塔克拉瑪干沙漠近48年起塵速率變化趨勢分析

李晉昌,康曉云,張彩霞 (.山西大學黃土高原研究所,山西 太原 030006；.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000)

塔克拉瑪干沙漠近48年起塵速率變化趨勢分析

李晉昌1*,康曉云1,張彩霞2(1.山西大學黃土高原研究所,山西 太原 030006；2.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000)

采用美國環(huán)境保護局推薦的公式,分析了塔克拉瑪干沙漠 1960~2008年 PM50和 PM30起塵速率的變化趨勢及影響因子. 結果表明,1960~2008年, 塔克拉瑪干沙漠PM50和PM30起塵速率及沙塵暴頻率均呈顯著減小趨勢, 粉塵粒徑越細, 起塵速率減幅越大;塔克拉瑪干沙漠21世紀初的風沙活動比上世紀60年代減小了65.01%~85.14%;年均風速的減少和年降水量的增加對PM50起塵速率減少的貢獻率分別為37.8%和62.2%, 年均風速和起沙風頻率的減少及年降水量的增加對PM30起塵速率減少的貢獻率分別為9.1%、33.2%和57.7%, 年均風速和起沙風頻率的減少對沙塵暴頻率減少的貢獻率分別為41.3%和58.7%;大風沙塵天氣可能使大氣中粗、細顆粒物總量均有所增加,但細顆粒物增加更明顯.

起塵速率；沙塵暴頻率；變化趨勢；影響因子；塔克拉瑪干沙漠

中亞地區(qū)每年對全球約貢獻800萬t粉塵[1],可能是格陵蘭和北太平洋風塵沉積的源區(qū)之一[2],而對亞洲粉塵貢獻最大的3個源區(qū)有 2個位于中國北方,分別為以塔克拉瑪干沙漠為中心的中國西部沙漠源區(qū)和以巴丹吉林沙漠為中心的中國北部沙漠高粉塵源區(qū)[3-4].風沙活動控制了這些區(qū)域粉塵的輸送和堆積[5]、進而控制了沙漠環(huán)境變遷[6-7].此外,風沙活動強度的波動也導致了這些區(qū)域風蝕、風積強度的變化,進而通過影響植被生長而誘使沙漠化正逆過程的發(fā)生[8-9].因此只有對風沙活動強度做出定量評估,才能準確了解氣候-地表物質之間的相互關系,這對研究和預測全球風沙環(huán)境變化對人類及自然環(huán)境的影響及制定應對的策略具有重要的理論和現(xiàn)實意義[10].目前對現(xiàn)代風沙活動強度年際變化趨勢的研究僅僅是基于沙塵天氣頻率來估算.例如, Wang等[11-12]基于沙塵暴頻率的研究表明,由于風能環(huán)境的減弱,中國北方風沙活動近幾十年呈明顯下降趨勢,且減小幅度達 50%~75%,但由于非沙塵暴天氣時也有風沙活動發(fā)生,并且沙塵暴頻率并不能準確反映沙塵暴的強度和持續(xù)時間,因此其對中國北方風沙活動減小幅度的指示可能并不精確.

美國環(huán)境保護局經過大量研究,推薦了幾個計算地面起塵因子的半經驗公式,本研究選擇其中2個公式,通過計算PM50(粒徑小于<50μm的顆粒物)和PM30(粒徑小于<30μm的顆粒物)起塵速率[13-14],分析塔克拉瑪干沙漠1960~2008年起塵量的變化趨勢及影響因子,并以此反映該沙漠近48年的風沙活動變化特征.

1 研究方法

美國環(huán)境保護局推薦的 2個計算地面起塵速率的公式為[13-14]:

式中: Qe和分別為 PM50和 PM30的起塵速率,t/(ha?a); e、c、s、K、L、V分別為土壤風蝕指數(shù)、TSP(總懸浮顆粒物)含量、粉土含量、地面粗糙因子、無屏蔽寬度因子和植被覆蓋因子,在計算同一區(qū)域起塵量的年際變化時,這些因子在幾十年的尺度內可認為是一致的,各因子的相關說明詳見文獻[13-14];C、f、P分別為氣候因子、閾值風速比和桑氏威特降水-蒸發(fā)指數(shù),這3個因子具有明顯的年際變化,計算方法見文獻[15].基于此,起塵速率公式改為如下形式:

通過Excel軟件分析可能影響起塵速率的氣候因子(包括氣溫、降水、風速和起沙風頻率)的趨勢變化,用一次線性方程表示, 即

式中: x為氣象要素值; a為回歸系數(shù); a?10為氣候傾向率(單位為某要素單位/10a),可以用來表征上升或下降的速率,即表示上升或下降的傾向程度.

