近37a柴達木盆地沙塵暴的時空變化特征及影響因子分析

陳宏松，祁棟林，韓廷芳，石秀云，李 興，李萬志

(1.青海省格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099；2.青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810001；3.青海省氣候中心，青海 西寧 810001)

1 引言

根據沙塵暴氣象觀測規范的定義：沙塵暴是指強風將地面大量的塵沙吹起，使空氣很混濁，水平能見度小于1 km的天氣現象，且沙塵暴又分為沙塵暴、強沙塵暴、特強沙塵暴[1]。沙塵暴發生時常常伴隨著較強的風力和較低的能見度，對經濟發展和人們的日常生活會造成一定危害。近年來沙塵暴以其危害的嚴重性和影響的廣泛性，備受國內外專家學者的廣泛關注和研究。國外從上世紀20年代就開始了沙塵暴方面的研究，20世紀20年代初Hankin等首先對印度的“Andhi”型沙塵暴的上升和下沉氣流進行了研究[2]。自20世紀70年代起我國開始對沙塵暴進行研究，主要研究領域為沙塵暴的成因以及氣候影響條件等[3～10]。

柴達木盆地位于青海省的西北部，青藏高原的東北部，干旱少雨，植被稀少，東部下墊面以溫性草原為主，西部下墊面以沙漠戈壁為主，生態環境極其脆弱，是我國海拔最高的內陸盆地，柴達木盆地常受大風沙塵暴的侵襲，給國民經濟及人民生活生產造成了一定的危害。柴達木盆地以其特殊的地理位置和氣候背景，成為青海省沙塵天氣的多發區之一，也是我國沙塵天氣多發區之一。至今，前人已經做過一些關于柴達木盆地沙塵天氣特征研究[11，12]，其中張煥平[12]等揭示了柴達木盆地沙塵天氣時間變化特征、變化的主要原因、沙塵天氣與氣象要素的關系，所做研究最為全面。但是目前對于柴達木盆地的沙塵暴空間分布特征、柴達木盆地東西部沙塵暴日數變化差異、沙塵暴日數變化與氣象要素的完全相關關系并沒有研究。本文將對近37a間柴達木盆地沙塵暴的空間分布特征、柴達木盆地東西部沙塵暴的年際變化及全區沙塵暴日數年際、年代際變化趨勢、月季變化、突變及多時間尺度變化特征、沙塵暴日數與氣候因子的完全相關分析等進行研究，進一步分析柴達木盆地沙塵暴空間區域分布特征、區域及整體的沙塵暴時間變化規律、影響因子，對改善農業氣象災害的發生、環境保護和促進地方經濟可持續發展具有一定的參考價值和指導意義。

2 資料和方法

2.1 資料來源

選取柴達木盆地茫崖、冷湖、大柴旦、格爾木、諾木洪、都蘭、烏蘭、茶卡、德令哈、天峻、小灶火11個氣象站1981～2017年逐月沙塵暴日數、平均氣溫、降水量、降水日數、相對濕度、水汽壓、大風日數、平均風速等氣象要素，并以11個氣象站的氣象觀測要素的算術平均值時間變化代表柴達木盆地的沙塵暴日數變化時間序列。

氣象上的季節劃分：春季：3～5月、夏季：6～8月、秋季：9～11月、冬季：12月～翌年2月，以1981～2017年算術平均值代表37a氣候平均值。

2.2 研究方法

2.2.1 氣候傾向率 通常用一元線性方程來描述要素的氣候變化趨勢[13]：

y(t)=a+b(t)

(1)

式中，t為時間序列，a為經驗系數，其通過回歸分析中的最小二乘法求得，b為趨勢變化率，當b在某時間序列中為正(負)表示氣候要素有增加(減小)趨勢，b×10為氣候傾向率，表示氣候要素10a的變化速率。

2.2.2 Mann-Kendall(MK)法 MK法[11]通過構造正序列(UF)和逆序列(UB)進行計算，根據正、逆序列統計量的曲線判斷氣象要素的變化趨勢及突變特征。MK法是一種非參數統計檢驗方法，它不假定隨機變量分布也不受異常值干擾。變量可以不具有正態分布的特征，因此非常適用于氣候變量的趨勢檢驗。

2.2.3 Morlet小波分析法 Morlet小波分析法[13]能夠詳細而準確地提示出時間序列中瞬時頻率結構隨時間的變化，該方法具有局部化、多層次和多分辨的優點。小波系數的實部包含所給定的時間、尺度信號相對于其他時間、尺度信號的強度和位相信息，變換圖形能夠反映物理量的時空變化周期性特征。

