馬瀟瀟, 王海兵, 左合君

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院 內(nèi)蒙古風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點實驗室, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

沙塵暴是干旱區(qū)頻發(fā)的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象[1]。沙塵暴發(fā)生時，風(fēng)沙掩埋農(nóng)田、毀壞基礎(chǔ)建設(shè)；能見度差，嚴(yán)重影響交通安全；大氣中的可吸入顆粒物濃度增大，空氣質(zhì)量下降，導(dǎo)致患呼吸道系統(tǒng)疾病的人數(shù)增多，嚴(yán)重威脅著人們的身體健康。沙塵暴是制約干旱區(qū)人類生存和發(fā)展的重要因素。我國西北是重要的沙塵源區(qū)，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造地貌、氣候、土壤和植被具有顯著的空間差異性，沙塵暴發(fā)生頻率和強(qiáng)度存在明顯的地域差異[2-3]。清楚認(rèn)識源區(qū)不同地域沙塵暴發(fā)生規(guī)律對于防治沙塵暴災(zāi)害至關(guān)重要。內(nèi)蒙古自治區(qū)西部位于我國西北內(nèi)陸，具有獨特的地理環(huán)境條件，生態(tài)環(huán)境異常脆弱，土地貧瘠，沙漠化嚴(yán)重。溫度高、降水少、風(fēng)力強(qiáng)勁是其典型的氣候條件。內(nèi)蒙古自治區(qū)有5個沙塵暴多發(fā)中心,其中有四個分布于西部地區(qū)[4]。內(nèi)蒙古自治區(qū)西部沙塵暴的屢屢發(fā)生與該地區(qū)特定的氣候、地理和生態(tài)環(huán)境等條件有密切關(guān)系[5]。這里常年受西風(fēng)帶影響,冷空氣入侵頻繁,春季干燥,多大風(fēng)天氣，為沙塵暴的發(fā)生提供了動力條件。境內(nèi)分布有巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠以及毛烏素沙地，這些沙漠、沙地為沙塵暴的發(fā)生提供了豐富的沙塵物質(zhì)。內(nèi)蒙古自治區(qū)西部已經(jīng)成為一個重要的東亞以及太平洋地區(qū)的沙塵釋放源區(qū)[6-7]。目前，關(guān)于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部沙塵暴特征的研究較少，大多都是簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。以往對于沙塵暴周期性特征的分析僅僅是從時域方面進(jìn)行的，比如李紅軍[8]等用最大熵譜分析方法分析了新疆地區(qū)的沙塵暴的周期性變化特征；丁瑞強(qiáng)[9]等用奇異譜分析方法分析了中國春季沙塵暴的周期性變化特征；而小波分析方法可以同時從時域和頻域兩方面分析時間序列的局部特征，孫然好、王存忠、萬的軍[10-12]等通過研究指出小波分析方法對于分析沙塵暴的周期性特征有很好的參考價值。對于沙塵暴突變性特征的分析大多都使用滑動f檢驗方法,忽略了人為主觀取值的隨意性；而使用Mann-Kendall(MK)檢驗方法和滑動t檢驗方法相結(jié)合來分析沙塵暴突變性特征可以很好的避免主觀取值對其影響。Mann-Kendall(MK)檢驗方法的優(yōu)點是樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，被廣泛應(yīng)用于水文、氣候檢驗等方面。本文采用小波分析、MK檢驗等多種統(tǒng)計分析方法對內(nèi)蒙古自治區(qū)西部地區(qū)近54 a沙塵暴的趨勢、周期性以及突變性等特征進(jìn)行研究，旨在為科學(xué)預(yù)測與防治沙塵暴天氣提供理論依據(jù)。在全面打造北疆亮麗風(fēng)景線，建設(shè)美麗中國的新要求下，研究內(nèi)蒙古西部地區(qū)沙塵暴天氣的變化特征具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

