基于軌跡模型的和田綠洲沙塵移動軌跡及氣象特征分析

艾沙江·艾力，徐至遠，徐海量*，木合塔爾·吾提庫爾，麥麥提艾力·麥麥提敏

1.中國科學院新疆生態與地理研究所， 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室

2.新疆農業大學水利與土木工程學院

3.新疆和田地區墨玉縣氣象局

沙塵暴是我國西北地區經常發生的一種災害性天氣現象，也是影響環境質量的嚴重問題之一[1-4]。和田綠洲位于塔克拉瑪干沙漠南緣，是全國沙塵天氣最頻繁發生的地區，年平均降塵量約為1 400 t/km2，年沙塵暴天數為32.9 d，揚沙天數為53.l d，而浮塵天數可達202.4 d[5]。頻繁及強烈的沙塵天氣已經嚴重影響到該地區人們日常生產、生活與生命財產安全[6-8]。因此，治理沙塵暴以及減少沙塵暴危害已成為該地區生態環境部門最關注的問題。然而，治理沙塵暴，不僅要了解沙塵暴頻率、強度和季節變化，更需要對沙塵暴的來源、移動路徑進行系統的研究，確認沙塵暴的方向，以便采取針對性的措施。但長期以來，由于沙塵暴的形成原因及影響過程比較復雜，對沙塵暴移動路徑的準確判定比較困難。以往對塔克拉瑪干沙漠地區沙塵暴研究主要以沙塵暴時空分布及其對環境質量的影響為主。如王旭等[9]結合南疆地區42個氣象站1961－1999年的沙塵天氣數據，分析了該地區沙塵暴時空變化特征。劉明哲等[10]分析了1942－2001年南疆各地沙塵天氣與氣象要素之間的相關性，以及沙塵暴對氣候變化的響應。劉艷等[11]研究了全疆鐵路線沙塵天氣，將新疆鐵路沿線區域分為高發區、多發區、易發區、影響區和無災區5個等級。劉尊馳[12]結合沙塵暴監測數據，利用HYSPLIT軌跡模式，揭示了2005－2014年南疆5個分區的沙塵暴月頻率、強度、輸送路徑、氣象特征及影響范圍。然而，以往研究都將塔克拉瑪干沙漠乃至整個南疆作為研究區域，多以沙塵暴時空分布特征研究為主，但對具體區域沙塵天氣格局、沙塵天氣與氣象要素的關系、沙塵顆粒來源及移動路徑的相關研究較少。

根據《地面氣象觀測規范》中的沙塵暴天氣等級，依據沙塵天氣地面水平能見度依次分為浮塵、揚沙和強沙塵暴3個等級。浮塵即當無風或平均風速小于等于3.0 m/s時，沙塵浮游在空中，水平能見度小于10 000 m的天氣現象；揚沙是指風將地面沙塵吹起，空氣很混濁，水平能見度小于1 000 m的天氣現象；強沙塵暴是指大風將地面沙塵吹起，空氣非?；鞚幔侥芤姸刃∮?00 m的天氣現象?；旌蠁晤w粒拉格朗日函數綜合軌跡模型(hybrid single particle Lagrangian integrated trajectory model，HYSPLIT)是計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業模型[13-16]。軌跡聚類方法是通過對軌跡停留點的計算，得到軌跡的主要來源方向及其占比，并整合軌跡計算分析結果的信息，判斷污染的主要來源方向。以往的研究經常將該模型用于分析大氣污染物前向移動軌跡，卻很少用于沙塵暴移動軌跡的研究[17-18]。筆者以和田綠洲西北部的墨玉縣為研究區域，分析了2004—2018年不同沙塵天氣發生的頻率，并采用HYSPLIT模型和聚類分析法，分析在沙塵天氣期間到達和田綠洲的氣流的移動路徑，對不同強度沙塵暴的移動路徑及氣象特征進行對比分析，以期為進一步研究和田地區和新疆干旱區沙塵天氣特征以及減少沙塵暴危害提供科學依據。

