曹曉云，肖建設，喬 斌，陳國茜，權 晨，祝存兄，史飛飛

(1.青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810001；2.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧 810001)

引 言

沙塵天氣按水平能見度劃分為浮塵、揚沙和沙塵暴等3種類型[1]，是干旱半干旱地區(qū)一種典型的氣象災害，不僅對國民經濟建設和人民生命財產安全造成嚴重危害，而且還是引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題、導致氣候變化的重要影響因素[2]。沙塵天氣是特定的荒漠化環(huán)境和氣象條件相結合的產物，當具備沙源、強風和熱力不穩(wěn)定空氣層結時，就會出現(xiàn)沙塵天氣，通常被認為是土地荒漠化的指示器和生態(tài)環(huán)境狀態(tài)的綜合反映[3-6]。

近幾十年來，隨著土地資源超載、全球氣候變暖、水資源短缺等問題的日益嚴重，沙塵天氣已經成為不可忽視的大氣和生態(tài)環(huán)境問題之一[7-8]。國內外許多研究基于地面觀測數據、衛(wèi)星遙感數據等資料，通過數理統(tǒng)計和數值模擬等方式探討沙塵天氣的形成機制、輸送過程及其對生態(tài)環(huán)境和氣候變化的影響效應等科學問題[9-15]。其中，地面沙塵觀測資料以其時間序列長等優(yōu)點被廣泛應用于沙塵天氣時空變化特征研究[6,16-21]，然而絕大多數研究是將沙塵暴、揚沙和浮塵等3類不同等級的沙塵日數單獨進行分析討論，定量分析沙塵強度及其時空變化特征的研究較為缺乏。不同沙塵天氣的氣溶膠質量濃度存在一定倍數關系[22]，WANG等[23]根據其倍數關系定義了沙塵指數(dust index，DI)，DI能較準確地定量反映沙塵強度，得到了廣泛應用[20,24-26]。

柴達木盆地地理位置特殊，氣候條件獨特，其戈壁荒漠是中國北方地區(qū)沙塵天氣頻發(fā)的主要源區(qū)之一[16]，隨著我國生態(tài)文明建設步伐的加快，柴達木循環(huán)經濟試驗區(qū)建設上升為國家戰(zhàn)略，沙塵天氣治理已經成為當地政府環(huán)境保護工作的重要內容之一。在全球氣候變暖的大背景影響下，柴達木盆地增溫顯著，降水量持續(xù)增多[27]，成為整個青藏高原氣候變化最為敏感和顯著的地區(qū)，這對盆地沙塵天氣必然會產生一定影響。然而，針對柴達木盆地沙塵天氣時空變化特征分析的相關研究較少，尤其是用DI來定量化描述柴達木盆地沙塵強度的研究鮮見。

因此，本文采用1961—2019年柴達木盆地9個地面氣象站逐月沙塵日數等觀測資料，將3種不同類型沙塵天氣用沙塵指數DI進行沙塵強度的定量化表示，統(tǒng)計分析盆地近59 a沙塵強度的時空變化特征，并結合氣象因子，分析主要影響因素，以期為深入認識柴達木盆地沙塵天氣及氣候變化、提高沙塵天氣預報預警服務水平、為政府制定環(huán)境保護政策和生態(tài)文明建設提供參考依據。

1 研究區(qū)概況

柴達木盆地(90°16′E—99°16′E，35°00′N—39°20′N)位于青藏高原東北隅，是中國三大內陸盆地之一，也是青藏高原最重要的自然地理區(qū)域之一，海拔2654～6588 m，被昆侖山脈、祁連山脈與阿爾金山脈環(huán)抱，為四面環(huán)繞的封閉式山間斷陷盆地，盆地面積達25×104km2。氣候為典型的高原大陸性氣候，年均氣溫-3.68 ℃，年均降水量92.94 mm，年均風速2.84 m·s-1，溫差大、少雨、多風為盆地主要氣候特點，加之盆地植被類型多裸地和高寒荒漠，植被稀疏，經常飽受大風沙塵侵襲，給農牧業(yè)生產和人民生活造成諸多不利(圖1)。

