1961—2015年塔里木盆地夏季沙塵天氣時(shí)空特征及環(huán)流背景分析

譚 婷，王天竺

(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；2.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225)

0 引言

沙塵天氣是典型的自然災(zāi)害性天氣，在干旱區(qū)和半干旱區(qū)頻頻發(fā)生。根據(jù)形成情況，強(qiáng)度及危害程度不同可劃分為揚(yáng)沙、浮塵、沙塵暴三類。其中沙塵暴是最嚴(yán)重的沙塵天氣現(xiàn)象[1]。沙塵暴是指在強(qiáng)風(fēng)的天氣條件下，地面的大量沙塵被風(fēng)吹起，使其從地面進(jìn)入大氣層從而使能見度惡化(<1km)的一種自然的天氣現(xiàn)象[2]。沙塵暴發(fā)生時(shí)不僅會(huì)影響人類正常的生活環(huán)境，還會(huì)威脅人體的生命健康問(wèn)題。強(qiáng)沙塵暴所產(chǎn)生的沙塵氣溶膠粒子對(duì)人類環(huán)境破壞極強(qiáng)[3]。沙塵暴的發(fā)生對(duì)植被產(chǎn)生破壞，對(duì)空氣、水資源等造成不同程度的污染。沙塵暴的頻頻發(fā)生是土地荒漠化加劇的重要標(biāo)志，同時(shí)意味著生態(tài)環(huán)境正在加速惡化，這些危害都是我們不能小覷的。

新疆作為我國(guó)重點(diǎn)沙塵地區(qū)，多年來(lái)我國(guó)科研工作者們對(duì)新疆的沙塵天氣時(shí)空分布和演變規(guī)律進(jìn)行了不同程度的研究分析并獲得了很多成果[4-6]。阿米娜·阿布力克木等發(fā)現(xiàn)新疆沙塵暴的高發(fā)區(qū)主要位于南疆和北疆兩大沙漠地區(qū)，且南疆高于北疆，東疆也較多發(fā)生，沙漠作為高發(fā)中心向四周逐漸減少[7]。張寧寧等利用2000、2005以及2010年3期的土地覆被數(shù)據(jù)對(duì)新疆沙塵源的空間分布特征進(jìn)行分析得出，人類活動(dòng)對(duì)沙塵源的正向轉(zhuǎn)化具有顯著的影響[8]。孟露利用中尺度數(shù)值模式WRF/WRF-Chem進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)塔里木盆地特殊的沙塵氣溶膠的時(shí)空分布特征以及區(qū)域輸送特征等方面進(jìn)行了研究總結(jié)[9]。羅藤靈等人通過(guò)對(duì)2000—2012年沙塵暴天氣的變化過(guò)程特征進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出塔克拉瑪干沙漠光學(xué)厚度的時(shí)空分布特征[10]。除此之外，大多數(shù)研究表明影響沙塵天氣的因素除空間分布外，季節(jié)變化也是一個(gè)重要因素。董光榮等發(fā)現(xiàn)我國(guó)沙塵暴春季最多，約占全年總數(shù)的一半，其次為夏季，秋、冬季最少[11]。Wang等認(rèn)為春季和夏季是塔克拉瑪干沙漠周邊地區(qū)的沙塵天氣發(fā)生的高頻時(shí)間，青藏高原、河西走廊、內(nèi)蒙古高原西部沙塵天氣主要發(fā)生在春季、夏季和冬季，中國(guó)東北部的沙塵暴主要發(fā)生在春季和冬季[12]；梁云等通過(guò)大氣降塵總量觀測(cè)對(duì)新疆22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出，南疆的大氣降塵總量高于北疆，但北疆的季節(jié)性特征更為明顯，大氣降塵變化幅度受季節(jié)影響北疆明顯高于南疆[13]。地表植被和氣象條件對(duì)沙塵天氣的季節(jié)性變化具有重要影響，但目前對(duì)其具體影響因素還缺乏系統(tǒng)仔細(xì)的研究。塔里木盆地的沙塵天氣主要發(fā)生在春夏兩季，目前針對(duì)其討論的大多集中于春季[8,11,14,21]，對(duì)于夏季沙塵天氣的特征卻鮮有重點(diǎn)闡述，本文將重點(diǎn)分析塔里木盆地夏季沙塵天氣的空間分布特征、趨勢(shì)變化、時(shí)空變化及其環(huán)流背景等方面，進(jìn)一步加深對(duì)其夏季沙塵天氣的了解。