內(nèi)蒙古自治區(qū)西部包括阿拉善高原、河套平原及鄂爾多斯高原。本文所用的內(nèi)蒙古自治區(qū)西部1960—2013年近54 a沙塵暴日數(shù)數(shù)據(jù)是由內(nèi)蒙古氣象局和中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的。根據(jù)氣象站點建站時間與數(shù)據(jù)完整性選取了24個氣象站點(圖1)的逐日觀測數(shù)據(jù)，其中阿拉善盟8個氣象站、巴彥淖爾市7個氣象站、鄂爾多斯市8個氣象站、烏海市1個氣象站。

注：1額濟(jì)納旗； 2拐子湖； 3巴彥諾爾公； 4雅布賴； 5阿拉善右旗； 6烏斯太； 7烏拉特中旗； 8五原； 9大佘太； 10磴口； 11杭錦后旗； 12烏拉特前旗； 13達(dá)拉特旗； 14吉蘭泰； 15烏海； 16臨河； 17伊克烏素； 18鄂托克旗； 19杭錦旗； 20東勝； 21伊金霍洛旗； 22準(zhǔn)格爾旗； 23阿拉善左旗； 24烏審旗。

圖1 研究區(qū)域代表氣象站點空間分布

1.2 研究方法

1.2.1 線性傾向估計法 氣象要素的變化趨勢采用一次線性方程表示：

Yi=a+bti(i=1,2,3,…,n)

(1)

式中：Yi——時間為ti的某一氣候變量；t——所對應(yīng)的時間；a——回歸常數(shù)；b——線性趨勢項。若b>0，Y呈上升趨勢，隨t值的增加而增加。反之，同理。b值的大小反映了上升或下降的速率。

1.2.2 小波分析 小波分析能夠同時從時域和頻域揭示時間序列的局部特性，適合于研究具有多時間尺度變化特性的非平穩(wěn)信號。沙塵暴天氣發(fā)生頻次可以看作是隨時間有周期性變化的信號。本文利用Morlet小波對近54 a內(nèi)蒙古自治區(qū)西部沙塵暴時間序列的周期性進(jìn)行分析，其實部等值線圖可以反映時間序列不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布。為了更直觀的判斷時間序列的主要周期(即長、短周期)還需進(jìn)行小波方差檢驗，其值可以反映時間序列的波動能量隨時間尺度的分布情況。

1.2.3 MK檢驗 MK檢驗，也叫無分布檢驗，是一種非參數(shù)檢驗方法。其優(yōu)點是樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾。

在時間序列Xi(i=1,2,3,…,n)隨機(jī)獨立的假定下，定義統(tǒng)計量：

(2)

式中：UF1=0；E(Sk)，var(Sk)——秩序列Sk的均值和方差，在時間序列Xi(i=1,2,3,…,n)相互獨立，且有相同連續(xù)分布時，可由下式算出：

(3)

UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時間序列X順序X1,X2,X2…,Xn計算出的統(tǒng)計量序列，給定顯著水平α，通過查表，如果│UFi│>Uα,則表明序列存在明顯的趨勢變化。逆序重復(fù)上述過程，同時使UBk=-UFk(k=n,n-1,n-2,…,1),UB1=0。通過分析UFk和UBk曲線圖可知，若UFk的值大于0，表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當(dāng)它們超過臨界值線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk出現(xiàn)的交點在臨界線之間，那么交點對應(yīng)的時刻便是突變開始的時間；超過臨界線的范圍則確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。MK檢驗方法多用于發(fā)生突變時的分析，但由于MK檢驗方法不能用于多點突變的檢查，因此當(dāng)使用MK方法檢測突變時，如果兩條線的交叉點位于臨界線以外，或檢測出多次突變時，則需要用滑動t檢驗對突變點進(jìn)一步確定。

(4)

遵從自由度v=n1+n2-2的t分布。其中：

(5)

若│t1│>tα/2，則認(rèn)為突變發(fā)生(α為顯著性水平)。

2 結(jié)果與分析

2.1 趨勢特征分析

近54 a內(nèi)蒙古自治區(qū)西部沙塵暴日數(shù)整體而言是呈下降趨勢，根據(jù)沙塵暴天氣發(fā)生頻次以及其線性趨勢,將沙塵暴日數(shù)變化趨勢分為3個時期(圖2)：高頻期(1960—1975年)、快速減少期(1976—1992年)和低頻期(1993—2013年)。其中，在快速減少時期內(nèi)：1976—1986年的線性遞減率為0.76 d/a，1987—1992年的線性遞減率為1.4 d/a；顯然，沙塵暴日數(shù)在1986年前后發(fā)生了明顯的突變現(xiàn)象。

