东亚沙源地与下游影响区沙尘天气频数变化对比分析.pdf
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1、http:/气象科技Aug.2023METEORIENCEANDTECHNOLOGY4992023年8 月第51卷第4期Vol.51,No.4象技科东亚沙源地与下游影响区沙尘天气频数变化对比分析杭月荷1,2姜学恭1*云静波?衣娜娜1,3刘珂?(1内蒙古自治区气象科学研究所,呼和浩特0 10 0 51;2 内蒙古自治区气象台,呼和浩特0 10 0 51;3内蒙古自治区人工影响天气中心,呼和浩特0 10 0 51)摘要基于19 9 9 2 0 19 年地面气象观测资料,对东亚主要沙尘源地(蒙古国、中国新疆和内蒙古)及中国沙源地下游地区的沙尘天气频数演变特征进行了分析,结果表明:蒙古国是沙尘天气发生
2、最严重的地区,且有明显增加的趋势,扬沙、沙尘暴和强沙尘暴均远高于其他区域。中国整体沙尘天气数量显著减少,新疆快速增多,内蒙古和下游地区明显减少。新疆浮尘发生频次最高,近2 1a线性倾向呈明显上升趋势;内蒙古扬沙频次最高,强沙尘暴最少,4类天气均呈逐年减少趋势;我国下游地区多发浮尘和扬沙,沙尘暴和强沙尘暴发生次数很少,全部沙尘天气呈减少趋势。19 9 9 2 0 0 4年为我国沙尘天气高发期,2 0 0 52 0 19 年明显减少,其中2 0 10 2 0 14年减少速度最快。沙尘源地对我国沙尘天气总数的贡献持续增大,从2 0 0 0 年初的39%增长到2 0 15年之后的7 1%。作为沙尘源地
3、,蒙古国对沙尘天气产生的作用有所增强,而内蒙古则在减弱;国内沙尘源地导致的能够影响并扩展至中国下游地区和下游国家的强沙尘天气显著减少。关键词东亚;沙尘源地;沙尘天气;频数变化中图分类号:P466D0I:10.19517/j.1671-6345.20220173文献标识码:A引言沙尘天气是发生在干旱半干旱荒漠化地区的严重灾害性天气。沙尘天气的发生,不仅给人民的生命财产造成损失,也对全球的生态环境平衡和气候变化产生重要影响,其所带来的环境和气候效应已经成为一个严重的全球性问题1。随着19 9 3年5月5日中国西北黑风暴过程,以及2 0 0 1、2 0 0 2 年春季波及东亚多个国家和地区的严重沙尘
4、暴天气过程的发生,人们对沙尘暴给予了越来越多的关注和研究2-3,并开展了沙尘天气的气候特征、天气学成因研究,沙尘天气的影响系统及气象要素变化特征研究,以及沙尘天气的遥感监测,沙尘气溶胶理化特征研究,沙尘天气的预报技术和方法,沙尘天气的数值预报及模拟等相关领域的广泛研究4-10 对于沙尘天气变化趋势的把握是人们了解沙尘天气及应对荒漠化的重要前提。钱正安等11系统研究了中国北方50 年沙尘天气特点及变化规律,得出结论:2 0 世纪9 0 年代沙尘天气频数有所减少,2 1世纪初则出现明显增多。韩永翔等12 研究了1961一2 0 0 0 年我国沙尘暴月际时空分布特征,揭示了类似的演变特征,并发现12
5、 月至次年3月我国沙尘暴发生中心集中在青藏高原,并随时间推移,中心向北推移,4一6 月出现在北方的干旱半干旱地区。余予等13 在2 0 14年研究了我国北方近50 年春季沙尘活动,发现我国北方沙尘日数呈显著下降趋势,沙尘暴的影响范围也在逐步缩小。陈亿等141研究表明,中国的沙尘天气呈减少趋势,且与中国北方气温的升高和气旋的减弱有关。可见,研究者研究发现近2 0 年来我国沙尘天气呈明显减少趋势。需要指出,沙尘源是沙尘天气发生的物质条件,沙尘天气形成于沙尘源区并通过远距离传输影响下游地区,因此,发生在沙尘源区的和下游地区的沙尘天气在天气动力学成因方面存在一定的差异,所需国家自然科学基金项目(419
