陳躍浩，景元書，高慶先（1.天津市氣候中心，天津 300074；.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京10044；3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 10001）

西北地區(qū)氣候因素與北京市沙塵天氣的關(guān)系研究

陳躍浩1，2，3，景元書2，高慶先3*（1.天津市氣候中心，天津 300074；2.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京210044；3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

利用西北地區(qū)氣象臺站資料以及北京市沙塵天氣資料，根據(jù)西北地區(qū)的氣候狀況對氣候影響指數(shù)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，分析了西北地區(qū)氣候因素與北京市沙塵天氣的關(guān)系.結(jié)果表明，在2001～2010年10年間，受全國沙塵天氣過程的影響，北京市在2001、2002和2006年的沙塵天氣日數(shù)均超過了30d，其中在2001年全年沙塵天氣日數(shù)達(dá)到了39d；西北地區(qū)D指數(shù)年平均值的高值區(qū)位于盆地和沙漠地帶，春季平均值最高，為2.0，冬季次之，為0.9，夏季為0.8，秋季最小，為0.59；在D指數(shù)與沙塵天氣的相關(guān)性分析中，寧夏地區(qū)的相關(guān)性系數(shù)平均值為0.84，甘肅地區(qū)相關(guān)性系數(shù)為0.82，陜西為0.81，青海為0.78，新疆為0.74，內(nèi)蒙古地區(qū)為0.72；西北和北路傳輸路徑對北京市沙塵天氣的影響更大，毛烏素沙漠與黃土高原交界地以及內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地附近地區(qū)氣候影響指數(shù)與沙塵天氣日數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.9，該地區(qū)氣候?qū)τ诒本┦猩硥m天氣的發(fā)生有較大的影響.

西北；氣候因素；沙塵天氣；氣候影響指數(shù)

沙塵天氣是指強(qiáng)風(fēng)把地面大量沙塵卷入空中，使空氣特別渾濁，地面水平能見度變低的天氣現(xiàn)象［1］.大風(fēng)、豐富的沙塵源和不穩(wěn)定的大氣層結(jié)是沙塵天氣形成的三個關(guān)鍵因素［2-3］.劉國梁等［4］通過對比分析中國沙塵暴發(fā)生頻次和氣候因子的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氣候因子分布與沙塵暴的發(fā)生頻次分布對應(yīng)性很好.王靜梅［5］通過對50a來寧夏中寧地區(qū)沙塵天氣氣候成因的分析，認(rèn)為該地區(qū)特殊的地理位置和地形地貌以及干旱少雨的氣候類型是沙塵天氣多發(fā)的主要原因，并且指出沙塵天氣的發(fā)生與氣溫和濕度有一定的相關(guān)關(guān)系.此外，強(qiáng)風(fēng)是沙塵暴、揚(yáng)沙天氣發(fā)生的重要動力條件，大風(fēng)日數(shù)隨時間的變化與沙塵天氣發(fā)生頻次隨時間的變化呈現(xiàn)顯著相關(guān)［6-8］.

關(guān)于氣候因素與沙塵天氣關(guān)系的研究方法，可以通過利用相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計分析建立氣候因素與沙塵天氣之間的聯(lián)系，進(jìn)行定性定量研究. Wang等［9］利用分層聚類分析法分析了沙塵天氣的時空分布以及其影響因素.Qian等［10］利用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（REOF）的方法分析了中國北方沙塵天氣與氣候因素之間的關(guān)系.還有的學(xué)者通過構(gòu)建新的指數(shù)表征氣候因素用來研究與沙塵天氣之間的聯(lián)系.邱玉珺等［11］利用風(fēng)速和相對濕度兩個氣象因子構(gòu)建了月沙塵氣象指數(shù)，并分析了月沙塵氣象指數(shù)與沙塵天氣頻率之間的關(guān)系.李智勇［12］在邱玉珺等［13］構(gòu)建的沙塵天氣氣候影響指數(shù)D模型的基礎(chǔ)上，利用水分均衡計算的干燥指數(shù)和風(fēng)速影響指數(shù)建立了新的沙塵暴氣候影響指數(shù)模型，對西北地區(qū)氣候因素對沙塵暴的影響進(jìn)行了分析.除此之外，近些年隨著數(shù)值模式的興起及利用，眾多學(xué)者開始試圖通過建立有效的數(shù)值模式來模擬沙塵過程及其影響.高榮等［14］用RegCM3模式模擬了西北干旱區(qū)感熱異常對中國夏季降水影響，進(jìn)而研究對沙塵的發(fā)生及傳輸造成的影響.馬井會等［15］利用大氣化學(xué)模式WRF-Dust對影響上海地區(qū)的一次典型沙塵天氣過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.鐘海玲等［16］利用RegCM3模式，通過改變青藏高原冬季地面向大氣的感熱輸送，分析了高原冬季感熱異常對春季沙塵暴的影響.

