曹曉云，肖建設(shè)，喬 斌，陳國茜，權(quán) 晨，祝存兄，史飛飛

(1.青海省氣象科學(xué)研究所，青海 西寧 810001；2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001)

引 言

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[1]，是干旱半干旱地區(qū)一種典型的氣象災(zāi)害，不僅對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害，而且還是引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題、導(dǎo)致氣候變化的重要影響因素[2]。沙塵天氣是特定的荒漠化環(huán)境和氣象條件相結(jié)合的產(chǎn)物，當(dāng)具備沙源、強(qiáng)風(fēng)和熱力不穩(wěn)定空氣層結(jié)時(shí)，就會出現(xiàn)沙塵天氣，通常被認(rèn)為是土地荒漠化的指示器和生態(tài)環(huán)境狀態(tài)的綜合反映[3-6]。

近幾十年來，隨著土地資源超載、全球氣候變暖、水資源短缺等問題的日益嚴(yán)重，沙塵天氣已經(jīng)成為不可忽視的大氣和生態(tài)環(huán)境問題之一[7-8]。國內(nèi)外許多研究基于地面觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等資料，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模擬等方式探討沙塵天氣的形成機(jī)制、輸送過程及其對生態(tài)環(huán)境和氣候變化的影響效應(yīng)等科學(xué)問題[9-15]。其中，地面沙塵觀測資料以其時(shí)間序列長等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于沙塵天氣時(shí)空變化特征研究[6,16-21]，然而絕大多數(shù)研究是將沙塵暴、揚(yáng)沙和浮塵等3類不同等級的沙塵日數(shù)單獨(dú)進(jìn)行分析討論，定量分析沙塵強(qiáng)度及其時(shí)空變化特征的研究較為缺乏。不同沙塵天氣的氣溶膠質(zhì)量濃度存在一定倍數(shù)關(guān)系[22]，WANG等[23]根據(jù)其倍數(shù)關(guān)系定義了沙塵指數(shù)(dust index，DI)，DI能較準(zhǔn)確地定量反映沙塵強(qiáng)度，得到了廣泛應(yīng)用[20,24-26]。

柴達(dá)木盆地地理位置特殊，氣候條件獨(dú)特，其戈壁荒漠是中國北方地區(qū)沙塵天氣頻發(fā)的主要源區(qū)之一[16]，隨著我國生態(tài)文明建設(shè)步伐的加快，柴達(dá)木循環(huán)經(jīng)濟(jì)試驗(yàn)區(qū)建設(shè)上升為國家戰(zhàn)略，沙塵天氣治理已經(jīng)成為當(dāng)?shù)卣h(huán)境保護(hù)工作的重要內(nèi)容之一。在全球氣候變暖的大背景影響下，柴達(dá)木盆地增溫顯著，降水量持續(xù)增多[27]，成為整個(gè)青藏高原氣候變化最為敏感和顯著的地區(qū)，這對盆地沙塵天氣必然會產(chǎn)生一定影響。然而，針對柴達(dá)木盆地沙塵天氣時(shí)空變化特征分析的相關(guān)研究較少，尤其是用DI來定量化描述柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度的研究鮮見。

因此，本文采用1961—2019年柴達(dá)木盆地9個(gè)地面氣象站逐月沙塵日數(shù)等觀測資料，將3種不同類型沙塵天氣用沙塵指數(shù)DI進(jìn)行沙塵強(qiáng)度的定量化表示，統(tǒng)計(jì)分析盆地近59 a沙塵強(qiáng)度的時(shí)空變化特征，并結(jié)合氣象因子，分析主要影響因素，以期為深入認(rèn)識柴達(dá)木盆地沙塵天氣及氣候變化、提高沙塵天氣預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)水平、為政府制定環(huán)境保護(hù)政策和生態(tài)文明建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

柴達(dá)木盆地(90°16′E—99°16′E，35°00′N—39°20′N)位于青藏高原東北隅，是中國三大內(nèi)陸盆地之一，也是青藏高原最重要的自然地理區(qū)域之一，海拔2654～6588 m，被昆侖山脈、祁連山脈與阿爾金山脈環(huán)抱，為四面環(huán)繞的封閉式山間斷陷盆地，盆地面積達(dá)25×104km2。氣候?yàn)榈湫偷母咴箨懶詺夂?，年均氣?3.68 ℃，年均降水量92.94 mm，年均風(fēng)速2.84 m·s-1，溫差大、少雨、多風(fēng)為盆地主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)，加之盆地植被類型多裸地和高寒荒漠，植被稀疏，經(jīng)常飽受大風(fēng)沙塵侵襲，給農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成諸多不利(圖1)。

