羅曉玲, 李巖瑛，, 嚴志明, 楊 梅, 聶 鑫

(1.甘肅省武威市氣象局, 甘肅 武威 733000; 2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所, 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室 中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室, 蘭州 730020; 3.甘肅省武威市黨政專用通信局, 甘肅 武威 733000)

沙塵暴是特殊下墊面和地理環(huán)境條件下，因不同大尺度環(huán)流背景與中小尺度天氣系統(tǒng)疊加而造成的一種小概率、大危害的災害性天氣[1-3]。甘肅省氣象災害種類多、發(fā)生頻率高、危害重，因氣象災害造成的損失占自然災害損失的88.5%，高出全國平均狀況18.5%，占GDP的3%～5%[4]。甘肅河西走廊因其特殊的地理位置成為甘肅乃至全國沙塵暴的高發(fā)區(qū)之一[5-7]。因沙塵暴造成的損失位列全部氣象災害損失第3，僅武威市年均經(jīng)濟損失超過3 783萬元，年均農業(yè)受災面積超過13 195 hm2，已嚴重影響地方經(jīng)濟的發(fā)展[8]。

有研究者[9-13]分析了中國沙塵暴的分布及頻次變化特征認為，我國50%以上的沙塵暴發(fā)生在春季，沙塵暴頻次變化呈波動下降趨勢，隨著時間序列變長，沙塵暴是否有新的變化特征，作者用最新氣象資料做了深入研究，以期有新的變化。近年來，沙塵暴的形成機理引起了廣大學者的關注，研究表明[14-27]，沙塵暴頻次與大風頻次、風速、冬春季蒸發(fā)量為顯著正相關，與氣溫、日照時數(shù)為負相關，降水對沙塵暴的發(fā)生有抑制作用，地形、地貌為沙塵暴的發(fā)生、發(fā)展提供沙源和起沙條件。Li等[28-29]得出塔里木盆地和蒙古中西部地區(qū)的沙塵暴頻率與500 hPa位勢高度為顯著負相關，前冬北大西洋濤動指數(shù)與春、夏季沙塵暴日數(shù)有較好的相關性，劉生元等[30]研究表明，春季東亞副熱帶西風急流強度與中國春季沙塵暴日數(shù)呈顯著負相關，Yang等[31]則認為，在沙塵暴高頻年中，東亞高緯地區(qū)上部和中部對流層的經(jīng)向氣流明顯強于低緯地區(qū)，馮鑫媛等[32]利用1954—2005年沙塵暴資料研究出沙塵暴持續(xù)時間分布規(guī)律為，短時型、中間型和持續(xù)型，但對持續(xù)時間變化特征未做研究。有關沙塵暴持續(xù)時間及強度變化特征的文獻極少，雖然趙明瑞等[33]分析了甘肅民勤2001—2010年沙塵暴強度，但范圍小，時間短，代表性不強，因此，本研究利用近60 a河西走廊區(qū)域性沙塵暴資料，從沙塵暴頻次空間和時間變化以及沙塵暴持續(xù)時間和強度變化4個方面進行系統(tǒng)性分析研究，并首次研究大氣環(huán)流特征量指數(shù)與河西走廊沙塵暴的關系，以期尋找更多影響因素，為準確預報沙塵暴，防災減災，減輕損失，為地方服務提供決策依據(jù)意義重大。

1 研究區(qū)概況

河西走廊位于甘肅省西北部，在祁連山以北，合黎山以南，烏鞘嶺以西，甘肅新疆邊界以東，為西北—東南走向的狹長平地。地域上包括甘肅省的河西五市：武威、張掖、金昌、酒泉和嘉峪關。西部敦煌市與庫木塔格沙漠相連，北部金塔縣與巴丹吉林沙漠接壤，東北部民勤縣被騰格里沙漠所圍。地勢南高北低，其海拔高度1 139～3 100 m，年降水量40～410 mm，年蒸發(fā)量1 500～3 311 mm。氣候干旱少雨，大風沙塵暴頻發(fā)。

