和田地區(qū)近60 a沙塵天氣的時空變化特征

開買爾古麗·阿不來提，毛東雷，王雪梅，曹永香

(新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830054)

全球氣候變化已成為國際和國內廣泛關注的問題，而沙塵天氣是在一定的氣候條件和地理背景下發(fā)生的災害性天氣，沙塵天氣主要分為沙塵暴、揚沙、浮塵3個等級[1]。沙塵天氣對環(huán)境和人類活動形成了重要的影響，一直是氣象領域研究的熱點問題之一。目前，新疆南部盆地、河西走廊、西藏西北部和內蒙古西部是沙塵天氣高發(fā)地區(qū)[2-4]，這些地區(qū)多年沙塵天氣日數(shù)呈下降趨勢[5-8]。在沙源地區(qū)，地面熱對流極其不穩(wěn)定，熱對流胞與中尺度(反)氣旋性渦旋耦合作用，進而形成沙塵暴天氣[9]。許多學者從不同角度研究了沙塵天氣形成的原因，柳丹等[10-12]用衛(wèi)星遙感、后向軌跡等方法研究了沙塵天氣形成的動力和熱力原因，發(fā)現(xiàn)沙漠地區(qū)太陽輻射與沙塵天氣有較高的相關性；鄧祖琴等[13]研究得出太陽輻射引起的熱量對流是影響沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠最重要的因子；黃鱗等[14]認為植被覆蓋度是風沙災害頻發(fā)的主要原因，而新疆塔里木盆地作為沙塵災害多發(fā)區(qū)之一，氣候特征表現(xiàn)為氣溫明顯上升，降水量明顯增加[15-16]，降水稀少、氣候干旱的自然條件使新疆的植被覆蓋度低，導致沙塵災害頻繁。

以往的研究對我國西北地區(qū)的沙塵暴趨勢和突變分析較多，時空尺度小，不能完全代表新疆在內的局部地區(qū)的沙塵天氣分布特點。本文選取了我國沙塵發(fā)生率最嚴重區(qū)域之一的新疆塔克拉瑪干沙漠南緣的和田地區(qū)，利用皮山、策勒、墨玉、和田、洛浦、民豐、于田7個氣象站觀測數(shù)據(jù)，定量分析和田地區(qū)7個縣域1960～2018年間的各沙塵指標日數(shù)年際、月際趨勢和特點，揭示和田地區(qū)沙塵暴日數(shù)突變規(guī)律和沙塵天氣時空變化原因，旨為和田地區(qū)改善生態(tài)環(huán)境，規(guī)避沙塵災害提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

和田地區(qū)(E 77°30′～84°30′,N 34°～38°)屬于暖溫帶極干旱荒漠氣候，年平均氣溫為11.0～12.1 ℃,年降水量為28.9～47.1 mm,年蒸發(fā)量2 198～2 790 mm[17]。包括7縣1市，分別為皮山縣、策勒縣、墨玉縣、和田縣、洛浦縣、民豐縣、于田縣、和田市。和田地區(qū)位于塔里木盆地西南部，南鄰昆侖山，西達喀拉昆侖山和帕米爾高原，東北部位于塔克拉瑪干沙漠；因高大山脈阻隔，使水汽和冷空氣很難到達和田地區(qū)，形成夏季炎熱，冬季寒冷，降水稀少，蒸發(fā)強烈的氣候特點。植被覆蓋度低，地表沙土大面積裸露，該地區(qū)的沙塵災害頻發(fā)，是我國浮塵、降塵最嚴重的地區(qū)之一[18](圖1)。

圖1 和田地區(qū)區(qū)位圖

2 材料與方法

本文利用1960～2018年和田地區(qū)皮山、策勒、墨玉、和田、洛浦、民豐、于田等氣象站數(shù)據(jù)，包括平均氣溫、平均降水量、平均揚沙、浮塵、沙塵暴日數(shù)等數(shù)據(jù)。

