烏海市沙塵暴日數(shù)變化特征及相關因素分析

張麗萍，楊紅子

（烏海市氣象局，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

引言

沙塵暴的出現(xiàn)既是一種加速土地荒漠化的重要過程，又是荒漠化發(fā)展到一定程度的表現(xiàn)，是內(nèi)蒙古的主要氣象災害之一[1]。烏海市地處中國內(nèi)陸地區(qū)，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部半干旱地區(qū)[2]，其西北、東北、東南分布有烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠、毛烏素沙地，三面環(huán)沙為沙塵暴提供了沙源地。雖然近年來，烏海地區(qū)綠化面積快速增加，沙化、荒漠化土地不斷減少，沙塵暴天氣減少，但仍是烏海地區(qū)主要的災害性天氣之一。沙塵暴的研究也越來越多，曹華等[3]對酒泉市沙塵暴的氣候因子做了分析，建立沙塵暴日數(shù)的預報方程，張偉等[4]對喀什地區(qū)沙塵暴天氣變化特征及影響因素做了分析，對大氣環(huán)流做了分型。多位學者還對南疆沙塵暴、揚沙、浮塵天氣變化特征及影響因素做了研究分析[5-6]。特日格樂等[7]、王學強等[8]分析研究了渾善達克沙地氣象要素與植被覆蓋對沙塵暴發(fā)生發(fā)展的關系。還有學者對一次沙塵暴過程做分析研究，楊彩云等[9]、姜學恭等[10]對內(nèi)蒙古一次沙塵暴的動力機制及垂直輸送特征做了分析，李一平等[11]分析內(nèi)蒙古沙塵天氣少發(fā)季節(jié)一次沙塵天氣預報技術，錢莉等[12]、瀟泓等[13]分析了河西走廊的沙塵暴動力機制，并比較了盛夏和春季沙塵暴的不同，高濤等[14]對2002—2015 年內(nèi)蒙古大范圍強沙塵暴環(huán)流形勢做了分型研究，為沙塵暴預報預測提供了依據(jù)。

但對于三面環(huán)沙的烏海地區(qū)的研究較少，而且沙塵暴能造成交通、供電受阻或中斷等，污染自然環(huán)境，破壞作物生長，給國民經(jīng)濟建設和人民生命財產(chǎn)安全造成嚴重的損失和極大的危害[15]。蔣雨荷等[16]分析了中國北方一次強沙塵暴天氣過程的大氣污染效應。學者們越來越多地關注研究沙塵暴對大氣污染的影響，因此分析烏海地區(qū)沙塵暴的變化特征及影響因素對治理環(huán)境、減輕沙塵暴危害意義重大。本文通過分析烏海地區(qū)沙塵暴的變化特征及影響因素，為預測災害性天氣提供依據(jù)，進一步提高防災減災能力，為環(huán)境污染治理提供參考，進而提高環(huán)境氣象服務能力。

1 資料與方法

本文使用烏海市國家一般氣象站1961—2019 年沙塵暴日數(shù)、降水量、氣溫等氣象要素數(shù)據(jù)，2005 —2019 年10、20、30、40、50 cm土壤相對濕度數(shù)據(jù)，2010—2019 年近10 年烏海市綠化覆蓋率數(shù)據(jù)。用氣象統(tǒng)計方法、Mann-Kendall非參數(shù)化突變檢驗方法分析了烏海地區(qū)沙塵暴的變化特征，用Pearson相關分析了沙塵暴與綠化覆蓋率、土壤水分、氣象因子的相關關系。

烏海地區(qū)春季是沙塵暴最頻發(fā)的季節(jié)，占全年沙塵暴次數(shù)的54%，因此本文著重分析春季沙塵暴與土壤水分和氣象因子的關系。

本文季節(jié)劃分：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月。

2 沙塵暴的變化特征

2.1 年代際變化特征

烏海地區(qū)沙塵暴發(fā)生日數(shù)總體呈顯著減少趨勢（圖1），20 世紀60—80 年代為沙塵暴多發(fā)期，70 年代達到最多，年均29.8 d。從20 世紀80 年代開始，沙塵暴日數(shù)呈下降趨勢，90 年代下降趨勢更加明顯，此后進入沙塵暴少發(fā)期，年均沙塵暴日數(shù)為2.3 d，為最多發(fā)期的1/13；特別是進入21 世紀以后，年平均值為1 d。