2 資料與分析方法

2.1 資料來源及說明

所用氣象要素數(shù)據(jù)來源于河西走廊酒泉市、張掖市、武威市13個沙塵暴發(fā)生頻次較高氣象站的逐日觀測記錄。為了對比研究，按照地理位置劃分為西部(馬鬃山、肅州、敦煌、玉門鎮(zhèn)、鼎新、金塔、瓜州)、中部(甘州、高臺、山丹)、東部(民勤、永昌、涼州)3個區(qū)域。

根據(jù)中華人民共和國國家質檢總局和國家標準委2006年11月1日批準發(fā)布的《沙塵暴天氣等級》，根據(jù)地面水平能見度依次分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5個等級。分級標準為，沙塵暴：能見度<1.0 km，強沙塵暴:能見度<0.5 km，特強沙塵暴：能見度<0.05 km.由于能見度的觀測在1979年及以前為0～9級，1980—2003年的單位不一致，而且在地面觀測月報表中有些年份沒有最小能見度觀測記錄，故本文用2004—2019年的最小能見度資料統(tǒng)計分析沙塵暴的強度。

大氣環(huán)流特征量指數(shù)由中國氣象局國家氣候中心氣候監(jiān)測室提供。冷空氣次數(shù)，取酒泉、蘭州等8個北方站和南京、漢口等7個南方站逐日平均氣溫。判定標準：三天內(個別情況二天或四天)連續(xù)降溫≥5℃(允許某一天變溫在0～1℃)為一次冷空氣過程，其數(shù)目為冷空氣次數(shù)；NINO 3.4區(qū)海表溫度距平指數(shù)為5°S—5°N、170°—120°W區(qū)域內海表溫度距平的區(qū)域平均值；大西洋多年代際振蕩指數(shù)為0°—70°N，80°—0°W區(qū)域內海表溫度距平的區(qū)域平均值；類El Nino指數(shù)定義為：[SSTA]C-0.5[SSTA]E-0.5[SSTA]W。其中[SSTA]C,[SSTA]E和[SSTA]W分別表示熱帶太平洋中部(10°S—10°N，165°E—140°W)、東部(15°S—5°N，110°—70°W)和西部(10°S—20°N，125°—145°E)區(qū)域海表溫度距平的區(qū)域平均值；西太平洋副高面積指數(shù)是500 hPa高度場，10°—60°N，110°—180°E區(qū)域內≥5 880位勢米(gpm)區(qū)域的球面面積；西太平洋副高強度指數(shù)是500 hPa高度場，10°—60°N，110°—180°E范圍≥5 880位勢米(gpm)的區(qū)域內，格點位勢高度與5 870位勢米(gpm)之差乘以格點面積的累積值；東亞槽位置指數(shù)為500 hPa高度場，30°—55°N，110°—170°E區(qū)域內，槽線的平均經(jīng)向位置；西藏高原-1指數(shù)為500 hPa高度場，25°—35°N，80°—100°E區(qū)域內，格點位勢高度與5 000位勢米(gpm)之差乘以格點面積的累積值。西藏高原-2指數(shù)為500 hPa高度場，30°—40°N，75°—105°E區(qū)域內，格點位勢高度與5 000位勢米(gpm)之差乘以格點面積的累積值；歐亞緯向環(huán)流指數(shù)是500 hPa高度場，45°—65°N，0°—150°E區(qū)域內，以30個經(jīng)度為間隔劃分為5個區(qū)，分別按照公式(1)計算緯向指數(shù)IZi，然后計算5個區(qū)的平均緯向指數(shù)。

(1)

式中：φ1，φ2表示計算IZ的緯度范圍；Z1i，Z2i分別是在φ1，φ2兩個緯圈上的高度值；l為分別在φ1，φ2緯圈上均勻取點的高度值的數(shù)量。

2.2 統(tǒng)計與分析方法

用河西走廊13個觀測站1960—2019年的逐日沙塵暴資料，利用線性傾向率方法分析沙塵暴頻次的時間及空間變化趨勢，通過滑動t檢驗方法檢驗是否存在顯著突變；應用概率統(tǒng)計和線性傾向率方法研判該區(qū)沙塵暴持續(xù)時間和強度(最小能見度)特征及演變規(guī)律。

