吐莉尼沙 安大維 張超 于碧馨 陳春艷

(新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002)

引言

新疆地處中亞干旱和半干旱地區(qū)，屬于中亞沙塵區(qū)的一部分，天山以南的塔里木盆地降水稀少，氣候干燥，荒漠和沙漠面積遼闊，沙塵天氣是該區(qū)域的主要災(zāi)害性天氣之一，沙塵天氣發(fā)生時(shí)， PM10指數(shù)爆表，造成空氣質(zhì)量急劇惡化[1]，對(duì)大氣環(huán)境造成惡劣影響。塔里木盆地同時(shí)也是我國(guó)沙塵暴天氣的主要源地。近年來，諸多學(xué)者對(duì)南疆塔里木盆地沙塵天氣開展了大量研究，對(duì)新疆沙塵天氣的時(shí)空分布[2-3]、趨勢(shì)變化[4-6]、周期[2-7]和突變[5]及影響因子[8-11]進(jìn)行了分析研究。李紅軍等[12]對(duì)新疆沙塵暴的趨勢(shì)研究指出，南疆和北疆近45 a沙塵暴次數(shù)呈下降趨勢(shì)?；粑牡萚13]分析了新疆三十里風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)及其周邊地區(qū)沙塵暴氣候變化特征。王森等[14]研究1961—2017年南疆地區(qū)沙塵天氣的時(shí)空變化特征及影響因素時(shí)，指出南疆地區(qū)沙塵天氣呈極顯著波動(dòng)下降趨勢(shì)，風(fēng)速與沙塵天氣日數(shù)呈正相關(guān)。周向玲等[15]研究了2001—2010年南疆西部沙塵暴發(fā)生的時(shí)間特征和風(fēng)速特征，指出沙塵暴發(fā)生在傍晚20:00時(shí)段頻數(shù)最多，發(fā)生沙塵暴時(shí)風(fēng)速大小變化幅度大，有明顯的陣風(fēng)特點(diǎn)。陳洪武等[16-17]研究了1961—1999年大風(fēng)對(duì)沙塵暴發(fā)生的貢獻(xiàn)影響指出，主要風(fēng)向北疆及東疆、南疆的吐鄯托盆地和焉耆盆地出現(xiàn)沙塵暴臨界風(fēng)速為 10 m·s-1，塔里木盆地為6—8 m·s-1，而盆地南緣只有6 m·s-1。以上針對(duì)南疆塔里木盆地沙塵時(shí)空分布特征及影響因子的研究?jī)H研究到2005年左右，且由于之前缺乏逐小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此對(duì)沙塵天氣頻發(fā)時(shí)段、持續(xù)時(shí)間以及沙塵暴起沙風(fēng)速等因子缺乏更精細(xì)化的研究。2006年開始，中國(guó)氣象局開始大量布設(shè)自動(dòng)觀測(cè)站，為南疆沙塵天氣的精細(xì)化研究提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文采用2006—2019年自動(dòng)觀測(cè)資料，對(duì)2006年以來南疆塔里木盆地沙塵天氣的時(shí)空分布特征、起沙時(shí)間以及起沙臨界風(fēng)速等進(jìn)行深入分析，探討其與氣象要素之間關(guān)系，并凝練沙塵預(yù)報(bào)的氣象因子，以期為新疆沙塵暴天氣預(yù)報(bào)預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)氣象服務(wù)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

將南疆區(qū)域定義為天山以南的7個(gè)地州(市)(圖1)，即哈密市、吐魯番市、巴音郭楞蒙古自治州(簡(jiǎn)稱巴州)、阿克蘇地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州(簡(jiǎn)稱克州)、喀什地區(qū)，和田地區(qū)。氣象資料由新疆氣象信息中心提供，選用2006—2019年南疆地區(qū)55個(gè)氣象站的風(fēng)向、風(fēng)速、小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集完整性好，詳細(xì)記錄了各站天氣現(xiàn)象和持續(xù)時(shí)間。