圖1 1961—2019 年烏海地區(qū)沙塵暴日數(shù)年變化

2.2 年際變化及突變特征

烏海地區(qū)沙塵暴年均日數(shù)為12 d，隨時間減少趨勢明顯，氣候傾向率為?5.6 d/10 a（圖1）。沙塵暴日數(shù)以1983 年為界，分為多發(fā)期和少發(fā)期，1983 年及之前沙塵暴日數(shù)在均值以上，1983 年之后除1987、1990 年以外，其他年份的沙塵暴日數(shù)均在平均值以下。最大值出現(xiàn)在1972 年，高達50 d，而1990、1992、2000、2014、2015、2018 年沒有出現(xiàn)過沙塵暴天氣。

由沙塵暴日數(shù)的M-K突變檢驗可以看出（圖2），自20 世紀60 年代以來烏海市沙塵暴日數(shù)有明顯減少的趨勢，70 年代初以來這種減少趨勢均超過了顯著性水平0.05（u0.05=1.96）的臨界線，甚至超過了0.001 顯著性水平（u0.001=2.56）,表明烏海地區(qū)的沙塵暴日數(shù)減少趨勢十分顯著。根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，1968 年出現(xiàn)了突變，但是突變不顯著。

圖2 1961—2019 年烏海地區(qū)沙塵暴日數(shù)M-K突變檢驗

2.3 月、季變化特征

烏海地區(qū)全年每月均有沙塵暴發(fā)生（圖3），主要集中在3—7 月，4 月沙塵暴日數(shù)最多，月均2.7 d，9 月最少。春季平均沙塵暴日數(shù)最多，為6.5 d；而冬季和秋季沙塵暴日數(shù)僅占全年的15.7%。表現(xiàn)為4 月最多，9 月最少，春夏多，秋冬少的特征。春、夏沙塵暴頻繁的特點與烏海地區(qū)的氣候特點、地理條件和地面狀況密切相關。春季主要受大風影響，沙塵暴日數(shù)達到最多。夏季則因流沙受強烈日照輻射后迅速增溫，造成局地的熱力不穩(wěn)定，誘發(fā)局地沙塵暴的發(fā)生。

圖3 烏海市沙塵暴日數(shù)的月、季變化特征

3 沙塵暴影響因素

3.1 沙源地

烏海地處烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠、毛烏素沙地交匯處，提供了天然沙源地。內(nèi)蒙古自治區(qū)荒漠化和沙化面積逐漸減少，2004—2014 年荒漠化面積減少了1.32×104km2，1990—2014 年沙化面積減少了0.82×104km2，內(nèi)蒙古整個起沙源地呈減少趨勢（表1）。

表1 1999—2014年內(nèi)蒙古荒漠化和沙化面積[17-20]

在荒漠化減緩的同時綠化面積不斷增加，烏海市綠化覆蓋率呈逐年增加趨勢（圖4），近10 年由34.5%增加到44.0%，增加了9.5%。綠化覆蓋率與沙塵暴日數(shù)呈負相關，相關系數(shù)為-0.513，并通過了顯著性檢驗。

圖4 2010—2019 年烏海市沙塵暴與綠化覆蓋率變化

3.2 土壤水分

土壤相對濕度是反應土壤的干濕程度的物理量，分析了10、20、30、40、50 cm各層土壤相對濕度與春季沙塵暴日數(shù)的相關性?？梢钥闯觯ū砺裕耙荒晗募靖鲗油寥老鄬穸扰c春季沙塵暴日數(shù)均呈負相關，但沒有通過顯著性檢驗。前一年秋季各層土壤相對濕度與春季沙塵暴日數(shù)相關性很小。當年春季20~50 cm土壤相對濕度與沙塵暴日數(shù)呈負相關，20 cm土壤相對濕度相關性最大，相關系數(shù)為-0.312，但均沒有通過顯著性檢驗，10 cm的土壤相對濕度的相關性很小。