圖2 研究區(qū)年平均沙塵暴日數(shù)特征趨勢線

2.2 周期性分析

內(nèi)蒙古自治區(qū)西部年均沙塵暴日數(shù)的小波變換系數(shù)實部等值線如圖3所示。圖3中小波系數(shù)值越大，對應(yīng)的沙塵暴日數(shù)就越多；小波系數(shù)值越小，對應(yīng)的沙塵暴日數(shù)就越少；等值線中心對應(yīng)的時間尺度就是沙塵暴的變化周期。內(nèi)蒙古自治區(qū)西部年均沙塵暴日數(shù)主要存在1～2 a，3～6 a，7～10 a，11～17 a，18～25 a，26～32 a這6個明顯的周期變化規(guī)律。其中26～32 a周期尺度上小波變換系數(shù)實部等值線最密集，存在明顯的高低值變化規(guī)律，這種變化規(guī)律表現(xiàn)具有穩(wěn)定性、全域性特征。

內(nèi)蒙古自治區(qū)西部沙塵暴日數(shù)時間序列的波動能量隨尺度變化過程中，存在1.5，5，8，13，22，31 a這6個峰值(圖4)。綜合小波變換系數(shù)實部等值線圖與小波方差變化圖可知在研究時段內(nèi)，內(nèi)蒙古自治區(qū)西部沙塵暴日數(shù)存在31，22和13 a三個長周期和5，8和1.5 a三個短周期。

圖3 研究區(qū)沙塵暴日數(shù)的小波變換系數(shù)實部等值線圖

圖4 研究區(qū)沙塵暴日數(shù)的小波方差分析

2.3 突變檢驗

利用滑動t檢驗與MK檢驗相結(jié)合，同時對1960—2013年內(nèi)蒙古自治區(qū)西部地區(qū)沙塵暴的年均日數(shù)進(jìn)行突變檢驗，置信水平取95%。根據(jù)沙塵暴日數(shù)滑動t檢驗統(tǒng)計量曲線(圖5—6)與沙塵暴日數(shù)MK檢驗統(tǒng)計量曲線圖(圖7)可知，當(dāng)滑動子序列長度n=7時。

圖5 研究區(qū)沙塵暴日數(shù)滑動t檢驗統(tǒng)計量曲線(n=7)

從圖5中可大致判斷突變發(fā)生的時段有1976—1980年、1982—1992年；當(dāng)滑動子序列長度n=5時，從圖6中可大致判斷突變發(fā)生的時段有1971—1972年、1975—1979年、1986—1990年；在MK檢驗統(tǒng)計量曲線圖(圖7)中，年均沙塵暴日數(shù)的正序列曲線UF，在1977年后呈現(xiàn)出下降的趨勢，其中在1983年超過臨界線，表明下降的趨勢更加明顯。而UF與UB曲線在臨界線外相交于1986年，符合滑動t檢驗判斷的突變時間區(qū)域，也與趨勢特征變化中的結(jié)果一致，所以該突變點是可信的。綜上所述，內(nèi)蒙古自治區(qū)西部近54 a沙塵暴日數(shù)在1986年左右發(fā)生了突變的現(xiàn)象。

圖6 研究區(qū)沙塵暴日數(shù)滑動t檢驗統(tǒng)計量曲線(n=5)

