張 虎, 劉賢德, 張亞光, 李小燕, 范菊萍

(1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院， 甘肅 張掖 734000； 2.甘肅張掖生態(tài)科學研究院，甘肅 張掖 734000； 3.甘肅省白龍江林業(yè)管理局南華生態(tài)建設局， 甘肅 高臺 734300)

沙塵天氣包括沙塵暴、揚沙和浮塵等天氣，盡管其發(fā)生時都伴隨著風速大、沙塵多、能見度低的特點，但是它們之間的界定和觀測是有區(qū)別的[1-2]，而且不同的沙塵天氣變化特征和影響因素可能各不相同。沙塵天氣的發(fā)生是多種因素相互作用的結果，如氣候因素、植被因素、人為因素等，其中氣候因素對沙塵源區(qū)沙塵天氣的影響占主導地位[3]。國內外學者對沙塵天氣變化特征及其與氣候因子的關系進行了大量的研究，在20世紀20年代國外就開展了利用降水、風速等氣候因子建立的綜合指數(shù)模型[4-5]，分析氣候因素對沙塵天氣頻率格局的影響。中國在20世紀70年代開始了全國、西北地區(qū)、華北地區(qū)沙塵天氣的時空分布及其大氣環(huán)流特征研究[6-7]。但是不同的地區(qū)，其沙塵天氣的變化具有明顯的地域特色。地處甘肅河西走廊中部的黑河流域荒漠區(qū)，其土地荒漠化和鹽堿化是黑河流域生態(tài)最嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，生態(tài)環(huán)境特別脆弱，是中國西北地區(qū)風沙災害的嚴重區(qū)域之一，受到了許多專家和學者們的關注[8-9]。但是，這些研究多關注的只是沙塵暴，而對同樣具有危害性的揚沙和浮塵研究報道較少。因此，本研究依托黑河流域紅沙窩荒漠化綜合防治試驗站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析黑河流域中游沙塵暴、揚沙和浮塵頻次和時長的月變化和年變化及其成因，并分析了這3種沙塵天氣頻次與主要氣候要素的關系，旨在加深了解該區(qū)域的沙塵天氣變化規(guī)律及其與氣候要素的內在聯(lián)系，為當?shù)貐^(qū)域沙塵天氣的早期預警和荒漠區(qū)的經營和管理提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河出山口的鶯落峽至正義峽之間的部分屬于黑河流域中游區(qū)域，范圍從北緯37°28′—39°57′到東經97°20′—102°12′，平均海拔1 200—1 700 m，區(qū)域內綠洲、農田、牧場、荒漠、戈壁、鹽堿灘地交錯分布，北部分布著巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠和塔克拉瑪干三大沙漠，風沙線長達1 600 km，在地理位置上屬于典型的山前荒漠和綠洲荒漠過渡地帶。位于該區(qū)域內荒漠區(qū)的紅沙窩荒漠化綜合防治試驗站，海拔1 441 m，地理坐標E100°31′95.8″，N39°01′79.6″。這里氣候干燥，降水稀少，日照充足，晝夜溫差大，近10 a平均氣溫8.5 ℃，極端最高氣溫41.7 ℃，極端最低氣溫-31.7 ℃，年平均降水量144.2 mm，年蒸發(fā)量1 124.3 mm，年平均相對濕度43.4%，無霜期156 d，屬中溫帶干旱荒漠大陸性氣候。分布的植物主要以旱生、中旱生的藜科、蓼科、蒺藜科、豆科、菊科、薔薇科、禾本科等植物為主，主要植被為泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)、紅砂(Reaumuriasoongarica)、合頭草(Sympegmaregelii)、堿蓬(Suaedaglauca)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、白刺(Nitrariatangutorum)等旱生荒漠植物，植被類型屬于荒漠植被。試驗站設在該區(qū)的9個植被固定樣地和1個臨時植被樣地的每月15日的植被結構調查表明，研究區(qū)植被蓋度總體上呈明顯的好轉變化趨勢(見表1)。地帶性土壤主要為灰棕荒漠土和灰漠土，土壤質地較粗，有機質含量低、含鹽量高，土壤母質主要是由第四紀砂礫洪積、沖積物組成。地貌類型有流動、半流動、固定或半固定的沙丘及丘間低地。地下水埋深為4.2 m，因人類活動頻繁，對地下水的影響較大。

