环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (8): 1373-1381  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2018.05.10

引用本文  

杨晓玲, 陈玲, 张义海, 等. 河西走廊东部沙尘日变化特征及其与气象因子的关系[J]. 环境科学研究, 2018, 31(8): 1373-1381.
YANG Xiaoling, CHEN Ling, ZHANG Yihai, et al. Variation Characteristic of Sand-Dust Days and Its Relationship with Meteorological Factors in East of Hexi Corridor[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(8): 1373-1381.

基金项目

国家自然科学基金(No.41775107,41305134);甘肃省气象局第七批“十人计划”
Supported by National Natural Science Foundation of China (No.41775107, 41305134); Seventh ‘Ten Person Plan’ of Gansu Meteorological Bureau, China

作者简介

杨晓玲(1971-), 女, 甘肃民勤人, 高级工程师, 主要从事天气预报及灾害天气研究, wwqxj6150343@163.com

文章历史

收稿日期:2017-08-23
修订日期:2018-04-17
河西走廊东部沙尘日变化特征及其与气象因子的关系
杨晓玲1,2 , 陈玲3 , 张义海1 , 王鹤龄2     
1. 甘肃省武威市气象局, 甘肃 武威 733099;
2. 中国气象局兰州干旱气象研究所, 甘肃 兰州 730020;
3. 甘肃省永昌县气象局, 甘肃 永昌 733200
摘要:沙尘天气是河西走廊东部多发的灾害天气之一.为提高河西走廊东部沙尘天气的预测、预报、预警水平,更好地预防沙尘灾害和沙尘天气对空气质量的污染.利用河西走廊东部5个气象站1960-2016年逐日沙尘(包括浮尘、扬沙及沙尘暴)资料和四季平均气温、最高气温、最低气温、平均风速、大风日、蒸发量、降水量、相对湿度等资料,运用统计学方法分析了河西走廊东部各强度沙尘日的时空分布特征以及沙尘日与气象因子的相关性.结果表明:受海拔、地形地貌以及天气系统等影响,各强度沙尘日(除浮尘外)由东北向西南呈递减趋势.年代、年各强度沙尘日呈显著减少趋势,沙尘暴、扬沙、浮尘递减率分别为-2.436、-5.277、-5.719 d/(10 a),气候趋势系数均通过了α=0.01的显著性水平检验.年沙尘日的时间序列均存在着6~8 a的准周期变化.各强度沙尘日均为春季最多,秋季最少,且各季节沙尘日均呈显著减少趋势,递减率为春季>夏季>冬季>秋季,气候趋势系数均通过了α=0.01的显著性水平检验.各强度沙尘日月变化比较一致,高峰值出现在4月,低谷值出现在9月.气象因子对沙尘天气有一定的影响,同一季节气象因子对各强度沙尘日的影响相对一致,但不同的季节气象因子对各强度沙尘日的影响不一致.热力因子和动力因子是影响沙尘天气的主导因子,水分因子的影响较弱.研究显示,气候变暖、冷空气活动频次和强度减弱是沙尘日减少的主要原因之一,大气环流的季节性转变是沙尘天气季节性变化的主要原因.
关键词沙尘日    变化特征    气象因子    相关性    河西走廊东部    
Variation Characteristic of Sand-Dust Days and Its Relationship with Meteorological Factors in East of Hexi Corridor
YANG Xiaoling1,2 , CHEN Ling3 , ZHANG Yihai1 , WANG Heling2     
1. Wuwei Meteorological Bureau of Gansu Province, Wuwei 733099, China;
2. Lanzhou Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, China;
3. Yongchang Meteorological Bureau of Gansu Province, Yongchang 733200, China
Abstract: Sand-dust weather is one of the most frequent disaster weather in the east of the Hexi Corridor area. In order to improve prediction, forecast and early warning level of sand-dust weather, and better prevent sand-dust disasters and pollution of sand-dust weather to air quality in the east of Hexi Corridor. Using daily sand-dust days including dust, flying sand and sandstorm and mean temperature in four seasons, the maximum temperature, the minimum temperature, wind speed, gale day, evaporation, precipitation and relative humidity data of five meteorological stations in the east of Hexi Corridor during 1960-2016, temporal and spatial distributions of sand-dust days and its relationship with meteorological factors were analyzed with using statistical method in the east of Hexi Corridor. The result showed that various intensity sand-dust days (except for floating dust) all assumes a significant decrease trend from the northeast to the southwest because of influence of altitude, landform and weather system. Various intensity sand-dust days of age and year all assumes a significant decrease trend, decline rates of dust storm, sand and dust are -2.436, -5.277 and -5.719 d/(10 a) respectively, and climatic trend coefficients pass the significant level test of α=0.01. Time series of various intensity sand-dust days have six to eight years quasi-periodic variations. Various intensity sand-dust days mostly occur in spring and the least in autumn, sand-dust days of various season all shows a significant decrease trend, and lapse rates are spring > summer > winter > autumn, and climatic trend coefficient passed the significant level test of α=0.01. Monthly variations of various intensity sand-dust days are relatively consistent, a peak is in April and a trough is in September. Meteorological factors have a certain influence on sand-dust weather. Influence of meteorological factors to each intensity sand-dust days are relatively consistent in the same season, influences of meteorological factors to each intensity sand-dust days are different in seasons Thermal and dynamic factors are dominant factors affecting sand-dust weather, and influence of water factors is weak. The climate warming and frequency and intensity of cold air weakening are one of main reasons for dust-dust days decreasing. Seasonal change of atmospheric circulation is main reason for seasonal change of sand-dust weather.
Keywords: sand-dust days    variation characteristics    meteorological factor    correlation    east of Hexi Corridor    