圖1 研究區(qū)域氣象站分布和地形Fig.1 Spatial distribution of weather station and topography of study area

1.2 研究方法

按照觀測(cè)記錄中沙塵天氣出現(xiàn)時(shí)能見度大小[18]，將沙塵天氣分為浮塵(無風(fēng)或風(fēng)力≤3級(jí)，沙?；驂m土使水平能見度小于10 km)、揚(yáng)沙(風(fēng)將地面沙粒和塵土吹起，使水平能見度在1—10 km以內(nèi))和沙塵暴來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

對(duì)于單站的沙塵天氣日數(shù)統(tǒng)計(jì)，依據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》[18]，以20:00(北京時(shí))為日界，出現(xiàn)跨日界的沙塵暴時(shí)，統(tǒng)計(jì)為2個(gè)沙塵暴日，若一日中記錄1次或以上記錄時(shí)，只統(tǒng)計(jì)1個(gè)沙塵暴日，揚(yáng)沙、浮塵天氣統(tǒng)計(jì)方法類同；若某站同一日中同時(shí)出現(xiàn)沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵的2種或以上記錄時(shí)，則統(tǒng)計(jì)記錄中最強(qiáng)的沙塵天氣。為直觀了解一年中不同等級(jí)沙塵天氣出現(xiàn)頻次，南疆區(qū)域沙塵天氣日數(shù)統(tǒng)計(jì)方法如下：當(dāng)某日南疆地區(qū)有3個(gè)及以上觀測(cè)站出現(xiàn)沙塵暴均記為一個(gè)沙塵暴日，有5個(gè)及以上觀測(cè)站出現(xiàn)揚(yáng)沙或浮塵，則分別記為出現(xiàn)1個(gè)揚(yáng)沙日、1個(gè)浮塵日。

季節(jié)劃分以3—5月、6—8月、9—11月、12月至次年2月分別為春、夏、秋、冬季。統(tǒng)計(jì)沙塵天氣的日峰值時(shí)，以地面觀測(cè)記錄為依據(jù)，按24個(gè)時(shí)次統(tǒng)計(jì)，得出日峰值，如沙塵暴記錄時(shí)間為19:10—19:30，則計(jì)在20:00的時(shí)次上，累計(jì)發(fā)生沙塵暴最多的時(shí)次即為該站沙塵天氣的日峰值。統(tǒng)計(jì)沙塵天氣持續(xù)時(shí)間時(shí)，以分鐘為單位計(jì)算。

2 結(jié)果分析

2.1 沙塵天氣空間分布

圖2給出南疆地區(qū)2006—2019年沙塵天氣年平均日數(shù)分布。整體分布呈向南開口的扇形狀，發(fā)生頻次最高區(qū)域主要位于塔里木盆地中南部地區(qū)，整體呈現(xiàn)盆地中部多，東、西部少的分布特點(diǎn)，沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵年均發(fā)生最高頻次分別為20.0 d·a-1、50.0 d·a-1、130.0 d·a-1，呈現(xiàn)出浮塵>揚(yáng)沙>沙塵暴的分布規(guī)律，三者具有相似的空間分布特征，但揚(yáng)沙、浮塵天氣范圍明顯大于沙塵暴范圍。無論是沙塵暴、還是揚(yáng)沙和浮塵，塔里木盆地南部地區(qū)均明顯高于北部地區(qū)沙塵暴中心位于和田的民豐，年平均日數(shù)高達(dá)23.1 d，其次是巴州的塔中，年平均沙塵暴日數(shù)可達(dá)17.3 d。

圖2 2006—2019年南疆地區(qū)沙塵暴(a)、揚(yáng)沙(b)、浮塵(c)天氣年平均日數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of annual average days in sandstorm (a),blowing sand (b) and floating dust (c) over southern Xinjiang from 2006 to 2019