圖1 柴達(dá)木盆地氣象站點(diǎn)和海拔空間分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations and altitude of the Qaidam Basin

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

選用柴達(dá)木盆地9個(gè)地面氣象站(茫崖、冷湖、大柴旦、小灶火、格爾木、諾木洪、德令哈、烏蘭和都蘭)逐月沙塵(浮塵、揚(yáng)沙和沙塵暴)日數(shù)、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)、降水量和相對濕度等觀測資料，除烏蘭建站較晚，選用1981—2019年資料外，其余站點(diǎn)均選取1961—2019年資料，數(shù)據(jù)來源于中國氣象局綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)，數(shù)據(jù)完整性和連續(xù)性較好，時(shí)間序列長，完全能滿足科學(xué)研究需求。

2.2 研究方法

2.2.1 沙塵指數(shù)

采用WANG等[23]定義的沙塵指數(shù)DI進(jìn)行柴達(dá)木盆地的沙塵強(qiáng)度研究，其計(jì)算公式為：

DI=DFIDu+DFISa×3+DSaSt×9

(1)

式中：DFIDu、DFISa、DSaSt分別為浮塵日數(shù)、揚(yáng)沙日數(shù)、沙塵暴日數(shù)。

2.2.2 年際變化趨勢

采用一元線性回歸法擬合柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度的年際變化速率，其計(jì)算公式為：

y=ax+b

(2)

式中：x為年份序列；a為線性方程斜率，若a>0，表明沙塵強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢，反之呈減弱趨勢，a的絕對值大小反映沙塵強(qiáng)度變化的速率；b為常數(shù)。并通過t檢驗(yàn)對變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，分析變化趨勢的可信度。

2.2.3 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)

采用M-K非參數(shù)檢驗(yàn)法[28]檢測1961—2019年柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度的突變情況，分析沙塵強(qiáng)度變化趨勢，給定顯著性水平0.01，即u0.01=2.56。

2.2.4 相關(guān)性分析

采用皮爾遜相關(guān)分析法[28]對研究變量之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析。對于研究變量x和y，其相關(guān)系數(shù)rxy可表示為：

(3)

2.2.5 相對貢獻(xiàn)率

采用相對貢獻(xiàn)率分析各氣象因子對盆地沙塵強(qiáng)度的影響程度，其計(jì)算步驟為：首先對各氣象要素與沙塵指數(shù)進(jìn)行回歸分析，建立標(biāo)準(zhǔn)回歸方程，該氣象因子對應(yīng)系數(shù)的絕對值與所有回歸系數(shù)絕對值之和的比值即為相對貢獻(xiàn)率[29-30]。其計(jì)算公式為：

(4)

式中：Y為沙塵指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值；an為第n個(gè)氣象因子與Y的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)；xn為第n個(gè)氣象因子的標(biāo)準(zhǔn)化值；b0為常數(shù)；Crn為第n個(gè)氣象因子對Y的相對貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)果與分析

3.1 時(shí)間變化

3.1.1 年際變化

圖2為1961—2019年柴達(dá)木盆地年均沙塵指數(shù)的年際變化?？梢钥闯觯?9 a來柴達(dá)木盆地年均沙塵指數(shù)的年際變化整體呈波動減小趨勢，減小速率為2.05 a-1(P<0.01)，減小趨勢顯著，2013年沙塵指數(shù)最小(16.56)，1979年最大(230.13)，說明柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度具有較大的年際差異。此外，近59 a盆地沙塵強(qiáng)度經(jīng)歷2個(gè)階段：1961—1979年，沙塵強(qiáng)度呈波動增強(qiáng)趨勢，波動幅度較大；1979年后，沙塵強(qiáng)度呈明顯的波動減弱趨勢，波動幅度較小。

圖2 1961—2019年柴達(dá)木盆地年均沙塵指數(shù)的年際變化Fig.2 Interannual variation of annual averaged dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

3.1.2 年代際變化

由柴達(dá)木盆地沙塵指數(shù)年代際變化(圖3)可以看出，柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度呈單峰型變化，整體呈先增加后減小特征，1970年代柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度最大(161.18)，1960、1980、1990、2000年代依次減小，其中2000年代柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度最小(57.27)，2010年代沙塵強(qiáng)度略有回升(59.88)。

圖3 1961—2019年柴達(dá)木盆地沙塵指數(shù)年代際變化Fig.3 Decadal change of average dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

