和田綠洲沙塵暴強度及其影響因子分析*
——以墨玉縣為例

艾沙江·艾力 梁菲菲 徐海量# 木合塔爾·吾提庫爾 麥麥提艾力·麥麥提敏 李 金

(1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011； 2.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830001；3.墨玉縣氣象局，新疆 和田 848100)

沙塵暴是干旱、半干旱地區(qū)常見的氣象現(xiàn)象。地處塔克拉瑪干沙漠南緣的和田綠洲是新疆乃至全國沙塵暴發(fā)生頻率最高、沙塵暴危害最嚴重的地區(qū)之一，每年平均沙塵暴天氣頻率超過250 d。沙塵暴天氣已經(jīng)成為影響當?shù)厝藗內(nèi)粘Ｉ睢⑸a(chǎn)和身體健康的災(zāi)害性天氣[1]。減少該地區(qū)的沙塵暴危害是環(huán)境領(lǐng)域研究的重要任務(wù)[2]。以往對和田綠洲沙塵暴的研究以沙塵暴發(fā)生頻率、沙塵顆粒特征等為主[3-8]，較少涉及沙塵暴強度及其影響因子。周旭等[9]分析了沙塵暴過程中沙塵氣溶膠對邊界層氣象因子的影響。凌肖露等[10]指出，沙塵氣溶膠對半干旱地區(qū)地面微氣象學特征及輻射收支具有明顯的影響。TAN[11]研究了植被覆蓋率和沙塵暴強度之間的關(guān)系。上述研究雖已涉及沙塵暴強度影響因子，但考慮的影響因子并不全面。本研究將使用相關(guān)分析和主成分分析[12-13]方法比較系統(tǒng)地揭示沙塵暴強度與風速、氣溫、濕度、氣壓、水汽壓、日照時數(shù)等氣象因子以及PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等大氣污染物之間的相互關(guān)聯(lián)性，試圖為改善綠洲區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量提供理論依據(jù)。由于和田綠洲范圍較大，但其區(qū)域內(nèi)沙塵暴格局和氣象特征基本一致[14-15]，因此本研究將和田綠洲西北部的墨玉縣作為研究區(qū)域，代表整個和田綠洲分析沙塵暴強度及其影響因子。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

2016—2018年墨玉縣大氣污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 和 O3)數(shù)據(jù)主要從新疆環(huán)境監(jiān)測總站獲取，有缺失的數(shù)據(jù)用和田地區(qū)生態(tài)環(huán)境局的數(shù)據(jù)補充；沙塵暴天氣資料從墨玉縣氣象局獲取；氣溫、風速、濕度、氣壓、水汽壓和日照時數(shù)從國家氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://www. data.cma.cn)獲取。

本研究中將無沙天氣、浮塵天氣、揚沙天氣、強沙塵暴天氣定義為沙塵暴強度的4個等級(定量分析時分別定義為0、1、2、3)，其中沙塵暴天氣包括浮塵天氣、揚沙天氣、強沙塵暴天氣。

1.2 主成分分析

對沙塵暴強度、PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO、氣溫、氣壓、風速、水汽壓、日照時數(shù)、濕度13個變量進行主成分分析[16-19]。

2 結(jié)果與討論

2.1 沙塵暴天氣和大氣污染物情況分析

2016—2018年，墨玉縣共發(fā)生沙塵暴天氣591 d，其中浮塵天氣440 d，揚沙天氣109 d，強沙塵暴天氣42 d。墨玉縣沙塵暴天氣主要集中在春夏季(3—8月)，平均占全年發(fā)生頻率的77.12%；而冬季(1、11、12月)沙塵暴天氣發(fā)生頻率很低。強沙塵暴天氣在4月發(fā)生頻率最高，平均占全年發(fā)生頻率的29.52%；浮塵和揚沙天氣在5月發(fā)生頻率最高，平均分別占全年發(fā)生頻率的17.3%、21.8%。

表1統(tǒng)計了2016—2018年墨玉縣不同沙塵暴強度天氣下的大氣污染物平均質(zhì)量濃度。由表1可見，沙塵暴強度主要影響的大氣污染物是PM10和PM2.5。沙塵暴強度越強，這兩種顆粒物濃度就越高。強沙塵暴天氣的PM10和PM2.5分別是無沙天氣的7.3、8.4倍。相對于PM10和PM2.5，沙塵暴強度對SO2、NO2、CO和O3的影響不大，這些污染物主要跟工業(yè)、交通和冬季供暖等有關(guān)[20-21]。具體分析發(fā)現(xiàn)，SO2、NO2和CO的濃度主要在冬季供暖期較高。O3與沙塵暴強度有一定的相關(guān)性，主要是因為兩者污染形成的季節(jié)比較一致，沙塵暴發(fā)生頻率高的春夏季O3濃度往往也高，因為春夏季太陽輻射強和氣溫高導致光化學反應(yīng)強烈[22-23]。

