北非埃及地區(qū)風蝕沙塵時空變化研究

薛一波， 張小嘯， 雷加強， 李生宇， 王永東， 尤 源

（1.中國科學院大學，北京 101408; 2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，國家荒漠-綠洲生態(tài)建設(shè)工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830011）

荒漠化是世界矚目的嚴重生態(tài)環(huán)境問題，它直接影響著人類社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。全球每年約有900～3300 Mt 的土壤表層物質(zhì)被風力侵蝕、搬運和堆積［1］，產(chǎn)生的風蝕沙塵物質(zhì)主要以細顆粒物為主，是影響區(qū)域乃至全球最嚴峻的環(huán)境問題之一。因土壤風蝕引起的沙塵活動及其物質(zhì)運輸過程嚴重影響干旱半干旱地區(qū)的荒漠化進程，同時對區(qū)域氣候變化、地面太陽輻射強度、地形地貌演變、人類健康等均有重大影響，該活動過程與全球環(huán)境變化緊密相連［2-5］。因此，風蝕沙塵的相關(guān)科學研究受到國際廣泛關(guān)注。

北非撒哈拉地區(qū)每年向大氣中釋放約500～1000 Mt的沙塵，占全球沙塵量的50%以上［6］。埃及地處撒哈拉沙漠邊緣，是全世界受荒漠化危害最為嚴重的國家之一［7］。近年來，隨著人們對風蝕沙塵天氣帶來的環(huán)境問題愈發(fā)重視，相關(guān)領(lǐng)域的學者使用多源觀測資料對埃及的沙塵天氣進行了大量深入的研究。例如，Wang 等［8］和潘琳等［9］通過研究發(fā)現(xiàn)，埃及東部是北非6個主要沙源區(qū)之一，并且確定春季沙塵暴發(fā)生最為頻繁，8—11 月處于沙塵暴最弱時段；Mohammed 等［7］利用MODIS 數(shù)據(jù)對埃及大氣氣溶膠進行長期高分辨率研究發(fā)現(xiàn)，埃及1—4月高強度的沙塵事件多數(shù)是由西部沙漠的沙塵暴引起；Imen 等［10］通過估算北非地區(qū)沙塵排放潛力指出，埃及沙塵排放具有很強的時空異質(zhì)性，并且高強度的沙塵排放主要發(fā)生在河流沉積物豐富的地區(qū)；Hamdy等［11］利用開羅14個監(jiān)測地點的PM10濃度數(shù)據(jù)，分析大氣顆粒物的變化特征發(fā)現(xiàn)，在較高風速下，地表大量相對松散的沙塵顆粒被吹起，嚴重影響大氣顆粒物濃度水平；Ehteram 等［12］通過分析北非地區(qū)沙塵暴的時空變化及其影響因素表明，埃及近20 a沙塵暴發(fā)生頻率有明顯的上升趨勢，同時指出氣溫和風速是最顯著的影響因素；李雙林等［13］和胡淼等［14］指出，在全球變暖背景下，埃及沙塵天氣的影響因素與大西洋多年代際振蕩（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO）密切相關(guān)，冬季AMO 所引起的大西洋海溫異常會進一步導致埃及的風速、降水和氣溫等異常變化，對氣候的年代際變化有顯著調(diào)節(jié)作用。上述關(guān)于埃及沙塵天氣的時空分布特征、沙塵排放特點及影響因素等方面的研究多集中在開羅和尼羅河三角洲部分地區(qū)。隨著埃及西部沙漠土地復墾工程［7］的出現(xiàn)，有必要針對埃及全國和地理位置特殊的典型城市的風蝕沙塵時空變化研究進行更加深入的研究。