3.1.3 月變化

圖4為1961—2019年柴達(dá)木盆地沙塵指數(shù)的月變化。可以看出，柴達(dá)木盆地月均沙塵指數(shù)一般介于2.25～20.47，1—12月沙塵指數(shù)呈單峰型分布，峰值位于春季4月，谷值位于冬季12月，且春季>夏季>冬季>秋季。這可能是由于春季氣溫回升迅速，但降水少，氣候干燥，土壤逐漸解凍，地表干燥疏松，保證了足夠沙源，且北方地區(qū)盛行強(qiáng)勁的西北風(fēng)，提供了動力因子，裸露疏松的地表易被風(fēng)卷起形成沙塵天氣；夏季隨著氣溫升高，降水增多，盆地植被于5月下旬至6月上旬逐漸返青生長，穩(wěn)定的地表抑制了沙塵天氣的出現(xiàn)，但由于盆地內(nèi)植被稀疏加之夏季高原對流旺盛，較易出現(xiàn)大風(fēng)沙塵天氣；秋季由于下墊面穩(wěn)定、冷空氣影響較少且強(qiáng)度弱，因此沙塵天氣最少，強(qiáng)度最??；冬季雖然地表植被黃枯，但大范圍土壤凍結(jié)并有積雪覆蓋，所以沙塵天氣較少，強(qiáng)度較小[6,16,30]。

圖4 1961—2019年柴達(dá)木盆地沙塵指數(shù)DI的月變化Fig.4 Monthly variation of average dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

3.2 空間分布

圖5為1961—2019年柴達(dá)木盆地多年平均沙塵指數(shù)空間分布，可以看出，盆地整體多年平均沙塵指數(shù)DI為98.30，格爾木、小灶火和茫崖的多年平均沙塵指數(shù)最高，均超過150，諾木洪、都蘭、冷湖、德令哈、烏蘭和大柴旦依次減小?？梢?，盆地腹部地區(qū)容易受沙塵天氣影響，沙塵強(qiáng)度較強(qiáng)，這可能與其地理位置和地形條件密切相關(guān)，柴達(dá)木盆地沙塵天氣的主要冷空氣路徑為西北路徑[16]，冷空氣進(jìn)入北疆，在天山以北堆積后擴(kuò)散南下，倒灌進(jìn)入南疆盆地，然后翻越阿爾金山進(jìn)入柴達(dá)木盆地，由于柴達(dá)木盆地地形特殊，周圍多山脈又為西北—南東走向，與盛行西北風(fēng)向一致，易造成明顯的“狹管效應(yīng)”，冷空氣進(jìn)入盆地后風(fēng)速明顯增大，加之小灶火、格爾木周邊地區(qū)存在豐富的沙源，當(dāng)熱力不穩(wěn)定時(shí)，很容易出現(xiàn)沙塵天氣，因此格爾木、小灶火等盆地腹部地區(qū)易遭受沙塵天氣影響且強(qiáng)度較強(qiáng)。

圖5 1961—2019年柴達(dá)木盆地多年平均沙塵指數(shù)DI空間分布Fig.5 Spatial distribution of multi-year average dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

圖6為1961—2019年柴達(dá)木盆地四季平均沙塵指數(shù)DI的空間分布?？梢钥闯觯襁_(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度的空間分布存在明顯差異，沙塵強(qiáng)度整體呈盆地腹部高、外圍低的空間分布格局。從季節(jié)尺度來看，春季沙塵強(qiáng)度最強(qiáng)，夏、冬、秋季依次減弱，其中，春季是柴達(dá)木盆地沙塵的頻發(fā)季節(jié)，盆地絕大多數(shù)地區(qū)DI均在20以上，盆地腹部的格爾木、茫崖、小灶火DI均大于80，沙塵強(qiáng)度強(qiáng)，盆地外圍的大柴旦沙塵強(qiáng)度較弱，DI在20以下。夏季，除格爾木和小灶火的DI在40以上，茫崖和諾木洪的DI在20～40之間外，盆地其余站點(diǎn)的DI均在20以下。秋季，盆地所有站點(diǎn)的DI均在20以下。冬季，除茫崖、小灶火和格爾木的DI在20～40之間外，其余站點(diǎn)的DI均在20以下。

圖6 1961—2019年柴達(dá)木盆地四季平均沙塵指數(shù)DI的空間分布Fig.6 Spatial distribution of average dust index (DI) in four seasons in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