圖1 柴達木盆地氣象站點和海拔空間分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations and altitude of the Qaidam Basin

2 數據與方法

2.1 研究數據

選用柴達木盆地9個地面氣象站(茫崖、冷湖、大柴旦、小灶火、格爾木、諾木洪、德令哈、烏蘭和都蘭)逐月沙塵(浮塵、揚沙和沙塵暴)日數、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風速、大風日數、降水量和相對濕度等觀測資料，除烏蘭建站較晚，選用1981—2019年資料外，其余站點均選取1961—2019年資料，數據來源于中國氣象局綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)，數據完整性和連續(xù)性較好，時間序列長，完全能滿足科學研究需求。

2.2 研究方法

2.2.1 沙塵指數

采用WANG等[23]定義的沙塵指數DI進行柴達木盆地的沙塵強度研究，其計算公式為：

DI=DFIDu+DFISa×3+DSaSt×9

(1)

式中：DFIDu、DFISa、DSaSt分別為浮塵日數、揚沙日數、沙塵暴日數。

2.2.2 年際變化趨勢

采用一元線性回歸法擬合柴達木盆地沙塵強度的年際變化速率，其計算公式為：

y=ax+b

(2)

式中：x為年份序列；a為線性方程斜率，若a>0，表明沙塵強度呈增強趨勢，反之呈減弱趨勢，a的絕對值大小反映沙塵強度變化的速率；b為常數。并通過t檢驗對變化趨勢進行顯著性檢驗，分析變化趨勢的可信度。

2.2.3 Mann-Kendall非參數檢驗

采用M-K非參數檢驗法[28]檢測1961—2019年柴達木盆地沙塵強度的突變情況，分析沙塵強度變化趨勢，給定顯著性水平0.01，即u0.01=2.56。

2.2.4 相關性分析

采用皮爾遜相關分析法[28]對研究變量之間的相關關系進行分析。對于研究變量x和y，其相關系數rxy可表示為：

(3)

2.2.5 相對貢獻率

采用相對貢獻率分析各氣象因子對盆地沙塵強度的影響程度，其計算步驟為：首先對各氣象要素與沙塵指數進行回歸分析，建立標準回歸方程，該氣象因子對應系數的絕對值與所有回歸系數絕對值之和的比值即為相對貢獻率[29-30]。其計算公式為：

(4)

式中：Y為沙塵指數的標準化值；an為第n個氣象因子與Y的標準化回歸系數；xn為第n個氣象因子的標準化值；b0為常數；Crn為第n個氣象因子對Y的相對貢獻率。

3 結果與分析

3.1 時間變化

3.1.1 年際變化

圖2為1961—2019年柴達木盆地年均沙塵指數的年際變化。可以看出，近59 a來柴達木盆地年均沙塵指數的年際變化整體呈波動減小趨勢，減小速率為2.05 a-1(P<0.01)，減小趨勢顯著，2013年沙塵指數最小(16.56)，1979年最大(230.13)，說明柴達木盆地沙塵強度具有較大的年際差異。此外，近59 a盆地沙塵強度經歷2個階段：1961—1979年，沙塵強度呈波動增強趨勢，波動幅度較大；1979年后，沙塵強度呈明顯的波動減弱趨勢，波動幅度較小。

圖2 1961—2019年柴達木盆地年均沙塵指數的年際變化Fig.2 Interannual variation of annual averaged dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

3.1.2 年代際變化

由柴達木盆地沙塵指數年代際變化(圖3)可以看出，柴達木盆地沙塵強度呈單峰型變化，整體呈先增加后減小特征，1970年代柴達木盆地沙塵強度最大(161.18)，1960、1980、1990、2000年代依次減小，其中2000年代柴達木盆地沙塵強度最小(57.27)，2010年代沙塵強度略有回升(59.88)。