研究表明［17-18］，西北荒漠區(qū)、沙漠及其邊緣退化的草原區(qū)是我國沙塵天氣的主要境內(nèi)沙源.北京市位于我國沙塵天氣源地的下風(fēng)向，沙塵天氣爆發(fā)時會對北京地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響，是目前科研的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一［19-21］.而已有的研究大多關(guān)注于北京市沙塵天氣的氣候成因及其影響源地分析［22-23］，未能將各種氣候影響因素進(jìn)行整合，定量的探究源地氣候因素與北京市沙塵天氣的關(guān)系.因此，開展西北地區(qū)天氣和氣候因素與北京市沙塵天氣的關(guān)系分析，探索沙塵天氣對北京大氣環(huán)境質(zhì)量的影響，對于北京市沙塵天氣的防治和改善北京大氣環(huán)境質(zhì)量具有重要的意義.

1 資料與方法

1.1 資料

圖1 研究范圍及觀測站點(diǎn)分布Fig.1 Geographic distribution of the research scope and observing stations

考慮到我國沙塵天氣主要源區(qū)（西北大部分地區(qū)）對北京市沙塵天氣的影響，本文選取新疆、甘肅、青海、寧夏和陜西以及內(nèi)蒙古中西部作為研究區(qū)域，范圍在東經(jīng)75°至東經(jīng)120°之間，北緯35°至中蒙邊界.在分析時，根據(jù)臺站觀測數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，選擇研究區(qū)域內(nèi)166個氣象臺站2001～2010年10年間的氣象觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，站點(diǎn)分布以及研究范圍如圖1所示.北京市的沙塵天氣數(shù)據(jù)來自于北京市觀象臺2001～2010年逐月的天氣現(xiàn)象記錄.

1.2 方法

基于氣候影響指數(shù)法，即利用氣候影響指數(shù)D將影響沙塵天氣的主要?dú)夂蛞蛩剡M(jìn)行整合計算，分析D指數(shù)與沙塵天氣二者之間的關(guān)系，探究氣候因素對沙塵天氣的影響.D指數(shù)最早的雛形來自于Thornthwaite［24］在1931年提出的用來表征土壤濕潤程度的P-E指數(shù)I，其計算公式為：

式中：P表示月均降雨量；E表示月蒸發(fā)量；t表示月平均溫度；i表示月份.Chepil［25］、McTainsh［26］、黃富祥等［27］根據(jù)已有的工作結(jié)合自己的研究將D指數(shù)的計算方法進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和發(fā)展，使其更能夠客觀準(zhǔn)確的反應(yīng)一個地區(qū)影響沙塵天氣的氣候背景狀況.邱玉珺等［13］考慮了風(fēng)速和土壤濕潤情況的影響，提出氣候影響指數(shù)（D）的表達(dá)式為：

李智勇［12］在充分考慮西北地區(qū)特殊的地理和氣候條件的基礎(chǔ)上，對氣候影響指數(shù)（D）的計算公式進(jìn)行了一定的調(diào)整，引入干燥度指數(shù)來替換土壤濕潤指數(shù)，并經(jīng)研究證實(shí)其在我國西北地區(qū)具有較好的利用價值.表達(dá)式為：

式中：Imod為干燥度指數(shù)；FT，F(xiàn)B為溫度和水分平衡因素；Tm是月均溫度；Pm是月降雨量；Em是月蒸發(fā)量；a和b為常數(shù).再乘以風(fēng)速影響指數(shù)W，其最終表達(dá)式為：

針對稠油油藏的特點(diǎn)，將熱蒸汽注入到油層部位，然后關(guān)井一定時間，作為燜井的過程，之后當(dāng)井下的熱能散失到油層中，提高油層的溫度后，使油流流動起來，開井生產(chǎn)，達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量。經(jīng)過一段時間的采油生產(chǎn)后，當(dāng)油井的產(chǎn)量下降到蒸汽吞吐前的狀態(tài)，繼續(xù)實(shí)施蒸汽吞吐采油技術(shù)措施，循環(huán)往復(fù)地應(yīng)用蒸汽吞吐采油的方式，直到油井繼續(xù)進(jìn)行蒸汽吞吐后，產(chǎn)能沒有得到提升，之后，進(jìn)行注蒸汽開采的方式，保持油井的正常生產(chǎn)。而當(dāng)油井的供液能力不足時，可以改變油井的生產(chǎn)，變?yōu)殚g歇生產(chǎn)的方式，達(dá)到油井生產(chǎn)的要求。

其中：Imod由（4）、（5）和（6）式得出.

