近60年河西走廊地區沙塵暴發生演變特征及其氣象影響因子

羅曉玲, 李巖瑛，, 嚴志明, 楊 梅, 聶 鑫

(1.甘肅省武威市氣象局, 甘肅 武威 733000; 2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所, 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室 中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室, 蘭州 730020; 3.甘肅省武威市黨政專用通信局, 甘肅 武威 733000)

沙塵暴是特殊下墊面和地理環境條件下，因不同大尺度環流背景與中小尺度天氣系統疊加而造成的一種小概率、大危害的災害性天氣[1-3]。甘肅省氣象災害種類多、發生頻率高、危害重，因氣象災害造成的損失占自然災害損失的88.5%，高出全國平均狀況18.5%，占GDP的3%～5%[4]。甘肅河西走廊因其特殊的地理位置成為甘肅乃至全國沙塵暴的高發區之一[5-7]。因沙塵暴造成的損失位列全部氣象災害損失第3，僅武威市年均經濟損失超過3 783萬元，年均農業受災面積超過13 195 hm2，已嚴重影響地方經濟的發展[8]。

有研究者[9-13]分析了中國沙塵暴的分布及頻次變化特征認為，我國50%以上的沙塵暴發生在春季，沙塵暴頻次變化呈波動下降趨勢，隨著時間序列變長，沙塵暴是否有新的變化特征，作者用最新氣象資料做了深入研究，以期有新的變化。近年來，沙塵暴的形成機理引起了廣大學者的關注，研究表明[14-27]，沙塵暴頻次與大風頻次、風速、冬春季蒸發量為顯著正相關，與氣溫、日照時數為負相關，降水對沙塵暴的發生有抑制作用，地形、地貌為沙塵暴的發生、發展提供沙源和起沙條件。Li等[28-29]得出塔里木盆地和蒙古中西部地區的沙塵暴頻率與500 hPa位勢高度為顯著負相關，前冬北大西洋濤動指數與春、夏季沙塵暴日數有較好的相關性，劉生元等[30]研究表明，春季東亞副熱帶西風急流強度與中國春季沙塵暴日數呈顯著負相關，Yang等[31]則認為，在沙塵暴高頻年中，東亞高緯地區上部和中部對流層的經向氣流明顯強于低緯地區，馮鑫媛等[32]利用1954—2005年沙塵暴資料研究出沙塵暴持續時間分布規律為，短時型、中間型和持續型，但對持續時間變化特征未做研究。有關沙塵暴持續時間及強度變化特征的文獻極少，雖然趙明瑞等[33]分析了甘肅民勤2001—2010年沙塵暴強度，但范圍小，時間短，代表性不強，因此，本研究利用近60 a河西走廊區域性沙塵暴資料，從沙塵暴頻次空間和時間變化以及沙塵暴持續時間和強度變化4個方面進行系統性分析研究，并首次研究大氣環流特征量指數與河西走廊沙塵暴的關系，以期尋找更多影響因素，為準確預報沙塵暴，防災減災，減輕損失，為地方服務提供決策依據意義重大。

1 研究區概況

河西走廊位于甘肅省西北部，在祁連山以北，合黎山以南，烏鞘嶺以西，甘肅新疆邊界以東，為西北—東南走向的狹長平地。地域上包括甘肅省的河西五市：武威、張掖、金昌、酒泉和嘉峪關。西部敦煌市與庫木塔格沙漠相連，北部金塔縣與巴丹吉林沙漠接壤，東北部民勤縣被騰格里沙漠所圍。地勢南高北低，其海拔高度1 139～3 100 m，年降水量40～410 mm，年蒸發量1 500～3 311 mm。氣候干旱少雨，大風沙塵暴頻發。

2 資料與分析方法

2.1 資料來源及說明

所用氣象要素數據來源于河西走廊酒泉市、張掖市、武威市13個沙塵暴發生頻次較高氣象站的逐日觀測記錄。為了對比研究，按照地理位置劃分為西部(馬鬃山、肅州、敦煌、玉門鎮、鼎新、金塔、瓜州)、中部(甘州、高臺、山丹)、東部(民勤、永昌、涼州)3個區域。