表1 試驗區(qū)植被結構年均值變化

1.2 監(jiān)測儀器與方法

試驗站配置沙塵暴監(jiān)測塔二座(5 m，10 m)，其中：大流量TSP采樣器1套(產地：中國，型號：KC-1 000型，范圍：(0.8～1.4)m3/min，精度：±2%)；沙塵暴沙塵采樣器1套(產地：中國，型號：SC-1，范圍：40～140 L/min，精度：5%FS)；單通道顆粒物采樣器1臺(產地：中國，型號：KC-16 A，范圍：5～20 L/min，精度：±2%)；智能中流量TSP采樣器1臺(產地：中國，型號：KC-120 H，范圍：60～125 L/min，精度：2級)；空氣質量監(jiān)測站(產地：新西蘭，型號：AQM 65，范圍：0～2 000 μg/m3(測定因子TSP，PM1，PM2.5或PM10)，精度：<±(2 μg/m3+5%讀數(shù))；便攜式氣象參數(shù)綜合測試儀1臺(產地：中國，型號：LS2009，范圍：0～40 m/s(風速)，0～360°(風向)、-50～150 ℃(溫度)，0%～100%(濕度)，對應的精度分別為：0.1 m/s，±0.5°，±0.3 ℃，±3%)；沙塵暴垂直降塵采樣器4套(甘肅省治沙研究所自主研發(fā)產品)等相關荒漠化監(jiān)測儀器和設備，在正式觀測之前，已對觀測試驗數(shù)據(jù)進行了檢驗。同時建有荒漠化定位監(jiān)測站分析實驗室，具備進行沙塵天氣監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測的基礎條件。

沙塵天氣的觀測依據(jù)中華人民共和國氣象行業(yè)標準—沙塵暴、揚沙和浮塵的觀測識別進行人工觀測[2]。試驗站有自動氣象觀測站一座，土壤溫度(5 cm)、土壤濕度(10 cm)、大氣溫度、大氣濕度、風速、總輻射等氣象數(shù)據(jù)每小時整點采集1次，降水量中的降雨用翻斗式雨量計測定，降雪用稱重法測定。本研究利用該試驗站2010—2019年沙塵天氣觀測數(shù)據(jù)和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)進行沙塵天氣與氣候因子的關系研究。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

利用Excel 2016對2010—2019年沙塵天氣頻次和時長及氣象要素觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，利用SPSS 19的Spearman和Kendall’s tau-b模塊進行沙塵天氣頻次和時長與氣候要素間的相關性分析。

2 結果與分析

2.1 沙塵暴、揚沙和浮塵頻次和時長的月變化

2.1.1 沙塵暴、揚沙和浮塵頻次的月變化 對監(jiān)測區(qū)發(fā)生的沙塵暴、揚沙和浮塵頻次的月變化進行了統(tǒng)計分析(見圖1)，分析圖1可以得出，沙塵暴、揚沙和浮塵頻次的月變化具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，總體上來看，沙塵暴、揚沙和浮塵的頻率變化呈“單峰”型。沙塵暴、揚沙和浮塵主要集中在春季(3—5月份)，沙塵暴、揚沙和浮塵頻次分別占到了一年當中的88.9%，68.8%和71.6%，其次是冬季(12月至翌年2月份)，沙塵暴、揚沙和浮塵頻次分別占到了一年當中的0，13.5%和15.9%，春冬兩季的沙塵暴、揚沙和浮塵分別占了全年總次數(shù)的88.9%，82.3%和87.5%，特別是沙塵暴頻次的比重達到了88.9%。秋季沙塵天氣頻次最低。在春季期間，3種沙塵天氣頻次的高峰時段主要集中在4月份(68次)，其次是3月份(57次)，5月份(28次)較3月份和4月份更少；冬季期間的沙塵天氣頻次高峰時段主要集中在2月份(23次)，12月份和1月份僅發(fā)生了2次。另外研究還發(fā)現(xiàn)，沙塵暴多發(fā)生在春夏季，揚沙和浮塵多發(fā)生在春冬季。