基于公式（7）并結(jié)合實(shí)際研究成果，對公式進(jìn)行修正.考慮到氣象臺站數(shù)據(jù)的完整性和可靠性以及沙塵天氣過程發(fā)生時的瞬時特征，dv值為相應(yīng)月最大風(fēng)速≥5m/s的天數(shù)的發(fā)生率，以此來對風(fēng)速影響指數(shù)W進(jìn)行修正，dv的值越大代表該月發(fā)生沙塵天氣的可能性越大.另外，考慮到我國西北地區(qū)干旱半干旱的氣候類型，其蒸發(fā)量大而降雨量小的特點(diǎn)，將式（6）改為FB=Em-Pm，其蒸發(fā)量Em越大，F(xiàn)B也就越大，最后的Imod越大，代表土壤越干燥，形成沙塵天氣的可能性也就越大.常數(shù)a，b，α和β參考公式（7）中的取值，均為1；起沙風(fēng)速v'，則根據(jù)牛生杰等［28］的研究，取值為5m/s.D指數(shù)的表達(dá)式可以修正為：

2 結(jié)果與討論

2.1 北京市沙塵天氣的變化

考慮到沙塵天氣可以從源區(qū)伴隨著天氣系統(tǒng)而發(fā)生移動，具有傳輸性［29-31］，因此本文統(tǒng)計了2001～2010年10年間北京市發(fā)生沙塵天氣的情況（表1）以及與同期發(fā)生在我國的沙塵天氣過程的對比（圖2），其中全國沙塵天氣過程資料來自沙塵天氣年鑒［32］.可以看出，這10年間北京市沙塵天氣發(fā)生的總體情況與全國的分布相一致，均呈現(xiàn)波動中減少的趨勢.北京市在2001、2002和2006年的沙塵天氣日數(shù)均超過了30d，其中在2001年全年沙塵天氣日數(shù)達(dá)到了39d，為10年來最多的一年.這與全國沙塵天氣過程在2001年最為頻繁相對應(yīng).有研究指出［23］，影響北京地區(qū)的沙塵天氣過程可分為周邊及遠(yuǎn)距離輸送的影響和局地?fù)P沙的影響兩類.沙塵天氣年鑒資料統(tǒng)計分析顯示［32］，2001年全國共發(fā)生22次沙塵天氣過程，其中有20次為傳輸型，2次為局地沙塵天氣過程；2002年發(fā)生了17次沙塵天氣過程，有13次為傳輸型， 4次為局地型；而在2006年發(fā)生的17次沙塵天氣過程當(dāng)中，傳輸型有15次，局地型有2次.隨著沙塵天氣過程的發(fā)生，沙塵主體會隨天氣系統(tǒng)的移動向下游傳輸，使處在沙塵源區(qū)下風(fēng)向的地區(qū)同樣受到影響［31］.北京市在2001、2002和2006年的沙塵天氣日數(shù)較多與同期全國沙塵天氣發(fā)生頻次較多是密切相關(guān)的.除了受全國沙塵天氣過程的影響之外，2001年北京市沙塵日數(shù)之所以發(fā)生較多，也是與北京市2001年的局地氣候背景密切相關(guān).2001年春季北京地區(qū)降水稀少，氣溫偏高，而且多大風(fēng)天氣發(fā)生，同時周邊地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重干旱、植被退化現(xiàn)象，導(dǎo)致了沙塵天氣較往年偏多［33］.而2009年北京市沙塵天氣日數(shù)最少，全年一共3d，從天氣背景上分析發(fā)現(xiàn)上一年（2008年）秋冬季雨雪過程相對較多，對沙塵源的產(chǎn)生起到了抑制作用.據(jù)統(tǒng)計，2008年秋季北京地區(qū)平均降水量達(dá)122.1mm，比常年偏多57%；冬季平均降水量為15mm，比常年同期偏多近6成［32］.

表1 2001～2010年北京地區(qū)沙塵天氣日數(shù)及其各月頻次分布Table 1 The number and its frequency of sandstorm in Beijing from 2001to 2010

圖2 2001～2010年北京沙塵天氣日數(shù)與全國沙塵天氣過程分布對比Fig.2 The comparison between Beijing's sandstorm and the sandstorm process in China from 2001 to 2010

另外，從各月的分布上來看，北京市春季（3～5月）發(fā)生沙塵天氣的比例最高，10年累計發(fā)生沙塵天氣125天，平均占全年發(fā)生頻次的76.22%，其中又以4月發(fā)生的次數(shù)最多，累計高達(dá)50d，平均占全年發(fā)生頻次的30.49%；其次是冬季（12月～次年2月），10年累計發(fā)生22d；在夏季（6～8月）和秋季（9～11月）發(fā)生的次數(shù)較少，兩個季節(jié)10年累計發(fā)生17d，其中夏末初秋的8月和9月沒有出現(xiàn)過沙塵天氣.

2.2 氣候影響指數(shù)D的空間分布

2.2.1 年均值分布 利用式（8），計算我國西北地區(qū)166個氣象臺站2001～2010年的D值，采用Kriging空間插值方法得到年平均值分布情況（圖3）.可以看出，在研究區(qū)域內(nèi)有3個高值區(qū)，分別位于內(nèi)蒙古西部，青海省西部以及新疆東北部，這3個區(qū)域也是我國沙塵天氣發(fā)生相對較多的地區(qū).從總體上講，我國西北地區(qū)降水量普遍不多，除個別地區(qū)（如陜西南部、甘肅南部和青海東南部）年平均降水量有500～1000mm之外，其他大部分地區(qū)降水量均在400mm以下.而我國西北地區(qū)的蒸發(fā)量則普遍較大，特別是在沙漠盆地更為明顯，這些地區(qū)溫度較高、濕度小、風(fēng)速大、氣候干燥，從而導(dǎo)致氣候影響指數(shù)D值出現(xiàn)高值.