埃及作為“一帶一路”倡議的重要沿線國家，面臨著惡劣的干旱自然條件和極為嚴重的風沙災害。風蝕沙塵對當?shù)刂匾煌ê椭攸c工程等基礎(chǔ)設(shè)施也造成了非常顯著的負面影響。因此，充分了解和掌握埃及地區(qū)風蝕沙塵的時空變化規(guī)律和荒漠化現(xiàn)狀有助于厘清和明晰該區(qū)域資源環(huán)境問題，也有利于夯實中國對非技術(shù)合作的基礎(chǔ)。本文以1990—2020 年埃及衛(wèi)星遙感產(chǎn)品和12 個城市氣象觀測記錄等資料為依據(jù)，分析埃及風蝕沙塵的時空變化特點和規(guī)律，闡明主要影響因素，并且重點選取了馬特魯（Mersa Matruh）、赫爾格達（Hurguada）、開羅（Cairo）和哈爾加（Kharga）4個典型代表城市來分析埃及不同地區(qū)沙塵頻率的年際變化特征，為研究埃及全國的風蝕沙塵時空變化特點和預防沙塵暴災害提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

埃及地處沙源地——撒哈拉沙漠邊緣（圖1），毗鄰地中海和紅海，常年炎熱干燥少雨，受沙漠和戈壁粉塵物質(zhì)的影響嚴重。埃及年均氣溫11～32 ℃，多年平均降水量小于50 mm，年蒸發(fā)量在2600 mm以上，年均相對濕度低于39%；北部沿海地區(qū)和尼羅河三角洲屬于亞熱帶地中海氣候，南部地區(qū)屬于熱帶沙漠氣候［15］。埃及的干旱沙漠區(qū)域約占國土95%以上，大部分地區(qū)在海拔100～700 m 之間，西部連接利比亞沙漠，以流沙地表為主，紅海沿岸和西奈半島主要是丘陵山地，東部阿拉伯沙漠以礫石荒漠和裸露巖石為主［9］。埃及西部沙漠地表土質(zhì)較為疏松，植被覆蓋率很低，長期受風蝕沙塵天氣影響，沙塵日數(shù)較多，尤其在春季4—5 月間多大風和沙塵暴天氣［6］。

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

埃及1990—2020 年的常規(guī)氣象要素數(shù)據(jù)和沙塵天氣過程資料來自國家氣象中心，通過全球通信系統(tǒng)獲取的埃及地面氣象站點每日常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，氣象站點共12 個。氣象要素數(shù)據(jù)包括能見度、風速、氣溫和降水，觀測記錄時間間隔為3 h。根據(jù)該數(shù)據(jù)資料得出埃及沙塵天氣日數(shù)年際變化、總懸浮顆粒物（Total Suspended Particulates，TSP）濃度年際年內(nèi)變化、最大風速年際變化和風力等級年內(nèi)分布比率、降水和氣溫的年際年內(nèi)變化，并且選取了馬特魯（Mersa Matruh）、赫爾格達（Hurguada）、開羅（Cairo）和哈爾加（Kharga）4個地理位置特殊的典型代表站點來分析埃及不同地區(qū)沙塵頻率的年際變化特征。埃及沙漠區(qū)域的遙感空間影像數(shù)據(jù)來源于MODIS產(chǎn)品。

沙塵天氣根據(jù)世界氣象組織（https://library.wmo.int/doc_num.php?explnum_id=10235）、Shao等［16］和Zhang 等［17］的劃分標準，主要依據(jù)水平能見度劃分為以下4 種類型：浮塵、揚沙、沙塵暴和強沙塵暴。水平能見度＜10 km 時為浮塵；水平能見度在1～10 km 時為揚沙；水平能見度200～1000 m 時為沙塵暴；水平能見度＜200 m 時為強沙塵暴。大氣中的總懸浮顆粒物（TSP）濃度數(shù)據(jù)是根據(jù)Shao等［16］提出的TSP 轉(zhuǎn)化公式計算統(tǒng)計得出，可將能見度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TSP濃度，公式如下。

