙地和毛乌素沙地，是另一沙尘暴多发区，也是西北地区涉及范围最大的沙尘暴多发区，其中最大中心在腾格里沙漠边缘的民勤，年平均沙尘暴日数为37.7天；其次是库布齐沙地的杭锦旗和毛乌素沙地南部的定边分别为27天和25.9天(王式功等，1995)。有关对西北地区强和特强沙尘暴个例谱的统计分析(贺慧霞等，1993)表明:我国西北地区最大的强沙尘暴出现区域西起吐鲁番、哈密地区，东接蔓延达1000公里的甘肃河西走廊，北连内蒙古阿拉善盟，东去延伸到河套地区。另外在北疆克拉玛依地区、南疆的和田地区和青海西北部地区还有三个局地性沙尘暴区。1．2．2时间变化据对深海岩心和冰盖沉积物的测定，早在白垩纪末(距今7000万年)，就有风沙尘暴出现。据地方志记载，公元351年甘肃武威一带就有强沙尘暴发生，造成房屋倒塌和人员、牲畜伤亡。在漫长的地质历史时期，沙尘暴显示出周期性变化，它与地质时期气候变化和地面沙尘物质的消长有关。遇气候暖湿时期，地面植被生长茂密，生态环境条件好，沙尘暴发生频率低；反之，在冷干气候时期，则沙尘暴发生频率高(夏训诚等，1996)。现代沙尘暴的详细记录是从新中国成立以后开始的。在我国西北地区，近半个世纪以来的变化特点是:50年代沙尘暴发生日数最多；60年代前期略有降低，60年代后期的67和68年降到最低，即发生日数最少；之后的70年代略有增加，80年代又处于相对偏少期，90年代初以来又有一定增加,特别是2000年增加最为明显。不同干旱气候区又有一定的差别，其中极干旱区，中部干旱区和半干旱区与整个西北地区总体情况基本一致。但北疆干旱区却有明显的差别，即50年代后期到70年代前期一直处于负距平阶段，70年代后期至80年代末，一直处于正距平阶段。我国沙尘暴的季节和月份变化特点是:春季最多，约占全年总数的一半(特别是强沙尘暴主要发生在春季)，夏季次之，秋季(新疆地区为冬季)最少；按月份来看，4月份发生频率最高，3月和5月份次之，秋季的9月份(新疆为12月或1月份)最低(王式功等，1996)。刘景涛等(1998)对内蒙古中西部地区的分析结果也表明，4月份沙尘暴出现频率最高，春季(3～5月)占全年的73%。墨西哥城的沙尘暴是3月份发生频率最高，一般在连续三个月降水量小于13mm的3月份，容易出现沙尘暴。在秋季的9月份出现频率最低(Jauregui,1989)。在印度西北部的沙尘暴也主要发生在4～6月份，这与我国新疆境内沙尘暴的多发期相一致。沙尘暴也具有明显的日变化特征，据王式功等(1995)对1994年4月上旬发生在我国西北地区沙尘暴发生频率日变化的研究结果表明:沙尘暴主要发生在午后到傍晚时段内，占总数的65.4%，清晨到中午时段内，仅占34.6%。在甘肃河西走廊中部地区，黑风暴大都出现在中午12时至晚上22时的时段内(付有智，1994)。1．．．．3气象要素场演变特征气象要素场演变特征气象要素场演变特征气象要素场演变特征特强沙尘暴的风头象一道黑墙，一般自西向东(或自西北向东南)迅速推移。在其过境前后，气象要素变化十分剧烈，过境前温度很高，气压很低，天气晴好，风速很小；黑风暴一到，顿时狂风大作、沙尘飞扬，气压猛升、温度剧降。在1977年4月22日发生在甘肃河西走廊的黑风暴天气过程中，张掖站黑风暴过后10分钟内，气压猛升2.8hpa,气温下降6.8℃，风向由偏东转为西北偏西，平均风速猛增到20m/s以上，瞬时最大风速超过30m/s(徐国昌等，1979)。在1993年5月5日的黑风暴天气过程中，甘肃省的3金昌市，10分钟内气压涌升3.1hpa，永昌3分钟内气压涌升2hpa，并且气压曲线都出现涌升后又降的“气压鼻”现象(陈敏连等，1993)。