使用國家氣候中心提供的130項1960—2019年逐日大氣環(huán)流特征量指數(shù)，從大尺度天氣系統(tǒng)、海溫、冷空氣的角度出發(fā)，利用相關系數(shù)(Pearson)法，分析氣候系統(tǒng)指數(shù)與沙塵暴頻次、沙塵暴過程持續(xù)時間的關系。

通過Excel 2007，SPSS 22.0，vb6.0等軟件，對資料進行統(tǒng)計、處理和分析。

3 結果與分析

3.1 沙塵暴的空間分布及演變特征

河西走廊是中國沙塵暴的高發(fā)區(qū)之一，沙塵暴發(fā)生頻次最多的是東北部的民勤(21.7 d/a)，其次是金塔(15.7 d/a)、鼎新(13.3 d/a)、甘州(10.5 d/a)、敦煌(9.3 d/a)，最少的是馬鬃山(1.2 d/a)。從地理位置看，臨近沙漠地區(qū)，沙塵暴頻次較多，反之亦然。民勤三面被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠所圍，金塔、鼎新、甘州北面與巴丹吉林沙漠接壤，敦煌西接庫姆塔格沙漠。隨著時間變化各地沙塵暴均呈減少趨勢，年際傾向率為民勤-7.2 d/10 a>金塔-5.7 d/10 a>鼎新-4.8 d/10 a>甘州-4.4 d/10 a>高臺-3.2 d/10 a>敦煌-3.1 d/10 a>肅州-2.6 d/10 a>涼州-2.4 d/10 a>瓜州-2.0 d/10 a>玉門鎮(zhèn)-1.9 d/10 a>山丹-1.7 d/10 a>永昌-1.1 d/10 a>馬鬃山-0.2 d/10 a(馬鬃山p<0.05，其他站p<0.001)。由此可見，沙塵暴發(fā)生頻次與減少速度呈顯著正相關，民勤是沙塵暴發(fā)生頻次最多的地方，也是減少速度最快的地方，這與近年來全球氣候變暖、中緯度西風帶強度減弱、大風日數(shù)減少，區(qū)域生態(tài)的重建和恢復息息相關。

3.2 沙塵暴頻次的時間演變特征

3.2.1 沙塵暴頻次的年際及年代際演變特征 沙塵暴頻次年變化曲線(圖1)顯示，沙塵暴呈顯著減少趨勢，年際傾向率為東部-3.5 d/10 a(p<0.001)>中部-3.1 d/10 a(p<0.001)>西部-2.9 d/10 a(p<0.001)。東、中、西部減少速度最快的分別為民勤、甘州、金塔；年代際變化(表1)表明，20世紀70年代是沙塵暴高發(fā)期，80年代開始到90年代迅速減少，2000年以后減少速度減小，近9 a減少最顯著。

表1 河西走廊各縣(區(qū))沙塵暴距平年代際變化 天

圖1 河西走廊沙塵暴年變化趨勢

滑動t檢驗監(jiān)測顯示，河西走廊沙塵暴發(fā)生了突變減少，顯著突變點(p<0.05)，西部在1979年，中部在1966年、1972年、1973年，東部則在1966年。

3.2.2 沙塵暴頻次的月際及季節(jié)演變特征 河西走廊沙塵暴一年四季均有發(fā)生，其中9月、10月最少，月均0.2 d，占全年沙塵暴頻次的2.3%，4月最多為1.6 d，占全年沙塵暴頻次的18.6%；春季最多為4.2 d，占全年沙塵暴頻次的48.9%，其次是夏季2.1 d、冬季1.6 d，秋季最少為0.7 d，僅占全年沙塵暴頻次的8.1%。

四季沙塵暴也為顯著減少趨勢(圖2)，減少速度是春季>夏季>冬季>秋季。春季沙塵暴頻次年際傾向率為中部-1.6 d/10 a>東部-1.4 d/10 a>西部-1.2 d/10 a；夏季年際傾向率為東部-0.99 d/10 a>中部-0.84 d/10 a>西部-0.66 d/10 a；秋季年際傾向率為西部-0.29 d/10 a>東部-0.28 d/10 a>中部-0.20 d/10 a；冬季年際傾向率為東部-0.89 d/10 a>西部-0.70 d/10 a>中部-0.48 d/10 a。