式中：C為TSP濃度；DV為能見度。

2 結(jié)果與分析

2.1 埃及沙塵天氣頻率年際變化特征

風蝕沙塵天氣頻率可以表征區(qū)域風沙活動的強度［18］。圖2 顯示了1990—2020 年埃及沙塵天氣發(fā)生頻率的年際變化特征，可以看出：20 世紀末（1991 年）埃及沙塵天氣頻率年均值最大，約為63 d·a-1，隨后急劇下降至1999年的27 d·a-1，21世紀初沙塵頻次變?yōu)樾》▌幼兓?014 年降至最低值23 d·a-1，2015—2020年又恢復到同期較高沙塵強度水平?？傮w而言，近30 a埃及沙塵天氣頻率整體呈下降趨勢，大體在20～65 d·a-1之間變化，這在全球干旱區(qū)處于較高的強度水平。高頻次風蝕沙塵天氣會改變下墊面的特征進而影響降水量和氣溫等變化［19-21］。受沙塵天氣所影響的城市沙塵暴發(fā)生頻次與TSP 濃度高度正相關(guān)，并且埃及沙塵天氣頻率與AMO 指數(shù)呈顯著負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)約為-0.67（圖3）。高頻次的沙塵天氣會對荒漠化進程產(chǎn)生直接影響，加劇埃及地區(qū)的干旱程度。

圖2 1990—2020年埃及地區(qū)沙塵天氣頻率年際變化特征Fig.2 Interannual variation characteristics of aeolian dust frequency in Egypt(1990-2020)

圖3 1990—2020年埃及地區(qū)風蝕沙塵天氣頻率與AMO關(guān)系Fig.3 Relationship between aeolian dust frequency in Egypt and AMO(1990-2020)

為了解埃及不同地區(qū)沙塵天氣頻率的年際變化特征，重點選取了馬特魯（Mersa Matruh）、赫爾格達（Hurguada）、開羅（Cairo）和哈爾加（Kharga）4 個典型站點，分別統(tǒng)計了1990—2020年浮塵、揚沙、沙塵暴和強沙塵暴4 種天氣現(xiàn)象的年際變化特征（圖4）。由圖4 可知，埃及西北部沿海城市馬特魯?shù)膹娚硥m暴和沙塵暴天氣頻率最高，年均日數(shù)2 d以上，赫爾格達和開羅兩地次之，哈爾加最低。4 個站點的揚沙天氣頻率占比較大，其中哈爾加最高，年均64 d 左右，處于較高水平，其次是馬特魯、赫爾格達和開羅，揚沙天氣頻率年均值分別維持在58 d、52 d和39 d左右，這可能與當?shù)氐牡乩砦恢煤痛箫L天氣有關(guān)［22］，哈爾加是埃及西部沙漠中最發(fā)達的綠洲城市，受沙漠和戈壁粉塵物質(zhì)的影響較為嚴重，并且大風天氣頻發(fā)［7］，使得揚沙天氣頻率相對較高。此外，4 個典型站點近30 a 浮塵天氣頻率整體變化趨勢相對穩(wěn)定，維持在較低水平。

圖4 1990—2020年埃及地區(qū)4個氣象站點沙塵頻率年際變化特征Fig.4 Variation of aeolian dust frequency at four meteorological stations in Egypt(1990-2020)

2.2 埃及環(huán)境TSP濃度時間變化特征

圖5顯示了埃及1990—2020年TSP濃度的年際和年內(nèi)變化，21 世紀初年均TSP 濃度在500～800 μg·m-3之間波動且逐漸下降（圖5a），這可能與當?shù)馗m和揚沙日數(shù)變化有關(guān)［23］。從季節(jié)變化上看，春季TSP濃度在400～2400 μg·m-3上下波動，維持在較高水平。從6月起，TSP濃度高值區(qū)開始逐漸收縮，在8 月達到最低值，隨后在秋、冬兩季又逐漸升高。春季高濃度TSP 濃度與沙塵頻率高度相關(guān)，據(jù)當?shù)丨h(huán)境觀測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：2010年3—5月沙塵暴期間TSP 平均濃度可達1315 μg·m-3，其他月份TSP平均濃度為542 μg·m-3。由此可知，沙塵極端天氣TSP濃度普遍高于非沙塵期。

圖5 埃及地區(qū)TSP濃度的年際變化（a）和年內(nèi)變化（b）Fig.5 Interannual(a)and intra-annual(b)variation of TSP concentrations in Egypt