Joseph(1980)对印度西北部“Andhi”型对流沙尘暴的研究结果表明:当强沙尘暴过境时，能见度可由3km迅速降至200m，甚至近100m；风速可由4m/s猛增至近20m/s，增大4倍多；气温降低5℃左右，相对湿度增加10%以上。在1976年5月20日的一次沙尘暴过程中，印度的德里机场在两分钟左右的时间内，能见度由4000多米迅速降到280m；温度从38℃迅速降到25℃，相对湿度从31%快速上升到70%，风速达到73-80km/hr，有关对波斯湾和阿拉伯湾地区春季沙尘暴的研究结果(McNaughton,1987)表明，上述几种气象要素也有类似的变化特征。1．．．．4卫星云图与光学特性卫星云图与光学特性卫星云图与光学特性卫星云图与光学特性郑新江等(1995)对沙暴天气云图特征的研究结果表明:1993年5月5日发生在我国西北地区的特强沙尘暴天气过程中，在卫星(NOAA)拍摄的可见光云图上，沙尘暴区是在云团与锋面云带之间的灰白色调区域，其反照率特征是，沙尘暴区顶部结构均匀，顺着风向有纹理，色调呈浅灰色，有高云的暗影存在。沙暴区顶反照率与云团和地表的反照率有明显差别，地表反照率最低，达15%左右；沙尘暴顶部比地面高，达24%；云团的反照率最高，达到51%。在红外卫星云图上，沙尘暴、云团和地表的温度有明显的差异。其中，云团的温度最低，集中在-54℃附近；沙暴区温度次之，集中在-3℃附近；地表温度最高处可达+39℃。根据其温度特征，并配合探空资料，可确定出1993年5月5日特强沙尘暴顶部高度为2100m左右。徐希慧(1997)对沙漠地区(塔克拉玛干沙漠)沙尘暴的卫星云图特征的研究结果表明:在可见光卫星云图上，陆地表面有水体、雨迹，森林覆盖的地方反照率最小，呈黑色；有作物、牧草、荒漠草原覆盖的地区为深灰色或灰色；在干旱气候区的沙漠，由于植被稀少，反照率较大，呈现灰色或浅灰色；云系和高山积雪则反照率最大，为灰白色或白色；而沙尘暴所形成的“沙尘羽”和低云相似，呈灰白色，两者的区别在于，低云边界清楚，外形呈现出一定的形状或因扰动而起伏不平；沙尘暴则是边界不清楚，呈比较均匀的羽毛状，分布在云系的下面，容易与云系区分。“沙尘羽”的分布受地形走向影响，它的边缘往往和盆地边缘一致。杨东贞等(1991)对1988年4月份出现在北京地区上空的沙尘暴卫星云图特征的分析也表明，沙尘暴区在可见光卫星云图上呈现浅灰色。江吉喜等(1995,1997)运用1小时间隔的GMS-4数字展宽红外资料分析了1993年5月5日下午到夜间发生在甘肃和宁夏等省(区)的特强沙尘暴的成因后指出，通过卫星云图资料可以分析出此次特强沙尘暴过程中强冷锋前部的中尺度对流系统(MCS)及其伴随的飑线的卫星云图特征。由于气象卫星资料的时空分辨率高，在一张云图上可以看到从行星尺度到天气尺度、中尺度以及风暴对流单体等各种不同时空尺度的天气系统，并可展示出该系统中正在发生着的动力和热力过程。因此，将卫星云图资料与常规资料相结合使用，可以大大提高对沙尘暴天气系统发生、发展机理及结构特征的认识，增强对它们的中、短期预报和警报能力。沙尘暴，尤其发展成黑风暴时，具有独特的光学特性。如1993年5月5日发生在我国西北地区的黑风暴，据当时金昌等气象站的目击者记述，黑风暴临近前，可看到300-400m高的“沙暴壁”，形似原子弹爆炸后的蘑菇状烟云，呈现上黄、中红、下黑三种颜色的旋转式沙尘团。王式功等(1993)对这一现象从