1 引言(Introduction)

沙尘暴是影响干旱、半干旱地区的主要区域性灾害天气之一(钱正安等, 2002；何清等, 2003；杨根生, 2005；Labban et al., 2021).沙尘气溶胶不仅可以通过散射、吸收太阳辐射直接影响地-气系统的辐射能量平衡(Charlson et al., 1992；Zhou et al., 1994；Ramanathan et al., 2001), 还可与酸性气体反应或吸附可溶性成分使之成为云凝结核、冰核, 参与云微物理过程, 进而间接影响大气边界层与全球气候系统(张强等, 2000；Trochkine et al., 2003；Li et al., 2004；Laskin et al., 2005；Formenti et al., 2011).沙尘暴的侵袭使地面能见度降低, 其风蚀作用令土地荒漠化加剧, 从而严重影响地球生态系统和人体健康(申彦波等, 2004；李耀辉等, 2007；冯鑫媛等, 2011；何清等, 2012；Kang et al., 2016；李怡等, 2020；孙倩倩等, 2020).除了影响局地空气质量外, 沙尘在远距离传输过程中向海洋沉降大量微量元素与营养物质, 保障了海洋生态系统与全球物质循环(Jankowiak et al., 1992；Liu et al., 2008；高会旺等, 2009；郑有飞等, 2013).2021年3月, 我国北方地区遭遇了近10年以来强度最高、范围最广的一次沙尘侵袭过程, 内蒙古部分地区出现特强沙尘暴, 北京时隔5年再次出现沙尘暴, 可见, 沙尘暴天气仍然是21世纪不容忽视的大气环境问题之一.

我国沙尘暴多发于春季的西北地区(周自江等, 2003；李锋, 2011；马敏劲等, 2019), 其中, 新疆塔里木盆地与内蒙古阿拉善高原是传统意义上的两个沙尘暴多发区, 其年均沙尘暴日数均高于10 d(钱正安等, 2002；王式功等, 2003).此外, 华北平原北部、青藏高原东北部及青海柴达木盆地亦是沙尘暴的相对高发区(李耀辉等, 2004).20世纪50年代以来, 我国沙尘暴日数总体呈波动下降趋势, 但新疆、青海和内蒙古的部分区域仍在增长(钱正安等, 2002；周自江等, 2002；王存忠等, 2010；陈亿等, 2012).90年代以后, 年均沙尘暴频数在新疆、华北和内蒙古等地均显著下降(孔锋等, 2020).世界范围内, 南北回归线附近的北非、北美、东亚、中东、澳大利亚等地均为沙尘暴的重点易发区(Liu et al., 2008；王民俊等, 2012；刘筱冉, 2018).我国北方地区的塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠为亚洲沙尘的两个重要源区, 两者的地形特征、热力因素与环流条件等均存在巨大差异(Zhang et al., 2007；陈思宇等, 2017).位于塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠三面环山, 温度与蒸发量较高, 年降水量极低, 且几乎无植被覆盖, 沙尘暴呈现“南多北少”的纬向特征(王森等, 2019).戈壁沙漠位于中蒙交界处, 西接塔克拉玛干沙漠, 北面是蒙古草原, 东南部被青藏高原与河西走廊包围, 温度较低且降水资源稀少.这两个重要源区沙尘暴的形成及其沙尘气溶胶的传输存在区域差异.

