2021年春季我國沙塵天氣發(fā)生時空特征分析

孔祥吉,王 雨,黃 侃,賈遠(yuǎn)信,王 棒

(國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院,北京 100714)

沙塵天氣是指沙粒、塵土懸浮空中,使空氣混濁、能見度降低的天氣現(xiàn)象[1]。包括浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5種類型。每年春季(3—5月),我國北方大部分地區(qū)都要不同程度地遭受沙塵天氣的影響,給國民經(jīng)濟和社會發(fā)展帶來較大的危害和損失[2]。2021年3月14日至15日,我國14個省(自治區(qū)、直轄市)出現(xiàn)明顯的沙塵暴天氣,部分地區(qū)發(fā)生強沙塵暴。這是近10年我國遭遇范圍最廣、強度最強的一次沙塵天氣過程[3],是京津冀地區(qū)2021年首次遭受嚴(yán)重沙塵影響,也是北京近6年來首次出現(xiàn)沙塵暴天氣,人們生產(chǎn)生活遭受嚴(yán)重影響。關(guān)于沙塵天氣問題,我國學(xué)者已開展了不少的研究,主要是集中在沙塵天氣的氣候特征[4]、變化趨勢[5-6]、災(zāi)害防治[7-8]等問題?；蛘呤侵攸c分析某一次影響較大的沙塵天氣過程[9-10],但就某年、某段時間公眾關(guān)注較高的沙塵天氣問題進行系統(tǒng)分析的較少。本文通過參與2021年春季沙塵暴災(zāi)害應(yīng)急處置工作,以2021年春季沙塵天氣監(jiān)測和統(tǒng)計資料為依據(jù),分析了2021年春季沙塵天氣的發(fā)生特征,討論了2021年春節(jié)沙塵天氣成因和特點,以期為我國沙塵天氣的研究和沙塵暴災(zāi)害應(yīng)急處置提供參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

沙塵天氣數(shù)據(jù)主要來源于國家林業(yè)和草原局荒漠化監(jiān)測中心沙塵暴監(jiān)測數(shù)據(jù),大風(fēng)、冷空氣、溫度等氣象相關(guān)資料來源于中國氣象局和《2020年中國氣候公報》。2000—2021年歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的MODIS13A2產(chǎn)品,時間分辨率為16d,空間分辨率為1km。2000—2021年降水、實際蒸散發(fā)、潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來自歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的產(chǎn)品,時間分辨率為1個月,空間分辨率為0.25°×0.25°。

1.2 多因子沙塵驅(qū)動力分析

沙塵暴監(jiān)測數(shù)據(jù)包括沙塵過程、強度的判定,主要依據(jù)《沙塵天氣等級》(GB/T 20480—2017),結(jié)合國家林業(yè)和草原局荒漠化監(jiān)測中心自主研發(fā)的衛(wèi)星遙感沙塵識別系統(tǒng),分布于北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆等北方13省(自治區(qū)、直轄市)的600余名信息員實時上報的PM10濃度、風(fēng)速、能見度等關(guān)鍵沙塵監(jiān)測因子,以及與中國氣象局進行實時會商,最終判定是否形成一次沙塵過程、強度如何。土壤濕潤指數(shù)(Soil Moisture Index,SMI)是實際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)之比[11],利用Matlab軟件對ECMWF的實際蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理得到2000—2021年土壤濕潤指數(shù)。最后,利用ArcGIS軟件進行分區(qū)統(tǒng)計,得到我國北方地區(qū)長時間序列NDVI、降水量和土壤濕潤指數(shù)數(shù)據(jù)；利用SPSS軟件對長時間序列的沙塵暴、大風(fēng)、冷空氣、NDVI、降水量、土壤濕潤指數(shù)數(shù)據(jù)進行趨勢分析,并繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2021年春季,我國共發(fā)生9次沙塵天氣過程,按沙塵類型分,揚沙5次,沙塵暴2次,強沙塵暴2次；按月份分,3月份3次、4月份2次、5月份4次。影響范圍涉及西北、華北、東北、華東、華中、西南等21個省(自治區(qū)、直轄市)的1 209個縣(市、區(qū)、旗),受影響國土面積約402萬km2,受影響人口5.3億人。

表1 2021年春季沙塵天氣基本情況統(tǒng)計

2.1 沙塵天氣年(際)變化

主要從沙塵天氣次數(shù)、累計日數(shù)、持續(xù)日數(shù)等方面進行沙塵天氣年際對比。2021年春季發(fā)生9次沙塵天氣過程,較近20年(2001—2020年)的同期均值(10.35次)少1.35次,減少13.04%。2021年春季沙塵日數(shù)為7.12 d,較近20年同期5.59 d偏多1.53 d,增加了27.37%。2021年春季發(fā)生超過3 d(含)的沙塵天氣過程達8次,較近20年同期均值4.5次偏多3.5次,偏多77.78%(圖1)。