2.2 氣象因子對沙塵暴強度的影響

由于氣象因子與沙塵暴強度的關(guān)系較為復雜，不是簡單的線性關(guān)系，因此本研究采用二次方程進行擬合，結(jié)果如表2所示。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，氣溫、風速與沙塵暴強度呈極顯著(P<0.001)的正相關(guān)關(guān)系，R2分別為0.715 4、0.389 1；日照時數(shù)與沙塵暴強度之間呈顯著(P<0.010)的正相關(guān)關(guān)系，R2為0.103 4。氣溫和日照時數(shù)的增高，導致綠洲和周圍沙漠地區(qū)之間的氣壓差變大，從而出現(xiàn)大風天氣，而風是近地表土壤風蝕、搬運和堆積的主要動力，是干旱氣候條件下造成沙塵暴的直接動力條件。墨玉縣沙塵暴主要發(fā)生在春夏季，這兩個季節(jié)一般風速、氣溫和日照時數(shù)比較高。氣壓、濕度與沙塵暴強度呈顯著(P<0.010)的負相關(guān)關(guān)系，R2分別為0.192 6、0.284 4。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(qū)向低氣壓區(qū)移動，從而產(chǎn)生風和沙塵暴天氣。從9月開始，整個南疆地區(qū)氣壓都比較高且比較穩(wěn)定，因此墨玉縣和周圍沙漠地區(qū)之間的氣壓差不大，風速較低，所以冬季沙塵暴頻率和強度都較低。水汽壓與沙塵暴強度之間相關(guān)關(guān)系不顯著(P>0.010)。

2.3 大氣污染物對沙塵暴強度的影響

同樣用二次方程對大氣污染物與沙塵暴強度的關(guān)系進行擬合，結(jié)果如表3所示。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，PM10、PM2.5與沙塵暴強度呈極顯著(P<0.001)的正相關(guān)關(guān)系，R2分別為0.256 0、0.230 4，說明沙塵暴強度越大，顆粒物濃度越高，與2.1節(jié)的初步判斷一致。SO2、NO2、CO與沙塵暴強度之間的相關(guān)性不明顯，因為R2都小于0.01。O3與沙塵暴強度在P<0.010的水平下存在正相關(guān)關(guān)系，R2為0.086 8。

表1 不同沙塵暴強度天氣下的大氣污染物平均質(zhì)量濃度

表2 氣象因子與沙塵暴強度的關(guān)系

表3 大氣污染物與沙塵暴強度的關(guān)系

2.4 主成分分析結(jié)果

主成分分析結(jié)果如表4所示，前3個主成分的方差貢獻率分別為33.36%、19.95%、12.38%，累計貢獻率已經(jīng)達到了65.69%，因此本研究選擇前3個主成分進行分析。

第1主成分的方差貢獻率為33.36%，載荷絕對值較大的變量是沙塵暴強度(0.479)、氣溫(0.323)、風速(0.432)、日照時數(shù)(0.351)和濕度(-0.378)。由此可見，氣象因子對沙塵暴強度的影響遠大于大氣污染物，特別是氣溫、風速、日照時數(shù)和濕度。

第2主成分的方差貢獻率為19.95%，載荷絕對值較大的變量是PM10(0.412)、PM2.5(0.405)、風速(0.326)、水汽壓(-0.318)和濕度(-0.303)，以PM10和PM2.5的載荷絕對值最大。第2主成分雖然沒有包含沙塵暴強度，但是顯現(xiàn)了PM10、PM2.5和風速之間的正相關(guān)關(guān)系，由此說明沙塵暴強度與PM10、PM2.5存在著顯著的間接正相關(guān)關(guān)系。

第3主成分的方差貢獻率為12.38%，載荷絕對值較大的變量是SO2(0.395)、NO2(0.413)、O3(-0.331)、CO(0.359)、氣溫(-0.309)和氣壓(0.317)，主要是SO2、NO2、CO和O34種大氣污染物，說明這4種大氣污染物的來源比較一致，但與沙塵暴強度的關(guān)系已非常微弱。

總體而言，主成分分析更加深入地揭示了沙塵暴強度與其影響因子之間的直接和間接關(guān)系以及關(guān)系的強弱。沙塵暴強度主要由氣象因子決定，與大氣污染物中的PM10和PM2.5存在著明顯的間接關(guān)系，但與SO2、NO2、CO和O3的關(guān)系已非常微弱。

表4 主成分分析結(jié)果

3 結(jié) 論

和田綠洲墨玉縣沙塵暴天氣主要集中在春夏季(3—8月)，其沙塵暴強度主要由氣象因子決定，特別是氣溫、風速、日照時數(shù)和濕度。沙塵暴強度與大氣污染物中的PM10和PM2.5存在著明顯的間接關(guān)系，沙塵暴強度越大，大氣中PM10和PM2.5濃度越高。沙塵暴強度與SO2、NO2、CO和O3等大氣污染物的關(guān)系非常微弱，但O3與沙塵暴的形成季節(jié)比較一致。