圖2 河西走廊沙塵暴四季變化趨勢

四季均為20世紀70年代是最多期，之后持續(xù)減少，近9 a減少最顯著，春、夏、秋、冬較70年代分別減少了7.3 d，4.0 d，1.1 d，3.9 d。(四季變化趨勢均p<0.001)。

3.3 沙塵暴持續(xù)時間特征及演變規(guī)律

河西走廊沙塵暴過程平均持續(xù)時間(圖3A)為119 min，持續(xù)60～300 min的頻次最多，其次是<60 min的，>300 min的頻次最少。其中，西部和東部是持續(xù)60～300 min的頻次最多，>300 min的頻次最少；中部是<60 min的頻次最多，>300 min的頻次最少。

四季平均持續(xù)時間(圖3B)分別為，春季106.7 min、夏季41.9 min、秋季35.1 min、冬季64.2 min。冬季、春季和秋季均是持續(xù)60～300 min的頻次最多，>300 min的頻次最少；夏季是<60 min的頻次最多，>300 min的頻次最少。

圖3 河西走廊沙塵暴持續(xù)時間年、四季特征

以沙塵暴發(fā)生頻次最高的民勤為例研究發(fā)現(xiàn)，<60 min的沙塵暴主要出現(xiàn)在下午到夜間，持續(xù)60～300 min和>300 min的沙塵暴則多出現(xiàn)在中午前后到下午。

近60年沙塵暴平均持續(xù)時間呈顯著縮短趨勢(圖4)，年際傾向率為-7.42 min/10 a(p<0.001)。年代際變化顯示，20世紀60—70年代是沙塵暴持續(xù)時間最長時期，平均持續(xù)時間為132 min，80年代持續(xù)時間有所縮短，平均持續(xù)時間為116.9 min，90年代迅速反彈延長，平均持續(xù)時間為124.2 min，1996年出現(xiàn)了1965年以來河西走廊西部最強沙塵暴，也是近60年持續(xù)時間最長的沙塵暴，2000年以后持續(xù)時間迅速縮短，平均持續(xù)時間為103.3 min，特別近9 a時間縮短最明顯，持續(xù)時間是平均持續(xù)時間的2/3。

圖4 河西走廊沙塵暴持續(xù)時間變化趨勢

沙塵暴四季持續(xù)時間也呈顯著縮短趨勢，縮短速度是冬季>春季>秋季>夏季。春、夏、秋、冬四季持續(xù)時間年際傾向率分別為-16.8 min/10 a，-11.2 min/10 a，-13.6 min/10 a，-21.7 min/10 a。(四季均p<0.001)。冬季和春季持續(xù)時間最長為20世紀70年代，之后持續(xù)縮短，近9 a是持續(xù)時間最短期，較70年代分別縮短了108.2 min和100.0 min ；夏季和秋季持續(xù)時間最長為20世紀60年代，之后持續(xù)縮短，近9 a是持續(xù)時間最短期，較60年代分別縮短了62.7 min和63.1 min。

3.4 沙塵暴的強度特征及演變規(guī)律

根據(jù)每次沙塵暴天氣過程中最小能見度來表征沙塵暴的強度，沙塵暴個例資料顯示，河西走廊沙塵暴過程平均最小能見度為0.569 km(沙塵暴)，0.5～1.0 km(沙塵暴)的頻次最多，占總頻次的70%，其次是0.05～0.5 km(強沙塵暴)的，<0.05 km(特強沙塵暴)的頻次最少，僅占總頻次的3.2%(圖5A)。即河西走廊沙塵暴以普通類型為主。

沙塵暴四季強度(圖5B)和年特征一樣，各季均是0.5～1.0 km(沙塵暴)的頻次最多，其次為0.05～0.5 km(強沙塵暴)的，<0.05 km(特強沙塵暴)的頻次最少。

