近37a柴達(dá)木盆地沙塵暴的時空變化特征及影響因子分析

陳宏松，祁棟林，韓廷芳，石秀云，李 興，李萬志

(1.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099；2.青海省氣象科學(xué)研究所，青海 西寧 810001；3.青海省氣候中心，青海 西寧 810001)

1 引言

根據(jù)沙塵暴氣象觀測規(guī)范的定義：沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)將地面大量的塵沙吹起，使空氣很混濁，水平能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象，且沙塵暴又分為沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴、特強(qiáng)沙塵暴[1]。沙塵暴發(fā)生時常常伴隨著較強(qiáng)的風(fēng)力和較低的能見度，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的日常生活會造成一定危害。近年來沙塵暴以其危害的嚴(yán)重性和影響的廣泛性，備受國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。國外從上世紀(jì)20年代就開始了沙塵暴方面的研究，20世紀(jì)20年代初Hankin等首先對印度的“Andhi”型沙塵暴的上升和下沉氣流進(jìn)行了研究[2]。自20世紀(jì)70年代起我國開始對沙塵暴進(jìn)行研究，主要研究領(lǐng)域為沙塵暴的成因以及氣候影響條件等[3～10]。

柴達(dá)木盆地位于青海省的西北部，青藏高原的東北部，干旱少雨，植被稀少，東部下墊面以溫性草原為主，西部下墊面以沙漠戈壁為主，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，是我國海拔最高的內(nèi)陸盆地，柴達(dá)木盆地常受大風(fēng)沙塵暴的侵襲，給國民經(jīng)濟(jì)及人民生活生產(chǎn)造成了一定的危害。柴達(dá)木盆地以其特殊的地理位置和氣候背景，成為青海省沙塵天氣的多發(fā)區(qū)之一，也是我國沙塵天氣多發(fā)區(qū)之一。至今，前人已經(jīng)做過一些關(guān)于柴達(dá)木盆地沙塵天氣特征研究[11，12]，其中張煥平[12]等揭示了柴達(dá)木盆地沙塵天氣時間變化特征、變化的主要原因、沙塵天氣與氣象要素的關(guān)系，所做研究最為全面。但是目前對于柴達(dá)木盆地的沙塵暴空間分布特征、柴達(dá)木盆地東西部沙塵暴日數(shù)變化差異、沙塵暴日數(shù)變化與氣象要素的完全相關(guān)關(guān)系并沒有研究。本文將對近37a間柴達(dá)木盆地沙塵暴的空間分布特征、柴達(dá)木盆地東西部沙塵暴的年際變化及全區(qū)沙塵暴日數(shù)年際、年代際變化趨勢、月季變化、突變及多時間尺度變化特征、沙塵暴日數(shù)與氣候因子的完全相關(guān)分析等進(jìn)行研究，進(jìn)一步分析柴達(dá)木盆地沙塵暴空間區(qū)域分布特征、區(qū)域及整體的沙塵暴時間變化規(guī)律、影響因子，對改善農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的發(fā)生、環(huán)境保護(hù)和促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。

2 資料和方法

2.1 資料來源

選取柴達(dá)木盆地茫崖、冷湖、大柴旦、格爾木、諾木洪、都蘭、烏蘭、茶卡、德令哈、天峻、小灶火11個氣象站1981～2017年逐月沙塵暴日數(shù)、平均氣溫、降水量、降水日數(shù)、相對濕度、水汽壓、大風(fēng)日數(shù)、平均風(fēng)速等氣象要素，并以11個氣象站的氣象觀測要素的算術(shù)平均值時間變化代表柴達(dá)木盆地的沙塵暴日數(shù)變化時間序列。

氣象上的季節(jié)劃分：春季：3～5月、夏季：6～8月、秋季：9～11月、冬季：12月～翌年2月，以1981～2017年算術(shù)平均值代表37a氣候平均值。

2.2 研究方法

2.2.1 氣候傾向率 通常用一元線性方程來描述要素的氣候變化趨勢[13]：

y(t)=a+b(t)

(1)