分析1961—2019年柴達(dá)木盆地沙塵指數(shù)年際變化速率分布(圖7)，結(jié)果表明，近59 a柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度整體呈顯著減弱趨勢，均通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其中位于盆地腹地的諾木洪和格爾木的DI減小速率較快，減小速率均超過4.00 a-1，其次是小灶火、烏蘭、德令哈、都蘭、茫崖、大柴旦，減小速率在0.00～3.00 a-1之間，冷湖的DI呈顯著增強(qiáng)趨勢，增加速率為1.30 a-1。進(jìn)一步分析1961—2019年柴達(dá)木盆地四季的沙塵指數(shù)年際變化速率分布(圖8)，可以看出，近59 a春季DI減小速率最快，其次是夏季、冬季和秋季，除冷湖站四季的DI均呈增大趨勢外，其余站點(diǎn)各季的沙塵指數(shù)均呈減小趨勢。其中，春季格爾木和諾木洪的DI減小速率較快，減小速率均超過2.00 a-1，其余大多數(shù)站點(diǎn)的DI減小速率在0.40～1.20 a-1之間；夏季小灶火和格爾木的DI減小速率較快，減小速率超過1.20 a-1，其余大多數(shù)站點(diǎn)的DI減小速率在0.40～1.20 a-1之間；秋季絕大多數(shù)站點(diǎn)的DI減小速率較慢，且基本在0～0.40 a-1之間；冬季諾木洪、小灶火、烏蘭和格爾木的DI減小速率較快，減小速率均超過0.40 a-1，其余站點(diǎn)年減小速率在0～0.40 a-1之間。

圖7 1961—2019年柴達(dá)木盆地沙塵指數(shù)DI年際變化速率分布(單位：a-1)Fig.7 Interannual variation rate distribution of annual dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019 (Unit: a-1)

圖8 1961—2019年柴達(dá)木盆地四季沙塵指數(shù)DI年際變化速率分布(單位：a-1)Fig.8 Interannual variation rate distribution of average dust index (DI) in four seasons of the Qaidam Basin from 1961 to 2019 (Unit: a-1)

3.3 突變分析

用M-K法對柴達(dá)木盆地1961—2019年沙塵指數(shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)(圖9)，發(fā)現(xiàn)自1961年開始，除1962、1963、1977—1986年外，其余UF值都小于0，且1987年以后，UF值都小于0，呈明顯減弱趨勢。UF和UB曲線在1990年存在交點(diǎn)，且在置信區(qū)間內(nèi)，表明柴達(dá)木盆地的沙塵指數(shù)變化趨勢在1990年開始發(fā)生轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)突變，UF曲線在1993年超過0.01顯著性水平，綜上所述，1961—2019年柴達(dá)木盆地沙塵指數(shù)經(jīng)歷了“下降、上升、下降”的過程，突變發(fā)生在1990年。

圖9 1961—2019年柴達(dá)木盆地年平均沙塵指數(shù)M-K突變檢驗(yàn)Fig.9 The M-K mutation test of annual mean dust index (DI) in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

3.4 氣象因子對沙塵強(qiáng)度的影響

氣象因子是導(dǎo)致沙塵區(qū)沙塵強(qiáng)度變化的主要因素[31]，為深入分析1961—2019年柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度變化的主要原因，選取分別代表熱力因子的平均氣溫、最高(低)氣溫，代表動力因子的平均風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)，代表水分因子的降水量和相對濕度，通過相關(guān)性分析、氣候傾向率和相對貢獻(xiàn)率方法探究各氣象因子對柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度變化的不同影響。

表1列出柴達(dá)木盆地年均沙塵強(qiáng)度與各氣象要素的關(guān)系。可以看出，柴達(dá)木盆地年均沙塵強(qiáng)度與動力因子相關(guān)性最好，與年平均風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.76、0.71，且相關(guān)系數(shù)均通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)；其次是熱力因子，與最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為-0.67、-0.66、-0.56，且相關(guān)系數(shù)均通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)；最后是水分因子，其中與降水量的相關(guān)系數(shù)為-0.43，且通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，但與相對濕度的相關(guān)性不顯著。近59 a來柴達(dá)木盆地年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的氣候傾向率分別為0.48、0.41、0.82 ℃·(10 a)-1，呈顯著增溫趨勢，年平均風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)的氣候傾向率分別為-0.23 m·s-1·(10 a)-1、-4.35 d·(10 a)-1，呈顯著下降趨勢，年降水量的氣候傾向率為10.74 mm·(10 a)-1，為顯著增多趨勢。柴達(dá)木盆地年平均風(fēng)速變化對沙塵強(qiáng)度影響最大，貢獻(xiàn)率為45.44%，年平均氣溫次之，貢獻(xiàn)率為20.50%。上述分析表明，近59 a來柴達(dá)木盆地氣溫升高、降水增多明顯，良好的水熱條件匹配有利于植被的生長和覆蓋度的增加，下墊面固沙能力增強(qiáng)，加之風(fēng)速降低、大風(fēng)日數(shù)減少有效抑止了沙塵天氣，其中年平均風(fēng)速和氣溫的貢獻(xiàn)率較大。