沙尘天气是指大风将地面沙尘吹(卷)起或被高空气流带到下游地区,使水平能见度明显下降所造成的一种大气混浊现象[1].沙尘天气由弱到强分为浮尘、扬沙和沙尘暴三大类[2]:浮尘是指当天气条件为无风或平均风速≤3 m/s,沙尘浮游在空中,使水平能见度小于10 km的天气现象;扬沙是指风将地面尘沙吹起,使空气相当混浊,水平能见度在1~10 km的天气现象;沙尘暴是指大风将地面尘沙吹起,使空气很混浊,水平能见度小于1 km的天气现象.

沙尘天气是一种灾害性的天气,不仅给工农业生产和交通运输带来不利影响,还会导致空气质量严重恶化,危害人体健康.近年来,关于沙尘问题引起了国内外学者的关注和研究,并获得了有意义的研究成果[3-14].河西走廊东部地处干旱、半干旱内陆地区,尤其是中北部年降水量少,植被稀疏,沙漠戈壁众多,为沙尘天气提供了大量沙源,冬春季冷空气活动频繁,大风天气多,沙尘天气发生频率高,沙尘天气已成为当地最严重的气象灾害之一[15-20].目前对河西走廊东部沙尘天气气候学特征、时空分布特征、天气成因、预报方法以及灾害预防等已作了大量研究[21-26],但对沙尘日与气象因子关系的研究还鲜有报道.因此,该研究利用河西走廊东部5个气象站1960—2016年沙尘日和气温、蒸发量、降水量、相对湿度、风速等资料,分析了当地各强度沙尘日的时空变化特征,探讨了沙尘日与各气象因子之间的关系,以期进一步提高河西走廊东部沙尘天气的预测、预报、预警能力和水平,将对防御沙尘灾害有着积极的意义,同时可为政府部门进行大气污染防治提供科学依据.