圖7 研究區(qū)沙塵暴日數(shù)Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計量曲線

3 討 論

沙塵暴是由多種因素共同作用形成的，張沖[4]等通過研究沙塵暴活動特點與氣候因子的相關(guān)性，得出沙塵暴日數(shù)與降水量的發(fā)生呈負(fù)相關(guān)；劉景濤[13]等指出內(nèi)蒙古自治區(qū)在20世紀(jì)60—70年代屬于干旱少雨時期，80—90年代則相對比較濕潤；李海英[14]等研究指出冬季的氣候因子和環(huán)流指數(shù)與內(nèi)蒙古西部春季沙塵暴發(fā)生頻數(shù)關(guān)系密切，在60年代初至80年代中期北半球的冷空氣活動勢力比較強(qiáng)，寒潮、大風(fēng)天氣偏多,對應(yīng)的春季沙塵暴發(fā)生頻數(shù)就多，從80年代中期開始至90年代末冷空氣活動勢力減弱,對應(yīng)的春季沙塵暴發(fā)生頻數(shù)少；王勇、顏明[15-16]等的研究結(jié)果也指出這種變化可能源于氣候周期變化和全球變暖的雙重影響，大風(fēng)日數(shù)的減少削弱了沙塵暴發(fā)生的動力條件。錢正安[17]指出內(nèi)蒙古自治區(qū)西部在20世紀(jì)60—70年代迫于人口壓力而過度開墾土地、過度放牧、地下水位下降以及濫開礦的現(xiàn)象導(dǎo)致了沙塵暴天氣多發(fā)；隨著內(nèi)蒙古自治區(qū)西部實施了退牧還草、三北防護(hù)林建設(shè)、京津風(fēng)沙源治理等國家重大生態(tài)環(huán)境工程，使得內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的生態(tài)環(huán)境變好沙塵暴天氣的發(fā)生頻次也就有所減少；本研究得出的內(nèi)蒙古自治區(qū)西部沙塵暴的變化特征與這些學(xué)者得出的特征表現(xiàn)一致，其存在的5，8和1.5 a三個短周期在1986年之前比較明顯，31，22和13 a三個長周期在1986年之后比較明顯；沙塵暴在20世紀(jì)60—70年代發(fā)生頻繁，80—90年代明顯下降，90年代至21世紀(jì)是沙塵暴發(fā)生的低頻期；沙塵暴的發(fā)生頻次由短周期轉(zhuǎn)變?yōu)殚L周期，這意味著內(nèi)蒙古自治區(qū)西部整體的生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)。王春學(xué)[18]等通過研究指出近40 a我國北方春季沙塵暴存在年代際尺度的準(zhǔn)18 a周期；王式功[19]等指出我國沙塵暴日數(shù)的變化存在著6.7 a的周期；孫然好[10]等指出河西走廊沙塵暴存在7，13和23 a左右的周期變化；李紅軍[8]等分析指出新疆沙塵暴存在準(zhǔn)3 a周期變化；郭慧[20]等分析指出甘肅省的沙塵暴存在3～6 a的周期變化；郭曉寧[21]等分析指出柴達(dá)木盆地春季沙塵暴存在8和20 a的周期變化；這些學(xué)者均指出沙塵暴日數(shù)的時間序列和大風(fēng)日數(shù)時間序列具有一定的同步性,大風(fēng)日數(shù)是影響沙塵暴周期性特征的重要因素。本文研究的時間尺度和研究區(qū)域均與這些學(xué)者不同，但本文所得出的長、短周期均與其相近。內(nèi)蒙古自治區(qū)西部地貌類型復(fù)雜，沉積物組分差異明顯，這種差異就使得其內(nèi)部具有區(qū)域性特征；這種區(qū)域性特征的存在，造成內(nèi)蒙古自治區(qū)西部沙塵暴的周期變化與其他區(qū)域不同，而其內(nèi)部不同空間尺度的周期性特征對于整體的周期性的影響還需進(jìn)一步探究。

4 結(jié) 論

(1) 內(nèi)蒙古自治區(qū)西部近54 a來沙塵暴日數(shù)，根據(jù)其變化特點可分為高頻期(1960—1975年)、快速衰減期(1976—1992年)和低頻期(1993—2013年)。沙塵暴發(fā)生的頻次分別為17，9和4 d/a；發(fā)生頻次的周期性存在31，22和13 a三個長周期和5，8和1.5 a三個短周期的波動變化。

(2) 1986年前后沙塵暴發(fā)生頻次出現(xiàn)了明顯的突變現(xiàn)象。1976—1986年的線性遞減率為0.76 d/a；1987—1992年的線性遞減率為1.4 d/a。