圖5 河西走廊沙塵暴最小能見度年、四季特征

近16 a沙塵暴年均最小能見度序列變化顯示，河西走廊沙塵暴強度無明顯變化，最小能見度維持在0.57 km左右。

3.5 沙塵暴變化影響因素分析

3.5.1 頻次變化影響因素分析 影響沙塵暴發(fā)生的因素很多，諸多學者已有研究，這里不再一一贅述，本文擬從大尺度天氣系統(tǒng)、海溫、冷空氣的角度出發(fā)分析大氣環(huán)流特征量指數(shù)變化對該地區(qū)沙塵暴的影響(表2)。

表2 河西走廊沙塵暴頻次與各影響因子相關系數(shù)

分析發(fā)現(xiàn)，與河西走廊年沙塵暴頻次相關性最好的是大西洋多年代際振蕩指數(shù)，其次是西藏高原-1指數(shù)、西藏高原-2指數(shù)、副高西伸脊點指數(shù)、西太平洋副高面積指數(shù)、西太平洋副高強度指數(shù)、東亞槽強度指數(shù)、東亞槽位置指數(shù)、NINO 3.4區(qū)海表溫度距平指數(shù)、類ENSO指數(shù)(以上均p<0.05)。其中，與大西洋多年代際振蕩指數(shù)、NINO 3.4區(qū)海表溫度距平指數(shù)成顯著負相關，類ENSO指數(shù)成顯著正相關，說明沙塵暴頻次與ENSO事件關系密切，PDO負位相(拉尼娜)有利于沙塵暴發(fā)生；與西藏高原-1指數(shù)和西藏高原-2指數(shù)均呈顯著負相關，且相關系數(shù)較大，表明高原槽的位置和強度對沙塵暴頻次影響較明顯；與副高西伸脊點指數(shù)呈顯著正相關，西太平洋副高面積指數(shù)、西太平洋副高強度指數(shù)呈顯著負相關，說明西太平洋副熱帶高壓588線位置越偏西，面積越小，強度越弱，河西走廊沙塵暴頻次越多；與東亞槽位置指數(shù)呈正相關，東亞槽強度指數(shù)呈顯著負相關，說明東亞槽的位置和強度直接影響著沙塵暴頻次；與冷空氣次數(shù)呈弱正相關，冷空氣次數(shù)多，就意味著天氣過程多，伴隨地面冷鋒過境，在鋒面前后強氣壓梯度作用下形成大風，繼而引發(fā)沙塵暴；與歐亞緯向環(huán)流指數(shù)呈弱負相關，表明500 hPa環(huán)流經(jīng)向度加大，偏北氣流引導冷空氣南下，形成大風，導致沙塵暴頻次加大。

3.5.2 持續(xù)時間變化影響因素分析 分析沙塵暴持續(xù)時間與大氣環(huán)流特征量的關系發(fā)現(xiàn)(表3)，與河西走廊沙塵暴持續(xù)時間相關性最好的是西太平洋副高面積指數(shù)，其次是西太平洋副高強度指數(shù)、西藏高原-2指數(shù)、西藏高原-1指數(shù)、副高西伸脊點指數(shù)、大西洋多年代際振蕩指數(shù)、東亞槽強度指數(shù)(以上均p<0.05)。與副高西伸脊點指數(shù)呈顯著正相關，與西太平洋副高面積指數(shù)、西太平洋副高強度指數(shù)呈顯著負相關，表明西太平洋副熱帶高壓588線位置越偏西，面積越小，強度越弱，河西走廊沙塵暴持續(xù)時間越長；與西藏高原-1指數(shù)、西藏高原-2指數(shù)均呈顯著負相關，即高原槽的位置和強度對沙塵暴持續(xù)時間有一定影響；與大西洋多年代際振蕩指數(shù)呈顯著負相關，說明沙塵暴持續(xù)時間與ENSO事件有一定關系；與東亞槽強度指數(shù)呈負相關，表明東亞槽的強度直接影響著沙塵暴的持續(xù)時間。

表3 河西走廊沙塵暴持續(xù)時間與各影響因子相關系數(shù)