天山南麓的拜城、輪臺(tái)、庫爾勒年平均沙塵暴日數(shù)少于2 d·a-1，原因一是地處沙漠北部邊緣，遠(yuǎn)離沙漠腹地，其次是南疆盆地盛行偏東或偏西風(fēng)，所以盆地北部地區(qū)受沙塵影響較少。西部的塔什庫爾干、烏恰屬于高山站，年平均沙塵暴日數(shù)僅為0.1 d，盆地東部的哈密、鄯善年平均沙塵暴不足1 d，但淖毛湖卻達(dá)到4.3 d，可能和下墊面以及風(fēng)速差異有關(guān)。盆地南部出現(xiàn)沙塵暴的頻次明顯高于北部及西部，其中，民豐至若羌縣一線地區(qū)沙塵暴出現(xiàn)頻率最高，年平均沙塵暴日數(shù)多達(dá)23.1—11.6 d。

揚(yáng)沙天氣空間分布與沙塵暴天氣類似(圖2b)，塔里木盆地南部地區(qū)揚(yáng)沙天氣多于北部，塔里木盆地東部的吐魯番市、哈密市，克州等地?fù)P沙天氣較少，南疆大部地區(qū)揚(yáng)沙年平均日數(shù)均超過10 d，盆地南緣和田地區(qū)的民豐縣至巴州且末縣一線區(qū)域揚(yáng)沙發(fā)生頻率最高，年平均日數(shù)高于50 d。其中，塔里木盆地腹地的塔中站揚(yáng)沙日數(shù)最多，年平均日數(shù)高達(dá)87.21 d，和田地區(qū)所有站點(diǎn)的揚(yáng)沙年平均日數(shù)均超過了20 d，尤其西部的皮山站年平均日數(shù)為40.6 d，明顯高于和田至策勒一線的站點(diǎn)。

浮塵天氣年平均日數(shù)明顯高于沙塵暴和揚(yáng)沙，其空間分布特征與沙塵暴分布大致相同(圖2c)，浮塵中心區(qū)在和田地區(qū)民豐站，年平均日數(shù)為162.8 d，塔中站為141.4 d。和田的所有站浮塵出現(xiàn)年平均日數(shù)均超過了90 d，其精細(xì)化分布特征與揚(yáng)沙不同，和田至策勒一線站點(diǎn)的浮塵日數(shù)高于和田偏西地區(qū)的浮塵日數(shù),且浮塵日數(shù)約揚(yáng)沙的1.5—2.0倍，沙塵暴的7—10倍。

2.2 沙塵天氣時(shí)間分布

2.2.1 沙塵天氣年際分布

圖3為2006—2019年南疆地區(qū)不同等級(jí)沙塵日數(shù)及頻次， 2006—2019年，沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵日數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，但2006—2012年，浮塵發(fā)生日數(shù)總體呈現(xiàn)逐年遞減趨勢(shì)，而沙塵暴、揚(yáng)沙則是 2009—2013年先略有增加后呈下降趨勢(shì)。2013年后，沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵日數(shù)再度呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，沙塵暴、揚(yáng)沙日數(shù)呈緩慢上升趨勢(shì)，浮塵日數(shù)年變率最大。年紀(jì)變化分析顯示，沙塵暴年日數(shù)最大值出現(xiàn)在2019年，為31 d，最小值出現(xiàn)在2012年，為10 d。揚(yáng)沙年日數(shù)最大值出現(xiàn)在2019年，為83 d，最小值出現(xiàn)在2013年，為41 d，浮塵日數(shù)年最大值出現(xiàn)在2016年，為182 d，最小值出現(xiàn)在2012年，為67 d(圖3a)。單站年平均沙塵暴日數(shù)一般不超過5次，揚(yáng)沙一般不超過15次，浮塵次數(shù)最多，最多時(shí)一年接近50次(圖3b)。

圖3 2006—2019年南疆地區(qū)沙塵日數(shù)(a)和頻次(b)變化Fig.3 Variation of dust days (a) and frequency (b) over southern Xinjiang from 2006 to 2019

