1961—2015年塔里木盆地夏季沙尘天气时空特征及环流背景分析

谭 婷，王天竺

(1.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059；2.成都信息工程大学 大气科学学院，四川 成都 610225)

0 引言

沙尘天气是典型的自然灾害性天气，在干旱区和半干旱区频频发生。根据形成情况，强度及危害程度不同可划分为扬沙、浮尘、沙尘暴三类。其中沙尘暴是最严重的沙尘天气现象[1]。沙尘暴是指在强风的天气条件下，地面的大量沙尘被风吹起，使其从地面进入大气层从而使能见度恶化(<1km)的一种自然的天气现象[2]。沙尘暴发生时不仅会影响人类正常的生活环境，还会威胁人体的生命健康问题。强沙尘暴所产生的沙尘气溶胶粒子对人类环境破坏极强[3]。沙尘暴的发生对植被产生破坏，对空气、水资源等造成不同程度的污染。沙尘暴的频频发生是土地荒漠化加剧的重要标志，同时意味着生态环境正在加速恶化，这些危害都是我们不能小觑的。

新疆作为我国重点沙尘地区，多年来我国科研工作者们对新疆的沙尘天气时空分布和演变规律进行了不同程度的研究分析并获得了很多成果[4-6]。阿米娜·阿布力克木等发现新疆沙尘暴的高发区主要位于南疆和北疆两大沙漠地区，且南疆高于北疆，东疆也较多发生，沙漠作为高发中心向四周逐渐减少[7]。张宁宁等利用2000、2005以及2010年3期的土地覆被数据对新疆沙尘源的空间分布特征进行分析得出，人类活动对沙尘源的正向转化具有显著的影响[8]。孟露利用中尺度数值模式WRF/WRF-Chem进行数值模拟对塔里木盆地特殊的沙尘气溶胶的时空分布特征以及区域输送特征等方面进行了研究总结[9]。罗藤灵等人通过对2000—2012年沙尘暴天气的变化过程特征进行数据分析得出塔克拉玛干沙漠光学厚度的时空分布特征[10]。除此之外，大多数研究表明影响沙尘天气的因素除空间分布外，季节变化也是一个重要因素。董光荣等发现我国沙尘暴春季最多，约占全年总数的一半，其次为夏季，秋、冬季最少[11]。Wang等认为春季和夏季是塔克拉玛干沙漠周边地区的沙尘天气发生的高频时间，青藏高原、河西走廊、内蒙古高原西部沙尘天气主要发生在春季、夏季和冬季，中国东北部的沙尘暴主要发生在春季和冬季[12]；梁云等通过大气降尘总量观测对新疆22个监测点进行数据分析得出，南疆的大气降尘总量高于北疆，但北疆的季节性特征更为明显，大气降尘变化幅度受季节影响北疆明显高于南疆[13]。地表植被和气象条件对沙尘天气的季节性变化具有重要影响，但目前对其具体影响因素还缺乏系统仔细的研究。塔里木盆地的沙尘天气主要发生在春夏两季，目前针对其讨论的大多集中于春季[8,11,14,21]，对于夏季沙尘天气的特征却鲜有重点阐述，本文将重点分析塔里木盆地夏季沙尘天气的空间分布特征、趋势变化、时空变化及其环流背景等方面，进一步加深对其夏季沙尘天气的了解。

1 资料与方法

大气环流再分析资料(各等压面风场)由美国国家环境预测中心(NCEP)/美国国家大气研究中心(NCAR)提供[15]，分辨率为2.5°×2.5°。

塔里木盆地23站(图1)逐月沙尘天气资料(包括扬沙、浮尘、沙尘暴)由新疆气象信息中心提供，为了便于计算，本文采用双线性插值方法将沙尘站点资料水平插值为0.5°×0.5°。本文的夏季指6～8月的气候平均态，分析时段为1961—2015年。本文主要通过趋势分析、Mann-Kenddall(MK)检验方法、旋转经验正交函数方法(REOF)分析、合成分析等方法对塔里木盆地夏季的沙尘天气特征及其环流背景进行讨论。

