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(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yán)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(dāng)?shù)厝藗內(nèi)粘Ｉ?、生產(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(qiáng)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(xué)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(qiáng)度之間的關(guān)系。上述研究雖已涉及沙塵暴強(qiáng)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(qiáng)度與風(fēng)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(qiáng)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(bǔ)充；沙塵暴天氣資料從墨玉縣氣象局獲?。粴鉁?、風(fēng)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(yáng)沙天氣、強(qiáng)沙塵暴天氣定義為沙塵暴強(qiáng)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(yáng)沙天氣、強(qiáng)沙塵暴天氣。

1.2 主成分分析

對沙塵暴強(qiáng)度、PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO、氣溫、氣壓、風(fēng)速、水汽壓、日照時數(shù)、濕度13個變量進(jìn)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(yáng)沙天氣109 d，強(qiáng)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(qiáng)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(yáng)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(jì)了2016—2018年墨玉縣不同沙塵暴強(qiáng)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(qiáng)度主要影響的大氣污染物是PM10和PM2.5。沙塵暴強(qiáng)度越強(qiáng)，這兩種顆粒物濃度就越高。強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度有一定的相關(guān)性，主要是因?yàn)閮烧呶廴拘纬傻募竟?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?yàn)榇合募咎栞椛鋸?qiáng)和氣溫高導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈[22-23]。

2.2 氣象因子對沙塵暴強(qiáng)度的影響

由于氣象因子與沙塵暴強(qiáng)度的關(guān)系較為復(fù)雜，不是簡單的線性關(guān)系，因此本研究采用二次方程進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2所示。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，氣溫、風(fēng)速與沙塵暴強(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)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(fēng)天氣，而風(fēng)是近地表土壤風(fēng)蝕、搬運(yùn)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(fēng)速、氣溫和日照時數(shù)比較高。氣壓、濕度與沙塵暴強(qiáng)度呈顯著(P<0.010)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，R2分別為0.192 6、0.284 4。氣壓差是導(dǎo)致氣團(tuán)運(yùn)動的主要動力，一般情況下，氣團(tuán)從高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)移動，從而產(chǎn)生風(fēng)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(fēng)速較低，所以冬季沙塵暴頻率和強(qiáng)度都較低。水汽壓與沙塵暴強(qiáng)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(qiáng)度的影響

同樣用二次方程對大氣污染物與沙塵暴強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，PM10、PM2.5與沙塵暴強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度之間的相關(guān)性不明顯，因?yàn)镽2都小于0.01。O3與沙塵暴強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的關(guān)系

表3 大氣污染物與沙塵暴強(qiáng)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(xiàn)率分別為33.36%、19.95%、12.38%，累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到了65.69%，因此本研究選擇前3個主成分進(jìn)行分析。

第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為33.36%，載荷絕對值較大的變量是沙塵暴強(qiáng)度(0.479)、氣溫(0.323)、風(fēng)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(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于大氣污染物，特別是氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)和濕度。

第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為19.95%，載荷絕對值較大的變量是PM10(0.412)、PM2.5(0.405)、風(fēng)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(qiáng)度，但是顯現(xiàn)了PM10、PM2.5和風(fēng)速之間的正相關(guān)關(guān)系，由此說明沙塵暴強(qiáng)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(xiàn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)弱。沙塵暴強(qiáng)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(qiáng)度主要由氣象因子決定，特別是氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)和濕度。沙塵暴強(qiáng)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(qiáng)度越大，大氣中PM10和PM2.5濃度越高。沙塵暴強(qiáng)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。