2.2.2 沙塵天氣月分布

沙塵天氣月際分布表明(圖4)，南疆全年均有沙塵天氣發(fā)生，其中，3—9月是全年沙塵出現(xiàn)最多的季節(jié)，沙塵暴出現(xiàn)頻次最高在5月，高達(dá)6.1 d·m-1，其次是4月，最低出現(xiàn)在1月，不足1 d。揚(yáng)沙出現(xiàn)頻次最高亦在5月，為13.9 d，其次是6月和4月，分別為13.1 d、10.5 d，最低出現(xiàn)在1月，亦不足1 d。浮塵頻次最高發(fā)生在4—5月，兩者出現(xiàn)日數(shù)相當(dāng)，分別為18.5 d、18.14 d，最低出現(xiàn)在12月和1月，分別為2.9 d、2.7 d。可見，春季(4—5月)是南疆地區(qū)沙塵天氣的高發(fā)季節(jié)，以浮塵、揚(yáng)沙天氣為主，冬季出現(xiàn)沙塵天氣的頻次低，這或與冬季氣溫較低，土壤凍結(jié)以及南疆地區(qū)冬季冷空氣活動(dòng)弱等因素有關(guān)[14]。

圖4 2006—2019年南疆地區(qū)沙塵天氣月分布Fig.4 Monthly variation of dust weather over southern Xinjiang from 2006 to 2019

2.2.3 沙塵天氣日變化

為進(jìn)一步了解南疆地區(qū)沙塵天氣日變化特征，針對(duì)每日南疆地區(qū)沙塵天氣出現(xiàn)的時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。由圖5可見，盆地大部地區(qū)沙塵天氣主要集中在傍晚18—21時(shí)，38.5%的沙塵暴、69.1%的揚(yáng)沙站數(shù)均出現(xiàn)于該時(shí)間，遠(yuǎn)高于其他時(shí)段，但吐魯番盆地、阿克蘇地區(qū)北部和和田地區(qū)部分地區(qū)沙塵暴高發(fā)時(shí)段在凌晨至上午，其中，吐魯番盆地、南疆西部喀什的沙塵暴發(fā)生時(shí)間以凌晨為主，揚(yáng)沙則幾乎全部發(fā)生在午后至傍晚時(shí)段，阿克蘇沙塵暴以上午為主，揚(yáng)沙則在午后比較多，這與南疆盆地午后熱低壓造成的熱力不穩(wěn)定有較大關(guān)系，也有研究認(rèn)為是由午后中尺度對(duì)流單體后部的下曳氣流(或陣鋒風(fēng))所導(dǎo)致(新疆與內(nèi)地有2 h時(shí)差)。吐魯番沙塵一般出現(xiàn)在大風(fēng)過天山后，揚(yáng)沙高頻時(shí)段除莎車站出現(xiàn)在夜間，其余均在白天。

不同顏色不同指向的箭頭表征了沙塵天氣的不同發(fā)生時(shí)段(北京時(shí))圖5 2006—2019年南疆地區(qū)各站沙塵暴(a)、揚(yáng)沙(b)高發(fā)時(shí)次Fig.5 High occurrence time of sandstorm (a) and blowing sand (b) in southern Xinjiang from 2006 to 2019

2.3 沙塵天氣持續(xù)時(shí)間

統(tǒng)計(jì)表明，南疆地區(qū)各站浮塵平均持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于揚(yáng)沙和沙塵暴持續(xù)時(shí)間，72.7%的站點(diǎn)出現(xiàn)過持續(xù)2 d及以上的浮塵天氣，52.7%的站點(diǎn)出現(xiàn)過持續(xù)5 d以上的浮塵天氣，其中，阿克蘇地區(qū)的柯坪浮塵天氣持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，可達(dá)15 d(圖略)。沙塵暴和揚(yáng)沙天氣的平均持續(xù)時(shí)間相近(圖6)，82.3%站點(diǎn)的沙塵暴及78.1%站點(diǎn)的揚(yáng)沙維持時(shí)間均小于3 h。