式中，t為時間序列，a為經(jīng)驗系數(shù)，其通過回歸分析中的最小二乘法求得，b為趨勢變化率，當(dāng)b在某時間序列中為正(負(fù))表示氣候要素有增加(減小)趨勢，b×10為氣候傾向率，表示氣候要素10a的變化速率。

2.2.2 Mann-Kendall(MK)法 MK法[11]通過構(gòu)造正序列(UF)和逆序列(UB)進(jìn)行計算，根據(jù)正、逆序列統(tǒng)計量的曲線判斷氣象要素的變化趨勢及突變特征。MK法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，它不假定隨機(jī)變量分布也不受異常值干擾。變量可以不具有正態(tài)分布的特征，因此非常適用于氣候變量的趨勢檢驗。

2.2.3 Morlet小波分析法 Morlet小波分析法[13]能夠詳細(xì)而準(zhǔn)確地提示出時間序列中瞬時頻率結(jié)構(gòu)隨時間的變化，該方法具有局部化、多層次和多分辨的優(yōu)點。小波系數(shù)的實部包含所給定的時間、尺度信號相對于其他時間、尺度信號的強(qiáng)度和位相信息，變換圖形能夠反映物理量的時空變化周期性特征。

2.2.4 完全相關(guān)系數(shù) 完全相關(guān)系數(shù)[15]QC的計算公式如下：

|QC|=C1×C2

(2)

式中QC為完全相關(guān)系數(shù)、C1為氣象要素與沙塵暴日數(shù)的相關(guān)系數(shù)、C2為氣象要素與時間的相關(guān)系數(shù)。只有當(dāng)某氣象要素不但與沙塵暴日數(shù)有較好的相關(guān)性，且又隨時間有顯著變化時，氣象要素與沙塵暴日數(shù)的完全相關(guān)系數(shù)才比較大，表明該氣象要素為沙塵暴日數(shù)變化的主要影響因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 柴達(dá)木盆地沙塵暴的空間分布特征

柴達(dá)木盆地沙塵暴年平均日數(shù)在0.5～11.7 d之間，沙塵暴日數(shù)有兩個高值中心為格爾木、茫崖均大于8 d，其余地區(qū)沙塵暴日數(shù)均小于7 d；沙塵暴天氣出現(xiàn)日數(shù)有兩個低值中心為大柴旦、德令哈均小于2 d(如圖 1)。沙塵暴的空間分布與地理位置和地形特征有很大關(guān)系。沙塵暴形成的3個基本條件為：豐富的沙源、強(qiáng)風(fēng)及不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，首先南疆盆地和柴達(dá)木盆地西南部有廣闊的沙源地，而且大風(fēng)的地理分布也有明顯的地域性，茫崖處于柴達(dá)木盆地西沿的阿爾金山山口，出現(xiàn)大風(fēng)的日數(shù)較多[16]，另外柴達(dá)木盆地的地勢為從西北向東南方向傾斜，其東部為較大的開闊地，格爾木市正處于這種開闊地，這種特殊的地形不但對風(fēng)有狹管加速效應(yīng)，而且風(fēng)沿地形下滑過程中勢能轉(zhuǎn)化為動能，使近地面風(fēng)會進(jìn)一步加強(qiáng)[17]，導(dǎo)致格爾木地區(qū)風(fēng)速相對較大，進(jìn)而使得柴達(dá)木盆地的沙塵暴高發(fā)區(qū)出現(xiàn)在茫崖和格爾木地區(qū)。

圖1 柴達(dá)木盆地沙塵暴年平均日數(shù)分布

3.2 柴達(dá)木盆地沙塵暴的時間變化趨勢

3.2.1 柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)的年際變化 圖2顯示，近37a柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)年變化呈波動減少趨勢。其減少速率為1.2d/10a，通過了0.01水平的顯著性檢驗。柴達(dá)木盆地沙塵暴年平均日數(shù)最多的年份為1984年，達(dá)7.5 d。2013年為柴達(dá)木盆地沙塵暴年平均出現(xiàn)日數(shù)最少年，為0.9 d。柴達(dá)木盆地各站累計沙塵暴日數(shù)年平均日數(shù)為4.1 d。從柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)累計距平變化趨勢來看，2003年以前為沙塵暴日數(shù)的偏多期，2003年以后為沙塵暴日數(shù)偏少期，但是沙塵暴日數(shù)在2010年表現(xiàn)為明顯偏多。從沙塵暴日數(shù)的5a滑動平均變化曲線來看，80年代、2002～2007年、21世紀(jì)以后表現(xiàn)為沙塵暴日數(shù)的明顯減少。