我國新疆和青海地區(qū)地域廣闊，山脈與盆地相間排列，新疆東北部分布著吐魯番盆地，青海省西部地區(qū)又分布有柴達(dá)木盆地，盆地地區(qū)降水少而蒸發(fā)大，造成了該地區(qū)干燥度指數(shù)較大.相關(guān)研究表明［34］，大風(fēng)天氣與地形有很大關(guān)系，兩山之間的峽谷地帶以及高山和青藏高原極易出現(xiàn)大風(fēng)天氣，我國西北大風(fēng)增加的地區(qū)主要集中在新疆東北部到青海西部地區(qū).因此，上述兩個地區(qū)的D值就相對較大.而內(nèi)蒙古西部地區(qū)分布著巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠等等廣泛的沙漠，屬于干旱半干旱地區(qū)，也是影響我國沙塵天氣的境內(nèi)沙塵源地之一.

圖3 西北地區(qū)氣候影響指數(shù)D年均值的空間分布Fig.3 The spatial distribution of the annual average climate impact index D in Northwest

夏季D值的空間分布與年平均D值的分布相似，高值區(qū)位于新疆的盆地地區(qū)，青海西部柴達(dá)木盆地附近以及內(nèi)蒙西部沙漠地區(qū).這也體現(xiàn)了我國西北地區(qū)干旱少雨的氣候特點(diǎn).與春季D值的空間分布相比較，甘肅河西走廊、青海省東部以及寧夏賀蘭山以南等地區(qū)的D季平均值有明顯的下降，其中河西走廊地區(qū)的敦煌、酒泉和張掖春季的D值分別為2.3、2.6和1.9，夏季D值為0.4、0.5和0.4，相比有明顯的下降.整個西北地區(qū)夏季D平均值為0.8.

秋季的D值為一年當(dāng)中的最小值，西北地區(qū)平均值為0.59.主要是西北地區(qū)一年當(dāng)中秋季是大風(fēng)天氣發(fā)生次數(shù)最少的季節(jié)，再加上蒸發(fā)量與春季相比要明顯下降而降水量還有一定的維持，所以D值就處于相對的低值.

與秋季D平均值相比，冬季的D值有明顯的增加，平均值為0.9.個別地區(qū)如青海地區(qū)、甘肅河西走廊以及新疆東北部，D平均值達(dá)到2.5以上.這主要是因?yàn)槎酒骄L(fēng)速以及大風(fēng)日數(shù)比秋季要有所增加，而降水量則是一年四季中最少的，地表相對干燥，有天氣系統(tǒng)過境時較易發(fā)生沙塵天氣［35］.

圖4 西北地區(qū)氣候影響指數(shù)D季平均值的空間分布Fig.4 The spatial distribution of the seasonal average climate impact index D in Northwest

圖4 （續(xù)） 西北地區(qū)氣候影響指數(shù)D季平均值的空間分布Fig.4 The spatial distribution of the seasonal average climate impact index D in Northwest

2.3 相關(guān)性分析

2.3.1 西北地區(qū)氣候影響指數(shù)與北京沙塵天氣的關(guān)系 為了量化分析西北地區(qū)氣候狀況對北京沙塵天氣的影響，利用西北地區(qū)166個臺站2001～ 2010年D指數(shù)的逐月平均值與北京市沙塵天氣發(fā)生日數(shù)月平均值進(jìn)行相關(guān)性分析，采用SPSS軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，將得到的相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行空間插值得到D指數(shù)的空間分布（圖5）.

圖5 西北地區(qū)D指數(shù)與北京市沙塵天氣相關(guān)性系數(shù)分布Fig.5 The distribution of the correlation coefficient of D index in Northwest and the sandstorm of Beijing

顯著性水平大于或等于0.05相關(guān)性檢驗(yàn)的站點(diǎn)主要分布在甘肅河西走廊、寧夏、陜西大部、內(nèi)蒙古錫林郭勒盟和烏蘭察布盟以及新疆塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠邊緣，說明這些站點(diǎn)的D值與北京市沙塵天氣日數(shù)具有較好的正相關(guān)性.上述站點(diǎn)正好處在影響北京的西路和西北路徑上.對比西北地區(qū)不同省份的相關(guān)性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，寧夏地區(qū)的相關(guān)性系數(shù)平均值為0.84，甘肅地區(qū)相關(guān)性系數(shù)為0.82，陜西為0.81，青海為0.78，新疆為0.74，內(nèi)蒙古地區(qū)為0.72.由于沙塵天氣具有明顯季節(jié)性變化的特征［36］，北京市春季發(fā)生沙塵天氣的頻次最高，冬季次之，夏秋兩季最少，從影響沙塵天氣發(fā)生的氣候背景上考慮夏秋兩季的氣候應(yīng)該是不利于沙塵天氣其產(chǎn)生和發(fā)展的.新疆和內(nèi)蒙古地區(qū)沙漠分布較多，夏季溫度高、蒸發(fā)量大，加之干熱風(fēng)天氣頻發(fā)［37］，這一地區(qū)的D指數(shù)在夏季仍然較大，與北京市沙塵天氣的季節(jié)性變化不一致，導(dǎo)致新疆和內(nèi)蒙古兩地的相關(guān)性系數(shù)較低.