可見10~50 cm土壤相對濕度與春季沙塵暴日數(shù)的相關性較小或相關不顯著，可能由于沙塵暴是大風將地面干燥沙土吹起而引發(fā)的，發(fā)生在地表面，而10~50 cm土壤相對濕度反應的是地面以下10~50 cm深度的干濕狀況。

3.3 氣象因素

沙塵暴的發(fā)生受下墊面狀況、氣象、人為等諸多因素的綜合影響，主要受氣象因素的影響[8]，分年和季節(jié)不同時間尺度進一步分析氣象要素與沙塵暴相關性。表2可知，前一年平均氣溫、水汽壓與春季沙塵暴日數(shù)為負相關，平均風速則為正相關，且均通過了P= 0.001的顯著性檢驗，平均氣溫的相關性最強，相關系數(shù)為-0.497，說明前一年平均氣溫較低，有利于來年春季沙塵暴的發(fā)生。而前一年降水量、大風日數(shù)、氣溫日較差、日照時數(shù)與春季沙塵暴日數(shù)相關性很小。所以前一年平均氣溫低、水汽壓小、平均風速大，有利于春季沙塵暴天氣的發(fā)生。

表 2 年平均氣象要素與春季沙塵暴的相關性

表從3可以看出，前一年夏季和當年春季大風日數(shù)與春季沙塵暴日數(shù)呈正相關，且通過了0.05的顯著性檢驗，當?shù)孛骘L速大于起沙風速的情況下，風速越大，沙塵暴越容易發(fā)生。前一年夏季和當年春季大風日數(shù)越多，越有利于沙塵暴的發(fā)生。而降水量、積雪日數(shù)、降水日數(shù)、氣溫、相對濕度、最大凍土層與春季沙塵暴既有正相關又有負相關，但相關系數(shù)的絕對值均在0.3以下，且沒有通過顯著性檢驗。

表 3 季節(jié)平均氣象要素與春季沙塵暴的相關性

降水量、積雪日數(shù)、平均相對濕度與春季沙塵暴相關性弱，分析其原因可能是因為烏海地區(qū)高溫少雨的氣候特點，年降水量少，氣溫高，蒸發(fā)量大，降水不能保持土壤續(xù)墑，而且臨近沙漠，土壤多以砂質(zhì)為主，散熱快、蒸發(fā)快、滲透也快，所以地表干燥，與春季沙塵暴的相關性不強。

4 結論

（1）烏海地區(qū)沙塵暴日數(shù)呈減少趨勢，以5.6 d/10 a的速度下降，20 世紀60—80 年代為沙塵暴的多發(fā)期，70 年代達到最多，80 年代開始顯著減少，90 年代開始進入少發(fā)期。

（2）烏海地區(qū)沙塵暴日數(shù)具有明顯的月季變化，主要集中在3—7 月，4 月最多，9 月最少；表現(xiàn)為春、夏季多，秋、冬季少的季節(jié)特征。

（3）內(nèi)蒙古荒漠化和沙化面積減少，烏海地區(qū)綠化覆蓋率逐年增加，為沙塵暴呈減少趨勢提供了基礎條件。

（4）10~50 cm土壤相對濕度與春季沙塵暴日數(shù)的相關性較小或相關不顯著；前一年年平均氣溫、平均水汽壓與春季沙塵暴呈負相關，氣溫高，水汽壓大，不利于沙塵暴天氣發(fā)生；前一年平均風速、夏季大風日數(shù)、當年春季大風日數(shù)與春季沙塵暴呈正相關，風速越大，越有利于沙塵暴發(fā)生。