圖1 黑河流域中游荒漠區(qū)沙塵暴、揚沙和浮塵頻次的月變化

2.1.2 沙塵暴、揚沙和浮塵時長的月變化 因一次沙塵事件，有時候有1種、2種或3種天氣伴隨發(fā)生，而且同一沙塵天氣事件中沙塵暴、揚沙和浮塵的發(fā)生時間不便于準確的測定。因此，本研究僅對監(jiān)測區(qū)的沙塵時長月變化進行了統(tǒng)計分析(見圖2)。分析圖2可以得出，沙塵天氣時長月變化與沙塵天氣頻次月變化規(guī)律基本一致，春季沙塵天氣時長為1 074.6 h，占全年沙塵天氣時長的68.5%，其次是冬季的沙塵天氣，其時長為183.0 h，占全年沙塵天氣時長的10.9%，春冬兩季沙塵天氣占全年沙塵天氣的79.4%。秋季的時長最短，為140.0 h?？梢?，沙塵天氣時長也主要集中在春冬兩季。在春季期間，3—5月份的沙塵天氣時長分別為392.0，377.5和305.1 h，冬季期間沙塵天氣的時長最大的月份為2月份(174.2 h)，其次是1月份(44.6 h)和12月份(1.8 h)。

圖2 黑河流域中游荒漠區(qū)沙塵天氣時長的月變化

2.2 沙塵暴、揚沙和浮塵頻次和時長的年變化

2.2.1 沙塵暴、揚沙和浮塵頻次的年際變化及趨勢 對監(jiān)測區(qū)2010—2019年10 a間發(fā)生的沙塵暴、揚沙和浮塵頻次進行了統(tǒng)計分析(見圖3)。分析圖3可以得出，近10 a來的沙塵暴、揚沙和浮塵頻次的年際變化具有各自不同的變化規(guī)律，其中沙塵暴頻次逐年減少，總體的變化趨勢呈遞減的趨勢，其在2015年、2016年和2017年發(fā)生的次數(shù)為0次，2018年和2019年僅僅發(fā)生了1次；揚沙頻次總體上亦呈遞減的趨勢，2011年和2013年分別發(fā)生了14次和13次，2018年發(fā)生了14次外，其他年份均低于10次；浮塵頻次總體上的變化趨勢呈遞增的變化趨勢，其發(fā)生的頻次最多的幾年，分別是2011，2013，2016，2018年和2019年，這幾個年份發(fā)生的浮塵均達到了13次。

2.2.2 沙塵暴、揚沙和浮塵時長的年際變化及趨勢 對監(jiān)測區(qū)2010—2019年不同年際發(fā)生的沙塵天氣時長進行了統(tǒng)計分析(見圖4)。分析圖4可以得出，雖然不同年份間的時長變化有所波動，但其總體的變化趨勢呈增加的趨勢，2012年沙塵天氣時長最短，為64.0 h，2014—2017年沙塵天氣時長變化平緩，到了2018年和2019年，沙塵天氣增加到了260.3和261.3 h，結合圖3的分析，其主要原因是浮塵發(fā)生的頻次增加所造成的。