研究表明，影響北京市沙塵天氣的源地和傳輸路徑主要有3條：西路、西北路和北路［38-40］.其中西路是指源于南疆塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠邊緣，經(jīng)過敦煌、酒泉、張掖、民勤、鹽池、鄂托克旗和大同達(dá)到北京；西北路是源于蒙古國中南部，經(jīng)過內(nèi)蒙古阿拉善盟的中蒙邊境、額濟(jì)納旗、河西走廊、從賀蘭山南、北兩側(cè)分別過毛烏素沙地和烏蘭布和沙漠、呼和浩特和張家口達(dá)到北京；北路則是源于蒙古國東南部，經(jīng)過內(nèi)蒙古烏蘭察布、錫林郭勒盟西部的二連浩特市、阿巴嘎旗、渾善達(dá)克沙地西部、朱日和、四子王旗和張家口達(dá)到北京.從圖5可以看到，通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)大部分是位于影響北京市沙塵天氣的這3條沙塵傳輸路徑上.其中高值區(qū)位于賀蘭山以南甘肅東部與陜西交界，該區(qū)域地處黃土高原與毛烏素沙漠交匯地帶，也是影響北京市沙塵天氣傳輸路徑的西路和西北路經(jīng)過之地.在該地區(qū)的站點(diǎn)榆林、橫山、綏德、吳旗、環(huán)縣以及西峰鎮(zhèn)的相關(guān)性系數(shù)分別為0.904，0.902，0.95，0.952，0.936，0.949，與北京市沙塵天氣呈現(xiàn)極顯著相關(guān)，反映出該地區(qū)的氣候狀況對于北京市沙塵天氣的發(fā)生影響很大.

2.3.2 不同路徑地區(qū)氣候與北京市沙塵天氣的關(guān)系 根據(jù)影響北京市沙塵天氣的3條沙塵傳輸路徑將西北地區(qū)進(jìn)行劃分，分析不同地區(qū)氣候影響指數(shù)與北京市沙塵天氣的相關(guān)性，探討不同傳輸路徑地區(qū)氣候?qū)Ρ本┦猩硥m天氣的影響.

（1） 西路 在西路傳輸路徑上的沙塵源區(qū)位于南疆塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠邊緣，受偏西氣流影響沙塵主體經(jīng)過甘肅、寧夏和山西大同地區(qū)最后達(dá)到北京.在這條路徑上，位于沙塵源區(qū)塔克拉瑪干沙漠西北部的巴楚站和甘肅西北部酒泉站的D指數(shù)與北京市沙塵天氣日數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果如圖6所示.可以看出，兩個站點(diǎn)與北京市沙塵天氣日數(shù)的分布呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其中酒泉站的相關(guān)性要好于巴楚站，相關(guān)系數(shù)分別為0.79和0.68.從D值與沙塵日數(shù)在一年中不同月份的分布變化上來看，巴楚地區(qū)的D值在初夏的6月仍然維持在一個較高的水平上，這一點(diǎn)與北京市沙塵天氣日數(shù)不同月份的分布不符，北京市沙塵日數(shù)的高值區(qū)主要分布在春季的3月、4月和5月，到了6月就處于下降的趨勢，8月和9月甚至沒有沙塵天氣發(fā)生，而巴楚地區(qū)位于塔里木盆地和塔克拉瑪干沙漠西北邊緣，受盆地地區(qū)夏季溫度高、蒸發(fā)量大的影響，D值較大，數(shù)值超過了5月，出現(xiàn)上升的趨勢，因此在相關(guān)性上出現(xiàn)了一定的偏差.這也說明該地區(qū)在6月觸發(fā)沙塵天氣的可能性仍然較大，但是這種沙塵天氣過程屬于局地型，對于北京市影響不大.