圖1 沙塵天氣過程超過3d(含)次數(shù)圖

從年際對比中可以看出,2021年春季沙塵天氣次數(shù)符合逐年減少趨勢,但是累計日數(shù)、持續(xù)日數(shù)比同期偏多,分析其原因主要是一方面冷空氣次數(shù)較多,歐亞中高緯地區(qū)大氣環(huán)流活動是形成我國北方沙塵天氣最為重要的氣象條件,受到蒙古氣旋和冷空氣的影響,2021年春季冷空氣次數(shù)有11次,較近20年均值9.5次偏多13.6%(圖2)。另一方面是降水偏少,2020年12月至2021年2月,我國北方地區(qū)降水量為12.99mm,較近20年同期均值15.35mm偏少15.37%。這些都是導(dǎo)致2021年春季沙塵天氣發(fā)生累計日數(shù)、持續(xù)日數(shù)等多于同期的關(guān)鍵因素之一。

圖2 春季冷空氣 大風(fēng)日數(shù)與沙塵天氣次數(shù)圖

2.2 沙塵天氣強度變化

主要從強沙塵暴、沙塵暴等高強度類型的沙塵天氣次數(shù)、沙塵天氣影響范圍等方面進行沙塵天氣強度對比。2021年春季發(fā)生2次強沙塵暴,較近20年均值1.4次多0.6次,增多了42.86%；發(fā)生2次沙塵暴天氣過程,較近20年(2001—2020年)均值3.65次少1.65次,減少了45.21%(圖3)。2021年春季,沙塵天氣影響范圍超過200萬km2的有4次,為近17年最多,影響人口超過1億人的有5次沙塵天氣過程,為近15年最多。其中,3月13—18日的強沙塵暴天氣,是近10年我國遭遇范圍最廣、強度最強的一次沙塵天氣過程。

圖3 春季沙塵暴 強沙塵暴次數(shù)圖

通過沙塵強度的比較可以得出,2021年春季沙塵天氣影響強度、范圍都高于同期水平,特別是近10余年來強度和影響較為明顯。究其原因主要是一方面遭遇極端天氣,特別是冷空氣大風(fēng)的影響,2021年北方地區(qū)平均大風(fēng)日數(shù)7.05d,較近20年均值7.02d偏多0.42%；另一方面氣溫偏高,土壤墑情較差,2020年12月至2021年2月,我國北方地區(qū)土壤濕潤指數(shù)為16.62%,較近20年同期均值18.57%偏低10.50%,這也是2021年春季沙塵天氣強度變化較大的直接原因。

2.3 沙塵天氣起源及路徑變化

影響我國的沙塵天氣路徑主要有3條,分別是東路路徑、中路路徑和西路路徑[12]。主要從沙塵天氣起源及路徑進行對比。受地面冷鋒和蒙古氣旋影響,2021年春季,西路路徑發(fā)生6次、中路路徑發(fā)生7次、東路路徑發(fā)生5次。同時,有8次沙塵天氣來源于蒙古國進而影響我國北方地區(qū),占到88.89%,其中有4次與源自新疆東部和甘肅河西走廊、3次與源自南疆盆地的沙塵一同影響我國。

通過對沙塵天氣起源和路徑的分析,2021年春季沙塵天氣起源和路徑特征明顯。從沙塵源區(qū)植被長勢角度看,我國北方地區(qū)2020年生長季(5—9月)植被長勢較好,蒙古國南部植被長勢整體偏差,是2021年春季沙塵天氣起源和路徑特征明顯的原因。同時,與我國毗鄰且在上風(fēng)向的蒙古境內(nèi)分布著大面積荒漠化土地,為境外重要沙源區(qū),由于其植被長勢整體偏差,地表條件比較有利于沙塵天氣發(fā)生,這也是導(dǎo)致2021年春季沙塵天氣多起源于蒙古國,沙塵天氣多從中路、東路路徑影響我國的重要因素之一。

2.4 重點區(qū)域(北京)沙塵天氣變化

主要對北方地區(qū)城市化水平最高、人口最多的重點區(qū)域——北京,受沙塵天氣影響的情況進行對比。受上游沙塵輸送影響,2021年春季的北京沙塵日數(shù)達7d,較2020年同期2 d偏多5 d,增幅250%,較近10年同期2.7 d偏多4.3 d,增幅159%；較近20年同期5 d偏多2 d,增幅40%(圖4)。2021年3月15日北京發(fā)生的近10年來強度最強的一次強沙塵暴天氣,沙塵核心區(qū)域PM10高達近10 000μg/m3。