1 研究区概况

河西走廊东部地处青藏高原北坡,南靠祁连山脉,北邻腾格里和巴丹吉林两大沙漠,东接黄土高坡西缘,地理位置101°06′E~104°14′E、36°30′N~39°24′N,海拔1 300~4 872 m,地势南高北低,地形地貌极为复杂,从北向南依次为民勤、永昌、武威、古浪和天祝(见图 1),其中北部民勤为沙漠戈壁干旱区,中部凉州为绿洲平川区,北部永昌和南部古浪、天祝属于祁连山边坡山区,是季风性气候与大陆性气候、高原气候与沙漠气候的交汇处,是较典型的气候过渡带,属于温带干旱、半干旱气候区[27].河西走廊东部由于深居大陆腹地、远离水汽源地,近地层水汽通道受到了山系阻挡较难达到当地,干旱少雨,年降水量为113~405 mm,由南向北递减;年均气温为0.1~8.4 ℃,由南向北递增;日照时数长,蒸发和辐射强烈,风多沙大,特别是河西走廊东部民勤是我国沙尘暴多发地区之一.

注:海拔单位为m. 图 1 河西走廊东部气象站点和海拔空间分布 Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations and altitude above sea level in east of Hexi Corridor
2 资料来源与方法 2.1 资料来源

所用资料来源于河西走廊东部武威市永昌、民勤、凉州、古浪、天祝的乌鞘岭气象站逐日沙尘(包括浮尘、扬沙及沙尘暴)及四季最高气温、平均气温、蒸发量、降水量、相对湿度、风速资料,时间序列为1960—2016年. 5个气象站57 a来均未曾迁移,观测数据完整性和连续性较好,时间序列长.

2.2 研究方法

总沙尘日是指浮尘、扬沙和沙尘暴日三者之和.季节按照春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11和冬季12月—翌年2月进行划分.分析年代、年、季和月各强度沙尘日的变化趋势及沙尘日的极值.沙尘日的变化趋势采用线性趋势计算方法,用yi表示样本量为n的气候变量,用xi表示yi所对应的时间,建立yixi之间的一元线性回归方程[28]

$ {y_i} = a + b{x_i},i = 1,2, \cdots ,n $

式中, b为气候变量的倾向率,b>0表示直线递增,b<0表示直线递减,b ×10表示每10 a的变化率.

变化趋势的显著性,采用时间x与序列变量y之间的相关系数即气候趋势系数(R)进行检验.根据蒙特卡罗模拟方法[29]:通过信度α =0.1、0.05、0.01显著性检验所对应的相关系数临界值,依次为0.305 8、0.365 3、0.443 0,当气候趋势系数绝对值大于上述临界值时,分别认为气候趋势系数较显著、显著、很显著.运用方差分析方法进行周期分析,求出F值并进行显著性检验[30].运用累计距平和信噪比法对沙尘日进行突变分析[31].

3 结果与讨论 3.1 沙尘日的空间分布

统计分析河西走廊东部5个气象站沙尘资料发现:各强度沙尘日(除浮尘日外)由东北向西南呈递减趋势.年均沙尘暴日民勤最多(22.7 d),凉州次多(5.4 d),再次为永昌(3.4 d),古浪次少(2.2 d),天祝最少(0.1 d)〔见图 2(a)〕;年均扬沙日民勤最多(37.1 d),凉州次多(20.5 d),再次为永昌(12.6 d),天祝次少(9.7 d),古浪最少(6.2 d)〔见图 2(b)〕;年均浮尘日为南北少中间多,凉州最多(39.4 d),古浪次多(32.6 d),再次为永昌(23.3 d),民勤次少(13.4 d),天祝最少(10.9 d)〔见图 2(c)〕;年均总沙尘日民勤最多(73.2 d),凉州次多(65.3 d),再次为古浪(41.0 d),永昌次少(39.3 d),天祝最少(21.4 d)〔见图 2(d)〕.由图 12可知,河西走廊东部沙尘日的空间分布与海拔呈负相关,沙尘暴、扬沙、浮尘和总沙尘日与海拔的相关系数分别为-0.676、-0.704、-0.424、-0.947,其中,浮尘与海拔的相关系数通过了α =0.5的显著性水平检验,相关性显著,其他相关系数均通过了α =0.01的显著性水平检验,相关性很显著.