2 塔里木盆地沙尘天气频次的时空特征及变化

2.1 时空分布

图2给出了1961—2015年沙尘天气及沙尘暴天气的频率月分布，由图2可知，沙尘天气发生频率最高时集中于4月份，沙尘暴天气集中于5月份，从总体上看，沙尘天气和沙尘暴的发生多集中于春季，分别占全年总频数的46.9%和53.3%，占据全年大部分比例，因此也受到绝大多数学者的广泛关注。但通过统计可见，沙尘天气和沙尘暴发生在夏季时的比率分别占全年的31.0%和34.4%，同样占据了不低的比率，以此作为研究重点，对塔里木盆地夏季沙尘天气的特征及进行进一步的研究和探讨。

图3分别给出了塔里木盆地夏季沙尘天气发生频次的55 a气候平均场和距平场的空间分布。如图3(a)所示，塔里木盆地夏季沙尘天气表现为“南多北少”的特征，大值区位于盆地南部和西部地区，最大值超过70 d/m，小值区位于盆地北部地区。距平场分布表现为“西多东少”的异常特征(图3b)，塔里木盆地西南、西北部地区夏季沙尘天气偏多，东部地区偏少。图4给出了1961—2015塔里木盆地23站夏季沙尘天气发生频次区域平均的时间序列及其MK检验。如图4(a)所示，塔里木盆地夏季沙尘天气发生频次表现为显著的减少趋势和年际变化，在20世纪80年代以前基本稳定，从80年代开始频次持续减少，其中最大值发生于1978年，最小值发生于2010年，结合MK检验(图4b)可以看出在80年代中后期沙尘天气发生频次发生突变，这与许多学者的研究一致[16-18]。

2.2 时空变化

对1961—2015年塔里木盆地23个台站的夏季沙尘天气频数做距平处理，再用旋转经验正交函数方法(REOF)进行分析。REOF方法可以克服经验正交函数分解方法(EOF)在展开时存在一定取样误差的局限性，旋转后的时空场空间分布结构清晰，不但可以较好地反映不同地域的变化，还可以反映不同地域的相关分布状况。由于塔里木盆地区域较小，各地沙尘天气空间分布差异较小，加之站点数量较少，所以载荷向量收敛速度很快，前2个载荷向量的累积方差贡献率已达到58.76%，能基本反映沙尘天气频数时空变化的主要信息，所以主要对前2个模态进行分析。第1模态方差贡献率为48.32%，如图5(a)所示，除塔里木盆地北部少数地区为负异常外，其余地区均表现为正异常，体现出空间一致性，正异常中心位于盆地西部地区。说明塔里木盆地大部分地区夏季沙尘天气偏多(少)时，北部少数地区偏少(多)。第2模态方差贡献率为10.44%(图5b)，除塔里木盆地北部和南部少数地区为负异常外，其余地区表现为一致的正异常，同样体现出空间一致性，正异常中心位于盆地东部地区。前2个模态的分布型表明塔里木盆地沙尘天气的变化可能主要与大尺度的环流有关。同时，前2个模态的时间系数(图5c、d)与塔里木盆地夏季沙尘天气频数有很好的相关关系，相关系数分别为0.76和0.52，均通过了99%信度检验，说明当沙尘天气减少时，PC1、PC2是减少的，反之亦然，PC1、PC2可以作为夏季塔里木盆地沙尘天气频次短期气候预测的一个参考因子。

3 塔里木盆地沙尘天气频次异常年份的环流背景合成分析

沙尘天气的发生，多与大尺度环流的调整和冷空气的爆发密切联系[5]。但也有研究表明，湿沉降作为减少沙尘天气发生的物理方法，具有重要作用，降水对空气干燥度的影响很大，可有效抑制沙尘的发生，降水量的增加明显减少沙尘日数[19-20]，因此塔里木盆地降水的多少同样直接影响沙尘天气发生的频数。为了分析沙尘天气异常年份对应的高低空环流特征，将1961—2015年共55a的夏季平均沙尘天气频次进行区域平均，然后进行标准化处理，取标准化值大于1的5个最大值所对应的年份为沙尘天气多发年，标准化值小于1的5个最小值所对应的年份为沙尘天气少发年，经统计得出，沙尘天气多发年包括1964、1977、1978、1979和1980年，沙尘天气少发年包括1998、2005、2006、2010和2013年。