用線性擬合法[19]分析沙塵天氣各要素的趨勢變化，使用非參數(shù)Mnn-Kendall趨勢統(tǒng)計檢驗方法[20]進一步確定沙塵暴、年均氣溫、降水的顯著變化年份和趨勢，用相關性分析方法[21]對典型區(qū)域進行顯著性判別，進而對沙塵天氣的時空變化規(guī)律進行分析，同時探討和田地區(qū)縣市出現(xiàn)沙塵天氣時空規(guī)律上的的共性、差異及原因。采用ArcGIS、Excel、SPSS17.0、Origin等軟件進行數(shù)據(jù)處理和制圖。

3 結果與分析

3.1 和田地區(qū)沙塵天氣的時空變化分析

3.1.1 區(qū)域整體變化分析 和田地區(qū)近60 a來平均沙塵暴、揚沙、浮塵、總沙塵日數(shù)分別為17.5、54.5、143.6、215.8 d，整體呈不同程度的下降趨勢(圖2)。和田地區(qū)最高沙塵暴日數(shù)出現(xiàn)在1960年，為42 d，最低沙塵暴日數(shù)出現(xiàn)在2012年，為3.8 d；和田地區(qū)最高揚沙日數(shù)出現(xiàn)在1966年，為87 d，最低揚沙日數(shù)出現(xiàn)在2014年，為23 d；和田地區(qū)最高浮塵日數(shù)出現(xiàn)在1976年，為211.2 d，最低浮塵日數(shù)出現(xiàn)在2012年，為68.3 d；和田地區(qū)最高總沙塵日數(shù)出現(xiàn)在1966年，為323.6 d，最低浮塵日數(shù)出現(xiàn)在2012年，為105.4 d。

圖2 1966～2018年和田地區(qū)沙塵天氣整體變化趨勢

多年來，沙塵暴出現(xiàn)次數(shù)最少的年份是2012年，和田地區(qū)沙塵天氣呈現(xiàn)減少趨勢，主要是氣溫逐年上升，從帕米爾高原入侵的冷空氣減少，新疆低氣壓減弱，從而塔里木盆地西風減少，導致沙塵天氣減少[22]。近年來，隨著生態(tài)環(huán)境的改善，對沙塵災害的防治也愈來愈受到重視，在南疆盆地，通過減少耕地面積，恢復生態(tài)脆弱區(qū)的天然草原植被，可有效的降低了沙塵暴的發(fā)生頻率[23]?？傮w來說，近60 a和田地區(qū)的沙塵日數(shù)變化呈現(xiàn)下降趨勢。

3.1.2 月際變化 民豐、和田、策勒、于田、洛浦、墨玉，月均沙塵暴日數(shù)高峰均出現(xiàn)在5月，峰值分別為6.3、4.3、3.9、3.3、2.9、2.7 d，皮山的峰值出現(xiàn)在6月，為4.2 d(圖3)。皮山、策勒、和田、于田、墨玉月均揚沙日數(shù)高峰均出現(xiàn)在5月，為13.6、9.47、9.8、8.4、7.5 d，洛浦和民豐高峰值出現(xiàn)在6月，為12.1、9.47 d。和田、民豐、皮山、策勒、于田、墨玉月均浮塵日數(shù)高峰出現(xiàn)在5月，為23.5、22.5、19.6、18.2、17.8、16.4 d，洛浦高峰值出現(xiàn)在4月，為18.6 d。

圖3 1966～2018年各縣市沙塵天氣月際變化圖

民豐、和田、策勒、洛浦、于田、墨玉月均總沙塵日數(shù)高峰出現(xiàn)在5月，為40.5、37.7、31.6、30.2、29.5、26.5 d，皮山高峰值出現(xiàn)在6月，為35.2 d。各縣市月均沙塵暴、揚沙、浮塵、總沙塵日數(shù)低峰值都出現(xiàn)在12月和1月，民豐月均沙塵暴日數(shù)低峰值為0.2 d，其余縣市為0 d，民豐月均揚沙日數(shù)低峰值為1.1 d，其余縣市低峰均小于0.6 d；和田和民豐月均浮塵日數(shù)低峰值為5.8、4.4 d，其余縣市低峰值均小于3.1 d；和田和民豐月均總沙塵日數(shù)低峰值為6.3、5.8 d，其余縣市低峰均小于3.4 d。