圖3 1961—2019年柴達木盆地沙塵指數年代際變化Fig.3 Decadal change of average dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

3.1.3 月變化

圖4為1961—2019年柴達木盆地沙塵指數的月變化。可以看出，柴達木盆地月均沙塵指數一般介于2.25～20.47，1—12月沙塵指數呈單峰型分布，峰值位于春季4月，谷值位于冬季12月，且春季>夏季>冬季>秋季。這可能是由于春季氣溫回升迅速，但降水少，氣候干燥，土壤逐漸解凍，地表干燥疏松，保證了足夠沙源，且北方地區(qū)盛行強勁的西北風，提供了動力因子，裸露疏松的地表易被風卷起形成沙塵天氣；夏季隨著氣溫升高，降水增多，盆地植被于5月下旬至6月上旬逐漸返青生長，穩(wěn)定的地表抑制了沙塵天氣的出現(xiàn)，但由于盆地內植被稀疏加之夏季高原對流旺盛，較易出現(xiàn)大風沙塵天氣；秋季由于下墊面穩(wěn)定、冷空氣影響較少且強度弱，因此沙塵天氣最少，強度最?。欢倦m然地表植被黃枯，但大范圍土壤凍結并有積雪覆蓋，所以沙塵天氣較少，強度較小[6,16,30]。

圖4 1961—2019年柴達木盆地沙塵指數DI的月變化Fig.4 Monthly variation of average dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

3.2 空間分布

圖5為1961—2019年柴達木盆地多年平均沙塵指數空間分布，可以看出，盆地整體多年平均沙塵指數DI為98.30，格爾木、小灶火和茫崖的多年平均沙塵指數最高，均超過150，諾木洪、都蘭、冷湖、德令哈、烏蘭和大柴旦依次減小。可見，盆地腹部地區(qū)容易受沙塵天氣影響，沙塵強度較強，這可能與其地理位置和地形條件密切相關，柴達木盆地沙塵天氣的主要冷空氣路徑為西北路徑[16]，冷空氣進入北疆，在天山以北堆積后擴散南下，倒灌進入南疆盆地，然后翻越阿爾金山進入柴達木盆地，由于柴達木盆地地形特殊，周圍多山脈又為西北—南東走向，與盛行西北風向一致，易造成明顯的“狹管效應”，冷空氣進入盆地后風速明顯增大，加之小灶火、格爾木周邊地區(qū)存在豐富的沙源，當熱力不穩(wěn)定時，很容易出現(xiàn)沙塵天氣，因此格爾木、小灶火等盆地腹部地區(qū)易遭受沙塵天氣影響且強度較強。

圖5 1961—2019年柴達木盆地多年平均沙塵指數DI空間分布Fig.5 Spatial distribution of multi-year average dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

圖6為1961—2019年柴達木盆地四季平均沙塵指數DI的空間分布。可以看出，柴達木盆地沙塵強度的空間分布存在明顯差異，沙塵強度整體呈盆地腹部高、外圍低的空間分布格局。從季節(jié)尺度來看，春季沙塵強度最強，夏、冬、秋季依次減弱，其中，春季是柴達木盆地沙塵的頻發(fā)季節(jié)，盆地絕大多數地區(qū)DI均在20以上，盆地腹部的格爾木、茫崖、小灶火DI均大于80，沙塵強度強，盆地外圍的大柴旦沙塵強度較弱，DI在20以下。夏季，除格爾木和小灶火的DI在40以上，茫崖和諾木洪的DI在20～40之間外，盆地其余站點的DI均在20以下。秋季，盆地所有站點的DI均在20以下。冬季，除茫崖、小灶火和格爾木的DI在20～40之間外，其余站點的DI均在20以下。

圖6 1961—2019年柴達木盆地四季平均沙塵指數DI的空間分布Fig.6 Spatial distribution of average dust index (DI) in four seasons in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