图 2 河西走廊东部年平均沙尘日的空间分布 Fig.2 Space distribution of annual mean sand-dust days in east of Hexi Corridor

沙尘日的空间分布还与局地地形、下垫面和天气系统有关,北部民勤被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠包围,为空旷戈壁荒漠,自身就是沙尘源地,建筑物和遮挡物较少,风速大,气候干燥,在有利天气条件下易发生沙尘暴和扬沙[32];中部凉州地处绿洲平川区,植被覆盖率高,风速较小,地面不易起沙,沙尘暴和扬沙发生概率较小;而山区涵养林多,气候润湿,不利于沙尘暴和扬沙形成.但浮尘日凉州最多,古浪次之,主要原因是浮尘多为远处沙尘经上层气流传播而来,或为沙尘暴、扬沙出现后风速减小,尚未下沉的细粒浮游空中而形成. LI等[33]用武威市2003—2005年逐日TSP、PM10以及沙尘资料分析发现,该地30%的沙尘来自本地,而50.9%来自周边的沙漠戈壁.究其原因:①凉州和古浪处于巴丹吉林沙漠的南缘,较民勤远离沙漠,下垫面沙源较少;②河西走廊大风沙尘天气的环流背景是西北气流和偏北气流,民勤又是我国大风、沙尘暴多发区之一,而凉州和古浪风速较小,如果上游民勤发生沙尘暴或扬沙天气,在西北或偏北气流输送下,易在下游风速较小的凉州和古浪形成浮尘.

3.2 沙尘日的时间变化 3.2.1 年代变化

表 1为河西走廊东部逐年代各强度沙尘日距平,距平计算以57 a平均值为基准.由表 1可知,各强度沙尘日年代变化一致,总体在减少.沙尘暴日20世纪60—70年代偏多、20世纪80年代略偏多、20世纪90年代至2016年偏少;扬沙日20世纪60—70年代偏多、20世纪80年代持平、20世纪90年代略偏少、21世纪前17年偏少;浮尘日20世纪60年代和80年代偏多、20世纪70年代特多、20世纪90年代略偏少、21世纪00年代偏少、2010—2016年特少;总沙尘日20世纪60年代偏多、20世纪70年代特多、20世纪80年代略偏多、20世纪90年代偏少、21世纪前17年特少. 2010—2016年比1970—1979年沙尘暴、扬沙、浮尘和总沙尘日日数分别减少了11.7、23.2、35.7、70.6 d.

表 1 河西走廊东部逐年代沙尘日距平 Table 1 Index of various age sand-dust days in east of Hexi Corridor
3.2.2 年变化

河西走廊东部各强度沙尘日呈减少趋势(见图 3),用线性趋势系数法计算各强度年沙尘日趋势方程及趋势系数(见表 2),气候倾向率的绝对值为浮尘>扬沙>沙尘暴,即总沙尘日减少浮尘贡献最大.根据蒙特卡罗模拟方法规定,各强度沙尘日的气候趋势系数均通过了α =0.01的显著性水平检验,递减趋势很显著.全球气候变暖使冷空气强度减弱和频次减少,这种全球范围的气候变化必然会对区域性的气候造成影响,研究发现河西走廊东部气温呈显著升高趋势[34],大风日数呈显著减少趋势[35],这可能是当地沙尘日减少的主要原因之一.由图 3可见,各强度年沙尘日的变化步调比较一致,运用方差分析周期发现,各强度年沙尘日的时间序列均存在6~8 a的准周期变化,经F检验,通过了信度α =0.05的显著性水平检验.