圖2 近37a柴達(dá)木盆地沙塵暴變化趨勢

3.2.2 柴達(dá)木盆地東西部沙塵暴日數(shù)的年際變化差異 柴達(dá)木盆地自然地理狀況及下墊面復(fù)雜多樣，東部以溫性草原為主，西部以溫性荒漠為主。根據(jù)韓廷芳等[18]的研究方法，將柴達(dá)木盆地分為兩個部分，東部為德令哈、都蘭、烏蘭、天峻、茶卡5個地區(qū)，西部為小灶火、格爾木、諾木洪、茫崖、冷湖、大柴旦6個地區(qū)，研究的沙塵暴數(shù)據(jù)為該地區(qū)的氣象站觀測到的沙塵暴觀測數(shù)據(jù)，并且用東西部氣象站觀測的沙塵暴日數(shù)算術(shù)平均值代表東西部沙塵暴日數(shù)。

柴達(dá)木盆地東西部沙塵暴日數(shù)年際變化圖3，東西部沙塵暴日數(shù)階段變化基本一致，呈現(xiàn)一致的減少趨勢，減少速率分別為1.3 d/10a、1.0 d/10a，均通過了0.01水平的顯著性檢驗，東部減少速率大于西部。從東西部沙塵暴日數(shù)的5a滑動平均來看東部沙塵暴日數(shù)減少速率明顯大于西部。東部沙塵暴日數(shù)多年平均值為2.4 d，西部沙塵暴日數(shù)多年平均為5.6 d，西部為東部的2.3倍。

圖3 近37a柴達(dá)木盆地東(a)、西(b)部沙塵暴變化趨勢

3.2.3 柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)的年代際變化 近37a柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)的年代際距平變化表示(表1)，20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初期，柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，20世紀(jì)80年代、90年代沙塵暴日數(shù)偏多，80年代偏多尤為明顯，90年代略偏多，21世紀(jì)以來沙塵暴日數(shù)呈偏少態(tài)勢，其中2011～2017年沙塵暴日數(shù)比氣候平均值4.1 d偏少2 d。

表1 沙塵暴日數(shù)的年代際距平變化

3.2.4 柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)的月、季節(jié)變化 通過分析1981～2017年柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)的月變化(圖4)可知，4月為柴達(dá)木盆地沙塵暴出現(xiàn)日數(shù)最多的月份，達(dá)1.0 d，為全年總?cè)諗?shù)的23%；10月為沙塵暴日數(shù)出現(xiàn)最少的月份，為0.1 d，柴達(dá)木盆地沙塵暴天氣的月變化趨勢與我國沙塵暴天氣月變化趨勢表現(xiàn)一致[19]。

圖4 近37a柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)月變化趨勢

從沙塵暴的季節(jié)變化特征來看(表2)，1981～2017年之間柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，春季出現(xiàn)日數(shù)最多，為2.3 d，明顯高于其他三個季節(jié)，占全年總?cè)諗?shù)的56%，主要原因為春季到來，氣溫迅速回升，土壤表層解凍，變得松散，加上春季柴達(dá)木盆地缺乏降水，蒸發(fā)量又較大，同時植被尚未返青，土壤極易被卷起形成沙塵天氣；夏季是柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)第二多的季節(jié)，出現(xiàn)0.8 d，占全年總?cè)諗?shù)的19%，夏季沙塵暴日數(shù)僅次于春季，主要是由于高原夏季對流比較旺盛，局地強(qiáng)對流天氣易引起大風(fēng)沙塵天氣，這種沙塵天氣的范圍較小[20]，稱為局地性沙塵暴；秋季為柴達(dá)木盆地沙塵暴在發(fā)生的日數(shù)最少的季節(jié)，為0.4 d，這主要與盆地受冷空氣的影響次數(shù)較少、強(qiáng)度較弱且夏季累積降水、下墊面的性質(zhì)有關(guān)。柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季的季節(jié)特征。