分析1961—2019年柴達木盆地沙塵指數年際變化速率分布(圖7)，結果表明，近59 a柴達木盆地沙塵強度整體呈顯著減弱趨勢，均通過α=0.01的顯著性檢驗，其中位于盆地腹地的諾木洪和格爾木的DI減小速率較快，減小速率均超過4.00 a-1，其次是小灶火、烏蘭、德令哈、都蘭、茫崖、大柴旦，減小速率在0.00～3.00 a-1之間，冷湖的DI呈顯著增強趨勢，增加速率為1.30 a-1。進一步分析1961—2019年柴達木盆地四季的沙塵指數年際變化速率分布(圖8)，可以看出，近59 a春季DI減小速率最快，其次是夏季、冬季和秋季，除冷湖站四季的DI均呈增大趨勢外，其余站點各季的沙塵指數均呈減小趨勢。其中，春季格爾木和諾木洪的DI減小速率較快，減小速率均超過2.00 a-1，其余大多數站點的DI減小速率在0.40～1.20 a-1之間；夏季小灶火和格爾木的DI減小速率較快，減小速率超過1.20 a-1，其余大多數站點的DI減小速率在0.40～1.20 a-1之間；秋季絕大多數站點的DI減小速率較慢，且基本在0～0.40 a-1之間；冬季諾木洪、小灶火、烏蘭和格爾木的DI減小速率較快，減小速率均超過0.40 a-1，其余站點年減小速率在0～0.40 a-1之間。

圖7 1961—2019年柴達木盆地沙塵指數DI年際變化速率分布(單位：a-1)Fig.7 Interannual variation rate distribution of annual dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019 (Unit: a-1)

圖8 1961—2019年柴達木盆地四季沙塵指數DI年際變化速率分布(單位：a-1)Fig.8 Interannual variation rate distribution of average dust index (DI) in four seasons of the Qaidam Basin from 1961 to 2019 (Unit: a-1)

3.3 突變分析

用M-K法對柴達木盆地1961—2019年沙塵指數進行突變檢驗(圖9)，發(fā)現(xiàn)自1961年開始，除1962、1963、1977—1986年外，其余UF值都小于0，且1987年以后，UF值都小于0，呈明顯減弱趨勢。UF和UB曲線在1990年存在交點，且在置信區(qū)間內，表明柴達木盆地的沙塵指數變化趨勢在1990年開始發(fā)生轉折，出現(xiàn)突變，UF曲線在1993年超過0.01顯著性水平，綜上所述，1961—2019年柴達木盆地沙塵指數經歷了“下降、上升、下降”的過程，突變發(fā)生在1990年。

圖9 1961—2019年柴達木盆地年平均沙塵指數M-K突變檢驗Fig.9 The M-K mutation test of annual mean dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

3.4 氣象因子對沙塵強度的影響

氣象因子是導致沙塵區(qū)沙塵強度變化的主要因素[31]，為深入分析1961—2019年柴達木盆地沙塵強度變化的主要原因，選取分別代表熱力因子的平均氣溫、最高(低)氣溫，代表動力因子的平均風速、大風日數，代表水分因子的降水量和相對濕度，通過相關性分析、氣候傾向率和相對貢獻率方法探究各氣象因子對柴達木盆地沙塵強度變化的不同影響。