根據中華人民共和國國家質檢總局和國家標準委2006年11月1日批準發布的《沙塵暴天氣等級》，根據地面水平能見度依次分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5個等級。分級標準為，沙塵暴：能見度<1.0 km，強沙塵暴:能見度<0.5 km，特強沙塵暴：能見度<0.05 km.由于能見度的觀測在1979年及以前為0～9級，1980—2003年的單位不一致，而且在地面觀測月報表中有些年份沒有最小能見度觀測記錄，故本文用2004—2019年的最小能見度資料統計分析沙塵暴的強度。

大氣環流特征量指數由中國氣象局國家氣候中心氣候監測室提供。冷空氣次數，取酒泉、蘭州等8個北方站和南京、漢口等7個南方站逐日平均氣溫。判定標準：三天內(個別情況二天或四天)連續降溫≥5℃(允許某一天變溫在0～1℃)為一次冷空氣過程，其數目為冷空氣次數；NINO 3.4區海表溫度距平指數為5°S—5°N、170°—120°W區域內海表溫度距平的區域平均值；大西洋多年代際振蕩指數為0°—70°N，80°—0°W區域內海表溫度距平的區域平均值；類El Nino指數定義為：[SSTA]C-0.5[SSTA]E-0.5[SSTA]W。其中[SSTA]C,[SSTA]E和[SSTA]W分別表示熱帶太平洋中部(10°S—10°N，165°E—140°W)、東部(15°S—5°N，110°—70°W)和西部(10°S—20°N，125°—145°E)區域海表溫度距平的區域平均值；西太平洋副高面積指數是500 hPa高度場，10°—60°N，110°—180°E區域內≥5 880位勢米(gpm)區域的球面面積；西太平洋副高強度指數是500 hPa高度場，10°—60°N，110°—180°E范圍≥5 880位勢米(gpm)的區域內，格點位勢高度與5 870位勢米(gpm)之差乘以格點面積的累積值；東亞槽位置指數為500 hPa高度場，30°—55°N，110°—170°E區域內，槽線的平均經向位置；西藏高原-1指數為500 hPa高度場，25°—35°N，80°—100°E區域內，格點位勢高度與5 000位勢米(gpm)之差乘以格點面積的累積值。西藏高原-2指數為500 hPa高度場，30°—40°N，75°—105°E區域內，格點位勢高度與5 000位勢米(gpm)之差乘以格點面積的累積值；歐亞緯向環流指數是500 hPa高度場，45°—65°N，0°—150°E區域內，以30個經度為間隔劃分為5個區，分別按照公式(1)計算緯向指數IZi，然后計算5個區的平均緯向指數。

(1)

式中：φ1，φ2表示計算IZ的緯度范圍；Z1i，Z2i分別是在φ1，φ2兩個緯圈上的高度值；l為分別在φ1，φ2緯圈上均勻取點的高度值的數量。

2.2 統計與分析方法

用河西走廊13個觀測站1960—2019年的逐日沙塵暴資料，利用線性傾向率方法分析沙塵暴頻次的時間及空間變化趨勢，通過滑動t檢驗方法檢驗是否存在顯著突變；應用概率統計和線性傾向率方法研判該區沙塵暴持續時間和強度(最小能見度)特征及演變規律。

使用國家氣候中心提供的130項1960—2019年逐日大氣環流特征量指數，從大尺度天氣系統、海溫、冷空氣的角度出發，利用相關系數(Pearson)法，分析氣候系統指數與沙塵暴頻次、沙塵暴過程持續時間的關系。

通過Excel 2007，SPSS 22.0，vb6.0等軟件，對資料進行統計、處理和分析。

3 結果與分析

3.1 沙塵暴的空間分布及演變特征

河西走廊是中國沙塵暴的高發區之一，沙塵暴發生頻次最多的是東北部的民勤(21.7 d/a)，其次是金塔(15.7 d/a)、鼎新(13.3 d/a)、甘州(10.5 d/a)、敦煌(9.3 d/a)，最少的是馬鬃山(1.2 d/a)。從地理位置看，臨近沙漠地區，沙塵暴頻次較多，反之亦然。民勤三面被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠所圍，金塔、鼎新、甘州北面與巴丹吉林沙漠接壤，敦煌西接庫姆塔格沙漠。隨著時間變化各地沙塵暴均呈減少趨勢，年際傾向率為民勤-7.2 d/10 a>金塔-5.7 d/10 a>鼎新-4.8 d/10 a>甘州-4.4 d/10 a>高臺-3.2 d/10 a>敦煌-3.1 d/10 a>肅州-2.6 d/10 a>涼州-2.4 d/10 a>瓜州-2.0 d/10 a>玉門鎮-1.9 d/10 a>山丹-1.7 d/10 a>永昌-1.1 d/10 a>馬鬃山-0.2 d/10 a(馬鬃山p<0.05，其他站p<0.001)。由此可見，沙塵暴發生頻次與減少速度呈顯著正相關，民勤是沙塵暴發生頻次最多的地方，也是減少速度最快的地方，這與近年來全球氣候變暖、中緯度西風帶強度減弱、大風日數減少，區域生態的重建和恢復息息相關。