1 資料與方法

大氣環(huán)流再分析資料(各等壓面風(fēng)場(chǎng))由美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)/美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)提供[15]，分辨率為2.5°×2.5°。

塔里木盆地23站(圖1)逐月沙塵天氣資料(包括揚(yáng)沙、浮塵、沙塵暴)由新疆氣象信息中心提供，為了便于計(jì)算，本文采用雙線性插值方法將沙塵站點(diǎn)資料水平插值為0.5°×0.5°。本文的夏季指6～8月的氣候平均態(tài)，分析時(shí)段為1961—2015年。本文主要通過(guò)趨勢(shì)分析、Mann-Kenddall(MK)檢驗(yàn)方法、旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法(REOF)分析、合成分析等方法對(duì)塔里木盆地夏季的沙塵天氣特征及其環(huán)流背景進(jìn)行討論。

2 塔里木盆地沙塵天氣頻次的時(shí)空特征及變化

2.1 時(shí)空分布

圖2給出了1961—2015年沙塵天氣及沙塵暴天氣的頻率月分布，由圖2可知，沙塵天氣發(fā)生頻率最高時(shí)集中于4月份，沙塵暴天氣集中于5月份，從總體上看，沙塵天氣和沙塵暴的發(fā)生多集中于春季，分別占全年總頻數(shù)的46.9%和53.3%，占據(jù)全年大部分比例，因此也受到絕大多數(shù)學(xué)者的廣泛關(guān)注。但通過(guò)統(tǒng)計(jì)可見，沙塵天氣和沙塵暴發(fā)生在夏季時(shí)的比率分別占全年的31.0%和34.4%，同樣占據(jù)了不低的比率，以此作為研究重點(diǎn)，對(duì)塔里木盆地夏季沙塵天氣的特征及進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探討。

圖3分別給出了塔里木盆地夏季沙塵天氣發(fā)生頻次的55 a氣候平均場(chǎng)和距平場(chǎng)的空間分布。如圖3(a)所示，塔里木盆地夏季沙塵天氣表現(xiàn)為“南多北少”的特征，大值區(qū)位于盆地南部和西部地區(qū)，最大值超過(guò)70 d/m，小值區(qū)位于盆地北部地區(qū)。距平場(chǎng)分布表現(xiàn)為“西多東少”的異常特征(圖3b)，塔里木盆地西南、西北部地區(qū)夏季沙塵天氣偏多，東部地區(qū)偏少。圖4給出了1961—2015塔里木盆地23站夏季沙塵天氣發(fā)生頻次區(qū)域平均的時(shí)間序列及其MK檢驗(yàn)。如圖4(a)所示，塔里木盆地夏季沙塵天氣發(fā)生頻次表現(xiàn)為顯著的減少趨勢(shì)和年際變化，在20世紀(jì)80年代以前基本穩(wěn)定，從80年代開始頻次持續(xù)減少，其中最大值發(fā)生于1978年，最小值發(fā)生于2010年，結(jié)合MK檢驗(yàn)(圖4b)可以看出在80年代中后期沙塵天氣發(fā)生頻次發(fā)生突變，這與許多學(xué)者的研究一致[16-18]。