6、 6 50 0 3)、内蒙古自然科学基金项目(2 0 2 1MS04026)、(2 0 2 2 M S0 40 18)资助作者简介:杭月荷,女,19 8 6 年生,硕士,高工,主要从事沙尘暴和空气污染研究,E收稿日期:2 0 2 2 年4月2 0 日;定稿日期:2 0 2 3年4月2 3日*通信作者,Email:j i a n g x u e g o n g a l i y u n.c o m500第51卷象技科满足的客观条件也不完全相同。例如,沙尘源区形成的沙尘天气往往强度较强,需要强的地面风速,较低的层结稳定度,同时与上升运动伴随等15。而通过远距离传输影响下游地区的沙尘天气常常强度较弱(
7、如浮尘天气),地面风速较小,层结稳定度较高,静稳形势有利于浮尘天气的维持,而对流层低层的下沉运动有利于沙尘的沉降16 。另外,近几十年来我国大力开展的“三北”防护林工程多位于沙漠、沙地边缘和下游地区17 ,因而其影响和削弱的也是下游地区的沙尘天气。因此,上述这些差异预示沙尘源区与下游地区的沙尘天气可能表现出不同的变化规律。但目前关于沙尘气候特征的研究基本上是将东亚、我国北方或某一特定地区作为一个整体来研究,并未区分沙尘源区和下游地区11-141。而通过对比分析沙尘源区和下游地区沙尘天气频数变化,不仅有利于更深人地了解沙尘天气的发生机理,厘清沙尘源地风蚀作用以及下游地区大气远距离搬运作用的强度及
8、其演变特征,同时,也有利于针对沙尘源地和下游地区不同的演变趋势实施有针对性的荒漠化治理对策,更好地抑制荒漠化的发展。为此,本文拟针对东亚两个主要沙尘源地一南疆盆地和蒙古高原荒漠化区(蒙古南部、内蒙古西部)及下游地区不同强度的沙尘天气的气候特征进行对比研究,揭示其不同的时间变化规律,为认识沙尘天气发生和远距离传输规律提供参考,也为沙尘暴防治及荒漠化治理提供依据。1资资料和方法通常,对于沙尘气候特征的研究多针对沙尘天气过程进行统计,本文为了针对沙尘源区和下游地区沙尘频数的对比分析,拟采用站次进行统计。另外,沙尘源区和下游地区站数差异巨大,因此,在两者对比时换算成百分比进行对比分析。使用资料为199
9、9年1月至2 0 19 年12 月常规东亚地面观测资料,时间间隔为3h,每日8 次定时观测。以日为单位,统计一个沙尘日内研究区域发生沙尘的站点数,记为日站数,以该方法进行沙尘频次统计,综合反映沙尘天气发生频次的时、空变化特征。在做日变化统计时,某站点在某一日的8 个观测时次中有一个及以上观测到沙尘天气,即统计为一个沙尘日。统计日界为北京时间2 0:0 0,当某站点某一次沙尘暴跨越2 0:0 0,则按两个沙尘日计算。所有数据按月、季、年整理,其中季节划分3一5月为春季,6 一8 月为夏季、9 一11月为秋季、12 月至次年2 月为冬季,分析研究区域内沙尘天气的年际、年代际、季节和月变化特征。选取
10、的研究区域包括:东亚主要沙尘源地蒙古国,中国新疆,内蒙古,与研究区域进行对比分析的中国沙源地下游地区(即中国境内除沙尘源地(新疆和内蒙古)与青藏高原外,冷锋、蒙古气旋等天气尺度沙尘天气系统能够影响到并导致沙尘天气的地区,后文简称下游地区)。统计站点包括中国2 438 个国家级观测站点(其中新疆10 5站,内蒙古119 站,下游地区147 2 站;另外青藏高原130站,我国南方2 1a中从未发生过沙尘天气的6 12 站仅参与统计,不在本文中分析讨论)和蒙古国参与全球气象观测的6 3个测站(由于不同区域站点数差异较大,因此本文主要针对各区域沙尘频数的时间变化趋势进行分析)。依据中华人民共和国国家标