1 數據來源與方法

1.1 研究區域概況

和田綠洲（79°30'E～80°30'E，37°00'N～37°30'N）位于昆侖山北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，包括和田市及和田、墨玉、洛浦三縣[19-20]。將墨玉縣作為研究區域，對到達墨玉縣的沙塵暴進行模擬研究。墨玉縣（79°08'E～80°51'E，36°36'N～39°38'N）位于和田地區西北部，昆侖山北麓，喀拉喀什河西側，塔克拉瑪干大沙漠南緣，海拔1 120～3 663 m。墨玉縣地勢南高北低，南部為山腰起伏山區，中部為洪水沖積扇平原。氣候屬暖溫帶干燥荒漠氣候，四季分明，夏季炎熱、干燥少雨，春季升溫快，秋季降溫快，降水稀少，光照充足，無霜期長，晝夜溫差大。年平均氣溫為11.3 ℃，1月平均氣溫為-6.5 ℃，7月平均氣溫為24.8 ℃，極端最低氣溫為-18.7 ℃，年平均降水量為36～37 mm，蒸發量為2 239 mm，無霜期為177 d，年日照時數為2 655 h[21-23]。干燥的氣候和附近大面積的沙漠為當地沙塵天氣的頻發提供了有利條件[24]。

1.2 數據來源

2004—2018年的沙塵天氣數據（浮塵、揚沙、沙塵暴發生日期）來自墨玉縣氣象局；2004—2009年以及2015年的地面氣象要素數據（包括逐日平均氣溫、空氣濕度、風向、風速）由于墨玉縣氣象局不全或者無法獲取，從國家氣象數據網站（http://data.cma.cn/user/toLogin.html）下載補充；2010—2014年以及2016—2018年的沙塵天氣類型及頻率數據來自墨玉縣氣象局。此外，為了更準確地分析沙塵天氣的氣象特征，還引入了每個沙塵天氣日的大氣混合層厚度和太陽輻射通量等數據，通過運行HYSPLIT后向軌跡模型獲取。

1.3 研究方法

1.3.1 HYSPLIT后向軌跡模型

HYSPLIT模型是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和澳大利亞氣象局聯合研發的。該模型利用美國國家環境預報中心(NCEP)提供的全球資料同化系統(GDAS)資料，較準確地確定大氣顆粒物的輸送、擴散和沉積特征[13-17,25]。以墨玉縣氣象站點（75.25°E，35.71°N）上空 500 m 處的氣團為運動終點，2004—2018年的每個沙塵天氣日20:00(UTC，世界標準時間)為起始時間，采用HYSPLIT模型進行36 h的后向軌跡追蹤，將模擬軌跡代表沙塵顆粒的移動路徑。

1.3.2 聚類分析

本研究所用聚類方法為系統聚類，對樣本分類采用歐式距離，歐氏距離是將m×n的數據矩陣X看作 m 個 1×n的行向量 x1，x2，…，xm，則向量 xi和xj之間的歐氏距離（dij）為：

將計算得到的后向軌跡根據氣團水平移動速度和方向進行分組得出不同的輸送軌跡組，對各組氣團的發生天數、氣象特征及移動路徑進行分析對比[11-13,26-29]。

2 結果與分析

2.1 沙塵天氣發生天數

2004—2018年，墨玉縣總共發生了2 891 d沙塵天氣，其中，浮塵天氣發生天數為2 110 d，揚沙天氣為571 d，強沙塵暴天氣為210 d。各類沙塵天氣發生天數年際變化如圖1所示。從圖1可以看出，2004—2018年，3種沙塵天氣發生天數總體變化幅度不大。其中，浮塵天氣發生天數變化最為明顯，2006年、2011年和2016年的發生天數分別為180、171和175 d，比其他時段高，浮塵天氣最低發生天數出現在2012年，為117 d。

圖1 墨玉縣各類沙塵天氣發生天數Fig.1 Occurrence frequency of various dust weathers in Moyu County

2004—2018年墨玉縣各類沙塵天氣發生天數月變化如圖2所示。從圖2可以看出，沙塵天氣主要集中發生在春夏季（3—7月），占全年發生天數的70.23%。5月浮塵和揚沙天氣發生天數最高，分別為338和130 d，強沙塵暴天氣在4月的發生天數最高，為64 d。冬季（11—次年1月）各類沙塵天氣發生天數最低。

圖2 墨玉縣各類沙塵天氣發生天數月變化Fig.2 Monthly variation of occurrence frequency of various dust weathers in Moyu County

