近54年內蒙古自治區西部沙塵暴的變化趨勢

馬瀟瀟, 王海兵, 左合君

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院 內蒙古風沙物理與防沙治沙工程重點實驗室, 內蒙古 呼和浩特 010011)

沙塵暴是干旱區頻發的災害性天氣現象[1]。沙塵暴發生時，風沙掩埋農田、毀壞基礎建設；能見度差，嚴重影響交通安全；大氣中的可吸入顆粒物濃度增大，空氣質量下降，導致患呼吸道系統疾病的人數增多，嚴重威脅著人們的身體健康。沙塵暴是制約干旱區人類生存和發展的重要因素。我國西北是重要的沙塵源區，區域內構造地貌、氣候、土壤和植被具有顯著的空間差異性，沙塵暴發生頻率和強度存在明顯的地域差異[2-3]。清楚認識源區不同地域沙塵暴發生規律對于防治沙塵暴災害至關重要。內蒙古自治區西部位于我國西北內陸，具有獨特的地理環境條件，生態環境異常脆弱，土地貧瘠，沙漠化嚴重。溫度高、降水少、風力強勁是其典型的氣候條件。內蒙古自治區有5個沙塵暴多發中心,其中有四個分布于西部地區[4]。內蒙古自治區西部沙塵暴的屢屢發生與該地區特定的氣候、地理和生態環境等條件有密切關系[5]。這里常年受西風帶影響,冷空氣入侵頻繁,春季干燥,多大風天氣，為沙塵暴的發生提供了動力條件。境內分布有巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠以及毛烏素沙地，這些沙漠、沙地為沙塵暴的發生提供了豐富的沙塵物質。內蒙古自治區西部已經成為一個重要的東亞以及太平洋地區的沙塵釋放源區[6-7]。目前，關于內蒙古自治區西部沙塵暴特征的研究較少，大多都是簡單的數據統計分析。以往對于沙塵暴周期性特征的分析僅僅是從時域方面進行的，比如李紅軍[8]等用最大熵譜分析方法分析了新疆地區的沙塵暴的周期性變化特征；丁瑞強[9]等用奇異譜分析方法分析了中國春季沙塵暴的周期性變化特征；而小波分析方法可以同時從時域和頻域兩方面分析時間序列的局部特征，孫然好、王存忠、萬的軍[10-12]等通過研究指出小波分析方法對于分析沙塵暴的周期性特征有很好的參考價值。對于沙塵暴突變性特征的分析大多都使用滑動f檢驗方法,忽略了人為主觀取值的隨意性；而使用Mann-Kendall(MK)檢驗方法和滑動t檢驗方法相結合來分析沙塵暴突變性特征可以很好的避免主觀取值對其影響。Mann-Kendall(MK)檢驗方法的優點是樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，被廣泛應用于水文、氣候檢驗等方面。本文采用小波分析、MK檢驗等多種統計分析方法對內蒙古自治區西部地區近54 a沙塵暴的趨勢、周期性以及突變性等特征進行研究，旨在為科學預測與防治沙塵暴天氣提供理論依據。在全面打造北疆亮麗風景線，建設美麗中國的新要求下，研究內蒙古西部地區沙塵暴天氣的變化特征具有重要的理論與現實意義。

1 資料與方法

1.1 數據資料

內蒙古自治區西部包括阿拉善高原、河套平原及鄂爾多斯高原。本文所用的內蒙古自治區西部1960—2013年近54 a沙塵暴日數數據是由內蒙古氣象局和中國氣象數據共享網提供的。根據氣象站點建站時間與數據完整性選取了24個氣象站點(圖1)的逐日觀測數據，其中阿拉善盟8個氣象站、巴彥淖爾市7個氣象站、鄂爾多斯市8個氣象站、烏海市1個氣象站。

注：1額濟納旗； 2拐子湖； 3巴彥諾爾公； 4雅布賴； 5阿拉善右旗； 6烏斯太； 7烏拉特中旗； 8五原； 9大佘太； 10磴口； 11杭錦后旗； 12烏拉特前旗； 13達拉特旗； 14吉蘭泰； 15烏海； 16臨河； 17伊克烏素； 18鄂托克旗； 19杭錦旗； 20東勝； 21伊金霍洛旗； 22準格爾旗； 23阿拉善左旗； 24烏審旗。

圖1 研究區域代表氣象站點空間分布

1.2 研究方法

1.2.1 線性傾向估計法 氣象要素的變化趨勢采用一次線性方程表示：

Yi=a+bti(i=1,2,3,…,n)

(1)