表1列出柴達木盆地年均沙塵強度與各氣象要素的關系?？梢钥闯?，柴達木盆地年均沙塵強度與動力因子相關性最好，與年平均風速和大風日數的相關系數分別為0.76、0.71，且相關系數均通過α=0.01的顯著性檢驗；其次是熱力因子，與最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫的相關系數分別為-0.67、-0.66、-0.56，且相關系數均通過α=0.01的顯著性檢驗；最后是水分因子，其中與降水量的相關系數為-0.43，且通過α=0.01的顯著性檢驗，但與相對濕度的相關性不顯著。近59 a來柴達木盆地年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的氣候傾向率分別為0.48、0.41、0.82 ℃·(10 a)-1，呈顯著增溫趨勢，年平均風速和大風日數的氣候傾向率分別為-0.23 m·s-1·(10 a)-1、-4.35 d·(10 a)-1，呈顯著下降趨勢，年降水量的氣候傾向率為10.74 mm·(10 a)-1，為顯著增多趨勢。柴達木盆地年平均風速變化對沙塵強度影響最大，貢獻率為45.44%，年平均氣溫次之，貢獻率為20.50%。上述分析表明，近59 a來柴達木盆地氣溫升高、降水增多明顯，良好的水熱條件匹配有利于植被的生長和覆蓋度的增加，下墊面固沙能力增強，加之風速降低、大風日數減少有效抑止了沙塵天氣，其中年平均風速和氣溫的貢獻率較大。

表1 1961—2019年柴達木盆地年均沙塵強度與各氣象要素的關系Tab.1 Correlation between average dust index (DI) and meteorological elements in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

表2列出1961—2019年柴達木盆地各站年均氣象要素的氣候傾向率?？梢钥闯?，1961年來諾木洪和格爾木站增溫速率較快，降水量增多速率較大，良好的水熱條件匹配有利于植被的生長，植被覆蓋度的增加，有效減少了沙源，此外，平均風速和大風日數減小速率也大，大風條件明顯減弱，這是諾木洪和格爾木沙塵強度減弱速率較快的主要原因之一。值得注意的是，近59 a來冷湖氣溫增溫速率相對最慢，降水量增多速率和平均風速減小速率也較慢，然而大風日數卻呈增多趨勢，研究指出在植被較少、靠近沙漠的地區(qū)強風對沙塵天氣的發(fā)生起主要作用[32]，冷湖位于阿爾金山南麓的戈壁灘上，緊鄰庫木塔格沙漠，長年少雨干旱，是新興的石油工業(yè)基地，因此大風日數增多可能是導致冷湖沙塵強度增強的主要原因。

表2 1961—2019年柴達木盆地各站氣象要素的氣候傾向率Tab.2 Climatic tendency of meteorological elements at various stations in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

綜上所述，近59 a來柴達木盆地年均氣溫升高、降水增多、風速降低、大風日數減少是沙塵強度變弱的重要原因，其中年平均風速和氣溫的貢獻率較大，由于地理環(huán)境的差異，各地區(qū)影響沙塵強度的主導因子也存在差異。

4 結論與討論

(1)1961—2019年柴達木盆地沙塵強度年際變化整體呈顯著減弱趨勢，減小速率為2.05 a-1；沙塵強度年代際變化呈單峰型，1970年代最大，2000年代最??；柴達木盆地沙塵指數突變發(fā)生在1990年；月均沙塵指數一般為2.25～20.47，呈單峰型分布，峰值在春季4月，谷值在冬季12月。

(2)柴達木盆地沙塵強度存在明顯的空間分布差異，整體呈盆地腹部高，外圍低的分布格局，春季沙塵強度最強，夏、冬、秋季依次減弱；近59 a來除冷湖的沙塵強度呈顯著增強外，其余地區(qū)沙塵強度均呈顯著減弱趨勢，其中諾木洪和格爾木減弱速度較快，減小速率均超過4.00 a-1，春季的沙塵強度減小速率最快，其次是夏季、冬季和秋季。

(3)近59 a來柴達木盆地年均氣溫升高、降水增多、風速降低、大風日數減少是其沙塵強度變弱的重要原因，其中年平均風速和氣溫的貢獻率較大，由于地理環(huán)境的差異，各地區(qū)影響沙塵強度的主導因子也存在差異。

影響沙塵強度的因素很多，地氣相互作用和大氣運動過程較為復雜，本文僅分析了沙塵強度和氣象因子之間的關系，并初步討論了影響柴達木盆地沙塵強度變化的可能原因，今后將進一步分析其他因素對柴達木盆地沙塵強度的影響機制并提出有效的沙塵治理措施。