2.2 沙塵天氣與氣象要素的相關性

為了進一步明確沙塵天氣跟氣象要素之間的相關性，采用線性回歸分析法[30]分析了墨玉縣2004—2018年沙塵天氣月發生天數與各類氣象要素的相關性。由于墨玉縣降水量很小，沒有統計意義，因此，選擇了月平均風速、平均氣溫、平均氣壓和平均相對濕度等氣象要素，進行相關性分析，相關系數及線性回歸公式如圖3所示。

圖3 沙塵天氣月發生天數與氣象要素之間的關系Fig.3 Relationships between dust storm monthly occurrence frequency and meteorological factors

由圖3可知，在月序列上沙塵天氣發生天數與平均風速（R2=0.485 4，P＜0.01）和平均氣溫（R2=0.750 6，P＜0.01）呈高度正相關關系，與平均氣壓呈高度負相關關系（R2=0.684 8，P＜0.01），而與平均相對濕度相關性不明顯（R2=0.191 7，P＜0.05）。說明風速和氣溫越高，沙塵天氣越強，氣壓越低沙塵強度越高。風是近地表土壤風蝕和搬運、堆積的主要動力，在干旱氣候條件下，風是造成風沙危害的直接動力條件。地面大風是影響沙塵暴發生的最為關鍵的因素。4—5月平均風速均在1.5 m/s以上，比全年平均風速高很多，強沙塵暴也主要發生在這段時間。氣壓差是導致氣團運動的主要動力，一般情況下，氣團從高氣壓區向低氣壓區移動，氣壓差越大水平氣壓梯度力就越大，故風力就越大。每年4—8月，墨玉縣日平均氣壓浮動較大，尤其是在5月和6月出現了全年最低氣壓（8 500 hPa）。氣壓上的浮動導致強風和強沙塵暴的產生。

綜上，沙塵天氣的發生主要是由熱力因素及動力因素中的平均風速引起，這與形成沙塵天氣的基本條件是相符合的。而從各影響因子對沙塵天氣發生的貢獻程度來看，在年序列上風力對產生沙塵天氣的影響占據了主導地位。

2.3 沙塵暴主要移動路徑

對2 891次沙塵天氣過程中的風向進行統計，近15年墨玉縣主要風向以NW、WNW、E和ENE方向為主，這4個風向的頻率占全年風向總頻率的70.4%。其中，春季和夏季沙塵天氣多發季節主要以WNW和E方向為主。為了進一步分析沙塵天氣期間氣流的移動路徑，使用HYSPLIT后向軌跡模型和k-means聚散分析法計算墨玉縣2004—2018年發生的2 891次沙塵暴的36 h后向軌跡，將模擬軌跡代表沙塵暴的移動路徑，結果如圖4所示。

由圖4可知，墨玉縣發生沙塵天氣期間氣團輸送主要來自W、NW和NE方向，各方向的軌跡在長短、頻率上有一定的差距。根據軌跡線路長短可判斷氣流移動速度，一般軌跡線越長，氣團移動速度越快。根據氣流軌跡空間分布特征的一致性，將到達墨玉縣的2 891次沙塵暴氣團軌跡進行聚類分析，氣團移動的后向軌跡被分為4簇，分別為NW-W簇、N-N簇、NE-E簇和E-ES簇。將運行HYSPLIT后向軌跡模型得到的沙塵暴方向和對應時間地面風向監測數據進行對比，二者相同率為95.38%，說明本研究獲取的軌跡模型具有很高的準確率。

