拐子湖沙塵暴氣候變化特征及其成因研究

吳海濤

內(nèi)蒙古自治區(qū)拐子湖氣象站

大量沙塵被強(qiáng)風(fēng)吹起，使得水平能見度不足1 000 m的天氣現(xiàn)象稱之為沙塵暴。當(dāng)前，我國(guó)受荒漠化威脅的面積是總國(guó)土面積的40%左右，且每年仍舊以2 460 km2的速度繼續(xù)擴(kuò)展。因沙塵暴天氣對(duì)人類的危害極為嚴(yán)重，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注，很多學(xué)者從不同角度，通過多種方法開展了大量研究工作，并得出了很多有意義的結(jié)論[1-4]。拐子湖位于巴丹吉林沙漠北緣，自然環(huán)境惡劣，主要?dú)夂蛱卣魇歉珊怠⑸儆?、炎熱、大風(fēng)天氣出現(xiàn)頻率較高。近幾十年來，因全球氣候變暖現(xiàn)象不斷加劇，特別是由此引發(fā)的極端氣候事件嚴(yán)重威脅著人類社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等。因此，對(duì)拐子湖沙塵暴天氣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于充分利用當(dāng)?shù)貧夂?、氣象變化?guī)律，并制定科學(xué)有效的防災(zāi)減災(zāi)措施很有必要。

1 研究資料和方法

本文利用拐子湖氣象站1991—2021年沙塵暴氣象觀測(cè)資料，選用線性趨勢(shì)分析法，對(duì)該地沙塵暴天氣變化規(guī)律進(jìn)行分析[5]。其中季節(jié)劃分采用常規(guī)劃分標(biāo)準(zhǔn)：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月到次年2月。

2 沙塵暴天氣時(shí)間分布特征

2.1 年際變化

1991—2021年拐子湖沙塵暴天氣共出現(xiàn)476d，每年平均沙塵暴日數(shù)為15.4 d，其中沙塵暴日數(shù)的最大值為24 d，分別出現(xiàn)在1996年和2007年；最小值只有4 d，出現(xiàn)在2016年，且最大值是最小值的6倍，說明拐子湖沙塵暴日數(shù)年際變化波動(dòng)幅度較大。近31年拐子湖年沙塵暴日數(shù)整體以下降趨勢(shì)為主，氣候變化傾向率為-3.524 d/10 a，下降趨勢(shì)極為顯著。結(jié)合平均值曲線，在2008年之前，除了有3年（1991年、1993年、2004年）的沙塵暴日數(shù)在多年平均值曲線以下外，其余年份的沙塵暴日數(shù)均高于平均值；從2008年往后，除了有2年（2015年、2017年）的沙塵暴日數(shù)高于平均值外，其余年份沙塵暴日數(shù)均低于平均值。結(jié)合年沙塵暴變化曲線圖（圖1），1991—1996年拐子湖年沙塵暴日數(shù)以上升趨勢(shì)為主，且1996年沙塵暴日數(shù)達(dá)到最大；從1996年往后，拐子湖沙塵暴日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，只是在21世紀(jì)10年代之前，沙塵暴日數(shù)下降幅度較大；之后則呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢(shì)。總體來說，近30年拐子湖沙塵暴天氣以下降趨勢(shì)為主。

圖1 1991—2021年拐子湖沙塵暴日數(shù)年際變化趨勢(shì)圖

2.2 四季變化

1991—2021年拐子湖春季沙塵暴日數(shù)整體以下降趨勢(shì)為主，變化傾向率為-0.927 d/10 a，下降趨勢(shì)較為顯著。近30年拐子湖春季平均沙塵暴日數(shù)為8.5 d，是年內(nèi)沙塵暴日數(shù)的55.0%，出現(xiàn)頻率相對(duì)較高。其主要原因可能是拐子湖春季大風(fēng)天氣出現(xiàn)頻率最高，冷空氣活躍，再加上降水量少，春季氣溫回暖解凍，在沙源存在較為豐富的拐子湖地區(qū)極易形成沙塵暴。其中1991—2007年拐子湖沙塵暴日數(shù)以波動(dòng)上升趨勢(shì)為主，且2007年春季沙塵暴日數(shù)最高，達(dá)到了17 d；從2007年往后呈現(xiàn)先快速下降后小幅度波動(dòng)下降的趨勢(shì)。