圖3 黑河流域中游荒漠區(qū)沙塵暴、揚沙和浮塵頻次的年際變化及趨勢

圖4 黑河流域中游荒漠區(qū)沙塵天氣時長的年際變化及趨勢

2.3 沙塵暴、揚沙和浮塵頻次與氣候因子

2.3.1 沙塵暴、揚沙和浮塵頻次月變化與各氣象要素的相關性分析 對監(jiān)測區(qū)沙塵暴、揚沙和浮塵頻次月變化與土壤溫度(5 cm)、土壤濕度(10 cm)、大氣溫度、大氣濕度、風速、降水量和總輻射月均值進行了相關性分析(見表2)。分析表2可以得出，沙塵暴、揚沙和浮塵頻次月變化均與當?shù)氐耐寥罎穸?10 cm)、大氣濕度和風速之間呈極顯著相關(p<0.01)，其中與土壤濕度(10 cm)和大氣濕度之間呈極顯著負相關(p<0.01)，與風速之間呈極顯著正相關(p<0.01)。

2.3.2 沙塵暴、揚沙和浮塵頻次年際變化與各氣象要素的相關性分析 對監(jiān)測區(qū)沙塵暴、揚沙和浮塵頻次年際變化與春、冬兩季的土壤溫度(5 cm)、土壤濕度(10 cm)、大氣溫度、大氣濕度、降水量和年降水量及年總輻射均值進行了相關性分析(見表3)。分析表3可以得出，春季期間，沙塵暴、揚沙和浮塵頻次年際變化與各氣象要素相關性不同，沙塵暴年際發(fā)生頻次僅與土壤濕度(10 cm)之間呈極顯著負相關(p<0.01)，揚沙年際發(fā)生頻次僅與土壤濕度(10 cm)之間呈顯著負相關(p<0.05)，浮塵年際發(fā)生頻次僅與土壤溫度(5 cm)之間呈顯著正相關(p<0.05)。冬季期間，沙塵暴年際發(fā)生頻次與冬季的土壤溫度(5 cm)、土壤濕度(10 cm)和降水量相關明顯，其中與土壤溫度(5 cm)之間呈顯著負相關(p<0.05)，與土壤濕度(10 cm)和降水量之間呈極顯著負相關(p<0.01)；揚沙年際發(fā)生頻次與土壤溫度(5 cm)之間呈顯著負相關(p<0.05)，與大氣溫度之間均呈極顯著負相關(p<0.01)；浮塵年際發(fā)生頻次與各氣象要素均無顯著相關性(p>0.05)。另外，沙塵頻次年變化與年降水量和年總輻射量之間相關性不顯著(p>0.05)。

表2 黑河流域中游荒漠區(qū)沙塵暴、揚沙和浮塵頻次月變化與各氣象要素的Spearman相關系數(shù)

表3 黑河流域中游荒漠區(qū)沙塵暴、揚沙和浮塵年際發(fā)生頻次與各氣象要素的Spearman相關系數(shù)

3 討 論

(1) 監(jiān)測區(qū)沙塵暴、揚沙和浮塵天氣頻次和時長的月變化均呈明顯的“單峰”型變化。3種沙塵天氣主要集中在春季，其次是冬季。沙塵天氣之所以集中在春季，原因是一方面地面溫度回升，加上凍結的沙土結構變得疏松(4月份表層土壤全部解凍)[10]，另一方面是北方冷空氣的頻繁活動。在地層氣溫上升和冷空氣相互作用下，給中小尺度天氣系統(tǒng)提供了有力的物理轉換過程，驅動了沙土在一定空間范圍內的運移。在冬季雖然冷空氣活動頻繁，但地面溫度低，冷熱對流很弱，而且研究表明近地表土壤處于完全凍結狀態(tài)[10]，地表上的沙土不易吹起，沙塵天氣以揚沙和浮塵天氣為主，無沙塵暴天氣。本研究分析得出沙塵暴集中在春夏季，這與丁榮等[8]得出的結論一致，夏季之所以發(fā)生的沙塵暴頻次也較多，原因是監(jiān)測區(qū)雖然分布大小不等的綠洲，但大部分地區(qū)分布的是戈壁荒漠，在太陽輻射下，荒漠吸熱快散熱也快，近地空氣受熱變化日較差特大，使得大氣層變化極不穩(wěn)定，荒漠蒸發(fā)量大，加上較短的時間內降水稀少。揚沙和浮塵的2種天氣的四季分布與張存杰等[11]對甘肅省近30 a揚沙、浮塵季節(jié)分布特征一致，可見本研究監(jiān)測站點尺度上分析的揚沙和浮塵季節(jié)變化規(guī)律與區(qū)域尺度上的揚沙和浮塵季節(jié)變化規(guī)律是一致的，這是由特殊的地理環(huán)境和氣象條件所導致的。沙塵天氣在春季發(fā)生的時間最長，其次是冬季，一方面是春冬兩季沙塵天氣發(fā)生頻率高的原因，另一方面與這個時期的沙塵源、強風和熱力不穩(wěn)定因素有關。