沙塵暴持續(xù)時(shí)間最短的地區(qū)主要分布在塔里木盆地北部、吐魯番盆地、焉耆盆地和高山站，平均持續(xù)時(shí)間<0.5 h，占統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)的19%，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的區(qū)域有和田東部民豐縣至巴州南部若羌縣，哈密地區(qū)的十三間房站、哈密、喀什地區(qū)的澤普縣、巴楚縣，平均持續(xù)時(shí)間均超過2 h，約占總數(shù)23%，超過3 h的僅占6%，因此南疆大部地區(qū)沙塵暴持續(xù)時(shí)間不超過3 h。揚(yáng)沙平均持續(xù)時(shí)間的空間分布特征(圖6b)與沙塵暴分布相似，由塔里木盆地北部向南部增加，平均持續(xù)時(shí)間超過2 h的區(qū)域在巴州南部、哈密地區(qū)的十三間房、喀什地區(qū)的澤普縣、巴楚縣、阿克蘇地區(qū)的新和縣、阿拉爾市。

圖6 2006—2019年南疆地區(qū)沙塵暴(a)和揚(yáng)沙(b)平均持續(xù)時(shí)間Fig.6 Average duration of sandstorm (a) and blowing sand (b) in southern Xinjiang from 2006 to 2019

分析2006—2019年南疆各站沙塵暴最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間(圖略)表明，巴音布魯克、和靜、吐魯番、鄯善、阿圖什、烏恰、阿克陶、拜城沙塵暴持續(xù)最長(zhǎng)時(shí)間不足1 h，主要分布在盆地北部和西部地區(qū)，且上述站點(diǎn)沙塵暴發(fā)生頻率每年不足0.5次，可見這些區(qū)域沙塵暴不易發(fā)生，即使出現(xiàn)沙塵暴，其持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較短，而和田地區(qū)的民豐，巴州南部的塔中、若羌、且末和鐵干里克，阿克蘇地區(qū)南部的柯坪、阿拉爾，喀什地區(qū)的巴楚、哈密地區(qū)的十三間房等10個(gè)站均出現(xiàn)過持續(xù)時(shí)間超過10 h的沙塵暴天氣，其中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的記錄出現(xiàn)在若羌，長(zhǎng)達(dá)12 h。南疆大部地區(qū)揚(yáng)沙最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間比沙塵暴要長(zhǎng)，大部分地區(qū)揚(yáng)沙均超過2 h，其中28站超過10 h，塔中和若羌站的揚(yáng)沙最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間超過20 h。原因主要有3個(gè)一是上述區(qū)域處于塔克拉瑪干東南部沙漠腹地，具有豐富的沙源條件；二是從南疆西部的風(fēng)口翻山進(jìn)入盆地的偏西大風(fēng)和從東疆的“百里風(fēng)區(qū)”回流東灌進(jìn)入盆地的偏東風(fēng)，均可到達(dá)塔里木盆地東南部，可以為沙塵天氣提供較好的動(dòng)力條件；三是塔里木盆地處于天山和昆侖山、阿爾金山之間，沙塵天氣發(fā)生后，被高山阻擋，造成沙塵在空中長(zhǎng)久懸浮，不易向外擴(kuò)散，因此導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的沙塵天氣。