1991—2021年拐子湖夏季沙塵暴日數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，變化傾向率為-1.75 d/10 a，下降趨勢(shì)極為顯著。近30年拐子湖夏季平均沙塵暴日數(shù)為4.5 d，是年內(nèi)沙塵暴日數(shù)的29.2%；其中，在2006年以前，拐子湖夏季沙塵暴日數(shù)有5年在多年平均值曲線以下，占31.3%，剩余11年夏季的沙塵暴日數(shù)則在平均值曲線以上；從2006年往后，拐子湖大部分夏季的沙塵暴日數(shù)在平均值曲線以下，說明該階段是沙塵暴少發(fā)期；只有極個(gè)別年份的沙塵暴日數(shù)超過平均值曲線。從逐年沙塵暴日數(shù)曲線圖中可以看出，1991—1996年拐子湖夏季沙塵暴日數(shù)呈現(xiàn)大幅度上升的趨勢(shì)，且1996年夏季沙塵暴日數(shù)達(dá)到最大，為14 d，上升幅度高達(dá)12 d；從1996年往后夏季沙塵暴日數(shù)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

1991—2021年拐子湖秋季沙塵暴日數(shù)整體以下降趨勢(shì)為主，變化傾向率為-0.577 d/10 a，下降趨勢(shì)不太顯著。拐子湖秋季平均沙塵暴日數(shù)為1.3 d，占年內(nèi)沙塵暴日數(shù)的8.4%，出現(xiàn)頻率相對(duì)較低，其原因可能是秋季降水量相對(duì)集中，此時(shí)地表墑情較好，植物有較高的覆蓋度，大風(fēng)不容易將沙物質(zhì)吹起來，阻礙了沙塵暴天氣的形成。拐子湖秋季并不會(huì)每年都會(huì)有沙塵暴天氣出現(xiàn)，近30年共有12年沒有沙塵暴天氣出現(xiàn)，占40%，秋季出現(xiàn)沙塵暴天氣的頻率為60%。另外，拐子湖秋季沙塵暴日數(shù)的最大值只有5d，出現(xiàn)在1991年，其余年份的沙塵暴日數(shù)均在平均值曲線上下來回波動(dòng)。

1991—2020年拐子湖冬季沙塵暴日數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，變化傾向率為-0.343 d/10 a，變化趨勢(shì)不太顯著。拐子湖冬季平均沙塵暴日數(shù)為1.0 d，占年內(nèi)沙塵暴日數(shù)的6.5%，冬季沙塵暴日數(shù)的最大值為4 d，出現(xiàn)在2007年，拐子湖冬季還有12年沒有沙塵暴天氣出現(xiàn)，占40%。另外，1991—1995年拐子湖冬季沙塵暴日數(shù)呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)；1995—2001年呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)；從2001年往后拐子湖冬季沙塵暴日數(shù)以波動(dòng)下降趨勢(shì)為主。

由此可見，拐子湖春、夏、秋、冬四季沙塵暴日數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，同年沙塵暴日數(shù)變化趨勢(shì)保持一致，只是變化傾向率有一定差異，尤以夏季和春季沙塵暴減少趨勢(shì)對(duì)年變化貢獻(xiàn)最大。另外，拐子湖年內(nèi)沙塵暴以春季出現(xiàn)頻率最高，其次是夏季，秋季和冬季出現(xiàn)頻率較低。