(2) 監(jiān)測區(qū)10 a間的沙塵暴和揚沙頻次的變化趨勢逐年減少，沙塵暴頻次的變化趨勢驗證了河西走廊中部沙塵暴將在2013—2032年呈持續(xù)減少的變化趨勢[7]。沙塵暴和揚沙頻次減少的原因是監(jiān)測站所在區(qū)的降水量增加的緣故，改善了當?shù)叵聣|面自然植被的生長。監(jiān)測站點的降水數(shù)據(jù)表明，10 a間降水量呈逐漸增加的變化趨勢，而監(jiān)測站點位于河西走廊中部，已有研究表明，河西走廊中部從1960—2012年乃至預測未來的20 a該地區(qū)降水因氣候變暖促使南方海洋水汽向北輸送，總體上呈緩慢增加的變化趨勢[12-13]；另外一個原因是監(jiān)測站所在區(qū)域的投入大量資源進行生態(tài)恢復與重建等生態(tài)工程建設項目，在一定程度上改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境所致。浮塵頻次的變化趨勢逐年增加，因浮塵空間分布特征不同于沙塵暴和揚沙[11]，其頻次的增加是一個復雜的過程，除了與當?shù)夭糠稚硥m暴或揚沙天氣過后所產生的滯塵天氣有關外，還與其他地區(qū)沙塵暴或揚沙所卷起的沙塵由東南方向擴展到低緯度地區(qū)有關[14]。上述主要分析了監(jiān)測區(qū)浮塵的產生的主要原因，至于在同一氣候背景下的浮塵頻次的增加，有待于進一步的深入和研究。另外研究還發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測區(qū)的能見度從2010年到2019年逐漸減弱，監(jiān)測區(qū)沙塵暴和揚沙頻次的減少小于浮塵頻次的增加，沙塵暴和揚沙發(fā)生的頻次低于10 a的平均值，但發(fā)生強度增加，如發(fā)生在2018年11月25日13點10分的唯一一次沙塵暴，此次沙塵暴來勢洶洶，能見度不到2 m，伴隨的風力達到了7級以上，形成了一道高達上百米的沙墻由西向東持續(xù)蔓延擴散，并入侵到甘肅省中部地區(qū)，沙塵暴和揚沙結束之后又出現(xiàn)了浮塵，一直持續(xù)了11月26日的8點。浮塵在逆溫層、大氣層結構、高空風場的作用下使得沙塵粒子不易擴散與沉降，從而較長時間的滯留在高空中，加上沙塵時長的年變化總體呈增加的趨勢。