圖1 塔克拉瑪干沙漠氣象站點分布示意Fig.1 Location of weather station in Taklimakan desert

選擇位于塔克拉瑪干沙漠周邊的 7個站點(圖1),將各站點逐年氣象因子數(shù)據平均值記為塔克拉瑪干沙漠平均值,氣象因子包括氣溫、降水、平均風速、起沙風頻率、沙塵暴頻率等,均來源于國家氣象局.起塵速率的年際變化通過7個站點氣象因子的平均值獲得.

2 結果與討論

2.1 起塵速率的變化趨勢

塔克拉瑪干沙漠PM50和PM30起塵速率距平百分率(DAP)及沙塵暴頻率距平百分率(DAP)在1960~2008年的變化趨勢如圖2所示(DAP= (實測值-同期歷史均值)/同期歷史均值×100%),均呈顯著減小趨勢,沙塵暴頻率減幅最小(21.37%/10a),PM30起塵速率減幅最大(39.32%/10a),PM50起塵速率減幅為 29.47%/ 10a,表明粉塵粒徑越細,起塵速率減幅越明顯,可能原因是:(1)地表中的黏粒和 PM10必須依靠較粗顆粒物的跳躍撞擊才能被揚起[16-17],由于粗顆粒物起塵量呈減小趨勢,因此導致細顆粒物起塵量減幅更大;(2)粉塵動力學研究表明[18],越細的粉塵越容易被遠距離輸送,因此在沙源中含量的減幅也應最大,導致其起塵速率減幅最大.此外,沙塵暴頻率無法準確反映沙塵暴強度和持續(xù)時間,并且非沙塵暴天氣甚至是晴朗天氣時也有粉塵的釋放,因此起塵速率可能更準確地指示了該沙漠風沙活動的年際變化趨勢.

表1 塔克拉瑪干沙漠PM50、PM30起塵速率及沙塵暴頻率各年代的變化幅度Table 1 Range of emission rates of PM50 and PM30 and dust storm frequency in different period in Taklimakan desert

PM50、PM30起塵速率及沙塵暴頻率各年代的變化幅度如表1所示.三者的最大值均出現(xiàn)在20世紀60年代,最大減幅均出現(xiàn)在20世紀90年代,減幅達40%~60%,20世紀80年代和70年代基本持平,變幅均較小.PM30起塵速率和沙塵暴頻率最小值出現(xiàn)在2000~2008年間,PM50起塵速率最小值出現(xiàn)在20世紀90年代,在2000~2008年間略有增加.與 20世紀 60年代相比,在2000~2008年間,PM50、PM30起塵速率及沙塵暴頻率減幅分別為65.01%、85.14%和57.86%,前兩者更準確地指示了塔克拉瑪干沙漠風沙活動的變化幅度.

2.2 起塵速率的影響因子

基于公式(5)得到塔克拉瑪干沙漠 1960~ 2008年年均氣溫和年降水量呈顯著增加趨勢,增幅分別為0.26℃/10a和4.36mm/10a,年均風速和年起沙風頻率呈顯著減小趨勢,減幅分別為-0.12m/(s?10a)和-0.74%/10a.相關性分析表明,除氣溫外,其他氣候因子均與PM50和PM30起塵速率有較好的乘冪關系,顯著性水平均大于0.01.PM50和PM30起塵速率與降水量呈顯著負相關,與平均風速、起沙風頻率和沙塵暴頻率呈顯著正相關,與降水量的相關性更大(表 2).PM50起塵速率與平均風速的相關系數(shù)大于與起沙風頻率和沙塵暴頻率的相關系數(shù),進一步表明非沙塵暴天氣甚至晴朗天氣時,塔克拉瑪干沙漠也有大量粉塵釋放.PM30起塵速率與平均風速的相關系數(shù)小于與起沙風頻率和沙塵暴頻率的相關系數(shù),并且與 PM50相比,PM30起塵速率與起沙風頻率和沙塵暴頻率的相關性更加顯著,表明大風沙塵天氣過程在揚起大量粗顆粒物的同時[19-20],也揚起更多的細顆粒物,即細顆粒含量增幅更顯著.研究認為,與非沙塵天氣相比,沙塵天氣降塵粒度明顯偏粗[19,21],但沙塵天氣頻發(fā)的春季降塵粒度卻比其他季節(jié)偏細,PM10含量也更高[18],可能原因是沙塵天氣過程在揚起大量粗顆粒物的同時[19-20],也揚起更多的細顆粒物,但這些細顆粒物尤其是 PM10將在大氣中懸浮較長的時間,在沙塵天氣結束后才會由于雨水作用或聚合作用逐漸沉降.