2.2.4 完全相關系數 完全相關系數[15]QC的計算公式如下：

|QC|=C1×C2

(2)

式中QC為完全相關系數、C1為氣象要素與沙塵暴日數的相關系數、C2為氣象要素與時間的相關系數。只有當某氣象要素不但與沙塵暴日數有較好的相關性，且又隨時間有顯著變化時，氣象要素與沙塵暴日數的完全相關系數才比較大，表明該氣象要素為沙塵暴日數變化的主要影響因子。

3 結果與分析

3.1 柴達木盆地沙塵暴的空間分布特征

柴達木盆地沙塵暴年平均日數在0.5～11.7 d之間，沙塵暴日數有兩個高值中心為格爾木、茫崖均大于8 d，其余地區沙塵暴日數均小于7 d；沙塵暴天氣出現日數有兩個低值中心為大柴旦、德令哈均小于2 d(如圖 1)。沙塵暴的空間分布與地理位置和地形特征有很大關系。沙塵暴形成的3個基本條件為：豐富的沙源、強風及不穩定的大氣層結，首先南疆盆地和柴達木盆地西南部有廣闊的沙源地，而且大風的地理分布也有明顯的地域性，茫崖處于柴達木盆地西沿的阿爾金山山口，出現大風的日數較多[16]，另外柴達木盆地的地勢為從西北向東南方向傾斜，其東部為較大的開闊地，格爾木市正處于這種開闊地，這種特殊的地形不但對風有狹管加速效應，而且風沿地形下滑過程中勢能轉化為動能，使近地面風會進一步加強[17]，導致格爾木地區風速相對較大，進而使得柴達木盆地的沙塵暴高發區出現在茫崖和格爾木地區。

圖1 柴達木盆地沙塵暴年平均日數分布

3.2 柴達木盆地沙塵暴的時間變化趨勢

3.2.1 柴達木盆地沙塵暴日數的年際變化 圖2顯示，近37a柴達木盆地沙塵暴日數年變化呈波動減少趨勢。其減少速率為1.2d/10a，通過了0.01水平的顯著性檢驗。柴達木盆地沙塵暴年平均日數最多的年份為1984年，達7.5 d。2013年為柴達木盆地沙塵暴年平均出現日數最少年，為0.9 d。柴達木盆地各站累計沙塵暴日數年平均日數為4.1 d。從柴達木盆地沙塵暴日數累計距平變化趨勢來看，2003年以前為沙塵暴日數的偏多期，2003年以后為沙塵暴日數偏少期，但是沙塵暴日數在2010年表現為明顯偏多。從沙塵暴日數的5a滑動平均變化曲線來看，80年代、2002～2007年、21世紀以后表現為沙塵暴日數的明顯減少。

圖2 近37a柴達木盆地沙塵暴變化趨勢

3.2.2 柴達木盆地東西部沙塵暴日數的年際變化差異 柴達木盆地自然地理狀況及下墊面復雜多樣，東部以溫性草原為主，西部以溫性荒漠為主。根據韓廷芳等[18]的研究方法，將柴達木盆地分為兩個部分，東部為德令哈、都蘭、烏蘭、天峻、茶卡5個地區，西部為小灶火、格爾木、諾木洪、茫崖、冷湖、大柴旦6個地區，研究的沙塵暴數據為該地區的氣象站觀測到的沙塵暴觀測數據，并且用東西部氣象站觀測的沙塵暴日數算術平均值代表東西部沙塵暴日數。

柴達木盆地東西部沙塵暴日數年際變化圖3，東西部沙塵暴日數階段變化基本一致，呈現一致的減少趨勢，減少速率分別為1.3 d/10a、1.0 d/10a，均通過了0.01水平的顯著性檢驗，東部減少速率大于西部。從東西部沙塵暴日數的5a滑動平均來看東部沙塵暴日數減少速率明顯大于西部。東部沙塵暴日數多年平均值為2.4 d，西部沙塵暴日數多年平均為5.6 d，西部為東部的2.3倍。

圖3 近37a柴達木盆地東(a)、西(b)部沙塵暴變化趨勢

3.2.3 柴達木盆地沙塵暴日數的年代際變化 近37a柴達木盆地沙塵暴日數的年代際距平變化表示(表1)，20世紀80年代至21世紀初期，柴達木盆地沙塵暴日數呈現減少趨勢，20世紀80年代、90年代沙塵暴日數偏多，80年代偏多尤為明顯，90年代略偏多，21世紀以來沙塵暴日數呈偏少態勢，其中2011～2017年沙塵暴日數比氣候平均值4.1 d偏少2 d。