11、准沙尘天气等级(G B/T 2 0 48 0 2 0 17)18-19,单站沙尘天气等级划分主要依据沙尘天气发生时的水平能见度,同时参考风力大小,将沙尘天气划分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5个等级。本文依据该标准,分别对上述5类沙尘天气进行统计。由于特强沙尘暴发生频数较少,所以将特强沙尘暴并入强沙尘暴合并统计。2沙尘天气的年际变化特征2.1沙尘天气的总体变化趋势分别统计了上述区域浮尘、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴四类不同强度沙尘天气的发生频次(表1),结果表明:19 9 9 一2 0 19 年的2 1年间,新疆发生总次数最多的是浮尘,共发生3319 8 日站,其次是扬沙,两者分别占该地
12、全部沙尘天气次数的7 9%和17%;沙尘暴和强沙尘暴发生频次相对较少,且频次变化不大。蒙古国发生次数最多的是沙尘暴,共发生10775日站,其次是扬沙,两者分别占该地全部沙尘天气的43%和34%;浮尘和强沙尘暴也有一定的发生比例,分别占12%和11%。同为沙源地的内蒙古扬沙最为频发,为9 8 6 3日站,占全部沙尘天气的70%,沙尘暴和浮尘次之,分别占该地沙尘天气总次数的13%和12%,强沙尘暴较少发生。下游地区发生总次数最多的是浮尘和扬沙,分别占该地沙尘总501第4期杭月荷等:东亚沙源地与下游影响区沙尘天气频数变化对比分析次数的57%和40%;沙尘暴和强沙尘暴很少发生。另外,中国56%的浮尘、
13、46%的扬沙、6 9%的沙尘暴和7 9%的强沙尘暴都发生在作为主要沙尘源地的新疆和内蒙古,对于沙尘暴和强沙尘暴,源地的贡献往往更大。沙尘粒子经过远距离传输影响下游地区时,由于沙尘粒子的快速沉降,强度往往明显越弱,因而沙源地沙尘暴、强沙尘暴占比较大,浮尘和扬沙占比相对较小。由于不同区域测站总数并不相同,为了便于比较,将各区域发生频数都换算至每百站发生次数,结果发现:对于浮尘,不同区域每10 0 站发生频数由多到少依次为新疆150 5.6 d、蒙古国2 2 6.6 d,下游地区8 3.9 d,内蒙古6 7.7 d;新疆远高于其他地区,是其他地区的6 2 2 倍。扬沙天气发生频次依次为:蒙古国6 3
14、5.4d,内蒙古39 4.7 d,新疆32 0.1d,下游地区58.5d每10 0 站,蒙古国发生频次是内蒙古和新疆两个沙尘源地的约2 倍,是下游地区的约11倍。对于沙尘暴,蒙古国8 14.4d,内蒙古7 5.5d,新疆6 1.8 d,下游地区仅为3d(每10 0 站),蒙古国发生频次是内蒙古、新疆的10 13倍,是下游地区的269倍。强沙尘暴频次依次为蒙古国2 0 8.9 d,新疆24.4d,内蒙古2 2.8 d,下游地区0.6 d(每10 0 站),蒙古国最高,是新疆和内蒙古的8 9 倍,下游地区的348 倍左右。综合来看,蒙古国是沙尘天气最为严重的地区,扬沙、沙尘暴和强沙尘暴分别是其它地
15、区平均的5倍、9 8 倍和12 2 倍,沙尘暴、强沙尘暴远高于国内两大沙尘源地,仅浮尘少于新疆。表1不同区域2 1a不同强度沙尘天气发生频次发生总次数年平均日数(每10 0 站)中国新疆内蒙古青藏下游地区蒙古国中国新疆内蒙古青藏下游地区蒙古国浮尘622273319816931412259242998121.51505.667.751.783.9226.6扬沙3672970599863171818089840671.7320.1394.762.958.5635.4沙尘暴472613621887541936107759.261.875.519.83.0814.4强沙尘暴14115395691181