沙塵天氣集中發(fā)生在春夏季(4、5、6月)，而在秋冬季節(jié)明顯減緩(11、12、1月)，沙塵天氣在民豐、和田、皮山發(fā)生頻次高，而于田和墨玉發(fā)生頻次低。在3種沙塵天氣類型中，月均浮塵天氣持續(xù)時間最長。

3.1.3 年際變化 1966～2018年，年均沙塵暴出現(xiàn)日數(shù)由多到少的縣市依次為民豐、和田、策勒、皮山、洛浦、于田、墨玉，分別為31.1、19.2、17.7、16、10.9、10.7、10.6 d(圖4)。年均揚沙出現(xiàn)日數(shù)由多到少的縣市依次為皮山、民豐、策勒、和田、洛浦、于田、墨玉，分別為77.6、73.3、52.3、51.7、46.9、38.0、35.0 d。年均浮塵出現(xiàn)日數(shù)由多到少的縣市依次為和田、民豐、洛浦、皮山、策勒、于田、墨玉，分別為190.4、179.0、139.7、134.1、132、126.6、114.0 d。年均總沙塵出現(xiàn)日數(shù)由多到少的縣市依次為民豐、和田、皮山、策勒、洛浦、于田、墨玉，分別為283.5、263、229.1、202.5、197.2、174.4、159.7 d。

圖4 1960～2018年各縣市沙塵天氣年際變化圖

7個縣市的年均沙塵暴、揚沙、浮塵、總沙塵天氣日數(shù)均符合線性關系，整體呈現(xiàn)下降趨勢。沙塵暴日數(shù)隨年份的變化線性擬合度較好。

3.2 典型區(qū)域分析

墨玉出現(xiàn)的沙塵天氣日數(shù)在7縣市中最少，民豐出現(xiàn)的沙塵天氣日數(shù)最多。民豐的沙塵暴日數(shù)比其他縣域都要高，與其特殊的地理位置、大氣對流作用以及氣候因素有一定的聯(lián)系，民豐地處南疆盆地，由冷高壓從帕米爾高原進入南疆盆地[5]，從而使地面冷熱不均，在南疆盆地形成西風。同時，在大尺度的環(huán)流調整過程中，西伯利亞的冷空氣迅速進入我國西北地區(qū)，易造成大面積的沙塵天氣[24]。民豐縣發(fā)生的揚沙、浮塵日數(shù)、沙塵暴日數(shù)與大氣相對濕度在0.01水平上呈顯著的負相關性(表1)。夏季的土壤濕度和降水量大致呈正比的關系，降水量大小會影響地表土壤粘性變化，進而影響起沙過程[25]。民豐的年均降水量波動很大，大氣相對濕度低，蒸發(fā)量較高，促使民豐土壤濕度小，容易起沙，同時還會影響到植被的覆蓋程度，植被對沙塵有一定的抑制作用。自然因素在民豐沙塵暴的發(fā)生中起著重要作用，但人類不合理開發(fā)利用也促使民豐成為和田地區(qū)沙塵災害最嚴重的地區(qū)之一。

表1 民豐、墨玉沙塵天氣與氣象要素相關性分析

墨玉大氣相對濕度與揚沙、浮塵、沙塵暴日數(shù)之間在0.01水平上存在著顯著負相關性，和流經(jīng)墨玉的喀拉喀什河、東風水庫有一定的關系?？κ埠恿鹘?jīng)墨玉縣，喀拉喀什河流域6～9月水量最高，11～12月基本無水[26]。而沙塵天氣也在5、6、7月出現(xiàn)最多，近年來，和田地區(qū)的氣溫呈上升趨勢，冰川和雪山融水增多，喀拉喀什河徑流量增大，加上有東風水庫的存在，該區(qū)域土壤和空氣相對濕度明顯增大，為植被的生長提供較好的水熱條件，植被蓋度有所提高，對墨玉的沙塵天氣的發(fā)生有一定的抑制作用。