下垫面的土地类型、植被状态与土壤湿度是影响沙尘暴形成的主要地表条件(Wang et al., 2008；沈洁等, 2010), 气象条件则是决定沙尘暴产生-维持-消散过程的关键要素.大风是沙尘暴发生发展的根本动力驱动因子, 在下垫面变化较小的情况下, 沙尘暴发生率与大风日数存在密切关联(李耀辉等, 2004；2007).降水和温度则影响着地表环境与气候变化, 进而改变沙源与热力条件(张莉等, 2003).持续强劲的风力、丰富松散的尘粒及不稳定的热力层结是沙尘暴产生的3个必要条件(叶笃正等, 2000), 三者在不同地区的配置差异, 造就了不同地域沙尘暴的时间变化、沙尘暴过境时的天气形势及地面气象要素的变化(胡泽勇等, 2002；冯鑫媛等, 2010).气候变化与沙尘暴之间存在长期相互作用, 中国沙尘暴的突发常与蒙古气旋和锋面的活动密切相关(钟海玲等, 2009；Sun et al., 2001；郑广芬等, 2009).同时, 北极涛动异常对东亚冬季风强度、气压场和风场的分布亦具有重要作用, 从而影响我国沙尘暴的活动(Chiapello et al., 2002；申莉莉等, 2010).在季节角度下, 春季沙尘暴频发是气候周期性变化、冷空气频繁活动及荒漠化进程下综合影响的产物(Qian et al., 2002；陆均天等, 2003), 而北方沙尘天气与地表覆盖变化也有所关联(叶笃正等, 2000；钱正安等, 2002；王存忠等, 2011).在局地沙尘暴过程中, 城市的大气颗粒物均会受到沙尘天气的影响, 从而进一步加剧大气污染的复杂性(张芝娟等, 2019).尽管沙尘暴的探索方法和研究角度不尽相同, 但毋庸置疑的是, 有关中国地区沙尘暴的时空变化及其气象成因还需进行深入研究.

美国国家航空航天局(NASA)于2019年2月公布了一组全球植被叶面积分布的影像资料, 其中, 中国与印度的植被叶面积显著增加(Chen et al., 2019).在近年来中国地表植被增加的背景下, 北方地区沙尘暴的时空分布是否会发生改变？其气象影响机理如何？这些问题亟待解决.同时, 针对近年来中国北方地区沙尘暴的年代际变化研究较少, 有关21世纪以来中国北方地区沙尘暴空间格局变化也亟待深入分析.因此, 在全球变暖和区域变绿背景下, 研究2000—2019年中国北方地区沙尘暴年际与年代际的时空分布特征及其相关气象影响机理, 对我国生态环境保护及可持续发展具有重要价值与战略意义.

2 资料和方法(Data and methods)

本研究所使用的沙尘暴日数资料和常规气象要素资料来源于中国气象局国家气象信息中心, 包括全国712个国家级基准站的沙尘暴日数逐月数据和气象要素逐日数据, 时间序列均为1980—2019年.沙尘天气分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5类, 通过能见度来进行划分.本文所研究的沙尘暴为水平能见度小于1 km的沙尘天气现象, 如果当天出现沙尘暴, 则定义为1个沙尘暴日.常规地面气象资料包括温度、气压、湿度、风向风速、降水、蒸发、日照等.本文研究站点为新疆、内蒙古、甘肃、青海、黑龙江等12个省(自治区)的233个地面观测站(以下简称中国北方地区).

统计中国北方地区233个地面气象站的沙尘暴日数、平均风速、大风日数和降水量, 得到北方地区沙尘暴日数区域平均年累计值、季节累计值和每5年均值(2000—2004年、2005—2009年、2010—2014年和2015—2019年), 以及平均风速和大风日数的年均值、季节均值及年降水量.分别统计20世纪末(1980—1999年)和21世纪初(2000—2019年)沙尘暴日数的20年均值, 两者的差值即中国北方地区沙尘暴日数的年代际差异.对各气象因子的多年趋势变化进行多元线性回归分析, 得出回归方程, 并计算其显著性水平.采用Pearson相关系数衡量各气象要素对沙尘暴日数的影响程度.

卫星遥感归一化植被指数(NDVI)为评估研究地区绿色植被生长情况的数值指标, 利用红光与近红外光的反射计算得出, 其数值范围为-1~1, 数值越大表示植被越多(http://earthobservatory.nasa.gov/Features/MeasuringVegetation/).具体计算公式见式(1).