圖6 巴楚站和酒泉站D值與北京市沙塵天氣日數(shù)對比分析Fig.6 The comparison analysis of D index from Bachu and Jiuquan with the sandstorm frequency of Beijing

（2） 西北路 在西北路徑上，沙塵源區(qū)位于蒙古國中南部中蒙邊界，受西北氣流影響，沙塵主體經(jīng)過甘肅河西走廊，從賀蘭山南、北兩側(cè)繞過，經(jīng)過河北的張家口達(dá)到北京.圖7給出了在這條路徑上的榆林站和鄂托克旗站的D指數(shù)與北京市沙塵天氣日數(shù)的對比分析圖，可以看出，榆林站的相關(guān)系數(shù)明顯要好于鄂托克旗站，與北京市沙塵天氣日數(shù)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.90和0.68.榆林位于我國陜西省最北端，地處黃土高原和毛烏素沙漠的交界地帶，是我國沙塵暴的高發(fā)區(qū)之一，該地區(qū)氣候因素對于沙塵暴發(fā)生頻率產(chǎn)生明顯的影響［41］.而鄂托克旗站的相關(guān)性不如榆林站，在D值與沙塵日數(shù)的分布變化上可以看出，鄂托克旗站D值的峰值處于冬季，而不是沙塵高發(fā)的春季.

相比西路傳輸路徑，西北路傳輸路徑地區(qū)的氣候要對北京市沙塵天氣發(fā)生頻率的影響更大，在這其中尤以毛烏素沙漠與黃土高原交界地對于北京市沙塵天氣的影響更為明顯，相關(guān)性呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān).

圖7 榆林站和鄂托克旗站D值與北京市沙塵天氣日數(shù)對比分析Fig.7 The comparison analysis of D index from Yulin and Etuokeqi with the sandstorm frequency of Beijing

（3） 北路 北路傳輸路徑主要是在內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)傳輸，沙塵源產(chǎn)生于蒙古國東南部，從錫林郭勒盟西部經(jīng)過烏蘭察布、四子王旗，穿過河北的張家口到達(dá)北京.在這條傳輸路徑上途徑距離北京市最近的渾善達(dá)克沙地，在其周邊的阿巴嘎旗站和錫林浩特站的D值與北京市沙塵天氣日數(shù)的對比分析如圖8所示.兩個站點(diǎn)的相關(guān)性系數(shù)均通過了顯著性水平為0.01的相關(guān)性檢驗(yàn)，呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.81和0.79.從D值與沙塵日數(shù)的月分布變化上來看，兩者之間的變化趨勢基本一致，不同的是兩個站點(diǎn)的D值在夏秋兩季也是處于一個較高的水平上.

從圖6、圖7和圖8的對比中，可以看出相對于西路傳輸路徑，西北路徑和北路傳輸路徑上地區(qū)的氣候因素對于北京市沙塵天氣的發(fā)生頻次影響更大，張志剛等［38］的研究也得出了這一結(jié)果.除此之外，從不同路徑地區(qū)氣候與北京市沙塵天氣日數(shù)相關(guān)性分析中得出，毛烏素沙漠與黃土高原交界地以及內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地附近地區(qū)D指數(shù)與沙塵天氣日數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，說明該地區(qū)氣候?qū)τ诒本┦猩硥m天氣的發(fā)生有較大的影響.

圖8 阿巴嘎旗和錫林浩特站D值與北京市沙塵天氣日數(shù)對比分析Fig.8 The comparison analysis of D index from Abagaqi and Xilinhaote with the sandstorm frequency of Beijing

通過上述分析可以看出，不同沙塵暴源區(qū)的D值對北京沙塵天氣日數(shù)的影響明顯，當(dāng)沙塵源區(qū)的D值出現(xiàn)高值，相應(yīng)地北京沙塵天氣現(xiàn)象也相對多發(fā).

3 結(jié)論

3.1 2001～2010年10年間，受全國沙塵天氣過程的影響，北京市2001、2002和2006年的沙塵天氣日數(shù)均超過了30d，其中2001年全年沙塵天氣日數(shù)達(dá)到了39d.一年中春季發(fā)生沙塵天氣的比例最高，為76.22%，其次是在冬季，夏季和秋季發(fā)生的次數(shù)較少.

3.2 西北地區(qū)氣候影響指數(shù)年均值的高值區(qū)位于新疆和內(nèi)蒙的盆地和沙漠地帶，說明該地區(qū)全年氣候干燥，易于觸發(fā)沙塵天氣.在不同季節(jié)的分布上，春季平均值最高，為2.0；冬季次之，為0.9；夏季為0.8；秋季最小，為0.59.

3.3 在西北地區(qū)氣象臺站的D指數(shù)與北京市沙塵天氣發(fā)生日數(shù)的相關(guān)性分析中，寧夏地區(qū)的相關(guān)性系數(shù)平均值為0.84，甘肅地區(qū)相關(guān)性系數(shù)為0.82，陜西為0.81，青海為0.78，新疆為0.74，內(nèi)蒙古地區(qū)為0.72.

3.4 影響北京市沙塵天氣的3條沙塵傳輸路徑中，西北路徑和北路路徑對于北京市沙塵天氣的影響更大.其中毛烏素沙漠與黃土高原交界地以及內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地附近地區(qū)氣候影響指數(shù)與北京市沙塵天氣日數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.9，說明該地區(qū)氣候?qū)τ诒本┦猩硥m天氣的發(fā)生有較大的影響.