表2 沙塵暴日數(shù)的季節(jié)變化

3.3 柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)的突變檢驗

為研究柴達(dá)木盆地年沙塵暴日數(shù)是否存在突變現(xiàn)象，采用Mann-Kendall(M-K)非秩次檢驗方法對沙塵暴日數(shù)進(jìn)行突變檢驗分析，得到圖5，由圖5可以看出近37a來柴達(dá)木盆地年沙塵暴日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，且UF與UB兩條曲線在1996～2003年間多次出現(xiàn)交點，對應(yīng)的檢驗值均超過顯著性水平臨界值1.96，柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)變化突變分析結(jié)果并不明顯，更多地表現(xiàn)為一種周期性波動。

圖5 柴達(dá)木盆地年沙塵暴日數(shù)M-K突變檢驗曲線

3.4 柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)的周期變化

將柴達(dá)木盆地的年沙塵暴日數(shù)時間序列進(jìn)行Morlet小波變換，圖6為柴達(dá)木盆地年沙塵暴日數(shù)小波變換實部時—頻分布圖(a)和小波變換模圖(b)。由圖6可以看出，不同階段的同一周期震蕩及同一階段的不同震蕩所表現(xiàn)出來的震蕩強(qiáng)弱不同。目前所采用的小波為基小波的分析，在很多科技工作中只依據(jù)小波系數(shù)的實部圖進(jìn)行結(jié)果分析，這樣將會出現(xiàn)一些虛假信息。所以，在小波系數(shù)的實部圖進(jìn)行結(jié)果分析基礎(chǔ)上，結(jié)合模分析，不僅能反映各個周期成分在局部時段的特征，模代表不同參數(shù)的小波對總能量各貢獻(xiàn)，能清楚的反映出序列中各個周期的成分的強(qiáng)度隨時間的變化[21]。由圖6(a)和圖6(b)可知，柴達(dá)木盆地年沙塵暴日數(shù)在8～10a以上較大的時間尺度上，約9a左右的震蕩周期最明顯，為5，而對于8a以下相對較小的時間尺度上，在2010～2015年間存在約為3的震蕩周期，其它周期信號強(qiáng)度均較弱。

圖6 柴達(dá)木盆地年沙塵暴日數(shù)小波變換實部時—頻分布圖(a)和小波變換模圖(b)

3.5 柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)與氣候因子的相關(guān)分析

影響季、年沙塵暴日數(shù)變化的因子很多，根據(jù)沙塵暴的形成條件：沙源條件、動力條件及氣候背景[16]，選取了平均氣溫、風(fēng)速、降水量、大風(fēng)日數(shù)、最高氣溫、降水日數(shù)、相對濕度、水汽壓為柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)變化的影響因子，為了準(zhǔn)確揭示其主要的影響因子，本文采用完全相關(guān)系數(shù)方法來分析影響沙塵暴日數(shù)變化的主要因子。在這個公式里 C1必須>0.325(0.325為95%信度的臨界值)；C2必須>0.323(0.323為95%信度的臨界值)。

表3可知：全年及四季柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)與風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)呈顯著正相關(guān)，說明平均風(fēng)速越大、大風(fēng)日數(shù)越多則沙塵暴日數(shù)越多，反之，則沙塵暴日數(shù)越少；沙塵暴日數(shù)在年、春季、夏季、秋季與平均氣溫的相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)，冬季沒有明顯的相關(guān)性，這種沙塵暴日數(shù)與溫度的負(fù)相關(guān)關(guān)系揭示了溫度的間接影響，即柴達(dá)木盆地氣溫上升明顯導(dǎo)致地面的氣壓梯度減小，從而使得近地面風(fēng)速相應(yīng)變小，沙塵暴的發(fā)生幾率變小，這與張煥平等[12]的研究基本一致。但是本文研究結(jié)果顯示，冬季平均氣溫與沙塵暴日數(shù)沒有明顯的相關(guān)關(guān)系；年沙塵暴日數(shù)與降水量、最高氣溫、水汽壓有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系說明年降水量大、最高氣溫高、水汽壓大會降低沙塵暴的發(fā)生幾率，其余季節(jié)其余氣象要素對沙塵暴日數(shù)的影響不大。