式中：Yi——時間為ti的某一氣候變量；t——所對應的時間；a——回歸常數；b——線性趨勢項。若b>0，Y呈上升趨勢，隨t值的增加而增加。反之，同理。b值的大小反映了上升或下降的速率。

1.2.2 小波分析 小波分析能夠同時從時域和頻域揭示時間序列的局部特性，適合于研究具有多時間尺度變化特性的非平穩信號。沙塵暴天氣發生頻次可以看作是隨時間有周期性變化的信號。本文利用Morlet小波對近54 a內蒙古自治區西部沙塵暴時間序列的周期性進行分析，其實部等值線圖可以反映時間序列不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布。為了更直觀的判斷時間序列的主要周期(即長、短周期)還需進行小波方差檢驗，其值可以反映時間序列的波動能量隨時間尺度的分布情況。

1.2.3 MK檢驗 MK檢驗，也叫無分布檢驗，是一種非參數檢驗方法。其優點是樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾。

在時間序列Xi(i=1,2,3,…,n)隨機獨立的假定下，定義統計量：

(2)

式中：UF1=0；E(Sk)，var(Sk)——秩序列Sk的均值和方差，在時間序列Xi(i=1,2,3,…,n)相互獨立，且有相同連續分布時，可由下式算出：

(3)

UFi為標準正態分布，它是按時間序列X順序X1,X2,X2…,Xn計算出的統計量序列，給定顯著水平α，通過查表，如果│UFi│>Uα,則表明序列存在明顯的趨勢變化。逆序重復上述過程，同時使UBk=-UFk(k=n,n-1,n-2,…,1),UB1=0。通過分析UFk和UBk曲線圖可知，若UFk的值大于0，表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當它們超過臨界值線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk出現的交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間；超過臨界線的范圍則確定為出現突變的時間區域。MK檢驗方法多用于發生突變時的分析，但由于MK檢驗方法不能用于多點突變的檢查，因此當使用MK方法檢測突變時，如果兩條線的交叉點位于臨界線以外，或檢測出多次突變時，則需要用滑動t檢驗對突變點進一步確定。

(4)

遵從自由度v=n1+n2-2的t分布。其中：

(5)

若│t1│>tα/2，則認為突變發生(α為顯著性水平)。

2 結果與分析

2.1 趨勢特征分析

近54 a內蒙古自治區西部沙塵暴日數整體而言是呈下降趨勢，根據沙塵暴天氣發生頻次以及其線性趨勢,將沙塵暴日數變化趨勢分為3個時期(圖2)：高頻期(1960—1975年)、快速減少期(1976—1992年)和低頻期(1993—2013年)。其中，在快速減少時期內：1976—1986年的線性遞減率為0.76 d/a，1987—1992年的線性遞減率為1.4 d/a；顯然，沙塵暴日數在1986年前后發生了明顯的突變現象。

圖2 研究區年平均沙塵暴日數特征趨勢線

2.2 周期性分析

內蒙古自治區西部年均沙塵暴日數的小波變換系數實部等值線如圖3所示。圖3中小波系數值越大，對應的沙塵暴日數就越多；小波系數值越小，對應的沙塵暴日數就越少；等值線中心對應的時間尺度就是沙塵暴的變化周期。內蒙古自治區西部年均沙塵暴日數主要存在1～2 a，3～6 a，7～10 a，11～17 a，18～25 a，26～32 a這6個明顯的周期變化規律。其中26～32 a周期尺度上小波變換系數實部等值線最密集，存在明顯的高低值變化規律，這種變化規律表現具有穩定性、全域性特征。

內蒙古自治區西部沙塵暴日數時間序列的波動能量隨尺度變化過程中，存在1.5，5，8，13，22，31 a這6個峰值(圖4)。綜合小波變換系數實部等值線圖與小波方差變化圖可知在研究時段內，內蒙古自治區西部沙塵暴日數存在31，22和13 a三個長周期和5，8和1.5 a三個短周期。

圖3 研究區沙塵暴日數的小波變換系數實部等值線圖

圖4 研究區沙塵暴日數的小波方差分析

2.3 突變檢驗

利用滑動t檢驗與MK檢驗相結合，同時對1960—2013年內蒙古自治區西部地區沙塵暴的年均日數進行突變檢驗，置信水平取95%。根據沙塵暴日數滑動t檢驗統計量曲線(圖5—6)與沙塵暴日數MK檢驗統計量曲線圖(圖7)可知，當滑動子序列長度n=7時。

圖5 研究區沙塵暴日數滑動t檢驗統計量曲線(n=7)