表1 1961—2019年柴達(dá)木盆地年均沙塵強(qiáng)度與各氣象要素的關(guān)系Tab.1 Correlation between average dust index (DI) and meteorological elements in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

表2列出1961—2019年柴達(dá)木盆地各站年均氣象要素的氣候傾向率?？梢钥闯?，1961年來諾木洪和格爾木站增溫速率較快，降水量增多速率較大，良好的水熱條件匹配有利于植被的生長，植被覆蓋度的增加，有效減少了沙源，此外，平均風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)減小速率也大，大風(fēng)條件明顯減弱，這是諾木洪和格爾木沙塵強(qiáng)度減弱速率較快的主要原因之一。值得注意的是，近59 a來冷湖氣溫增溫速率相對最慢，降水量增多速率和平均風(fēng)速減小速率也較慢，然而大風(fēng)日數(shù)卻呈增多趨勢，研究指出在植被較少、靠近沙漠的地區(qū)強(qiáng)風(fēng)對沙塵天氣的發(fā)生起主要作用[32]，冷湖位于阿爾金山南麓的戈壁灘上，緊鄰庫木塔格沙漠，長年少雨干旱，是新興的石油工業(yè)基地，因此大風(fēng)日數(shù)增多可能是導(dǎo)致冷湖沙塵強(qiáng)度增強(qiáng)的主要原因。

表2 1961—2019年柴達(dá)木盆地各站氣象要素的氣候傾向率Tab.2 Climatic tendency of meteorological elements at various stations in the Qaidam Basin from 1961 to 2019

綜上所述，近59 a來柴達(dá)木盆地年均氣溫升高、降水增多、風(fēng)速降低、大風(fēng)日數(shù)減少是沙塵強(qiáng)度變?nèi)醯闹匾?，其中年平均風(fēng)速和氣溫的貢獻(xiàn)率較大，由于地理環(huán)境的差異，各地區(qū)影響沙塵強(qiáng)度的主導(dǎo)因子也存在差異。

4 結(jié)論與討論

(1)1961—2019年柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度年際變化整體呈顯著減弱趨勢，減小速率為2.05 a-1；沙塵強(qiáng)度年代際變化呈單峰型，1970年代最大，2000年代最小；柴達(dá)木盆地沙塵指數(shù)突變發(fā)生在1990年；月均沙塵指數(shù)一般為2.25～20.47，呈單峰型分布，峰值在春季4月，谷值在冬季12月。

(2)柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度存在明顯的空間分布差異，整體呈盆地腹部高，外圍低的分布格局，春季沙塵強(qiáng)度最強(qiáng)，夏、冬、秋季依次減弱；近59 a來除冷湖的沙塵強(qiáng)度呈顯著增強(qiáng)外，其余地區(qū)沙塵強(qiáng)度均呈顯著減弱趨勢，其中諾木洪和格爾木減弱速度較快，減小速率均超過4.00 a-1，春季的沙塵強(qiáng)度減小速率最快，其次是夏季、冬季和秋季。

(3)近59 a來柴達(dá)木盆地年均氣溫升高、降水增多、風(fēng)速降低、大風(fēng)日數(shù)減少是其沙塵強(qiáng)度變?nèi)醯闹匾?，其中年平均風(fēng)速和氣溫的貢獻(xiàn)率較大，由于地理環(huán)境的差異，各地區(qū)影響沙塵強(qiáng)度的主導(dǎo)因子也存在差異。

影響沙塵強(qiáng)度的因素很多，地氣相互作用和大氣運(yùn)動過程較為復(fù)雜，本文僅分析了沙塵強(qiáng)度和氣象因子之間的關(guān)系，并初步討論了影響柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度變化的可能原因，今后將進(jìn)一步分析其他因素對柴達(dá)木盆地沙塵強(qiáng)度的影響機(jī)制并提出有效的沙塵治理措施。