［1］GB/T 20480-2006 沙塵暴國家標(biāo)準(zhǔn)—沙塵暴天氣等級 ［S］.

［2］王 文，程麟生.“96.1”高原暴雪過程橫波型不穩(wěn)定的數(shù)值研究［J］. 應(yīng)用氣象學(xué)報， 2000，11（4）：392-399.

［3］段佳鵬，韓永翔，趙天良，等.塵卷風(fēng)對沙塵氣溶膠的貢獻(xiàn)及其與太陽輻射的關(guān)系 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2013，33（1）：43-48.

［4］劉國梁，郝麗珍.中國沙塵暴的下降趨勢與氣候變遷的對比 ［J］.中國環(huán)境科學(xué)， 2003，23（4）：341-343.

［5］王靜梅.50a來寧夏中寧沙塵天氣發(fā)生規(guī)律及氣候成因分析 ［J］.寧夏工程技術(shù)， 2010，9（2）：101-107.

［6］肖風(fēng)勁.塔克拉瑪干地區(qū)春季沙塵演變及氣候因素分析 ［J］.中國環(huán)境科學(xué)， 2007，27（1）：19-23.

［7］Xu Xingkui， Jason K Levy， Lin Zhaohui， et al. An investigation of sand-dust storm events and land surface characteristics in China using NOAA NDVI data ［J］. Global and Planetary Change，2006，52：182-196.

［8］姬興杰，朱業(yè)玉，顧萬龍，等.河南省大風(fēng)日數(shù)時空分布及其對沙塵天氣的影響 ［J］. 氣象與環(huán)境學(xué)報， 2012，28（1）：31-37.

［9］Wang Shigong， Wang Jinyan， Zhou Zijiang， et al.Regional characteristics of three kinds of dust storm events in China ［J］. Atmospheric Environment， 2005，39：509-520.

［10］Qian Weihong， Tang Xu， Quan Linsheng. Regional characteristics of dust storms in China ［J］. Atmospheric Environment， 2004，38：4895-4907.

［11］邱玉珺，牛生杰，鄒學(xué)勇，等.沙塵天氣頻率與相關(guān)氣象因子的關(guān)系 ［J］. 高原氣象， 2008，27（3）：637-643.

［12］李智勇.西北地區(qū)氣候因素對沙塵暴影響的模型研究 ［J］. 中國沙漠， 2009，29（3）：415-420.

［13］邱玉珺，鄒學(xué)勇.氣候因素對沙塵天氣影響的模型研究 ［J］. 自然災(zāi)害學(xué)報， 2005，14（2）：35-40.

［14］高 榮，董文杰，韋志剛.西北干旱區(qū)感熱異常對中國夏季降水影響的模擬 ［J］. 高原氣象， 2008，27（2）：320-324.

［15］馬井會，周廣強(qiáng)，周 驥，等.影響上海的一次沙塵過程WRF-Dust數(shù)值模擬 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2014，34（2）：302-310.

［16］鐘海玲，李棟梁，高 榮.青藏高原感熱異常對沙塵暴影響的數(shù)值模擬 ［J］. 高原氣象， 2009，28（2）：294-298.

［17］王勁松，任余龍，魏 鋒，等.中國西北及青藏高原沙塵天氣演變特征 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2008，28（8）：714-719.

［18］沈丹卉，王體健，莊丙亮，等.中國沙塵氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫與氣候效應(yīng) ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2011，31（7）：1057-1063.

［19］邱玉珺，牛生杰，鄒學(xué)勇，等.北京沙塵天氣成因概率研究 ［J］. 自然災(zāi)害學(xué)報， 2008，17（2）：93-98.

［20］Wang Xunming， Dong Zhibao， Zhang Jiawu， et al. Modern dust storms in China： an overview ［J］. Journal of Arid Environments，2004，58：559-574.

［21］李令軍，王 英，李金香，等.2000～2010北京大氣重污染研究 ［J］.中國環(huán)境科學(xué)， 2012，32（1）：23-30.

［22］李棟梁，鐘海玲.我國沙塵暴的氣候成因及未來發(fā)展趨勢 ［J］.中國環(huán)境科學(xué)， 2007，27（1）：14-18.

［23］高慶先，蘇福慶，任陣海，等.北京地區(qū)沙塵天氣及其影響 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2002，22（5）：468-471.

［24］Thornthwaite C W. The climates of North America according to a new classisication ［J］. Geographical Review， 1931，21：633-655.

［25］Chepil W S， Siddoway F H， Armburst D V. Climatic index of wind erosion conditions ［J］. Proceedings Soil Society of America，1963，27：449-452.

［26］McTainsh G H， Lynch A W， Burgess R C. Wind erosion in eastern Australia ［J］. Australian Journal of Soil Research， 1990，28（2）：323-339.

［27］黃富祥，張新時，徐永福.毛烏素沙地氣候因素對沙塵暴頻率影響作用的模擬研究 ［J］. 生態(tài)學(xué)報， 2001，21（11）：1875-1884.