圖4 墨玉縣沙塵暴36 h后向軌跡Fig.4 36 h of backward trajectory of dust storm in Moyu County

由于來自不同路徑的沙塵暴移動速度和路過的區域不同，對應各簇沙塵暴氣團的氣象特征也有所不同，具體信息如表1所示。從表1和圖4可以看出，NW-W簇氣團從塔克拉瑪干沙漠西北部開始向西移動，通過喀什綠洲北部到帕米爾高原東部向南移動，然后沿著塔克拉瑪干沙漠西南向東移動，最終到達墨玉縣。此簇氣團移動的地面高度在4簇氣團中最高，移動速度最快（1.51 m/s），移動軌跡最長，沙塵天氣發生頻率僅次于NE-E簇氣團，但強沙塵暴發生天數為129 d，占墨玉縣強沙塵暴總頻率的61.4%。N-N簇氣團從塔克拉瑪干沙漠中西部開始向南移動直接到達墨玉縣。此氣團地面高度較低，移動速度較慢，沙塵天氣發生天數也較少（352 d），但強沙塵暴的發生天數較高。氣象特征方面，此簇氣團平均氣溫最高（292.58 K），平均相對濕度最低（26.4%），屬于高溫、干旱氣團。NE-E簇氣團從塔克拉瑪干沙漠中東部開始向西南移動，沿著塔克拉瑪干沙漠南部，通過和田綠洲北部到達墨玉縣。此簇氣團移動高度、平均風速、平均氣溫都不高，移動速度也較慢。但沙塵天氣發生天數最高，為1 764 d，以浮塵天氣為主，占墨玉縣浮塵天氣總天數的69.5%。E-ES簇氣團從塔克拉瑪干沙漠中南部開始向西移動，然后轉南移動到昆侖山北部轉向，向北移動穿過和田綠洲，從西南方向到達墨玉縣。此簇氣團地面高度較高，移動速度較慢（1.36 m/s），3類沙塵天氣的總發生天數最低，為 226 d。

表1 沙塵暴期間到達墨玉縣的各簇氣團的主要移動路徑、沙塵發生天數及氣象特征Table 1 Pathway, frequency and meteorological characteristics of each cluster of air mass reaching Moyu County during dust storm period

浮塵、揚沙和強沙塵暴的軌跡頻率上有一定的差距，由于3種沙塵暴移動速度和移動方向不同，其軌跡頻率覆蓋的區域也有所不同。由圖5可以看出，浮塵的軌跡頻率覆蓋的面積較小(76°E～84°E，36°N～39°N)，而強沙塵暴頻率覆蓋的面積很廣（72°E～92°E，35°N～43°N）。

圖5 墨玉縣沙塵暴不同軌跡的發生天數Fig.5 Occurrence frequency of different trajectories of dust storm in Moyu County

由于移動路徑不同，這4簇氣團的氣象特征也有明顯的差距。NW-W簇氣團移動的地面高度比較高，路過地勢較高的山區，因此，此簇氣團的相對濕度（34.9%±4.3%）、大氣混合層厚度〔（1 856.55±265）m〕和太陽輻射通量〔（591.51±22）W/m2〕最高，移動速度也很快。強風很容易把沙漠西部的松散沙塵顆粒物吹到空氣中，產生強沙塵暴。雖然研究區東部和北部都有足夠的沙塵源，但是由于風力較弱、風速較慢，因此，來自東部和北部的強沙塵暴的發生天數較低，主要以浮塵天氣為主。

由圖4和可知，墨玉縣沙塵暴輸送主要來自西北、東北及西部方向。由于墨玉縣地處塔克拉瑪干沙漠南緣，西、北和東面直接跟塔克拉瑪干大沙漠接觸，因此，無論是來自東、西和北部的氣流都能在該地區產生沙塵天氣。從軌跡頻率來看（圖5），頻率較高的區域（70%以上）都分布在墨玉縣東部，這說明墨玉縣主要沙塵顆粒來自東邊的沙漠地區。