2.4 沙塵暴風(fēng)速閾值研究

風(fēng)速是沙塵天氣的動(dòng)力基礎(chǔ)，與沙塵天氣呈明顯正相關(guān)關(guān)系，貢獻(xiàn)率超過50%[13]。當(dāng)沙塵源相似時(shí),風(fēng)速對(duì)沙塵天氣的發(fā)生影響占主導(dǎo)地位[11]。因此，利用2006年以來自動(dòng)站觀測(cè)的小時(shí)數(shù)據(jù)2 min風(fēng)速和2016年以來的極大風(fēng)速，分析南疆地區(qū)沙塵暴天氣時(shí)的起沙風(fēng)速閾值。某站記錄沙塵暴的發(fā)生時(shí)間為15:20—16:40，則分別比較與該站沙塵暴開始時(shí)間15:20相鄰的整點(diǎn)時(shí)次(15時(shí)、16時(shí))的2 min風(fēng)速和極大風(fēng)速，選用較大者為該站當(dāng)日沙塵暴天氣的起沙風(fēng)速，將該站所有沙塵暴日的起沙風(fēng)速統(tǒng)計(jì)平均，得出該站的沙塵暴啟動(dòng)時(shí)的2 min平均風(fēng)速和平均極大風(fēng)速。

2.4.1 沙塵暴2 min平均風(fēng)速

南疆地區(qū)各測(cè)站起沙風(fēng)速差異較大，例如風(fēng)口區(qū)域的沙塵暴起沙2 min平均風(fēng)速>10 m·s-1，十三間房為25.3 m·s-1、巴音布魯克為13.1 m·s-1、托克遜為10.1 m·s-1、淖毛湖為12.4 m·s-1，南疆其余大部地區(qū)沙塵暴臨界2 min平均風(fēng)速值介于3—4級(jí)，占61.1%，其中2 min風(fēng)速較大的地區(qū)主要在南疆北部的吐魯番盆地、哈密地區(qū)、庫車至庫爾勒市一線。盆地南部和田地區(qū)東部至巴州南部的2 min平均風(fēng)速在2.5(于田)—4.5 m·s-1(若羌)之間。

2.4.2 沙塵暴平均極大風(fēng)速

南疆地區(qū)發(fā)生沙塵暴時(shí)的極大風(fēng)速總體呈現(xiàn)由盆地西部、北部、東部向盆地的中部和南部減小的特征(圖7)。超過8級(jí)(17.1 m·s-1)達(dá)到大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)站有巴音布魯克、托克遜、巴里坤、淖毛湖和伊吾，這5個(gè)站中2站為風(fēng)口站，3站為高山站。南疆地區(qū)其他測(cè)站發(fā)生沙塵暴時(shí)的平均極大風(fēng)速均小于13.8 m·s-1(6級(jí))，在4.6 m·s-1(和田)—13.3 m·s-1。和田地區(qū)、阿克蘇地區(qū)南部的柯坪至沙雅地區(qū)、吐魯番盆地的庫米什、鄯善，喀什地區(qū)的麥蓋提、葉城的極大風(fēng)速約為4—8 m·s-1之間，而盆地西部的喀什地區(qū)和北部的阿克蘇地區(qū)極大平均風(fēng)速在8—13 m·s-1之間?？梢?，南疆地區(qū)沙塵暴最小風(fēng)速閾值與冷空氣分別從南疆西部克州山區(qū)、阿克蘇等地翻山進(jìn)入盆地以及從東部哈密地區(qū)回流倒灌進(jìn)入盆地的路徑有明顯關(guān)系。

圖7 2016—2019年南疆地區(qū)沙塵暴起沙時(shí)2 min風(fēng)速(a)和極大風(fēng)速(b)平均分布Fig.7 Distribution of 2-min velocity (a) and maximum velocity (b) at the beginning of dust emission during dust storm events over southern Xinjiang from 2016 to 2019