表2 塔克拉瑪干沙漠PM50、PM30起塵速率與氣象因子年際變化的相關系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between dust emission rates and meteorological factors in Taklimakan desert

對各氣候因子和起塵速率(各變量代表符號見表2)進行標準化,使其變化幅度在0和1之間,以起塵速率作為因變量,以氣候因子作為自變量,以1960~2008年的資料作為基礎,然后利用SPSS軟件建立了如下多元回歸方程:

對式(6)、式(7)右側各項系數(shù)進行比較,可以確定各自變量對因變量的貢獻率.由此求得,年均風速的減少和年降水量的增加對PM50起塵速率減少的貢獻率分別為 37.8%和 62.2%,年均風速和起沙風頻率的減少及年降水量的增加對 PM30起塵速率減少的貢獻率分別為 9.1%、33.2%和57.7%.

同理以沙塵暴頻率作為因變量,其他氣候因子作為自變量,建立了如下多元回歸方程:

由式(8)可知,年均風速和起沙風頻率的減少對沙塵暴頻率減少的貢獻率分別為 41.3%和58.7%.

以上分析表明,考慮平均風速時,起沙風頻率對PM50起塵速率的貢獻可以忽略,但對PM30起塵速率的貢獻卻不可忽略,其貢獻甚至高于平均風速,進一步表明大風天氣更容易揚起地表中的細顆粒物.起塵速率受降水影響最大,受沙塵暴頻率和起沙風頻率影響相對較小,可能表明在非沙塵暴或低風速天氣條件下也有大量粉塵釋放,而此時釋放的粉塵主要受降水量的影響.

3 結論

3.1 1960~2008年,塔克拉瑪干沙漠 PM50和PM30起塵速率及沙塵暴頻率距平百分率均呈顯著減小趨勢,減幅分別為29.47%/10a、39.32%/10a和21.37%/10a,表明粉塵粒徑越細,起塵速率減幅越大.

3.2 與20世紀60年代相比,在21世紀初,PM50、PM30起塵速率及沙塵暴頻率減幅分別為65.01%、85.14%和57.86%,前兩者更準確地指示了塔克拉瑪干沙漠風沙活動的變化幅度,因此,基于沙塵暴頻率計算的中國北方近幾十年風沙活動減小幅度可能比實際偏低.

3.3 1960~2008年,年均風速的減少和年降水量的增加對 PM50起塵速率減少的貢獻率分別為37.8%和62.2%,年均風速和起沙風頻率的減少及年降水量的增加對PM30起塵速率減少的貢獻率分別為9.1%、33.2%和57.7%,年均風速和起沙風頻率的減少對沙塵暴頻率減少的貢獻率分別為41.3%和58.7%.

3.4 大風沙塵天氣可能使大氣中粗、細顆粒物總量均有所增加,但細顆粒物增加更明顯;非沙塵暴甚至晴朗天氣條件下也有大量粉塵釋放.

[1] 張小曳.亞洲粉塵的源區(qū)分布、釋放、輸送、沉降與黃土堆積 [J].第四紀研究, 2001,21(1):29-40.

[2] 姚檀棟,鄔光劍,蒲建辰,等.古里雅冰芯中鈣離子與大氣粉塵變化關系 [J]. 科學通報, 2004,49(9):888-892.

[3] Zhang X, Gong S, Zhao T, et al. Sources of Asian dust and role of climate change versus desertification in Asian dust emission [J]. Geophysical Research Letters, 2003,30(24):2272.

[4] Gong S, Zhang X, Zhao T, et al. Characterization of soil dust aerosol in China and its transport/distribution during 2001 ACE-Asia 2. Model Simulation and Validation [J]. Journal of Geophysical Research, 2003, 108 (D9): doi:10.1029/ 2002JD002633.

[5] Greeley R, Iversen J D. Wind as a Geological Process on Earth, Mars, Venus and Titan [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1985.

