近54年內(nèi)蒙古自治區(qū)西部沙塵暴的變化趨勢(shì)

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)，風(fēng)沙掩埋農(nóng)田、毀壞基礎(chǔ)建設(shè)；能見(jiàn)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(lèi)生存和發(fā)展的重要因素。我國(guó)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(shí)源區(qū)不同地域沙塵暴發(fā)生規(guī)律對(duì)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(guó)西北內(nèi)陸，具有獨(dú)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(gè)沙塵暴多發(fā)中心,其中有四個(gè)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(dòng)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(kù)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(gè)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(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。以往對(duì)于沙塵暴周期性特征的分析僅僅是從時(shí)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(guó)春季沙塵暴的周期性變化特征；而小波分析方法可以同時(shí)從時(shí)域和頻域兩方面分析時(shí)間序列的局部特征，孫然好、王存忠、萬(wàn)的軍[10-12]等通過(guò)研究指出小波分析方法對(duì)于分析沙塵暴的周期性特征有很好的參考價(jià)值。對(duì)于沙塵暴突變性特征的分析大多都使用滑動(dòng)f檢驗(yàn)方法,忽略了人為主觀取值的隨意性；而使用Mann-Kendall(MK)檢驗(yàn)方法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)方法相結(jié)合來(lái)分析沙塵暴突變性特征可以很好的避免主觀取值對(duì)其影響。Mann-Kendall(MK)檢驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)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(yàn)等方面。本文采用小波分析、MK檢驗(yàn)等多種統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)西部地區(qū)近54 a沙塵暴的趨勢(shì)、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(cè)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(guó)的新要求下，研究?jī)?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(shí)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(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的。根據(jù)氣象站點(diǎn)建站時(shí)間與數(shù)據(jù)完整性選取了24個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)的逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中阿拉善盟8個(gè)氣象站、巴彥淖爾市7個(gè)氣象站、鄂爾多斯市8個(gè)氣象站、烏海市1個(gè)氣象站。

注：1額濟(jì)納旗； 2拐子湖； 3巴彥諾爾公； 4雅布賴(lài)； 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(diǎn)空間分布

1.2 研究方法

1.2.1 線性?xún)A向估計(jì)法 氣象要素的變化趨勢(shì)采用一次線性方程表示：

Yi=a+bti(i=1,2,3,…,n)

(1)

式中：Yi——時(shí)間為ti的某一氣候變量；t——所對(duì)應(yīng)的時(shí)間；a——回歸常數(shù)；b——線性趨勢(shì)項(xiàng)。若b>0，Y呈上升趨勢(shì)，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(shí)從時(shí)域和頻域揭示時(shí)間序列的局部特性，適合于研究具有多時(shí)間尺度變化特性的非平穩(wěn)信號(hào)。沙塵暴天氣發(fā)生頻次可以看作是隨時(shí)間有周期性變化的信號(hào)。本文利用Morlet小波對(duì)近54 a內(nèi)蒙古自治區(qū)西部沙塵暴時(shí)間序列的周期性進(jìn)行分析，其實(shí)部等值線圖可以反映時(shí)間序列不同時(shí)間尺度的周期變化及其在時(shí)間域中的分布。為了更直觀的判斷時(shí)間序列的主要周期(即長(zhǎng)、短周期)還需進(jìn)行小波方差檢驗(yàn)，其值可以反映時(shí)間序列的波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度的分布情況。

1.2.3 MK檢驗(yàn) MK檢驗(yàn)，也叫無(wú)分布檢驗(yàn)，是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法。其優(yōu)點(diǎn)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(shí)間序列Xi(i=1,2,3,…,n)隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

(2)

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

(3)

UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列X順序X1,X2,X2…,Xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著水平α，通過(guò)查表，如果│UFi│>Uα,則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。逆序重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)使UBk=-UFk(k=n,n-1,n-2,…,1),UB1=0。通過(guò)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(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)它們超過(guò)臨界值線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。如果UFk和UBk出現(xiàn)的交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開(kāi)始的時(shí)間；超過(guò)臨界線的范圍則確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。MK檢驗(yàn)方法多用于發(fā)生突變時(shí)的分析，但由于MK檢驗(yàn)方法不能用于多點(diǎn)突變的檢查，因此當(dāng)使用MK方法檢測(cè)突變時(shí)，如果兩條線的交叉點(diǎn)位于臨界線以外，或檢測(cè)出多次突變時(shí)，則需要用滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)突變點(diǎn)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(shì)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(shì)，根據(jù)沙塵暴天氣發(fā)生頻次以及其線性趨勢(shì),將沙塵暴日數(shù)變化趨勢(shì)分為3個(gè)時(shí)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(shí)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(shì)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(shí)部等值線如圖3所示。圖3中小波系數(shù)值越大，對(duì)應(yīng)的沙塵暴日數(shù)就越多；小波系數(shù)值越小，對(duì)應(yīng)的沙塵暴日數(shù)就越少；等值線中心對(duì)應(yīng)的時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)間序列的波動(dòng)能量隨尺度變化過(guò)程中，存在1.5，5，8，13，22，31 a這6個(gè)峰值(圖4)。綜合小波變換系數(shù)實(shí)部等值線圖與小波方差變化圖可知在研究時(shí)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(gè)長(zhǎng)周期和5，8和1.5 a三個(gè)短周期。

圖3 研究區(qū)沙塵暴日數(shù)的小波變換系數(shù)實(shí)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(yàn)

利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)與MK檢驗(yàn)相結(jié)合，同時(shí)對(duì)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(yàn)，置信水平取95%。根據(jù)沙塵暴日數(shù)滑動(dòng)t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量曲線(圖5—6)與沙塵暴日數(shù)MK檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量曲線圖(圖7)可知，當(dāng)滑動(dòng)子序列長(zhǎng)度n=7時(shí)。

圖5 研究區(qū)沙塵暴日數(shù)滑動(dòng)t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量曲線(n=7)

從圖5中可大致判斷突變發(fā)生的時(shí)段有1976—1980年、1982—1992年；當(dāng)滑動(dòng)子序列長(zhǎng)度n=5時(shí)，從圖6中可大致判斷突變發(fā)生的時(shí)段有1971—1972年、1975—1979年、1986—1990年；在MK檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(shì)，其中在1983年超過(guò)臨界線，表明下降的趨勢(shì)更加明顯。而UF與UB曲線在臨界線外相交于1986年，符合滑動(dòng)t檢驗(yàn)判斷的突變時(shí)間區(qū)域，也與趨勢(shì)特征變化中的結(jié)果一致，所以該突變點(diǎn)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(dòng)t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量曲線(n=5)

圖7 研究區(qū)沙塵暴日數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(guò)研究沙塵暴活動(dòng)特點(diǎn)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(shí)期，80—90年代則相對(duì)比較濕潤(rùn)；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(dòng)勢(shì)力比較強(qiáng)，寒潮、大風(fēng)天氣偏多,對(duì)應(yīng)的春季沙塵暴發(fā)生頻數(shù)就多，從80年代中期開(kāi)始至90年代末冷空氣活動(dòng)勢(shì)力減弱,對(duì)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(dòng)力條件。錢(qián)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(guò)度開(kāi)墾土地、過(guò)度放牧、地下水位下降以及濫開(kāi)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(shí)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(guó)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(gè)短周期在1986年之前比較明顯，31，22和13 a三個(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)研究指出近40 a我國(guó)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(guó)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(shí)間序列和大風(fēng)日數(shù)時(shí)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(shí)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(zhǎng)、短周期均與其相近。內(nèi)蒙古自治區(qū)西部地貌類(lèi)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(duì)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(lái)沙塵暴日數(shù)，根據(jù)其變化特點(diǎn)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(gè)長(zhǎng)周期和5，8和1.5 a三個(gè)短周期的波動(dòng)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。