從圖5中可大致判斷突變發生的時段有1976—1980年、1982—1992年；當滑動子序列長度n=5時，從圖6中可大致判斷突變發生的時段有1971—1972年、1975—1979年、1986—1990年；在MK檢驗統計量曲線圖(圖7)中，年均沙塵暴日數的正序列曲線UF，在1977年后呈現出下降的趨勢，其中在1983年超過臨界線，表明下降的趨勢更加明顯。而UF與UB曲線在臨界線外相交于1986年，符合滑動t檢驗判斷的突變時間區域，也與趨勢特征變化中的結果一致，所以該突變點是可信的。綜上所述，內蒙古自治區西部近54 a沙塵暴日數在1986年左右發生了突變的現象。

圖6 研究區沙塵暴日數滑動t檢驗統計量曲線(n=5)

圖7 研究區沙塵暴日數Mann-Kendall檢驗統計量曲線

3 討 論

沙塵暴是由多種因素共同作用形成的，張沖[4]等通過研究沙塵暴活動特點與氣候因子的相關性，得出沙塵暴日數與降水量的發生呈負相關；劉景濤[13]等指出內蒙古自治區在20世紀60—70年代屬于干旱少雨時期，80—90年代則相對比較濕潤；李海英[14]等研究指出冬季的氣候因子和環流指數與內蒙古西部春季沙塵暴發生頻數關系密切，在60年代初至80年代中期北半球的冷空氣活動勢力比較強，寒潮、大風天氣偏多,對應的春季沙塵暴發生頻數就多，從80年代中期開始至90年代末冷空氣活動勢力減弱,對應的春季沙塵暴發生頻數少；王勇、顏明[15-16]等的研究結果也指出這種變化可能源于氣候周期變化和全球變暖的雙重影響，大風日數的減少削弱了沙塵暴發生的動力條件。錢正安[17]指出內蒙古自治區西部在20世紀60—70年代迫于人口壓力而過度開墾土地、過度放牧、地下水位下降以及濫開礦的現象導致了沙塵暴天氣多發；隨著內蒙古自治區西部實施了退牧還草、三北防護林建設、京津風沙源治理等國家重大生態環境工程，使得內蒙古自治區西部的生態環境變好沙塵暴天氣的發生頻次也就有所減少；本研究得出的內蒙古自治區西部沙塵暴的變化特征與這些學者得出的特征表現一致，其存在的5，8和1.5 a三個短周期在1986年之前比較明顯，31，22和13 a三個長周期在1986年之后比較明顯；沙塵暴在20世紀60—70年代發生頻繁，80—90年代明顯下降，90年代至21世紀是沙塵暴發生的低頻期；沙塵暴的發生頻次由短周期轉變為長周期，這意味著內蒙古自治區西部整體的生態環境有所好轉。王春學[18]等通過研究指出近40 a我國北方春季沙塵暴存在年代際尺度的準18 a周期；王式功[19]等指出我國沙塵暴日數的變化存在著6.7 a的周期；孫然好[10]等指出河西走廊沙塵暴存在7，13和23 a左右的周期變化；李紅軍[8]等分析指出新疆沙塵暴存在準3 a周期變化；郭慧[20]等分析指出甘肅省的沙塵暴存在3～6 a的周期變化；郭曉寧[21]等分析指出柴達木盆地春季沙塵暴存在8和20 a的周期變化；這些學者均指出沙塵暴日數的時間序列和大風日數時間序列具有一定的同步性,大風日數是影響沙塵暴周期性特征的重要因素。本文研究的時間尺度和研究區域均與這些學者不同，但本文所得出的長、短周期均與其相近。內蒙古自治區西部地貌類型復雜，沉積物組分差異明顯，這種差異就使得其內部具有區域性特征；這種區域性特征的存在，造成內蒙古自治區西部沙塵暴的周期變化與其他區域不同，而其內部不同空間尺度的周期性特征對于整體的周期性的影響還需進一步探究。

4 結 論

(1) 內蒙古自治區西部近54 a來沙塵暴日數，根據其變化特點可分為高頻期(1960—1975年)、快速衰減期(1976—1992年)和低頻期(1993—2013年)。沙塵暴發生的頻次分別為17，9和4 d/a；發生頻次的周期性存在31，22和13 a三個長周期和5，8和1.5 a三個短周期的波動變化。

(2) 1986年前后沙塵暴發生頻次出現了明顯的突變現象。1976—1986年的線性遞減率為0.76 d/a；1987—1992年的線性遞減率為1.4 d/a。