3 討論

塔克拉瑪干沙漠南緣是我國沙塵暴最頻繁發生的地區，靠近沙漠的地理位置、大氣環流格局以及綠洲邊緣開荒引起的沙塵源的擴大，是該地區沙塵暴頻繁發生的主要原因。和田綠洲沙塵暴的發生與氣象因素有著很大的關系。不論從季節變化還是從年度變化來看，風速和氣溫對沙塵暴頻率和強度的影響較大，且都呈顯著的正相關性。風速越大，越易發生沙塵天氣，說明動力條件是沙塵暴發生的最重要的條件。相對濕度和氣壓等因素也在不同程度上影響沙塵暴的發生。劉海濤等[31-32]分析了和田地區大尺度大氣環流背景，指出塔里木盆地南緣在春夏季節大部分時間受熱低壓控制，容易產生熱力不穩定因素。劉明哲等[10]以整個南疆地區為研究區域，分析了1942—2001年發生的沙塵暴頻率和地面氣象要素之間的關系，揭示了南疆各地區沙塵暴頻率隨著降水量和相對濕度的增加而減少，并提出風速是決定沙塵暴發生天數和強度的主要因素。從大尺度大氣環流分析，塔里木盆地是個封閉式盆地，在東、北、西、南分別被青藏高原、天山山脈、帕米爾高原及昆侖—喜馬拉雅山脈環繞。塔克拉瑪干沙漠獨特的地理位置導致獨特的高空環流形勢，進而決定著近地面風場特征。俎瑞平等[33]通過對1996—2000年17個氣象站風資料的分析與計算，結合高空環流形勢，對塔克拉瑪干沙漠近地面風場特征進行了研究，指出塔克拉瑪干沙漠近地面風場特征是在高空西風帶的背景下，經過青藏高原、天山山脈的動力分支和抬升等作用下形成的；從行星風系來看，高空環流主要受中緯度西風帶影響；然而，由于塔里木盆地四面環山，周圍地形特別是青藏高原對環流形勢有著直接影響，這導致塔里木盆地由東向西方向和由南向北方向的氣流較弱。冬季塔克拉瑪干沙漠大部分處于蒙古—西伯利亞大陸高壓的西南緣，僅沙漠的西部邊緣受西風的影響。冬季，尼雅河以東盛行偏東風，以西盛行偏西風；夏季，克里雅河以西盛行偏西北風和西風，以東盛行東北風；從東到西，東北風系影響逐漸減弱而西北風系影響逐漸加強；南北方向變化較為復雜。以上研究結果與本研究結果相似。和田綠洲位于塔克拉瑪干沙漠與昆侖山之間，由沙漠與山地的氣溫、氣壓條件上的差距而產生的局地氣流對沙塵暴的產生也有很大的影響。墨玉縣強沙塵暴主要以NW-W方向為主，此簇氣團氣象特征為風速最快、大氣混合層厚度和太陽輻射通量最大，正是因為這種氣象特征和塔克拉瑪干沙漠西南部的沙塵源的存在，導致了和田綠洲強沙塵暴以由西向東方向為主。使用后向軌跡模型模擬了到達墨玉縣的來自不同方向的沙塵暴移動軌跡，這些軌跡與地方氣流和季風氣候的關系密切，春季受冷空氣南下的影響，西和西北方向的氣流占比很大，這導致NW-W簇沙塵暴氣流的頻率和強度較高；而夏季氣流軌跡較為分散，以北、西和東方向軌跡并存，但氣流移動速度不快，一般為1.34～1.41 m/s，因此，相應N-N、NE-E和E-ES方向沙塵暴主要以浮塵天氣為主。鑒于資料限制，無法對來自不同方向沙塵暴的風場時空變化規律及其與沙塵暴強度的關系等進行深入研究，今后可進一步加強這方面的研究。

4 結論

（1）靠近沙漠的地理位置和大氣環流特征決定了和田綠洲頻繁的沙塵暴格局。使用HYSPLIT后向軌跡模型和聚散分析法，結合地面氣象觀測數據，可以比較準確地分析來自不同方向氣團及其相應的沙塵暴的來源、移動軌跡以及與氣象要素的相關性，宏觀上可以定量地反映沙塵顆粒的空間區域輸送特征。

（2）2014—2018年，墨玉縣沙塵天氣（浮塵、揚沙、沙塵暴）發生天數沒有明顯的增減趨勢；沙塵天氣主要集中發生在春夏季（3—7月），占全年發生天數的70.23%，5月浮塵和揚沙天氣發生天數最高。

（3）根據墨玉縣沙塵暴36 h后向軌跡分析和k-means聚散分析結果，將到達墨玉縣的沙塵暴按照起點和移動軌跡，可以分為4個軌跡類型，分別是NW-W簇、N-N簇、NE-E簇和E-ES簇氣團。

（4）墨玉縣沙塵暴主要來自東部和西部方向，其中來自東部的（包括東北和東南方向）沙塵天氣發生天數占整個沙塵天氣總發生天數的72.6%，但主要以浮塵天氣為主。強沙塵暴主要來自西部，68%的強沙塵暴來自西和西北方向。