結(jié)合圖5和圖6，埃及TSP濃度和最大風速的年內(nèi)變化高度相關(guān)。如12 月至次年4 月，TSP 濃度逐漸增高，風速也逐漸增大，達到年內(nèi)最高值；從4—11 月，風速相對減弱，TSP 濃度也隨之下降，保持在800 μg·m-3以下的較低水平。埃及春季TSP濃度極值可達2300 μg·m-3以上，保持在相對較高水平，沙塵活動隨風力等級及持續(xù)時間的增加愈發(fā)強烈。同時，沙塵天氣發(fā)生頻次也直接影響到環(huán)境TSP 濃度的變化［24］。由氣象觀測數(shù)據(jù)可知，埃及環(huán)境TSP濃度與沙塵天氣發(fā)生頻次相關(guān)系數(shù)為0.89，呈高度相關(guān)關(guān)系。隨著沙塵天氣頻率的增高，環(huán)境TSP 濃度明顯增大，頻繁的沙塵天氣以及相對較高的TSP濃度，會加劇埃及地區(qū)的干旱程度。

圖6 埃及最大風速的年際變化（a）和不同風力等級年內(nèi)分布比率（b）Fig.6 Interannual(a)and intra-annual(b)variation of maximum wind speed in Egypt

2.3 影響因素分析

2.3.1 風速 圖6顯示了1990—2020年埃及最大風速的年際變化趨勢以及不同風力等級的年內(nèi)分布比率。由此可知，埃及近30 a 最大平均風速約為5.9 m·s-1（圖6a），揚沙天氣頻發(fā)，風蝕強度較高。埃及主要以4級風力為主，占全年的90%以上（圖6b），導致該地區(qū)TSP濃度與沙塵暴天氣發(fā)生頻次的相關(guān)性較高［25］。春、夏兩季揚沙天氣日數(shù)占全年沙塵天氣總?cè)諗?shù)的60%以上，秋、冬兩季風蝕強度顯著降低，平均風速在5.6 m·s-1左右。由于沙塵傳輸方向受控于風向，因此沙塵天氣的年內(nèi)變化也與主風向變化有關(guān)［26-27］。埃及地區(qū)全年均在25°～32°N 存在一股明顯的、由北向南然后在25°N以南轉(zhuǎn)為東北風的氣流，北非沙塵可伴隨較強的偏東分量氣流在埃及擴散［9］，風力侵蝕作用將沙漠粉塵顆粒物通過大氣環(huán)流輸送到埃及，進而影響著埃及城市的空氣質(zhì)量，這與沙漠粉塵顆粒物的風蝕觀測實驗結(jié)果［28-30］相一致?？傮w而言，埃及近30 a風速減小趨勢明顯，這可能是由于環(huán)流場發(fā)生變化導致氣壓梯度力改變以及人類活動造成下墊面粗糙度改變等多種因素［31-32］造成的。在全球變暖背景下，埃及地區(qū)海陸、南北熱力差異同時減小，造成對流層低層氣壓梯度力減弱，進而導致地面風速減?。?1］。此外，人為改造綠洲的荒漠化治理措施促使埃及地區(qū)植被覆蓋率上升，導致地表粗糙度增加，造成地面拖曳力變大，從而減弱埃及地面風速［32］。