3.2 沙塵暴頻次的時間演變特征

3.2.1 沙塵暴頻次的年際及年代際演變特征 沙塵暴頻次年變化曲線(圖1)顯示，沙塵暴呈顯著減少趨勢，年際傾向率為東部-3.5 d/10 a(p<0.001)>中部-3.1 d/10 a(p<0.001)>西部-2.9 d/10 a(p<0.001)。東、中、西部減少速度最快的分別為民勤、甘州、金塔；年代際變化(表1)表明，20世紀70年代是沙塵暴高發期，80年代開始到90年代迅速減少，2000年以后減少速度減小，近9 a減少最顯著。

表1 河西走廊各縣(區)沙塵暴距平年代際變化 天

圖1 河西走廊沙塵暴年變化趨勢

滑動t檢驗監測顯示，河西走廊沙塵暴發生了突變減少，顯著突變點(p<0.05)，西部在1979年，中部在1966年、1972年、1973年，東部則在1966年。

3.2.2 沙塵暴頻次的月際及季節演變特征 河西走廊沙塵暴一年四季均有發生，其中9月、10月最少，月均0.2 d，占全年沙塵暴頻次的2.3%，4月最多為1.6 d，占全年沙塵暴頻次的18.6%；春季最多為4.2 d，占全年沙塵暴頻次的48.9%，其次是夏季2.1 d、冬季1.6 d，秋季最少為0.7 d，僅占全年沙塵暴頻次的8.1%。

四季沙塵暴也為顯著減少趨勢(圖2)，減少速度是春季>夏季>冬季>秋季。春季沙塵暴頻次年際傾向率為中部-1.6 d/10 a>東部-1.4 d/10 a>西部-1.2 d/10 a；夏季年際傾向率為東部-0.99 d/10 a>中部-0.84 d/10 a>西部-0.66 d/10 a；秋季年際傾向率為西部-0.29 d/10 a>東部-0.28 d/10 a>中部-0.20 d/10 a；冬季年際傾向率為東部-0.89 d/10 a>西部-0.70 d/10 a>中部-0.48 d/10 a。

圖2 河西走廊沙塵暴四季變化趨勢

四季均為20世紀70年代是最多期，之后持續減少，近9 a減少最顯著，春、夏、秋、冬較70年代分別減少了7.3 d，4.0 d，1.1 d，3.9 d。(四季變化趨勢均p<0.001)。

3.3 沙塵暴持續時間特征及演變規律

河西走廊沙塵暴過程平均持續時間(圖3A)為119 min，持續60～300 min的頻次最多，其次是<60 min的，>300 min的頻次最少。其中，西部和東部是持續60～300 min的頻次最多，>300 min的頻次最少；中部是<60 min的頻次最多，>300 min的頻次最少。

四季平均持續時間(圖3B)分別為，春季106.7 min、夏季41.9 min、秋季35.1 min、冬季64.2 min。冬季、春季和秋季均是持續60～300 min的頻次最多，>300 min的頻次最少；夏季是<60 min的頻次最多，>300 min的頻次最少。

圖3 河西走廊沙塵暴持續時間年、四季特征

以沙塵暴發生頻次最高的民勤為例研究發現，<60 min的沙塵暴主要出現在下午到夜間，持續60～300 min和>300 min的沙塵暴則多出現在中午前后到下午。

近60年沙塵暴平均持續時間呈顯著縮短趨勢(圖4)，年際傾向率為-7.42 min/10 a(p<0.001)。年代際變化顯示，20世紀60—70年代是沙塵暴持續時間最長時期，平均持續時間為132 min，80年代持續時間有所縮短，平均持續時間為116.9 min，90年代迅速反彈延長，平均持續時間為124.2 min，1996年出現了1965年以來河西走廊西部最強沙塵暴，也是近60年持續時間最長的沙塵暴，2000年以后持續時間迅速縮短，平均持續時間為103.3 min，特別近9 a時間縮短最明顯，持續時間是平均持續時間的2/3。

