近57年興安盟沙塵天氣時(shí)空分布特征

吳淑梅

(興安盟氣象局，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400)

沙塵天氣在我國(guó)北方是一種嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，特別是強(qiáng)沙塵暴能在短時(shí)間內(nèi)給生態(tài)環(huán)境和人類社會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失[1]。沙塵天氣按水平能見度劃分為浮塵、揚(yáng)沙和沙塵暴等3種類型[2]，楊紫超[3]等利用阿拉善盟1961年—2010年8個(gè)站的氣象觀測(cè)資料，分析了近 50a 阿拉善盟沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵天氣的年平均、四季的空間分布特征、增減趨勢(shì)。結(jié)果表明：沙塵暴區(qū)以拐子湖為中心向東南和西北遞減，而揚(yáng)沙、浮塵與沙塵暴有所不同，具有 3 個(gè)高值區(qū)，向四周遞減，形成鞍形場(chǎng)。沙塵暴多發(fā)地?fù)P沙、浮塵天氣較少。四季的分布特征與年平均特征基本一致，春季最多，夏季多于冬季，秋季最少，且近 50 a 沙塵暴發(fā)生次數(shù)呈波動(dòng)性減少趨勢(shì)。興安盟位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，地處大興安嶺向松嫩平原過(guò)渡帶，由西北向東南分為4個(gè)地貌類型：中山地帶、低山地帶、丘陵地帶和平原地帶，海拔高度150 m～1 800 m。山地和丘陵占95%左右，平原占5%左右。興安盟由于地形地貌和地域氣候特征，沙塵天氣的時(shí)空分布具有很強(qiáng)的季節(jié)和地區(qū)性差異。筆者統(tǒng)計(jì)1964年—2020年興安盟沙塵天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料，采用EOF分析、線性趨勢(shì)法、小波分析等分析了近57a沙塵天氣時(shí)空分布特征，為沙塵天氣對(duì)空氣質(zhì)量的影響、沙塵災(zāi)害研究提供了科學(xué)參考。

1 資料與方法

選用1964年—2020年興安盟8個(gè)測(cè)站的浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴天氣現(xiàn)象觀測(cè)資料，文中所述的沙塵天氣是浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴天氣的統(tǒng)稱，如某站某日有浮塵、揚(yáng)沙或沙塵暴天氣記錄，則認(rèn)為該站出現(xiàn)沙塵天氣，記為一個(gè)沙塵天氣日(數(shù)據(jù)來(lái)自內(nèi)蒙古氣象信息中心)。季節(jié)劃分為：春季3月—5月、夏季6月—8月、秋季9月—11月、冬季12月至次年2月。其中常年均值為1981年—2010年的平均值。文中應(yīng)用EOF分析、線性趨勢(shì)法、小波分析、M-K法等對(duì)興安盟沙塵天氣的時(shí)空分布特征進(jìn)行了診斷分析。

2 沙塵天氣時(shí)空分布特征

2.1 空間分布特征

興安盟1964年—2020年間8個(gè)測(cè)站的年沙塵天氣日數(shù)均值分布如圖1所示，沙塵天氣日數(shù)呈西北至東南遞增，全盟年沙塵天氣日數(shù)均值為5.6 d，年平均沙塵天氣日數(shù)最小值出現(xiàn)在阿爾山為1.3 d，最大值出現(xiàn)在高力板為13.5 d。

為了清楚地顯示年沙塵天氣日數(shù)的主要空間分布類型，對(duì)年沙塵天氣日數(shù)資料進(jìn)行EOF分析，表1列出了EOF前3個(gè)特征向量場(chǎng)的方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)。前3個(gè)特征場(chǎng)累計(jì)方差貢獻(xiàn)占總方差的70%。

圖1 1964年—2020年興安盟沙塵天氣年平均分布

表1 1964年—2020年興安盟沙塵天氣日數(shù)EOF分析特征向量場(chǎng)的方差貢獻(xiàn)

圖2為沙塵天氣日數(shù)經(jīng)EOF分解的前3個(gè)特征向量場(chǎng)分布，第一特征向量場(chǎng)的解釋方差為39%，反映了興安盟沙塵天氣日數(shù)空間分布的主要特征，即全盟呈現(xiàn)一致的正值，表示興安盟沙塵天氣日數(shù)的主要空間變化為全盟趨勢(shì)相同，即全盟是同時(shí)多或同時(shí)少的空間特征。圖1b是第二特征向量場(chǎng)，為興安盟西北地區(qū)與東南地區(qū)反相分布，西北地區(qū)地區(qū)為正位相分布，東南地區(qū)為負(fù)位相區(qū)域。這說(shuō)明沙塵天氣日數(shù)的第二位的特征性是西北地區(qū)沙塵天氣日數(shù)偏多(少)，東南地區(qū)沙塵天氣日數(shù)偏少(多)的反相位變化特征。圖1c是沙塵天氣日數(shù)的第三特征向量場(chǎng)，北部地區(qū)為正位相，南部地區(qū)為負(fù)位相。說(shuō)明沙塵天氣日數(shù)的第三位的特征性是北部地區(qū)偏多 (少)，南部地區(qū)沙塵天氣日數(shù)偏少(多)的反相位變化特征。