2.2 時(shí)空變化

對(duì)1961—2015年塔里木盆地23個(gè)臺(tái)站的夏季沙塵天氣頻數(shù)做距平處理，再用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法(REOF)進(jìn)行分析。REOF方法可以克服經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解方法(EOF)在展開時(shí)存在一定取樣誤差的局限性，旋轉(zhuǎn)后的時(shí)空?qǐng)隹臻g分布結(jié)構(gòu)清晰，不但可以較好地反映不同地域的變化，還可以反映不同地域的相關(guān)分布狀況。由于塔里木盆地區(qū)域較小，各地沙塵天氣空間分布差異較小，加之站點(diǎn)數(shù)量較少，所以載荷向量收斂速度很快，前2個(gè)載荷向量的累積方差貢獻(xiàn)率已達(dá)到58.76%，能基本反映沙塵天氣頻數(shù)時(shí)空變化的主要信息，所以主要對(duì)前2個(gè)模態(tài)進(jìn)行分析。第1模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為48.32%，如圖5(a)所示，除塔里木盆地北部少數(shù)地區(qū)為負(fù)異常外，其余地區(qū)均表現(xiàn)為正異常，體現(xiàn)出空間一致性，正異常中心位于盆地西部地區(qū)。說(shuō)明塔里木盆地大部分地區(qū)夏季沙塵天氣偏多(少)時(shí)，北部少數(shù)地區(qū)偏少(多)。第2模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為10.44%(圖5b)，除塔里木盆地北部和南部少數(shù)地區(qū)為負(fù)異常外，其余地區(qū)表現(xiàn)為一致的正異常，同樣體現(xiàn)出空間一致性，正異常中心位于盆地東部地區(qū)。前2個(gè)模態(tài)的分布型表明塔里木盆地沙塵天氣的變化可能主要與大尺度的環(huán)流有關(guān)。同時(shí)，前2個(gè)模態(tài)的時(shí)間系數(shù)(圖5c、d)與塔里木盆地夏季沙塵天氣頻數(shù)有很好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.76和0.52，均通過(guò)了99%信度檢驗(yàn)，說(shuō)明當(dāng)沙塵天氣減少時(shí)，PC1、PC2是減少的，反之亦然，PC1、PC2可以作為夏季塔里木盆地沙塵天氣頻次短期氣候預(yù)測(cè)的一個(gè)參考因子。

3 塔里木盆地沙塵天氣頻次異常年份的環(huán)流背景合成分析

沙塵天氣的發(fā)生，多與大尺度環(huán)流的調(diào)整和冷空氣的爆發(fā)密切聯(lián)系[5]。但也有研究表明，濕沉降作為減少沙塵天氣發(fā)生的物理方法，具有重要作用，降水對(duì)空氣干燥度的影響很大，可有效抑制沙塵的發(fā)生，降水量的增加明顯減少沙塵日數(shù)[19-20]，因此塔里木盆地降水的多少同樣直接影響沙塵天氣發(fā)生的頻數(shù)。為了分析沙塵天氣異常年份對(duì)應(yīng)的高低空環(huán)流特征，將1961—2015年共55a的夏季平均沙塵天氣頻次進(jìn)行區(qū)域平均，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，取標(biāo)準(zhǔn)化值大于1的5個(gè)最大值所對(duì)應(yīng)的年份為沙塵天氣多發(fā)年，標(biāo)準(zhǔn)化值小于1的5個(gè)最小值所對(duì)應(yīng)的年份為沙塵天氣少發(fā)年，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出，沙塵天氣多發(fā)年包括1964、1977、1978、1979和1980年，沙塵天氣少發(fā)年包括1998、2005、2006、2010和2013年。

圖6給出了塔里木盆地夏季沙塵天氣多發(fā)年和少發(fā)年200hPa緯向風(fēng)的分布特征(陰影部分為副熱帶西風(fēng)急流的急流軸，風(fēng)速大于25m·s-1區(qū)域)。在沙塵天氣多發(fā)年(圖6a)，200hPa緯向風(fēng)正異常，且表現(xiàn)為“北正南負(fù)”的異常分布特征，中亞副熱帶西風(fēng)急流偏強(qiáng)，傳輸?shù)降孛娴哪芰吭黾?，急流軸位置偏北，不利于塔里木盆地夏季降水[21]。在沙塵天氣少發(fā)年(圖6b)，200hPa緯向風(fēng)以負(fù)異常為主，中亞副熱帶西風(fēng)急流特征不明顯，傳輸?shù)降孛娴哪芰繙p少。