圖4 北京2000—2021年春季沙塵天氣日數(shù)圖

從沙塵日數(shù)的變化可以看出,2021年春季的北京沙塵天氣日數(shù)是近10年最多的,主要也是受2021年春季我國整體沙塵天氣數(shù)量多、強度大的影響。同時,我國北方地區(qū)及蒙古國南部氣溫偏高,導(dǎo)致積雪提前融化,沙源地裸露,加上北京等地連續(xù)無降水日數(shù)突破歷史極值,這些也是造成北京等重點區(qū)域受到了較強的沙塵天氣影響的重要原因。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

1)通過統(tǒng)計2021年春季沙塵天氣監(jiān)測數(shù)據(jù),并將其相應(yīng)變化與近20年同期均值進行比較分析,可以發(fā)現(xiàn):近20年,國家不斷加大生態(tài)保護修復(fù)力度,我國主要沙塵源區(qū)植被狀況持續(xù)向好,近20年沙塵天氣發(fā)生次數(shù)逐步降低,2021年春季沙塵天氣發(fā)生次數(shù)符合年際變化趨勢。但是,我國地處中亞沙塵暴頻發(fā)區(qū),北方地區(qū)春季干旱,植被干枯,加之春耕破土,遇到大風(fēng)很容易揚沙起塵。沙塵天氣是一種自然現(xiàn)象,是特定氣候背景下的產(chǎn)物,其形成需具備3個條件:強冷空氣、不穩(wěn)定的空氣狀態(tài)、沙塵源等[12]。2021年春季受比較強的蒙古氣旋影響,冷空氣次數(shù)較多、勢力較強；2020—2021年冬季北方大部分地區(qū)降水偏少、氣溫偏高,再加上蒙古國南部植被長勢整體偏差,這些因素綜合形成了2021年春季沙塵天氣年際變化多發(fā)，沙塵天氣影響強度和范圍均高于20年同期均值，沙塵天氣多從中路和東路路徑影響我國的沙塵天氣發(fā)生時空特征。

2)武建偉等[13]、馮永忠等[14]研究指出,春季是北方地區(qū)沙塵天氣的高發(fā)期,結(jié)合氣候背景、地表狀況的發(fā)展趨勢,北方地區(qū)沙塵天氣將呈整體下降的趨勢,但不排除強冷空氣造成較強影響沙塵天氣的可能性。本文的分析能很好地印證上述研究成果,同時也能說明2021年春季沙塵天氣數(shù)和強度明顯高于近年同期的偶然性和不確定性。加上對重點區(qū)域(北京)的分析,回應(yīng)了社會公眾關(guān)注,避免了對沙塵暴“回歸”等錯誤認(rèn)識。

3.2 結(jié)論

1)2021年春季，我國沙塵天氣次數(shù)偏少、日數(shù)偏多,沙塵過程時間偏長。2021年春季共發(fā)生9次沙塵天氣過程、沙塵日數(shù)7.12 d、超過3 d(含)的沙塵天氣過程達8次。冷空氣次數(shù)較多、勢力較強,是導(dǎo)致2021年春季沙塵天氣多發(fā)的主要原因。

2)2021年春季，我國沙塵天氣強度偏強、影響范圍偏大。2021年春季發(fā)生2次強沙塵暴,沙塵天氣影響范圍超過200萬km2的有4次。同年3月15日，北京時隔6年來首次出現(xiàn)沙塵暴天氣。春季氣溫偏高、北方大部分地區(qū)降水偏少,特別是北京等地連續(xù)無降水日數(shù)突破歷史極值,導(dǎo)致2021年春季沙塵天氣影響強度、范圍高于同期水平。

3)2021年春季，我國沙塵天氣主要起源于蒙古國南部。2021年春季,有8次沙塵天氣來源于蒙古國進而影響我國北方地區(qū),沙塵天氣發(fā)生路徑中的中路路徑、東路路徑發(fā)生次數(shù)高于同期。我國北方地區(qū)植被長勢較好,蒙古國南部植被長勢整體偏差,造成2021年春季沙塵天氣多起源于蒙古國南部。

4)2021年春季，我國沙塵天氣引起了社會各界廣泛關(guān)注。2021年3月13—18日發(fā)生的強沙塵暴天氣,是近10年我國遭遇的范圍最廣、強度最強的一次沙塵天氣過程,京津冀地區(qū)也遭受嚴(yán)重沙塵影響。近年來,我國防沙治沙工作不斷推進,沙塵天氣得到了非常明顯有效的改善,但沙塵暴短期內(nèi)無法消除,在非常極端或者不利的氣象條件下,仍然會出現(xiàn)高影響的沙塵暴天氣。持續(xù)開展荒漠化防治、提高沙塵暴災(zāi)害應(yīng)急處置能力刻不容緩。