綜合以上，年沙塵暴頻次與環(huán)流指數(shù)的關系比持續(xù)時間與環(huán)流指數(shù)的關系更為顯著，河西走廊沙塵暴的發(fā)生發(fā)展，下墊面條件是主要影響因素，大尺度天氣系統(tǒng)演變是觸發(fā)機制，氣候要素變化是直接影響因子。

4 討 論

河西走廊沙塵暴年、季頻次呈顯著減少趨勢，與高振榮等[18]研究結論完全一致，年際傾向率有所差別是所用資料時間長短不同所致；沙塵暴過程，持續(xù)60～300 min的頻次最多，>300 min的頻次最少，與李玲萍等[17]分析的河西走廊東部沙塵暴持續(xù)時間結果基本一致；河西走廊沙塵暴強度無明顯變化，最小能見度維持在0.57 km左右，這一結論與趙明瑞等[33]用2001—2010年民勤沙塵暴資料得出的“最小能見度有減小趨勢”有所不同，主要原因是研究范圍和資料長度不同所致；大氣環(huán)流經(jīng)向度加大，沙塵暴發(fā)生頻次加大、持續(xù)時間延長，這一個結論與江灝等[5]的研究相一致；沙塵暴頻次與NINO 3.4區(qū)海表溫度距平指數(shù)、大西洋多年代際振蕩指數(shù)成顯著負相關，與類ENSO指數(shù)成顯著正相關，與南方濤動指數(shù)關系不顯著，這一結論與李威[34]用1957—2002年資料分析結果 “北方春季沙塵暴與NINO3區(qū)海表溫度的相關不如與SOI的好”不完全相同，究其原因，與資料年代長短、研究區(qū)范圍大小、地理位置不同所致，有待進一步研究。

5 結 論

(1) 河西走廊沙塵暴分布特點為，臨近沙漠地區(qū)發(fā)生頻次多，遠離沙漠地區(qū)發(fā)生頻次少。隨著時間變化各地沙塵暴均呈減少趨勢，且發(fā)生頻次與減少速度呈顯著正相關。

(2) 河西走廊沙塵暴頻次呈顯著減少趨勢，年際傾向率為東部-3.5 d/10 a>中部-3.1 d/10 a>西部-2.9 d/10 a。20世紀70年代是沙塵暴高發(fā)期，之后持續(xù)減少，近9 a減少最顯著。四季也呈顯著減少趨勢，減少速度是春季>夏季>冬季>秋季。沙塵暴發(fā)生了突變減少。

(3) 河西走廊沙塵暴過程平均持續(xù)時間為119 min，持續(xù)60～300 min的頻次最多，>300 min的頻次最少。沙塵暴平均持續(xù)時間呈顯著縮短趨勢，年際傾向率為-7.42 min/10 a，近9 a持續(xù)時間縮短最明顯；四季持續(xù)時間也呈顯著縮短趨勢，縮短速度是冬季>春季>秋季>夏季。

(4) 河西走廊沙塵暴過程平均最小能見度為0.569 km，0.5～1.0 km(沙塵暴)的頻次最多，占總頻次的70%，<0.05 km(特強沙塵暴)的頻次最少，僅占總頻次的3.2%。近16 a沙塵暴年均最小能見度無明顯變化，始終在平均值上下波動。

(5) 河西走廊年沙塵暴頻次與副高西伸脊點指數(shù)、東亞槽位置指數(shù)、類ENSO指數(shù)呈顯著正相關，與西太平洋副高面積指數(shù)、西太平洋副高強度指數(shù)、東亞槽強度指數(shù)、西藏高原-1指數(shù)、西藏高原-2指數(shù)、NINO 3.4區(qū)海表溫度距平指數(shù)、大西洋多年代際振蕩指數(shù)呈顯著負相關。

(6) 河西走廊沙塵暴過程持續(xù)時間與副高西伸脊點呈顯著正相關，與西太平洋副高面積指數(shù)、西太平洋副高強度指數(shù)、西藏高原-1指數(shù)、西藏高原-2指數(shù)、東亞槽強度指數(shù)、大西洋多年代際振蕩指數(shù)呈顯著負相關。