图 3 河西走廊东部年沙尘日变化 Fig.3 Change of annual sand-dust days in east of Hexi Corridor

表 2 河西走廊东部年沙尘日的趋势方程和趋势系数 Table 2 Trend equation and trend coefficient of annual sand-dust days in east of Hexi Corridor

河西走廊东部年均沙尘暴日6.9 d,最多为17.2 d(1966年),最少为0.2 d(2012年);年均扬沙日17.2 d,最多为40.8 d(1966年),最少为2.2 d(2013年);年均浮尘日为23.9 d,最多为57.4 d(1976年),最少为3.2 d(2011年);年均总沙尘日为48.1 d,最多为110.6 d(1966年),最少为7.0 d(2011年).

3.2.3 季节变化

表 3可见,各强度沙尘日季节差异较大,春季最多,夏季次之,秋季最少.各季节各强度沙尘日均呈明显减少趋势,递减率为春季>夏季>冬季>秋季.根据蒙特卡罗模拟方法规定,各季节各强度气候趋势系数均通过了α =0.01的显著性检验,减少趋势很显著.研究表明,春季冷暖空气交替频繁,地气间气压梯度加大,常出现强劲大风,风速最大;夏季气层不稳定,多出现阵性大风;秋季逐渐转为浅脊控制,太阳辐射减少,低层大气降温迅速,层结趋于稳定,风速明显减小;冬季气层稳定,加之地面辐射冷却,产生了深厚逆温层,风速较小.沙尘天气是指大风将地面沙尘吹起所导致,风速的季节变化引起了沙尘天气的季节变化,春季风速最大,沙尘天气自然最多.因此,大气环流的季节性转变是沙尘天气发生季节性变化的主要原因.

表 3 河西走廊东部各季节平均沙尘日、气候倾向率及趋势系数 Table 3 Mean sand-dust days and climate tendency rates and tendency coefficient of various seasons in east of Hexi Corridor
3.2.4 月变化

图 4可见,各强度月沙尘日变化比较一致,月变率较大,均表现出一个明显高峰和一个明显低谷,1—4月迅速增多,4月为高峰;4—9月逐渐减少,9月为低谷;9—12月逐渐增多.其中,3—5月为沙尘天气高发时段,沙尘暴、扬沙、浮尘和总沙尘日分别占年总日数的48.8%、48.3%、56.1%和52.3%;9—11月为沙尘天气少发时段,沙尘暴、扬沙、浮尘和总沙尘日分别占年总日数的7.4%、18.8%、8.2%和9.6%.

图 4 河西走廊东部逐月沙尘日占比 Fig.4 Percentage of monthly sand-dust days in annual total days in east of Hexi Corridor
3.3 沙尘日的突变分析

采用累计距平方法对河西走廊东部各强度年沙尘日进行突变分析,为检验转折是否达到气候突变,计算转折年份信噪比,信噪比≥1.0时,认为存在气候突变,最大信噪比对应年份为气候突变年份.从图 5可见,各强度沙尘日累计距平的变化趋势比较一致,20世纪60年代至80年代中后期均呈波动增多趋势,1987年开始均呈波动减少趋势;20世纪80年代中后期至21世纪前17年为波动减少阶段,1987年沙尘暴、扬沙、浮尘和总沙尘日信噪比分别为1.8、1.6、1.0和1.4,均通过了信噪比检验.因此认为各强度年沙尘日发生了突变,突变时间均在1987年.杨晓玲等[34-36]发现,河西走廊东部在20世纪80年代中后期开始气温呈明显上升趋势、风速呈减小趋势、降水呈弱增多趋势,这可能是在1987年发生突变的主要原因之一,说明气象因子对沙尘天气有一定的影响.