2.3 年內(nèi)變化

1991—2021年拐子湖年內(nèi)沙塵暴日數(shù)整體呈現(xiàn)單峰型變化特征，峰值出現(xiàn)在5月份，沙塵暴日數(shù)共有106 d，占22.2%，次峰值出現(xiàn)在4月份，為97 d，占20.4%；谷值只有3d，出現(xiàn)在1月份，占0.6%，峰值大約是谷值的35倍，說明拐子湖沙塵暴日數(shù)年內(nèi)變化波動(dòng)幅度較大。結(jié)合沙塵暴年內(nèi)變化圖（圖2），1—5月份拐子湖沙塵暴日數(shù)整體以上升趨勢(shì)為主；從5月份往后則是逐月下降。另外，拐子湖年內(nèi)沙塵暴日數(shù)主要出現(xiàn)在每年的3—7月份，每月的沙塵暴日數(shù)幾乎都在1.5 d以上，尤以4—6月份最為集中，這段時(shí)間的沙塵暴日數(shù)共有268d，占沙塵暴日數(shù)的56.3%。這種春夏頻繁型的分布特點(diǎn)同拐子湖的氣候特點(diǎn)、地理位置及地面狀況密切相關(guān)。春季因大風(fēng)天氣的影響，使得沙塵暴天氣出現(xiàn)頻率較高；夏季則因強(qiáng)烈的日照輻射，使得流沙溫度快速上升，使得局地?zé)崃l件極不穩(wěn)定，進(jìn)而誘發(fā)沙塵暴天氣，這也是為何在盛夏，拐子湖地區(qū)仍舊可能出現(xiàn)能見度不足500 m沙塵暴天氣的主要原因。

圖2 1991—2021年拐子湖年內(nèi)沙塵暴日數(shù)變化圖

3 拐子湖沙塵天氣形成的原因

3.1 特殊地理位置和地形特征

拐子湖有較為惡劣的自然環(huán)境，是內(nèi)蒙古強(qiáng)沙塵與特強(qiáng)沙塵的主要多發(fā)區(qū)之一，也是我國(guó)沙塵暴北移路徑的必經(jīng)之地。因拐子湖位置較為特殊，再加上生態(tài)環(huán)境不斷惡化，裸露、疏松的地表和草地生態(tài)系統(tǒng)不斷惡化，使得鼠害、毒草害連年出現(xiàn)，導(dǎo)致植被退化速度不斷加劇，增加了草地裸露面積，浩瀚的巴丹吉林沙漠為頻繁出現(xiàn)的沙塵天氣提供了豐富的沙源，因拐子湖位于巴丹吉林沙漠北緣，一旦出現(xiàn)大風(fēng)天氣，將會(huì)就地起沙。

3.2 冷空氣不斷東移南下

春季，因冷空氣不斷東移南下，使得拐子湖經(jīng)常會(huì)有沙塵暴天氣。拐子湖沙塵天氣的冷空氣路徑主要包括：①西北路徑。弱的高壓脊幾乎控制整個(gè)烏拉爾山，西伯利亞如同大低壓槽區(qū)，堆積了大量的冷空氣，新疆東部到河西走廊則形成了較強(qiáng)鋒區(qū)，冷空氣不斷朝著拐子湖侵入。地面圖中，從新疆東部到河西走廊有熱低壓發(fā)展的極為迅速，同時(shí)還伴隨著較為明顯的氣壓梯度、變壓梯度及鋒面，冷空氣途徑蒙古西部后，會(huì)吹向巴丹吉林沙漠騰格里沙漠，導(dǎo)致拐子湖沙塵暴天氣的出現(xiàn)；②西方路徑。在沙塵暴天氣還沒有出現(xiàn)之前，有一高壓脊出現(xiàn)在烏拉爾山附近，而冷低壓槽則出現(xiàn)在蒙古西部到巴爾喀什湖一帶，翻越過天山的冷空則會(huì)朝著南疆沙漠、戈壁、巴丹吉林沙漠入侵，進(jìn)而引發(fā)拐子湖沙塵暴天氣；③北方路徑。在沙塵暴天氣還沒有出現(xiàn)之前，有一強(qiáng)冷高壓出現(xiàn)在貝加爾湖西部到新西伯利亞，而蒙古高原西北部則是高壓中心；有一低壓中心出現(xiàn)在貝加爾湖東部到河套北部，途徑蒙古國(guó)的冷空氣會(huì)吹向騰格里沙漠，進(jìn)而引發(fā)沙塵暴天氣，只是該路徑引發(fā)拐子湖沙塵天氣的概率相對(duì)較低。