表3 氣象要素與沙塵暴日數(shù)及時間相關(guān)系數(shù)、完全相關(guān)系數(shù)

從氣象要素的時間變化趨勢來看，全年及四季平均氣溫和最高氣溫的相關(guān)系數(shù)為正，大風(fēng)日數(shù)和風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為負(fù)，說明平均氣溫和最高氣溫隨在研究時段內(nèi)隨時間變化呈上升趨勢，而大風(fēng)日數(shù)和風(fēng)速呈下降趨勢；全年、夏季及秋季降水量呈增加趨勢，其余氣象要素?zé)o明顯的時間變化趨勢。

由表3中的QC值可以看出，全年及四季沙塵暴日數(shù)與風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)的完全相關(guān)系數(shù)最大，表明相關(guān)性最強(qiáng)，其次在全年、春季、夏季及秋季沙塵暴日數(shù)與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)較大，全年沙塵暴日數(shù)與降水量、最高氣溫、水汽壓有較好的相關(guān)性，在其余季節(jié)與其余要素沒有明顯的相關(guān)性。由此可知，大風(fēng)日數(shù)、風(fēng)速和平均氣溫既與沙塵暴日數(shù)的相關(guān)性較好，又隨時間發(fā)生了顯著的變化，是影響柴達(dá)木盆沙塵暴日數(shù)變化的最主要氣候因子，其次為降水量、最高氣溫、水汽壓對全年的沙塵暴日數(shù)有明顯的影響，而選取的剩余氣象要素中，降水日數(shù)及相對濕度對沙塵暴日數(shù)變化的影響相對比較小。

4 結(jié)論

(1)柴達(dá)木盆地沙塵暴年平均日數(shù)在0.5～11.7 d之間，沙塵暴天氣出現(xiàn)日數(shù)有兩個高值中心為格爾木、茫崖均大于8 d；沙塵暴天氣出現(xiàn)日數(shù)有兩個低值中心為大柴旦、德令哈均小于2 d；

(2)柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)年際變化呈波動減少趨勢，減少速率為1.2d/10a。柴達(dá)木盆地東部沙塵暴日數(shù)減少速率大于西部。東部沙塵暴日數(shù)多年平均值為2.4 d，西部沙塵暴日數(shù)多年平均為5.6 d，西部為東部的2.3倍；

(3)20世紀(jì)80年代開始至21世紀(jì)初期，柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，80年代偏多尤為明顯，90年代略偏多，21世紀(jì)以來沙塵暴日數(shù)呈現(xiàn)偏少態(tài)勢；

(4)4月為柴達(dá)木盆地沙塵暴出現(xiàn)日數(shù)最多的月份，為1.0 d，占全年沙塵暴總?cè)諗?shù)的23%；10月為沙塵暴日數(shù)出現(xiàn)最少的月份；

(5)1981～2017年之間柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)有明顯的季節(jié)變化特征，在春季出現(xiàn)日數(shù)最多為2.3 d明顯高于其他三個季節(jié)，占全年總?cè)諗?shù)的56%，其次是夏季為0.8 d列居四季的第二多，占全年總?cè)諗?shù)的19%，沙塵暴日數(shù)表現(xiàn)為春季>夏季>冬季>秋季的氣候特征；

(6)柴達(dá)木盆地沙塵暴日數(shù)突變分析結(jié)果并不明顯，更多地表現(xiàn)為一種周期性波動；

(7)沙塵暴日數(shù)在8～10a以上較大的時間尺度，9a左右的震蕩周期最為明顯，約為5，而對于8a以下相對較小的時間尺度上，2010～2015年存在約為3的震蕩周期，其它周期信號強(qiáng)度都比較弱；

(8)大風(fēng)日數(shù)、風(fēng)速和平均氣溫既與沙塵暴日數(shù)的相關(guān)性較好，又隨時間發(fā)生了顯著的變化，是影響柴達(dá)木盆沙塵暴日數(shù)變化的最主要氣候因子，其次為降水量、最高氣溫、水汽壓對全年的沙塵暴日數(shù)有明顯的影響。