表1 沙塵暴日數的年代際距平變化

3.2.4 柴達木盆地沙塵暴日數的月、季節變化 通過分析1981～2017年柴達木盆地沙塵暴日數的月變化(圖4)可知，4月為柴達木盆地沙塵暴出現日數最多的月份，達1.0 d，為全年總日數的23%；10月為沙塵暴日數出現最少的月份，為0.1 d，柴達木盆地沙塵暴天氣的月變化趨勢與我國沙塵暴天氣月變化趨勢表現一致[19]。

圖4 近37a柴達木盆地沙塵暴日數月變化趨勢

從沙塵暴的季節變化特征來看(表2)，1981～2017年之間柴達木盆地沙塵暴日數表現出明顯的季節變化特征，春季出現日數最多，為2.3 d，明顯高于其他三個季節，占全年總日數的56%，主要原因為春季到來，氣溫迅速回升，土壤表層解凍，變得松散，加上春季柴達木盆地缺乏降水，蒸發量又較大，同時植被尚未返青，土壤極易被卷起形成沙塵天氣；夏季是柴達木盆地沙塵暴日數第二多的季節，出現0.8 d，占全年總日數的19%，夏季沙塵暴日數僅次于春季，主要是由于高原夏季對流比較旺盛，局地強對流天氣易引起大風沙塵天氣，這種沙塵天氣的范圍較小[20]，稱為局地性沙塵暴；秋季為柴達木盆地沙塵暴在發生的日數最少的季節，為0.4 d，這主要與盆地受冷空氣的影響次數較少、強度較弱且夏季累積降水、下墊面的性質有關。柴達木盆地沙塵暴日數表現為春季>夏季>冬季>秋季的季節特征。

表2 沙塵暴日數的季節變化

3.3 柴達木盆地沙塵暴日數的突變檢驗

為研究柴達木盆地年沙塵暴日數是否存在突變現象，采用Mann-Kendall(M-K)非秩次檢驗方法對沙塵暴日數進行突變檢驗分析，得到圖5，由圖5可以看出近37a來柴達木盆地年沙塵暴日數呈現減少趨勢，且UF與UB兩條曲線在1996～2003年間多次出現交點，對應的檢驗值均超過顯著性水平臨界值1.96，柴達木盆地沙塵暴日數變化突變分析結果并不明顯，更多地表現為一種周期性波動。

圖5 柴達木盆地年沙塵暴日數M-K突變檢驗曲線

3.4 柴達木盆地沙塵暴日數的周期變化

將柴達木盆地的年沙塵暴日數時間序列進行Morlet小波變換，圖6為柴達木盆地年沙塵暴日數小波變換實部時—頻分布圖(a)和小波變換模圖(b)。由圖6可以看出，不同階段的同一周期震蕩及同一階段的不同震蕩所表現出來的震蕩強弱不同。目前所采用的小波為基小波的分析，在很多科技工作中只依據小波系數的實部圖進行結果分析，這樣將會出現一些虛假信息。所以，在小波系數的實部圖進行結果分析基礎上，結合模分析，不僅能反映各個周期成分在局部時段的特征，模代表不同參數的小波對總能量各貢獻，能清楚的反映出序列中各個周期的成分的強度隨時間的變化[21]。由圖6(a)和圖6(b)可知，柴達木盆地年沙塵暴日數在8～10a以上較大的時間尺度上，約9a左右的震蕩周期最明顯，為5，而對于8a以下相對較小的時間尺度上，在2010～2015年間存在約為3的震蕩周期，其它周期信號強度均較弱。

圖6 柴達木盆地年沙塵暴日數小波變換實部時—頻分布圖(a)和小波變換模圖(b)

3.5 柴達木盆地沙塵暴日數與氣候因子的相關分析

影響季、年沙塵暴日數變化的因子很多，根據沙塵暴的形成條件：沙源條件、動力條件及氣候背景[16]，選取了平均氣溫、風速、降水量、大風日數、最高氣溫、降水日數、相對濕度、水汽壓為柴達木盆地沙塵暴日數變化的影響因子，為了準確揭示其主要的影響因子，本文采用完全相關系數方法來分析影響沙塵暴日數變化的主要因子。在這個公式里 C1必須>0.325(0.325為95%信度的臨界值)；C2必須>0.323(0.323為95%信度的臨界值)。