16、8527642.824.422.84.30.6208.9另外,沙尘天气2 1a的变化趋势(表2)表明,作为沙尘源地,新疆的4类沙尘天气都存在不同程度的增加,但浮尘的增多程度最为明显,近2 1a线性倾向为39.7 d/(a 100站);扬沙次之,线性倾向为11d/(a 100站);沙尘暴和强沙尘暴频次变化不大。蒙古国沙尘天气总体增多,主要是由于沙尘暴和扬沙的明显增多,线性倾向分别为30 d/(d 100站)和8.1d/(a 100站);强沙尘暴则以4.7 d/(a 100站)的速度减少。值得注意的是,同样属于蒙古高原的和内蒙古与蒙古国变化趋势差异明显,4类沙尘天气全部呈减少趋势,特别是扬沙和沙尘
17、暴显著减少,线性倾向分别为一10.7 d/(a 100站)和一7 d/(a 100站)。其可能原因是:冬季风强度减弱将导致冷空气向南扩展的程度减弱,因而使得蒙古气旋、冷锋等天气系统的影响区向北收缩所致。另外,中国“三北”防护林工程、荒漠化治理工程建设使得植被恢复,并对沙尘天气产生有效抑制也是可能的原因之一。其具体成因尚需进一步深人研究。中国下游地区沙尘天气全部呈减弱趋势,其中浮尘减弱趋势最明显,为一7.8 d/(a 100站)。表2各区域2 1a不同强度沙尘天气线性变化趋势d/(a 100站)中国新疆内蒙古青藏下游地区蒙古国浮尘一3.039.7-2.91.8-7.82.0扬沙-2.011.0-
18、10.71.6-3.48.1沙尘暴-0.60.1-7.0-1.8-0.330.0强沙尘暴一0.20.3一2.2一0.2一0.1一4.72.2沙尘天气的年际变化规律分析19 9 9 2 0 19 年共2 1a的中国和蒙古国逐年沙尘天气发生日站数变化趋势(图1a)。结果表明:近2 1年来,中国沙尘天气以12 7 日站/a的速度显著减少,蒙古国以2 0.7 日站/a的速度快速增多,这与多数研究者的结论一致。另外,中国沙尘天气年际间波动较为明显,如发生频数最多的2 0 0 2 年,高达9 0 7 4日站,是发生频数较少的2 0 19 年的3.4倍;而作为沙源地的蒙古国,年际差异则相对不明显,更多表现为
19、逐年线性增多。同时,中国国内2 个主要沙尘源地(新疆和内蒙古)与下游地区(图1b)沙尘天气的年际变化特征表502象第51卷技科现为新疆逐年明显增多,内蒙古和下游地区呈减少趋势。新疆地区年均发生沙尘天气17 8 6.2 日站,并以50.3日站/a的速度明显增多;内蒙古年均发生沙尘天气58 9.3日站,并以2 1日站/a的速度小幅减少;沙源地下游地区年均发生沙尘天气2 0 31.8 日站,且以158.9 日站/a的速度明显减少。可见,沙尘源地发生的沙尘天气与其下游地区表现出相反的演变特征,究其原因:首先,能够导致沙尘远距离传输的天气影响系统发生频次有所降低,例如,蒙古气旋、冷锋等天气系统引发沙尘天
20、气常常通过远距离传输影响下游地区,而南疆盆地热低压、蒙古冷高压底部倒槽等天气系统引发的沙尘天气则主要局限在沙尘源区。因此,气旋、冷锋的减少将导致沙源地下游地区沙尘天气的减少。这与陈亿等14 研究表明,近年来蒙古气旋的发生次数明显减少,因此,蒙古气旋的减少是上述现象的形成原因之一这一结论是一致的。另外,我国“三北”防护林工程在沙漠、荒漠化地区及其邻近区域开展植树造林、恢复植被等工程,对沙尘天气的发生具有明显的抑制作用,也是上述现象形成的原因之一2 0-2 7 。与之相反,蒙古国并未开展类似的荒漠化治理工作,因而近年来蒙古国荒漠化程度进一步加剧2 8 100007000(a)中国(b)新疆6000