3.3 沙塵暴與氣象要素M-K趨勢分析

為了進一步判斷沙塵天氣、氣象要素的變化趨勢，對和田地區(qū)5縣1市1971～2015年的沙塵暴、年均氣溫、降水用M-K方法進行突變檢驗(圖5)。

圖5 各縣域沙塵暴、氣溫、降水M-K趨勢檢驗

皮山的沙塵暴日數(shù)從1985年后，UF曲線超過95%置信度，呈顯著的下降趨勢，無突變；策勒和于田的沙塵暴日數(shù)從1995年開始，有顯著的下降趨勢，突變年份分別出現(xiàn)在1997年、1993年；和田和洛浦的沙塵暴日數(shù)在1989年、1991年后，呈顯著下降趨勢，和田無突變，洛浦沙塵暴日數(shù)突變年份為1988年；而民豐的沙塵暴日數(shù)呈現(xiàn)下降-上升-下降的波動趨勢，2012年為突變年；和田地區(qū)沙塵暴日數(shù)顯著下降年份集中在1985～1995年之間。皮山、洛浦1971～1991年年均氣溫UF超過95%置信線并呈現(xiàn)顯著上升趨勢，突變年分別是1996年、1997年；和田、策勒1971～1994年年均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢，突變年均為1998年；于田、民豐1971～1995年、1971～1996年年均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢，突變年分別是2002年、1996年；各縣域年均氣溫整體呈上升趨勢集中在1971～1996年之間。5縣1市年均降水量的變化在2000年前整體呈上升趨勢，2000年后呈波動下降趨勢，各縣UF和UB均有多個交點上升趨勢不太顯著。

從整體分析，各縣市沙塵暴日數(shù)隨年份變化呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，與年均氣溫顯著上升、降水波動上升關系密切。隨著氣溫增高、降水波動上升，對和田地區(qū)植被的生長和繁殖帶來了良好的水熱條件，促使和田地區(qū)的植被覆蓋度進一步提高，土壤濕度增加，土壤肥力增加，植被對當?shù)氐姆里L固沙能力增強，進而沙塵天氣日數(shù)隨著年份變化呈現(xiàn)下降的趨勢。

4 討論

沙塵暴的形成與大氣運動有密切的關系，副熱帶西風急流是沙塵天氣發(fā)生的動力原因，春夏季，急流在新疆低壓槽底部和南亞高壓北部，急流軸北移到N 30°～45 °，此時，塔里木盆地的沙塵天氣急劇增強，在秋冬季，高壓脊和低壓槽的移動，導致急流南移，新疆塔里木盆地沙塵天氣逐漸減少[27]。和田地區(qū)沙塵天氣呈現(xiàn)減少趨勢，主要是氣溫逐年上升，從帕米爾高原入侵的冷空氣減少，新疆低氣壓減弱，從而塔里木盆地西風減少，導致沙塵天氣減少[28]。近年來，隨著生態(tài)環(huán)境改善，耕地面積減少，恢復了一些天然植被的覆蓋率，沙塵暴的發(fā)生日數(shù)也隨之減少。