图 5 河西走廊东部年沙尘日的累计距平变化 Fig.5 Accumulated anomaly variation of annual sand-dust days in east of Hexi Corridor
3.4 沙尘日与气象因子的关系

在全球气候变暖的背景下,沙尘日的减少与气象因子的变化关系密切,研究[37-38]表明,气象因子是造成沙尘日变化的主要原因.为了深入分析河西走廊东部沙尘天气的主要影响因子,运用相关系数法选取了与沙尘天气变化密切相关的8个气象因子(平均气温、最高气温、最低气温、平均风速、大风日、蒸发量、降水量和相对湿度),将这些因子分为热力因子、动力因子、水分因子3类[39]来进行多元回归分析,为更好地比较各个自变量在回归方程中的重要性,应消除单位的影响,为此在做多元线性回归时对各个变量值作标准化变换(即变量减去均值并除以标准差的估计),得到的回归系数为标准化回归系数(见表 4),其含义为当自变量增加一个单位时,因变量增加或减少的单位.并对标准化回归系数的显著性进行了t检验.在不同季节沙尘天气的形成机理不同,与气象因子的关系也存在一定差异,因此分季节进行了分析.

表 4 河西走廊东部各季节沙尘日影响因子的标准回归系数 Table 4 Standard regression coefficient of effect factors on sand-dust days of various seasons in east of Hexi Corridor

表 4可见,春季各强度沙尘日与热力因子平均气温呈显著负相关,与最高气温呈显著正相关,与最低气温呈较显著正相关;与动力因子平均风速呈较显著正相关,与大风日呈弱正相关;与水分因子蒸发量、降水量呈弱正相关,与相对湿度呈弱负相关.夏季各强度沙尘日与热力因子平均气温、最低气温呈弱负相关,与最高气温呈弱正相关;与动力因子平均风速、大风日呈正相关,其中浮尘、总沙尘与平均风速相关性较显著,扬沙与大风日相关性较显著;与水分因子蒸发量、相对湿度呈弱正相关,与降水量呈弱负相关.秋季各强度沙尘日与热力因子平均气温呈负相关,与最高气温、最低气温呈正相关,其中扬沙、总沙尘与平均气温相关性较显著,扬沙与最高气温、最低气温相关性较显著;与动力因子平均风速、大风日呈正相关,其中扬沙、总沙尘与平均风速相关性较显著;与水分因子蒸发量、相对湿度呈弱正相关,与降水量呈弱负相关.冬季各强度沙尘日与热力因子平均气温呈正相关,其中总沙尘与平均气温相关性较显著,与最高气温呈较显著正相关,与最低气温呈显著负相关;与动力因子平均风速呈显著正相关,与大风日呈弱正相关;与水分因子蒸发量、降水量呈弱负相关,与相对湿度呈弱正相关.由此可见,同一季节各气象因子对各强度沙尘日的影响相对一致,但不同的季节各气象因子对各强度沙尘日的影响不一致.总体来看,热力因子和动力因子是影响沙尘天气的主导因子,水分因子的影响较弱.

4 结论

a) 受海拔、地形地貌、天气系统等影响,河西走廊东部沙尘日(除浮尘外)由东北部沙漠区向西南山区逐渐减少,低海拔地区明显多于高海拔地区.

b) 河西走廊东部年代、年各强度沙尘日呈显著减少趋势,递减率为浮尘>扬沙>沙尘暴,年沙尘日的时间序列均存在着6~8 a的准周期变化,通过了信度α =0.05的显著性检验.各强度沙尘日为春季最多,夏季次之,秋季最少,大气环流的季节性转变是沙尘天气发生季节性变化的主要原因之一.各季节沙尘日均呈显著减少趋势,递减率为春季>夏季>冬季>秋季.月沙尘日变化比较一致,4月为一个高峰,9月为一个低谷.各强度年沙尘日均发生了突变现象,突变的年份均在1987年.

c) 同一季节各气象因子对各强度沙尘日的影响相对一致,不同的季节各气象因子对各强度沙尘日的影响不一致.总体来看,热力因子和动力因子是影响沙尘天气的主导因子,水分因子的影响较弱.

d) 气候变暖、冷空气活动频次和强度减弱是沙尘日减少的主要原因;风速加大、大风日数增多也是沙尘日增多的主要原因之一;水分因子对沙尘日的影响较弱,可在一定程度上抑制沙尘天气的发生、发展,但不是主要影响原因.

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