21、8000蒙古国内蒙古5000下游地区6000转日4000300040002000200010000200120042007 2010 20132016201919992002 20052008201120142017年份年份图119992019年中国、蒙古国(a)及19 9 9 2 0 19 年中国不同区域(b)沙尘天气年发生频次分别研究各区域不同强度沙尘天气的年际变化规律,结果表明:19 9 9 2 0 19 年的2 1年间,作为沙尘主要源地之一新疆地区(图2 a),浮尘、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴都呈增多趋势,其中浮尘增多最为明显,为41.1日站/a,强沙尘暴年均增加0.34日站,高于沙尘暴0
22、.12 日站/a的增加趋势。究其原因,产生浮尘天气不需要太大的风速,动力条件容易满足,同时,南疆盆地具有充沛的沙源条件,当热力条件满足时,容易发生浮尘天气。近年来,由于冷空气活动减弱,必然导致南疆盆地热低压等系统活动增多,更易引发浮尘天气2 9-35同为沙尘源地的蒙古国(图2 b)各类沙尘天气也呈明显上升趋势,其中发生频次最高,增加幅度最大的是沙尘暴,年均发生513.1日站,且以18.9日站/a的速度显著增加。其次是扬沙,年均发生频次可达40 0.3日站,且以5.1日站/a的速度快速增加。蒙古国浮尘发生相对较少,以1.3日站/a的速度缓慢增加;另外强沙尘暴以3日站/a的速度显著减少。蒙古国沙尘
23、天气的增多与蒙古国土地荒漠化程度的加剧有关,另外,由于地形、冷空气活动特点等因素影响,蒙古国春季多为冷锋、气旋等天气系统活动,较少出现热低压等系统,因而浮尘天气较少发生。蒙古高原另一沙尘源地内蒙古地区(图2 c)则表现出了相反的趋势,4类沙尘天气均明显减少。内蒙古发生最多的是扬沙,年平均46 9.7 日站,同时以12.7 日站/a的速度快速减少。其次是沙尘暴,年均减少8.3日站;同时浮尘和强沙尘暴也以3.4日站/a和2.6 日站/a的速度明显减少。内蒙古各类沙尘天气均有不同程度减少的原因除了与冷空气活动减少导致的气旋活动减少有关外,也与我国“三北”防护林工程、荒漠化治理工程建设的成果有关。下游
24、地区(图2 d)所有强度的沙尘天气都呈明显减少趋势,其中减少最快的是浮尘。下游地区发生浮尘的次数远高于其他3类沙尘天气,年均发生1234.5日站,且以114.5日站/a的速度显著减少。其次是扬沙,以49.8 日站/a的速度快速减少;沙尘暴和强沙尘暴也以5.0 日站/a和1.2 日站/a的速度明显减少。究其原因,同样与冷空气活动减少及防护林工程、荒漠化治理等工作的效果有关。503杭月荷等:东亚沙源地与下游影响区沙尘天气频数变化对比分析第4期100001000(a)沙尘暴强沙尘暴(b)沙尘暴强沙尘暴浮尘一扬沙浮尘扬沙一8001000康转日6001004001020001999 2002200520
25、082011201420171999200220052008201120142017年份年份312510000(c)沙尘暴强沙尘暴(d)沙尘暴强沙尘暴浮尘扬沙浮尘扬沙625100012510025105199920022005 20082011201420171999 2002 2005 2008201120142017年份年份图21999一2 0 19 年各区域不同强度沙尘天气年发生频次:(a)新疆,(b)蒙古国,(c)内蒙古,(d)下游地区2.3中国沙尘天气的年代际变化特征分析了自19 9 9 年以来每隔5年的中国沙尘天气变化趋势(表3),19 9 9 2 0 0 4年是中国沙尘天气的最高
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