和田各縣域1966～2018年間月際沙塵天氣變化是春夏多、秋冬少，與毛東雷等[29]得出的沙塵天氣月際變化趨勢一致。而本文研究的皮山、策勒、墨玉、和田、洛浦、民豐、于田多年均沙塵天氣日數(shù)為229.0、202.5、159.7、263、197.2、283.4、174.4 d，與元天剛等[30]認為西部的塔克拉瑪干沙漠多年平均沙塵指數(shù)高達235 d不一致，主要由于塔克拉瑪干沙漠腹地的沙塵天氣日數(shù)高于塔克拉瑪干沙漠邊緣地區(qū)。本文研究區(qū)處于塔克拉瑪干沙漠南緣地區(qū)，近年來這些地區(qū)外圍植被與防護林網(wǎng)日漸完善，沙塵天氣日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。本研究在元天剛等[30]研究者的基礎上，研究了近60 a的沙塵天氣的變化趨勢。本文研究得出年均揚沙、浮塵、沙塵暴總體呈現(xiàn)下降趨勢，與R.Indoitu[31]發(fā)現(xiàn)沙塵日數(shù)變化總體趨勢一致。本文研究發(fā)現(xiàn)民豐沙塵暴在1978年存在上升突變，與李紅軍等[32-33]在新疆、河西走廊地區(qū)的發(fā)生突變的年份不一致，但1978年民豐出現(xiàn)旱災，所以民豐出現(xiàn)的突變可能與氣候發(fā)生突變有關。民豐、和田、策勒沙塵災害發(fā)生次數(shù)較多，皮山、洛浦、于田、墨玉沙塵發(fā)生次數(shù)較少，主要是因為民豐、和田、策勒降水較少，植被蓋度相對差，容易起沙，所以區(qū)域沙塵發(fā)生率較高。而克里雅河流經(jīng)玉田縣，墨玉縣有喀拉喀什河和東風水庫，土壤含水率相對要高，不容易起沙，植被覆蓋度高，沙塵災害的發(fā)生率相對較低。

5 結論

1) 在時間尺度上，和田地區(qū)近60 a來平均沙塵暴、揚沙、浮塵、總沙塵日數(shù)分別為17.5、54.5、143.6、215.8 d，整體趨勢呈不同程度的下降趨勢。沙塵天氣中年平均浮塵日數(shù)出現(xiàn)最多，為145.1 d，沙塵天氣主要集中發(fā)生在春夏季節(jié)，秋冬季節(jié)下降。沙塵天氣集中發(fā)生在春夏季(4、5、6月)，而在秋冬季節(jié)明顯減緩(11、12、1月)，沙塵天氣在民豐、和田、皮山發(fā)生頻次高，而于田和墨玉發(fā)生頻次低。在3種沙塵天氣類型中，月均浮塵天氣持續(xù)時間最長。

2) 在空間上，沙塵暴日數(shù)變化規(guī)律為東、南、西邊緣的縣市出現(xiàn)次數(shù)多(民豐、和田、策勒年均沙塵暴日數(shù)分別為31.1、19.2、17.7 d)，中部縣市出現(xiàn)沙塵暴次數(shù)較少(皮山、洛浦、于田、墨玉年均沙塵暴日數(shù)分別為16、10.9、10.7、10.6 d)。7個縣市的年均沙塵暴、揚沙、浮塵、總沙塵天氣日數(shù)均符合線性關系，整體呈現(xiàn)下降趨勢，其中各縣沙塵暴的線性擬合度較高。

3) 墨玉沙塵災害發(fā)生次數(shù)最少，民豐發(fā)生次數(shù)最多。民豐縣與墨玉縣發(fā)生的揚沙、浮塵日數(shù)、沙塵暴日數(shù)均與大氣相對濕度在0.01水平上呈顯著的相關性，由于相對濕度間接影響到植被覆蓋度，進而影響了沙塵天氣的時空變化。

4) 和田地區(qū)年均氣溫顯著上升集中發(fā)生在在1971～1996年之間，年均沙塵暴日數(shù)顯著上升年份集中在1971～1996年，而降水呈波動上升趨勢。策勒、洛浦、于田、民豐的沙塵暴日數(shù)下降突變分別發(fā)生在1997、1988、1993、2012年；除于田氣溫上升突變出現(xiàn)在2002年外，其他縣市氣溫的上升突變集中發(fā)生在1996～1998年，與各縣市氣溫顯著上升的年份吻合。

5) 和田地區(qū)近60 a沙塵天氣日數(shù)的在時間和空間上的變化特征，主要是由該地區(qū)特殊的地理位置、地形、河流徑流量、植被覆蓋度等綜合影響所致。本研究結果可為研究區(qū)人工生態(tài)修復、防風固沙提供理論依據(jù)。