图6给出了塔里木盆地夏季沙尘天气多发年和少发年200hPa纬向风的分布特征(阴影部分为副热带西风急流的急流轴，风速大于25m·s-1区域)。在沙尘天气多发年(图6a)，200hPa纬向风正异常，且表现为“北正南负”的异常分布特征，中亚副热带西风急流偏强，传输到地面的能量增加，急流轴位置偏北，不利于塔里木盆地夏季降水[21]。在沙尘天气少发年(图6b)，200hPa纬向风以负异常为主，中亚副热带西风急流特征不明显，传输到地面的能量减少。

图7给出了沙尘天气多发年和少发年500hPa风场的分布特征(A为反气旋环流，C为气旋环流，单位: m·s-1)。在沙尘天气多发年(图7a)，中亚、蒙古上空受反气旋环流控制，在这样的环流配置下，塔里木盆地上空盛行偏北风，有利于高纬冷空气的南下，导致沙尘天气的发生。在沙尘天气少发年(图7b)，蒙古上空同样受反气旋控制，但位置偏南，塔里木盆地上空盛行偏南风，同时塔里木盆地北部有气旋性切变存在，有利于其夏季降水。图8给出了沙尘天气多发年和少发年700hPa风场和水汽通量的分布特征(A为反气旋环流，C为气旋环流，风场单位: m·s-1，水汽通量单位：g·cm-1·s-1·hPa-1)。在沙尘天气多发年(图8a)，受阿拉伯海气旋性环流影响，阿拉伯海上空盛行偏北风，不利于水汽向北输送，塔里木盆地上空中地层以偏西风为主，水汽条件较差。在沙尘天气少发年(图8b)，阿拉伯海和孟加拉湾水汽从青藏高原西侧绕流进入塔里木盆地，配合盆地北部上空的反气旋环流，水汽在塔里木盆地堆积。其水汽条件要明显好于沙尘天气多发年。由此可见，在沙尘天气少发年，高低空环流配置和水汽条件均好于沙尘天气多发年。

4 结论和讨论

文章通过对1961—2015年共55a塔里木盆地夏季沙尘天气发生频次的时空变化特征及环流背景进行分析，得出以下结论：

(1)1961—2015年塔里木盆地夏季沙尘天气表现为“南多北少”的气候特征，大值区位于盆地南部和西部地区，距平场表现为“西多东少”的异常特征，塔里木盆地西南、西北部地区夏季沙尘天气偏多，东部地区偏少。塔里木盆地夏季沙尘天气发生频次表现为显著的减少趋势，减速为-5.8 d/10 a，并且在80年代中后期发生突变。

(2)REOF分析的前2模态均表现出正异常为主的特征，说明塔里木盆地夏季沙尘天气具有良好的空间一致性，同时PC1、PC2均表现出显著的减少趋势，与沙尘天气频数有很好的相关关系，相关系数分别为0.76和0.52，均通过了99 %信度检验。

(3)通过合成分析发现，沙尘天气偏多年和沙尘天气偏少年的环流背景具有很大差异。偏多年的中亚副热带西风急流偏强，位置偏北，有利于能量向下输送的同时不利于新疆夏季降水，塔里木盆地中低空盛行偏北风，水汽条件较差；偏少年的副热带西风急流较弱，不利于能量向下输送，塔里木盆地中低空盛行偏南风配合较好的水汽条件，有利于塔里木盆地夏季降水的发生，对沙尘天气的减少具有重要作用。

文章对塔里木盆地夏季沙尘天气的时空特征及其环流背景进行了讨论分析，但具体影响塔里木盆地沙尘天气的物理机制并未深入讨论，后续将进一步通过数值试验等方法深入研究，以便加深对影响塔里木盆地夏季沙尘天气物理机制的了解。