[6] Sun J, Ding Z, Liu T, et al. 580,000-year environmental reconstruction from aeolian deposits at the Mu Us Desert margin, China [J]. Quaternary Science Reviews, 1999,18:1351-1364.

[7] 李保生,靳鶴齡,呂海燕,等.150ka以來毛烏素沙漠的堆積與變遷過程 [J]. 中國科學D輯:地球科學, 1998,28:85-90.

[8] Buckley R. The effect of sparse vegetation cover on the transport of dune sand by wind [J]. Nature, 1987,325:426-428.

[9] 王訓明,李吉均,董光榮,等.近 50a來中國北方沙區(qū)風沙氣候演變與沙漠化響應 [J]. 科學通報, 2007,52(24):2882-2888.

[10] 李晉昌,蘇志珠,胡光印.風沙活動強度常用的判斷指標及其應用評述 [J]. 中國沙漠, 2010,30(4):788-795.

[11] Wang X, Zhou Z, Dong Z. Control of dust emissions by geomorphic conditions, wind environments and land use in northern China: An examination based on dust storm frequency from 1960 to 2003 [J]. Geomorphology, 2006,81:292-308 .

[12] Wang X, Dong Z, Zhang J, et al. Modern dust storms in China: an overview [J]. Journal of Arid Environment, 2004,58:559-574.

[13] EPA. Iron and steel plant open source fugitive emission evaluation [Z]. 1979, EPA-600/2-79-103.

[14] OAQPS(EPA). Guideline for development of control strategies in areas with fugitive dust problems [Z]. 1977, EPA-405/2-77-029.

[15] 宣 捷.中國北方地面起塵總量分布 [J]. 環(huán)境科學學報, 2000, 20(4):426-430.

[16] 劉東生.黃土與環(huán)境 [M]. 北京:科學出版社, 1985.

[17] 李晉昌.中國北方大氣降塵的時空變化 [D]. 蘭州:中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 2008.

[18] Tsoar H, Pye K. Dust transport and questions of desert loess formation [J]. Sedimentology, 1987,34:139-154.

[19] 李玉霖,拓萬全,崔建垣.蘭州市沙塵和非沙塵天氣降塵的粒度特征比較 [J]. 中國沙漠, 2006,26(4):644-647.

[20] 莊國順,郭敬華,袁 蕙,等.2000年我國沙塵暴的組成、來源、粒徑分布及其對全球環(huán)境的影響 [J]. 科學通報, 2001,46(3): 191-197.

[21] 王贊紅.現(xiàn)代塵暴降塵與非塵暴降塵的粒度特征 [J]. 地理學報, 2003,58(4):606-610.

Change trend of dust emission rates in Taklimakan Desert in last 48 years.

LI Jin-chang1*, KANG Xiao-yun1, ZHANG Cai-xia2(1.Institute of Loess Plateau, Shanxi University, Taiyuan 030006, China；2.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Science, Lanzhou 730000, China). China Environmental Science, 2012,32(1)：43~47

Based on the formulas recommended by the U.S. Environmental Protection Agency, the dust emission rates trend and impact factors of PM50and PM30were analyzed. Both the dust emission rates and the dust storm frequency decreased significantly during the period from 1960 to 2008 in the Taklimakan Desert; and the finer dust possessed more significant decreasing emission rate. The dust emission rates in the early 21th in Taklimakan desert decreased by 65.01% to 85.14% compared to that in 1960s. The contribution of mean wind velocity decreasing and precipitation increasing to the decrease of PM50emission rate was 37.8% and 62.2% respectively; the decrease of mean wind velocity and blown sand winds frequency, and the increase of precipitation contribution to the decrease of PM30emission rate was 9.1%, 33.2%, and 57.7% respectively; the decrease of mean wind velocity and blown sand winds contribution to the decrease of dust storm frequency was 41.3% and 58.7% respectively. The total amount both the coarse and fine particles will increase in atmosphere during the windy weather, but the latter had a more obvious trend.

dust emission rates；dust storm frequency；change trend；impact factors；Taklimakan Desert

2011-04-06

國家自然科學基金資助項目(41101013,41101006);山西省青年科技研究基金資助項目 (2011021027-1)

* 責任作者, 講師, lijch@lzb.ac.cn

X513

A

1000-6923(2012)01-0043-05

李晉昌(1980-),男,山西清徐人,講師,博士,主要從事風成過程與環(huán)境變化方面的研究.發(fā)表論文10余篇.