2.4.3 沙塵暴最小極大風(fēng)速閾值

針對(duì)易造成災(zāi)害的沙塵暴天氣，本文還統(tǒng)計(jì)了2016—2019年南疆地區(qū)沙塵暴極大風(fēng)速的最小值及其對(duì)應(yīng)的風(fēng)向。由圖8可知，南疆大部地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴時(shí)最小極大風(fēng)速在1.6(于田、且末)—9.8 m·s-1(和碩)之間，只有風(fēng)口、高山地區(qū)的巴音布魯克、淖毛湖、巴里坤、伊吾等4站的極大風(fēng)速最小值超過了17.1 m·s-1，達(dá)到了大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，其他站出現(xiàn)沙塵暴時(shí)極大風(fēng)速的最小值均沒達(dá)到大風(fēng)級(jí)別。風(fēng)向分布顯示，沙塵暴時(shí)各站極大風(fēng)速最小值對(duì)應(yīng)風(fēng)向偏東風(fēng)(14站)頻次最高，其次是偏北風(fēng)(12站)、偏西風(fēng)(11站)，最少是偏南風(fēng)(7站)。偏東風(fēng)與偏北風(fēng)主要出現(xiàn)于塔里木盆地北部的阿克蘇地區(qū)至庫爾勒市一線以及巴州南部和哈密地區(qū)，這主要與來自翻越天山后東路倒灌進(jìn)入盆地的冷空氣有密切關(guān)系，冷空氣翻天山后，由于地形(下坡風(fēng))影響，冷空氣帶來的風(fēng)速明顯增大，因此造成南疆地區(qū)出現(xiàn)沙塵頻率最高的為偏東風(fēng)。受偏西風(fēng)影響出現(xiàn)沙塵暴的吐魯番盆地、喀什地區(qū)、阿克蘇地區(qū)北部和哈密地區(qū)，由于越過昆侖山脈進(jìn)入盆地的西路冷空氣通常強(qiáng)度較弱，因此西路冷空氣導(dǎo)致的沙塵天氣范圍小，強(qiáng)度弱。

2.4.4 春、夏季節(jié)沙塵暴極大風(fēng)最小值差異分析

春季和夏季是南疆地區(qū)沙塵暴發(fā)生最多時(shí)段，其中，夏季最多，春季次之。為進(jìn)一步了解春、夏季節(jié)沙塵暴發(fā)生頻率差異，選取2016—2019年南疆地區(qū)18個(gè)站春、夏兩季沙塵暴起始時(shí)刻極大風(fēng)速進(jìn)行分析。由表1可見，18個(gè)站中只有吐魯番的庫米什和巴州北部的輪臺(tái)夏季的極大風(fēng)速大于春季，南疆地區(qū)其他各站均表現(xiàn)為春季沙塵暴起始時(shí)刻極大風(fēng)速值大于夏季，南疆地區(qū)多沙漠、戈壁，夏季氣溫快速升高，大氣不穩(wěn)定性增強(qiáng)，發(fā)生沙塵暴的熱力條件比春季好，因此較小的風(fēng)速即可達(dá)到沙塵暴所需的動(dòng)力起沙風(fēng)速臨界值。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，沙塵暴風(fēng)速差異最大的兩站為風(fēng)口站托克遜和高山站巴音布魯克，春、夏風(fēng)速差值均可超過15 m·s-1，而其他站春、夏季極大風(fēng)速差值僅在0.5(墨玉)—4.0 m·s-1(尉犁)，這體現(xiàn)出高山風(fēng)口地區(qū)與其他地區(qū)巨大差異。和田、巴州地區(qū)南部的平均極大風(fēng)速春季在4.4(墨玉)—12.6 m·s-1(若羌)，夏季在3.9(墨玉)—10.4 m·s-1(若羌)。和田地區(qū)民豐、于田、墨玉3站沙塵暴平均極大風(fēng)速春、夏季差值較小，只有0.5—0.6 m·s-1，而洛浦、策勒2站的春、夏季極大風(fēng)速差值在2.0—2.7 m·s-1。巴州地區(qū)尉犁及以南地區(qū)平均極大風(fēng)速春、夏季差值在2.2(若羌)—4.0 m·s-1(尉犁)，巴州南部沙塵暴發(fā)生時(shí)春、夏平均極大風(fēng)速差值明顯高于盆地南部的和田地區(qū)，說明盆地南部和田地區(qū)更易起沙。