3.3 春季溫暖少雨氣象條件

春季，拐子湖上空以晴朗天氣為主，地面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不斷增大，沙漠、戈壁、裸露的地表會(huì)有明顯的增溫現(xiàn)象，極易產(chǎn)生正變溫區(qū)，在對(duì)流層中層有時(shí)會(huì)有負(fù)變溫存在，增加了大氣的不穩(wěn)定性水平，將會(huì)出現(xiàn)熱力擾動(dòng)，為地面沙塵卷入到空中提供了有利條件。再加上空氣有效降水不足，使得拐子湖連年干旱，地下水位不斷降低，進(jìn)一步加劇了水質(zhì)惡化程度，在大風(fēng)天氣出現(xiàn)之前很難有明顯降水天氣過程來抑制沙塵，為沙塵天氣的出現(xiàn)提供了豐富的沙源條件。

4 防御措施

4.1 建立沙塵暴天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

對(duì)于拐子湖氣象站來說，應(yīng)始終將沙塵暴監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作作為日常氣象監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。根據(jù)拐子湖沙塵暴天氣發(fā)生發(fā)展規(guī)律，對(duì)沙塵暴天氣危害較為嚴(yán)重的區(qū)域積極構(gòu)建監(jiān)測(cè)站網(wǎng)。與此同時(shí)，還可以建立氣象信息共享平臺(tái)，以對(duì)沙塵暴天氣動(dòng)態(tài)變化情況及時(shí)掌握。對(duì)于沙塵暴災(zāi)害變化情況，為了不斷提升沙塵暴災(zāi)害預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，需及時(shí)開展臨近短期和中長(zhǎng)期沙塵暴災(zāi)情預(yù)報(bào)工作。對(duì)沙塵暴災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)不斷進(jìn)行強(qiáng)化，提升對(duì)沙塵暴天氣的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)水平。在當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵期內(nèi)，一旦出現(xiàn)沙塵暴天氣，需要拐子湖氣象站時(shí)刻監(jiān)測(cè)沙塵強(qiáng)度并及時(shí)預(yù)告，使農(nóng)牧民可第一時(shí)間獲取到同沙塵暴相關(guān)的氣象服務(wù)信息，確保防災(zāi)減災(zāi)工作順利開展。

4.2 改善生態(tài)環(huán)境

拐子湖生態(tài)環(huán)境惡劣，要從根源上減少沙塵暴的發(fā)生，需要積極構(gòu)造人與自然和諧相處的生活空間，將環(huán)境規(guī)劃工作放在首位，加大投入力度做好環(huán)保設(shè)施建設(shè)，同時(shí)還要開展環(huán)境綜合治理，借助于電視、廣播、網(wǎng)絡(luò)、宣傳冊(cè)、微信、微博等不同方式向當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民積極宣傳保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要作用，提升社會(huì)大眾的環(huán)境保護(hù)意識(shí)。按照相關(guān)法律法規(guī)對(duì)林草植被進(jìn)行保護(hù)，大范圍種植喬灌草，以對(duì)土地沙漠化問題進(jìn)行抑制。為了對(duì)農(nóng)田、牧區(qū)草場(chǎng)進(jìn)行保護(hù)，可對(duì)防護(hù)林進(jìn)行構(gòu)建，采取科學(xué)有效的方法不斷完善風(fēng)沙生物防護(hù)體系，減少土地沙漠化程度和沙塵源，最大限度地避免或者降低沙塵暴災(zāi)害。

4.3 遏制沙塵原，加大退耕還林還草力度

結(jié)合拐子湖近年氣候發(fā)生發(fā)展規(guī)律，對(duì)優(yōu)良牧草品種加大種植力度，同時(shí)還可以對(duì)多年生牧草選擇人工種植，不斷增強(qiáng)退耕還林還草力度。另外，對(duì)當(dāng)前的草場(chǎng)不斷進(jìn)行改良，適當(dāng)增大牲畜食用牧草種植比例。多年來，因退化草場(chǎng)氣候的干旱化趨勢(shì)極為顯著，土壤濕度與地標(biāo)濕潤(rùn)指數(shù)不斷下降。為了盡快改善這種情況，需對(duì)抗旱性、耐旱性強(qiáng)的牧草進(jìn)行積極補(bǔ)種，不斷提升林草覆蓋率，以減少沙塵暴天氣的出現(xiàn)。