表3可知：全年及四季柴達木盆地沙塵暴日數與風速和大風日數呈顯著正相關，說明平均風速越大、大風日數越多則沙塵暴日數越多，反之，則沙塵暴日數越少；沙塵暴日數在年、春季、夏季、秋季與平均氣溫的相關關系表現為顯著的負相關，冬季沒有明顯的相關性，這種沙塵暴日數與溫度的負相關關系揭示了溫度的間接影響，即柴達木盆地氣溫上升明顯導致地面的氣壓梯度減小，從而使得近地面風速相應變小，沙塵暴的發生幾率變小，這與張煥平等[12]的研究基本一致。但是本文研究結果顯示，冬季平均氣溫與沙塵暴日數沒有明顯的相關關系；年沙塵暴日數與降水量、最高氣溫、水汽壓有顯著的負相關關系說明年降水量大、最高氣溫高、水汽壓大會降低沙塵暴的發生幾率，其余季節其余氣象要素對沙塵暴日數的影響不大。

表3 氣象要素與沙塵暴日數及時間相關系數、完全相關系數

從氣象要素的時間變化趨勢來看，全年及四季平均氣溫和最高氣溫的相關系數為正，大風日數和風速的相關系數為負，說明平均氣溫和最高氣溫隨在研究時段內隨時間變化呈上升趨勢，而大風日數和風速呈下降趨勢；全年、夏季及秋季降水量呈增加趨勢，其余氣象要素無明顯的時間變化趨勢。

由表3中的QC值可以看出，全年及四季沙塵暴日數與風速、大風日數的完全相關系數最大，表明相關性最強，其次在全年、春季、夏季及秋季沙塵暴日數與平均氣溫的相關系數較大，全年沙塵暴日數與降水量、最高氣溫、水汽壓有較好的相關性，在其余季節與其余要素沒有明顯的相關性。由此可知，大風日數、風速和平均氣溫既與沙塵暴日數的相關性較好，又隨時間發生了顯著的變化，是影響柴達木盆沙塵暴日數變化的最主要氣候因子，其次為降水量、最高氣溫、水汽壓對全年的沙塵暴日數有明顯的影響，而選取的剩余氣象要素中，降水日數及相對濕度對沙塵暴日數變化的影響相對比較小。

4 結論

(1)柴達木盆地沙塵暴年平均日數在0.5～11.7 d之間，沙塵暴天氣出現日數有兩個高值中心為格爾木、茫崖均大于8 d；沙塵暴天氣出現日數有兩個低值中心為大柴旦、德令哈均小于2 d；

(2)柴達木盆地沙塵暴日數年際變化呈波動減少趨勢，減少速率為1.2d/10a。柴達木盆地東部沙塵暴日數減少速率大于西部。東部沙塵暴日數多年平均值為2.4 d，西部沙塵暴日數多年平均為5.6 d，西部為東部的2.3倍；

(3)20世紀80年代開始至21世紀初期，柴達木盆地沙塵暴日數呈現減少趨勢，80年代偏多尤為明顯，90年代略偏多，21世紀以來沙塵暴日數呈現偏少態勢；

(4)4月為柴達木盆地沙塵暴出現日數最多的月份，為1.0 d，占全年沙塵暴總日數的23%；10月為沙塵暴日數出現最少的月份；

(5)1981～2017年之間柴達木盆地沙塵暴日數有明顯的季節變化特征，在春季出現日數最多為2.3 d明顯高于其他三個季節，占全年總日數的56%，其次是夏季為0.8 d列居四季的第二多，占全年總日數的19%，沙塵暴日數表現為春季>夏季>冬季>秋季的氣候特征；

(6)柴達木盆地沙塵暴日數突變分析結果并不明顯，更多地表現為一種周期性波動；

(7)沙塵暴日數在8～10a以上較大的時間尺度，9a左右的震蕩周期最為明顯，約為5，而對于8a以下相對較小的時間尺度上，2010～2015年存在約為3的震蕩周期，其它周期信號強度都比較弱；

(8)大風日數、風速和平均氣溫既與沙塵暴日數的相關性較好，又隨時間發生了顯著的變化，是影響柴達木盆沙塵暴日數變化的最主要氣候因子，其次為降水量、最高氣溫、水汽壓對全年的沙塵暴日數有明顯的影響。