［28］牛生杰，章澄昌.賀蘭山地區(qū)沙塵暴沙塵起動和垂直輸送物理因子的綜合研究 ［J］. 氣象學(xué)報， 2002，60（2）：194-204.

［29］Zhang Kai， Chai Fahe， Zhang Renjian， et al. Source， route and effect of Asian sand dust on environment and the oceans ［J］. Particuology， 2010，8：319-324.

［30］黃麗坤，王廣智，王 琨，等.哈爾濱市沙塵期大氣顆粒物物化特征及傳輸途經(jīng)分析 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2014，34（8）：1920-1926.

［31］馮鑫媛，王式功，楊德保，等.近幾年沙塵天氣對中國北方環(huán)保重點(diǎn)城市可吸入顆粒物污染的影響 ［J］. 中國沙漠， 2011，31（3）：735-740.

［32］中國氣象局.沙塵天氣年鑒：2001—2010年 ［M］. 北京：氣象出版社.

［33］張小玲，李青春，謝 璞，等.近年來北京沙塵天氣特征及成因分析 ［J］. 中國沙漠， 2005，25（3）：417-421.

［34］李耀輝，張存杰，高學(xué)杰.西北地區(qū)大風(fēng)日數(shù)的時空分布特征 ［J］.中國沙漠， 2004，24（6）：715-723.

［35］韓蘭英，張 強(qiáng)，郭 鈮，等.中國西北地區(qū)沙塵天氣的時空位移特征 ［J］. 中國沙漠， 2012，32（2）：454-457.

［36］李晉昌，董治寶，王訓(xùn)明，等.塔里木盆地沙塵天氣的季節(jié)變化及成因分析 ［J］. 中國沙漠， 2008，28（1）：142-148.

［37］鄧振鏞，張 強(qiáng)，徐金芳，等.高溫?zé)崂伺c干熱風(fēng)的危害特征比較研究 ［J］. 地球科學(xué)進(jìn)展， 2009，24（8）：865-873.

［38］張志剛，高慶先，矯海燕，等.影響北京地區(qū)沙塵天氣的源地和傳輸路徑分析 ［J］. 環(huán)境科學(xué)研究， 2007，20（4）：21-27.

［39］張志剛，陳萬隆.影響北京沙塵源地的氣候特征與北京沙塵天氣分析 ［J］. 環(huán)境科學(xué)研究， 2003，16（2）：6-9.

［40］劉瑞霞，張甲坤，鄭照軍，等.北京沙塵天氣與源地積雪變化的關(guān)系 ［J］. 氣候與環(huán)境研究， 2007，12（3）：374-380.

［41］鄧芳蓮.近45年陜西氣候的變化和沙塵天氣的關(guān)系 ［C］. 北京：中國氣象學(xué)會， 2009：1103-1108.

Relationship between climate factors in Northwest China and the sandstorm in Beijing.

CHEN Yue-hao1，2，3， JING Yuan-shu2， GAO Qing-xian3*（1.Tianjin Climate Center， Tianjin 300074， China；2.College of Applied Meteorology，Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China；3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China）. China Environmental Science， 2015，35（3）：683～693

Based on the observational data from meteorological stations in Northwest and Beijing's sandstorm information，the climate influence index D was modified according to the climate conditions in Northwest China， and the relationship of climate influence index D in Northwest and sandstorm occurrences in Beijing was analysed. The results showed that：From 2001 to 2010， the sandstorm occurrences days in Beijing was over 30days in 2001， 2002 and 2006， which was effected by the sandstorm process in China， and the sandstorm occurrences days was 39 in 2001. The annual average of high values of index D in Northwest were located in Basin and Desert region， and during the spring period， the average of D value was the highest in the four season， the value was 2.0， followed by the winter， the value was 0.9， the summer D value was 0.8 and the autumn was 0.59. The correlation analysis of index D and the sandstorm occurrence shows that， the average correlation coefficient in Ningxia was 0.84， Gansu was 0.82， Shanxi was 0.81， Qinghai was 0.78， Xinjiang was 0.74， Inner-Mongolia was 0.72. The sandstorm from northwest pathway and north pathway were greater impact on Beijing's sandstorm occurrence， the correlation shows a significant positive relationship between the index D of the border zone of Maowusu Desert， the Loess Plateau and Hunshandake Sandland with Beijing's sandstorm， the correlation coefficient was 0.9， the climate of these areas had a significant effect on the occurrence of sandstorm in Beijing.

Northwest China；climate factor；the sandstorm；the climate influence index

X16

A

1000-6923（2015）03-0683-11

陳躍浩（1988-），男，天津人，碩士，主要從事環(huán)境與農(nóng)業(yè)氣象方面的研究.發(fā)表論文2篇.

2014-07-20

環(huán)保公益性行業(yè)專項(xiàng)（201409027）

* 責(zé)任作者， 研究員， gaoqx@craes.org.cn