表1 2016—2019年春季、夏季南疆沙塵暴日各站平均極大風(fēng)速Table 1 Average maximum wind velocity at each station in sandstorm days during spring and summer over southern Xinjiang from 2016 to 2019 m·s-1

箱線圖分析法廣泛用于天氣預(yù)報(bào)閾值分析，本文選取南疆塔里木盆地民豐、塔中、且末三站數(shù)據(jù)的箱線圖為例進(jìn)行說明(圖8)，春季民豐、塔中、且末等地極大風(fēng)速值分別在5—10 m·s-1、9—14 m·s-1、6—15 m·s-1，而夏季三站沙塵暴起沙極大風(fēng)速分別為4—8 m·s-1、7—9 m·s-1、5—10 m·s-1，春季沙塵暴極大風(fēng)速略高于夏季，而最小起沙極大風(fēng)速略小于夏季(圖略)，春季極大風(fēng)速離散度比夏季大，造成這種分布可能由于春季下墊面條件更有利于沙塵出現(xiàn)，所以起沙極大風(fēng)速區(qū)間大，離散度高同時(shí)春季多大風(fēng)，出現(xiàn)大風(fēng)的頻次以及極大值均多于夏季。

圖8 南疆地區(qū)民豐(a)、塔中(b)和且末(c)沙塵暴高頻站的春夏季極大風(fēng)速對(duì)比箱線圖Fig.8 Boxplots of maximum wind velocity during spring and summer observed at Minfeng (a),Tazhong (b),and Qiemo (c) stations (with high occurrence frequency of sandstorm events) in southern Xinjiang

3 結(jié)論

(1)沙塵中心位于塔里木盆地中部至其南緣的民豐至且末一線，表現(xiàn)為中部多、東部西部少的分布特點(diǎn)，浮塵和沙塵暴的中心在民豐，而揚(yáng)沙中心在塔中站。沙塵暴、揚(yáng)沙的季節(jié)差異比浮塵天氣明顯，秋冬季沙塵天氣最少，以浮塵為主，春、夏季是南疆地區(qū)沙塵天氣的高發(fā)季節(jié)，浮塵日與揚(yáng)沙日數(shù)接近，約為沙塵暴的2倍，與秋冬季明顯不同。

(2)南疆沙塵天氣日變化特征總體呈現(xiàn)出白天明顯多于夜間，下午多于上午的分布特點(diǎn)， 18—20時(shí)是南疆地區(qū)出現(xiàn)沙塵暴、揚(yáng)沙天氣高頻的最高時(shí)段。南疆浮塵天氣具有分布廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，而揚(yáng)沙和沙塵暴的平均持續(xù)時(shí)間短，一般不超過3 h。

(3)南疆各站起沙風(fēng)速差異較大，存在一定的區(qū)域性規(guī)律，極大風(fēng)速分布呈東部大于西部，北部大于南部，塔里木盆地中部和南部最小，春季的極大風(fēng)速平均值大于夏季，差值較小的地區(qū)在和田地區(qū)，春季的極大風(fēng)速離散度也較夏季大。

(4)南疆地區(qū)各站出現(xiàn)沙塵暴時(shí)極大風(fēng)速的最小值范圍在1.6—9.8 m·s-1，阿克蘇地區(qū)南部、東部至庫爾勒市一線以偏東風(fēng)為主，吐魯番盆地、喀什地區(qū)、阿克蘇地區(qū)北部和哈密地區(qū)以偏西風(fēng)為主，而南疆沙塵中心的民豐、塔中、若羌對(duì)應(yīng)偏北風(fēng)，且末對(duì)應(yīng)偏東風(fēng)。

(5)和田地區(qū)、阿克蘇地區(qū)南部的柯坪至沙雅一線沙塵暴平均極大風(fēng)速閾值約為4—8 m·s-1，喀什地區(qū)、阿克蘇地區(qū)北部、除焉耆盆地的巴州地區(qū)等地沙塵暴平均極大風(fēng)速閾值約為8—13 m·s-1。