(3) 沙塵天氣頻次是大風、降水、大氣溫濕度、土壤溫濕度等單個或多個氣象要素綜合作用的結果。本研究結果表明，監(jiān)測區(qū)沙塵天氣頻次月變化與土壤濕度、大氣濕度和風速密切相關，原因是土壤和大氣濕度是沙塵天氣發(fā)生的背景場，土壤和大氣濕度越低，沙塵天氣越易發(fā)生；風速是沙塵天氣發(fā)生的動力條件，風速越大，沙塵天氣越易發(fā)生。土壤和大氣濕度和沙塵天氣頻次的關系與張莉等[15]分析得出的中國北方絕大多數(shù)地區(qū)沙塵暴發(fā)生日數(shù)隨本地的降水和相對濕度的增加而減少的結論一致；風速和沙塵天氣頻次的關系與Liu Xiaodong等[16]研究認為中國北部沙塵暴頻次與地面風速存在很強的正相關性結果一致。本研究結果還表明，春季期間的沙塵暴和揚沙頻次年際變化與土壤濕度密切負相關，原因是研究區(qū)地處荒漠區(qū)，蒸發(fā)量大，加上返青季節(jié)缺水，土壤濕度很小，為沙塵暴和揚沙的發(fā)生提供了沙源。通常土壤溫度變化與氣溫變化普遍表現(xiàn)為正相關關系，淺層土壤溫度的變化在一定程度上促成了各種熱力過程，為浮塵的發(fā)生創(chuàng)造了條件。沙塵暴頻次年際變化與冬季期間的土壤溫度相關，與土壤濕度和降水量密切相關，說明土壤溫度的變化造成了土壤的熱脹冷縮，增加了起塵量，研究結論與趙紅巖等[17]的研究認為北方沙塵暴的多發(fā)與土壤溫度偏低密切相關結論一致；降水量的減少，對沙塵暴頻次的增加有明顯促進作用，但與年均降水量影響無關，說明冬季的降水量對沙塵暴頻次的影響作用明顯。揚沙頻次年際變化與冬季的土壤溫度和大氣溫度相關，表明土壤溫度變化提供了沙源，而大氣溫度與揚沙的作用有正反兩方面[18]，監(jiān)測區(qū)揚沙頻次的多發(fā)年，當年大氣溫度更低，表明大氣溫度為揚沙提供了有利條件。沙塵天氣中的浮塵頻次年變化與當?shù)貧庀笠責o關，即浮塵與局域氣候要素無關，但是有時在同一沙塵天氣事件中，既有沙塵暴、揚沙和浮塵同時發(fā)生，說明沙塵天氣發(fā)生的空間范圍大，如整個河西走廊地區(qū)。研究還發(fā)現(xiàn)，年際尺度上的沙塵天氣與年降水量和年總輻射的變化聯(lián)系不緊密。

4 結 論

(1) 黑河流域中游沙塵暴、揚沙和浮塵頻次和時長存在明顯的季節(jié)變化規(guī)律，沙塵暴、揚沙和浮塵頻次最多的是春季，其次是冬季。春冬兩季的沙塵暴、揚沙和浮塵分別占了全年總次數(shù)的88.9%，82.3%和87.5%。沙塵時長與頻次的變化規(guī)律相同，時長最長的是春季，其次是冬季，春冬兩季沙塵天氣占全年沙塵天氣的79.4%。

(2) 2010—2019年黑河流域中游沙塵暴和揚沙頻次均逐年減少，總體上均呈減少的趨勢，而浮塵頻次逐年增加，總體上呈增加的趨勢。沙塵天氣時長因浮塵頻次的增加，總體上呈增加的趨勢。

(3) 黑河流域中游沙塵暴、揚沙和浮塵頻次月變化的主要影響氣象要素是淺層土壤濕度、大氣濕度和風速。影響春季沙塵暴和揚沙頻次年際變化的氣象要素是淺層土壤濕度，影響浮塵年際頻次變化的氣象要素是淺層土壤溫度；冬季沙塵暴頻次年際變化與淺層土壤溫濕度及降水量密切相關，而揚沙的主要影響因素是土壤溫度和大氣濕度，浮塵頻次年際變化與當?shù)氐臍庀笠鼐鶡o關。