圖4 河西走廊沙塵暴持續時間變化趨勢

沙塵暴四季持續時間也呈顯著縮短趨勢，縮短速度是冬季>春季>秋季>夏季。春、夏、秋、冬四季持續時間年際傾向率分別為-16.8 min/10 a，-11.2 min/10 a，-13.6 min/10 a，-21.7 min/10 a。(四季均p<0.001)。冬季和春季持續時間最長為20世紀70年代，之后持續縮短，近9 a是持續時間最短期，較70年代分別縮短了108.2 min和100.0 min ；夏季和秋季持續時間最長為20世紀60年代，之后持續縮短，近9 a是持續時間最短期，較60年代分別縮短了62.7 min和63.1 min。

3.4 沙塵暴的強度特征及演變規律

根據每次沙塵暴天氣過程中最小能見度來表征沙塵暴的強度，沙塵暴個例資料顯示，河西走廊沙塵暴過程平均最小能見度為0.569 km(沙塵暴)，0.5～1.0 km(沙塵暴)的頻次最多，占總頻次的70%，其次是0.05～0.5 km(強沙塵暴)的，<0.05 km(特強沙塵暴)的頻次最少，僅占總頻次的3.2%(圖5A)。即河西走廊沙塵暴以普通類型為主。

沙塵暴四季強度(圖5B)和年特征一樣，各季均是0.5～1.0 km(沙塵暴)的頻次最多，其次為0.05～0.5 km(強沙塵暴)的，<0.05 km(特強沙塵暴)的頻次最少。

圖5 河西走廊沙塵暴最小能見度年、四季特征

近16 a沙塵暴年均最小能見度序列變化顯示，河西走廊沙塵暴強度無明顯變化，最小能見度維持在0.57 km左右。

3.5 沙塵暴變化影響因素分析

3.5.1 頻次變化影響因素分析 影響沙塵暴發生的因素很多，諸多學者已有研究，這里不再一一贅述，本文擬從大尺度天氣系統、海溫、冷空氣的角度出發分析大氣環流特征量指數變化對該地區沙塵暴的影響(表2)。

表2 河西走廊沙塵暴頻次與各影響因子相關系數

分析發現，與河西走廊年沙塵暴頻次相關性最好的是大西洋多年代際振蕩指數，其次是西藏高原-1指數、西藏高原-2指數、副高西伸脊點指數、西太平洋副高面積指數、西太平洋副高強度指數、東亞槽強度指數、東亞槽位置指數、NINO 3.4區海表溫度距平指數、類ENSO指數(以上均p<0.05)。其中，與大西洋多年代際振蕩指數、NINO 3.4區海表溫度距平指數成顯著負相關，類ENSO指數成顯著正相關，說明沙塵暴頻次與ENSO事件關系密切，PDO負位相(拉尼娜)有利于沙塵暴發生；與西藏高原-1指數和西藏高原-2指數均呈顯著負相關，且相關系數較大，表明高原槽的位置和強度對沙塵暴頻次影響較明顯；與副高西伸脊點指數呈顯著正相關，西太平洋副高面積指數、西太平洋副高強度指數呈顯著負相關，說明西太平洋副熱帶高壓588線位置越偏西，面積越小，強度越弱，河西走廊沙塵暴頻次越多；與東亞槽位置指數呈正相關，東亞槽強度指數呈顯著負相關，說明東亞槽的位置和強度直接影響著沙塵暴頻次；與冷空氣次數呈弱正相關，冷空氣次數多，就意味著天氣過程多，伴隨地面冷鋒過境，在鋒面前后強氣壓梯度作用下形成大風，繼而引發沙塵暴；與歐亞緯向環流指數呈弱負相關，表明500 hPa環流經向度加大，偏北氣流引導冷空氣南下，形成大風，導致沙塵暴頻次加大。