圖7給出了沙塵天氣多發(fā)年和少發(fā)年500hPa風(fēng)場(chǎng)的分布特征(A為反氣旋環(huán)流，C為氣旋環(huán)流，單位: m·s-1)。在沙塵天氣多發(fā)年(圖7a)，中亞、蒙古上空受反氣旋環(huán)流控制，在這樣的環(huán)流配置下，塔里木盆地上空盛行偏北風(fēng)，有利于高緯冷空氣的南下，導(dǎo)致沙塵天氣的發(fā)生。在沙塵天氣少發(fā)年(圖7b)，蒙古上空同樣受反氣旋控制，但位置偏南，塔里木盆地上空盛行偏南風(fēng)，同時(shí)塔里木盆地北部有氣旋性切變存在，有利于其夏季降水。圖8給出了沙塵天氣多發(fā)年和少發(fā)年700hPa風(fēng)場(chǎng)和水汽通量的分布特征(A為反氣旋環(huán)流，C為氣旋環(huán)流，風(fēng)場(chǎng)單位: m·s-1，水汽通量單位：g·cm-1·s-1·hPa-1)。在沙塵天氣多發(fā)年(圖8a)，受阿拉伯海氣旋性環(huán)流影響，阿拉伯海上空盛行偏北風(fēng)，不利于水汽向北輸送，塔里木盆地上空中地層以偏西風(fēng)為主，水汽條件較差。在沙塵天氣少發(fā)年(圖8b)，阿拉伯海和孟加拉灣水汽從青藏高原西側(cè)繞流進(jìn)入塔里木盆地，配合盆地北部上空的反氣旋環(huán)流，水汽在塔里木盆地堆積。其水汽條件要明顯好于沙塵天氣多發(fā)年。由此可見，在沙塵天氣少發(fā)年，高低空環(huán)流配置和水汽條件均好于沙塵天氣多發(fā)年。

4 結(jié)論和討論

文章通過(guò)對(duì)1961—2015年共55a塔里木盆地夏季沙塵天氣發(fā)生頻次的時(shí)空變化特征及環(huán)流背景進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)1961—2015年塔里木盆地夏季沙塵天氣表現(xiàn)為“南多北少”的氣候特征，大值區(qū)位于盆地南部和西部地區(qū)，距平場(chǎng)表現(xiàn)為“西多東少”的異常特征，塔里木盆地西南、西北部地區(qū)夏季沙塵天氣偏多，東部地區(qū)偏少。塔里木盆地夏季沙塵天氣發(fā)生頻次表現(xiàn)為顯著的減少趨勢(shì)，減速為-5.8 d/10 a，并且在80年代中后期發(fā)生突變。

(2)REOF分析的前2模態(tài)均表現(xiàn)出正異常為主的特征，說(shuō)明塔里木盆地夏季沙塵天氣具有良好的空間一致性，同時(shí)PC1、PC2均表現(xiàn)出顯著的減少趨勢(shì)，與沙塵天氣頻數(shù)有很好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.76和0.52，均通過(guò)了99 %信度檢驗(yàn)。

(3)通過(guò)合成分析發(fā)現(xiàn)，沙塵天氣偏多年和沙塵天氣偏少年的環(huán)流背景具有很大差異。偏多年的中亞副熱帶西風(fēng)急流偏強(qiáng)，位置偏北，有利于能量向下輸送的同時(shí)不利于新疆夏季降水，塔里木盆地中低空盛行偏北風(fēng)，水汽條件較差；偏少年的副熱帶西風(fēng)急流較弱，不利于能量向下輸送，塔里木盆地中低空盛行偏南風(fēng)配合較好的水汽條件，有利于塔里木盆地夏季降水的發(fā)生，對(duì)沙塵天氣的減少具有重要作用。

文章對(duì)塔里木盆地夏季沙塵天氣的時(shí)空特征及其環(huán)流背景進(jìn)行了討論分析，但具體影響塔里木盆地沙塵天氣的物理機(jī)制并未深入討論，后續(xù)將進(jìn)一步通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)等方法深入研究，以便加深對(duì)影響塔里木盆地夏季沙塵天氣物理機(jī)制的了解。