(a) (b) (c)

2.2 時(shí)間分布特征

2.2.1 年代際、年際變化。圖3為1964年—2020年興安盟年平均沙塵天氣日數(shù)年代際、年際變化分布圖。年代際變化：20世紀(jì)90年代，沙塵天氣的日數(shù)最少，為2.3 d，較常年均值少2.7 d；20世紀(jì)60年代至80年代和21世紀(jì)00年代至10年代沙塵天氣日數(shù)均較常年偏多，其中20世紀(jì)70年代沙塵天氣的日數(shù)最多，為7.5 d，較常年均值多2.5 d。年際變化：1964年—2020年間興安盟年平均沙塵天氣日數(shù)最大值為15.9 d(2001年)，最小值為1.2 d(1992年、1994年和2013年)，線性變化趨勢(shì)為逐年遞減，M-K檢驗(yàn)未產(chǎn)生突變。

圖3 1964年—2020年興安盟年平均沙塵天氣日數(shù)年代際、年際變化

2.2.2 季節(jié)變化。圖4為1964年—2020年興安盟沙塵天氣季節(jié)變化圖，結(jié)果顯示，興安盟沙塵天氣有明顯的季節(jié)特征。總體呈春季>冬季>秋季>夏季的變化形勢(shì)，占全年比例分別為：78.1%、10.3%、7.4%、4.2%。可看出春季是沙塵天氣的多發(fā)季節(jié)；其中，春季發(fā)生的揚(yáng)沙日數(shù)占主導(dǎo)地位，占春季沙塵日數(shù)的63.9%，浮塵日數(shù)和沙塵暴日數(shù)相近，占春季沙塵日數(shù)的16.9%和18.5%；冬季和秋季發(fā)生揚(yáng)沙日數(shù)>浮塵日數(shù)>沙塵暴日數(shù)；夏季發(fā)生揚(yáng)沙日數(shù)>沙塵暴日數(shù)>浮塵日數(shù)。

圖4 1964年—2020年興安盟沙塵天氣季節(jié)變化

2.2.3 月變化。興安盟沙塵天氣月變化特征非常顯著，由圖5可知，興安盟4月發(fā)生沙塵天氣的頻次最多，發(fā)生的揚(yáng)沙日數(shù)>浮塵日數(shù)=沙塵暴日數(shù)，分別為 1.3 d、0.4 d和0.4 d；5月次之，發(fā)生的揚(yáng)沙日數(shù)>沙塵暴日數(shù)>浮塵日數(shù)，分別為 0.9 d、0.3 d和0.2 d；7月和8月發(fā)生沙塵天氣的次數(shù)最少，沙塵日數(shù)為0.02 d。

圖5 1964年—2020年興安盟沙塵天氣日變化

2.2.4 周期變化。通過(guò)1964年—2020年興安盟年沙塵天氣日數(shù)小波分析，可知周期變化特征為：年沙塵天氣日數(shù)存在準(zhǔn)3 a、7 a、13 a、20 a的振蕩周期。小波方差峰值對(duì)應(yīng)準(zhǔn)20 a的時(shí)間尺度最為顯著，說(shuō)明在1964年—2020年整個(gè)時(shí)間域中，年沙塵天氣日數(shù)20 a的周期振蕩最強(qiáng)，是最顯著周期。

圖6 1964年—2020年興安盟沙塵天氣日小波實(shí)部與小波方差

3 結(jié)束語(yǔ)

①興安盟57 a平均沙塵天氣日數(shù)呈西北至東南遞增，平均值為5.6 d，最大值為13.5 d(高力板)，最小值為1.3 d(阿爾山)。根據(jù)EOF分析，前3個(gè)特征場(chǎng)累計(jì)方差貢獻(xiàn)占總方差的70%，第一特征向量場(chǎng)表示興安盟年沙塵天氣日數(shù)是同時(shí)多或同時(shí)少的空間特征，解釋方差為39%。②興安盟近57a內(nèi)20世紀(jì)90年代沙塵天氣較常年同期偏少2.3 d，其他年代較常年偏多0.6 d～20.5 d(20世紀(jì)70年代)；年平均沙塵天氣日數(shù)最大值為15.9 d(2001年)，最小值為1.2 d(1992年、1994年和2013年)，年際線性變化趨勢(shì)為逐年遞減。③興安盟沙塵天氣有明顯的季節(jié)特征。總體呈春季>冬季>秋季>夏季的變化形勢(shì)，占全年比例分別為：78.1%、10.3%、7.4%、4.2%。春季是沙塵天氣的多發(fā)季節(jié)；春季發(fā)生的揚(yáng)沙日數(shù)占主導(dǎo)地位，占春季沙塵日數(shù)的63.9%。④興安盟4月發(fā)生沙塵天氣的頻次最多，發(fā)生的揚(yáng)沙日數(shù)>浮塵日數(shù)=沙塵暴日數(shù)，5月次之，7月和8月發(fā)生沙塵天氣的次數(shù)最少。 ⑤興安盟近57 a間年沙塵天氣日數(shù)周期變化存在準(zhǔn)3 a、7 a、13 a、20 a的振蕩周期。其中20 a的周期振蕩最強(qiáng)，是最顯著周期。