3.5.2 持續時間變化影響因素分析 分析沙塵暴持續時間與大氣環流特征量的關系發現(表3)，與河西走廊沙塵暴持續時間相關性最好的是西太平洋副高面積指數，其次是西太平洋副高強度指數、西藏高原-2指數、西藏高原-1指數、副高西伸脊點指數、大西洋多年代際振蕩指數、東亞槽強度指數(以上均p<0.05)。與副高西伸脊點指數呈顯著正相關，與西太平洋副高面積指數、西太平洋副高強度指數呈顯著負相關，表明西太平洋副熱帶高壓588線位置越偏西，面積越小，強度越弱，河西走廊沙塵暴持續時間越長；與西藏高原-1指數、西藏高原-2指數均呈顯著負相關，即高原槽的位置和強度對沙塵暴持續時間有一定影響；與大西洋多年代際振蕩指數呈顯著負相關，說明沙塵暴持續時間與ENSO事件有一定關系；與東亞槽強度指數呈負相關，表明東亞槽的強度直接影響著沙塵暴的持續時間。

表3 河西走廊沙塵暴持續時間與各影響因子相關系數

綜合以上，年沙塵暴頻次與環流指數的關系比持續時間與環流指數的關系更為顯著，河西走廊沙塵暴的發生發展，下墊面條件是主要影響因素，大尺度天氣系統演變是觸發機制，氣候要素變化是直接影響因子。

4 討 論

河西走廊沙塵暴年、季頻次呈顯著減少趨勢，與高振榮等[18]研究結論完全一致，年際傾向率有所差別是所用資料時間長短不同所致；沙塵暴過程，持續60～300 min的頻次最多，>300 min的頻次最少，與李玲萍等[17]分析的河西走廊東部沙塵暴持續時間結果基本一致；河西走廊沙塵暴強度無明顯變化，最小能見度維持在0.57 km左右，這一結論與趙明瑞等[33]用2001—2010年民勤沙塵暴資料得出的“最小能見度有減小趨勢”有所不同，主要原因是研究范圍和資料長度不同所致；大氣環流經向度加大，沙塵暴發生頻次加大、持續時間延長，這一個結論與江灝等[5]的研究相一致；沙塵暴頻次與NINO 3.4區海表溫度距平指數、大西洋多年代際振蕩指數成顯著負相關，與類ENSO指數成顯著正相關，與南方濤動指數關系不顯著，這一結論與李威[34]用1957—2002年資料分析結果 “北方春季沙塵暴與NINO3區海表溫度的相關不如與SOI的好”不完全相同，究其原因，與資料年代長短、研究區范圍大小、地理位置不同所致，有待進一步研究。

5 結 論

(1) 河西走廊沙塵暴分布特點為，臨近沙漠地區發生頻次多，遠離沙漠地區發生頻次少。隨著時間變化各地沙塵暴均呈減少趨勢，且發生頻次與減少速度呈顯著正相關。

(2) 河西走廊沙塵暴頻次呈顯著減少趨勢，年際傾向率為東部-3.5 d/10 a>中部-3.1 d/10 a>西部-2.9 d/10 a。20世紀70年代是沙塵暴高發期，之后持續減少，近9 a減少最顯著。四季也呈顯著減少趨勢，減少速度是春季>夏季>冬季>秋季。沙塵暴發生了突變減少。

(3) 河西走廊沙塵暴過程平均持續時間為119 min，持續60～300 min的頻次最多，>300 min的頻次最少。沙塵暴平均持續時間呈顯著縮短趨勢，年際傾向率為-7.42 min/10 a，近9 a持續時間縮短最明顯；四季持續時間也呈顯著縮短趨勢，縮短速度是冬季>春季>秋季>夏季。

(4) 河西走廊沙塵暴過程平均最小能見度為0.569 km，0.5～1.0 km(沙塵暴)的頻次最多，占總頻次的70%，<0.05 km(特強沙塵暴)的頻次最少，僅占總頻次的3.2%。近16 a沙塵暴年均最小能見度無明顯變化，始終在平均值上下波動。

(5) 河西走廊年沙塵暴頻次與副高西伸脊點指數、東亞槽位置指數、類ENSO指數呈顯著正相關，與西太平洋副高面積指數、西太平洋副高強度指數、東亞槽強度指數、西藏高原-1指數、西藏高原-2指數、NINO 3.4區海表溫度距平指數、大西洋多年代際振蕩指數呈顯著負相關。

(6) 河西走廊沙塵暴過程持續時間與副高西伸脊點呈顯著正相關，與西太平洋副高面積指數、西太平洋副高強度指數、西藏高原-1指數、西藏高原-2指數、東亞槽強度指數、大西洋多年代際振蕩指數呈顯著負相關。