2.3.2 降水 降水對氣溶膠的濕清除過程是大氣中沙塵氣溶膠重要的沉降過程之一。圖7a 和圖7b 顯示了埃及1990—2020 年降水的年際和年內(nèi)變化?？梢钥闯觯喊＜伴L期干旱少雨，降水量年際變化不規(guī)律。2015 年降水量達到最大值，約526 mm；1995年降水量則最低，僅約為41 mm。總體而言，1990年以來埃及年均降水量在185 mm以下，由于降水總量較小，所以該地區(qū)主要以大氣干沉降為主。降水量年內(nèi)變化也極不規(guī)律（圖7b），具有強烈的季節(jié)性特點，夏季日均降水量最低，不足0.1 mm；秋季9 月開始降水量逐漸增加，12月達到1.1 mm·d-1；冬季2月降水達到1.2 mm·d-1，是一年中降水量最大的月份。盡管春、冬兩季降水逐漸增多，但最大降水量期間（12 月至次年3 月）月降水強度均低于1.1 mm。這可能與AMO引起的熱帶大西洋海溫異常有關(guān)［13］。當熱帶大西洋變冷（AMO冷相位）時，會導致熱帶大西洋上空雨帶北移，同時會增加跨赤道向北的風場異常，從而增加埃及地區(qū)冬季降水［14］。當AMO處于暖相位時，埃及夏季存在低壓異常中心，與降水量的減少密切相關(guān)［33-35］?？傊?，埃及地區(qū)全年干燥少雨，降水量小且變率大，降水對大氣顆粒物污染的濕清除作用極為有限，冬季降水強度對荒漠化的影響較為關(guān)鍵。

圖7 埃及降水和氣溫的年際變化和年內(nèi)變化（1990—2020年）Fig.7 Variation of intra-annual and inter-annual precipitation and temperature in Egypt(1990-2020)

2.3.3 氣溫 圖7c 和圖7d 顯示了埃及氣溫的年際和年內(nèi)變化，可以看出：埃及全年氣溫在11～31 ℃之間，夏季溫度明顯高于冬季，在8月出現(xiàn)最高值?？傮w而言，近30 a年埃及氣溫有緩慢增高趨勢，這可能與AMO 暖相位和溫室氣體強迫增加有關(guān)［36-40］。AMO 通過影響大氣環(huán)流引起北非地區(qū)對流層氣溫升高，加強海陸之間的熱力差異，最終導致埃及夏季風增強［36］。并且，近年來埃及地區(qū)人為活動的增加導致溫室氣體強迫加重，二者疊加最終導致埃及氣溫呈緩慢上升的趨勢［37-38］。溫度升高會增加地表蒸發(fā)量，導致更多的水分散失，不利于荒漠化逆轉(zhuǎn)［39-40］。結(jié)合埃及風場可知，冬季盛行東北風和東風，大氣層結(jié)相對穩(wěn)定，以下沉氣流為主，天氣晴朗，干燥少雨，會加劇荒漠化進程。

3 結(jié)論

本文基于1990—2020 年埃及地面氣象站點每日常規(guī)觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感資料，詳細分析了該地區(qū)的沙塵天氣發(fā)生日數(shù)變化特征和環(huán)境TSP濃度時間變化規(guī)律，討論了風速、降水量和氣溫等因素對埃及地區(qū)風沙活動的影響作用。

（1）埃及風蝕沙塵天氣頻率在20～65 d·a-1之間變化，年均TSP濃度在400～1200 μg·m-3之間波動下降，在全球干旱區(qū)處于較高的強度水平，并且埃及沙塵天氣頻率與AMO 顯著負相關(guān)。由于地理位置和大風天氣的影響，埃及不同地區(qū)沙塵天氣頻率變化特征的差異性明顯。

（2）埃及春、夏兩季揚沙天氣日數(shù)占全年沙塵天氣總?cè)諗?shù)的60%以上，4 級風力等級占全年的90%以上，TSP 濃度與沙塵暴天氣發(fā)生頻次呈正相關(guān)關(guān)系，來自于撒哈拉沙漠的風蝕沙塵顆粒物是埃及大氣顆粒污染物的主要來源。

（3）近30 a 埃及風速減小趨勢明顯，這可能與氣壓梯度力和下墊面粗糙度的改變等多種因素有關(guān)。風力侵蝕作用將沙漠粉塵顆粒物通過大氣環(huán)流輸送到埃及，是影響該地區(qū)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

（4）埃及近30 a 氣溫呈緩慢上升的趨勢，這可能與AMO 處于暖相位和溫室氣體強迫增加有關(guān)。AMO 處于冷相位會增加埃及冬季降水；AMO 暖相位減少夏季降水。埃及降水量年內(nèi)年際變化極不規(guī)律，最大降水量期間（12 月至次年3 月）月降水強度對荒漠化的影響較為關(guān)鍵。