(1)

式中, NIR为近红外光反射, RED为红光反射.

本文使用的MODIS-NDVI资料为2000—2019年植被指数月平均数据集(https://lpdaac.usgs.gov/products/mod13c2v006/), 空间分辨率为0.05°×0.05°.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 北方地区沙尘暴年际变化

2000—2019年北方地区区域平均沙尘暴年日数年际变化(图 1)表明, 2000—2013年中国北方地区沙尘暴年日数呈波动下降趋势, 下降速率为1.1 d/10 a, 通过了99%的显著性水平检验, 说明沙尘暴年日数下降显著.沙尘暴年日数于2001年达到最高值2.69 d, 在2012年和2013年出现最小值0.6 d, 2013年后有微弱增加趋势, 这表明21世纪初中国北方地区的沙尘暴事件明显减少, 大气环境得到显著改善, 但近年来又开始回升.沙尘暴年日数表现出春季最多、夏季次之、秋冬两季最少的季节变化特征, 春季沙尘暴年日数决定了其年际变化趋势.而2018年后, 沙尘暴年日数出现春季下降, 夏季增加的态势.近年来, 我国北方地区沙尘暴发生频数正处于缓慢上升期.

为厘清21世纪初中国北方地区春、夏季沙尘暴日数的趋势变化及相对贡献, 对其变化率进行量化对比(图 2).由图 2可知, 北方地区区域平均的春季沙尘暴日数占全年沙尘暴日数的变化率自2000年以来明显降低, 从2000年的72.14%下降到2019年的46.88%, 下降率为7.3%/10 a, 通过了95%的显著性检验.与之相反的是, 夏季沙尘暴日数的变化率自2010年以来呈现升高趋势, 2010年仅为16.15%, 2019年升至34.92%, 增长率为12.4%/10 a(p＜0.05).已有研究表明, 新疆塔里木盆地长期沙尘暴频数春季占53.3%, 夏季占34.4%(谭婷等, 2020).由此可知, 2000—2019年中国北方地区春、夏季沙尘暴的趋势变化主要源于新疆沙漠地区的贡献.近年来, 新疆沙漠地区夏季沙尘暴的影响逐渐增强, 并已逐渐与春季的影响同等重要.从季节平均占比来看, 2000—2019年春季沙尘暴日数平均占比为62%, 夏季沙尘暴日数平均占比为24%, 可见在21世纪初, 春季仍然是中国北方地区沙尘暴的主要高发季节.

3.2 北方地区沙尘暴空间分布

20世纪末(1980—1999年), 即前20年, 北方沙尘暴近乎覆盖中国整个北方地区(图 3a), 包括新疆、内蒙古中西部、甘肃河西走廊、青海及青藏高原的大部分区域.平均沙尘暴年日数大于10 d的区域主要分布于新疆塔克拉玛干沙漠、青藏高原中西部、青海西部、河西走廊东北部及内蒙古西部的阿拉善高地, 表明北方地区沙尘暴污染分布不均, 整体上以新疆与内蒙古的两大沙漠腹地为中心分布.新疆塔克拉玛干沙漠和内蒙古戈壁沙漠是亚洲沙尘的两大源区, 两地均存在诸如地表荒漠化、降水稀少等对沙尘暴形成和传输产生重要作用的地理和气候特征.就沙尘暴出现的频次而言, 新疆地区的沙尘暴污染更加严重, 影响范围更广.位于新疆塔里木盆地和青藏高原西北角的平均沙尘暴年日数均达到15 d以上, 塔里木盆地甚至出现平均沙尘暴年日数大于20 d的高值区.这20年间, 沙尘暴侵袭最严峻的地点出现在新疆民丰, 平均沙尘暴年日数达到37 d.民丰县位于塔里木盆地南缘, 多年以来一直是遭受沙尘暴频繁侵袭的核心站点.

而从2000—2019年(即后20年)中国北方地区平均沙尘暴年日数的空间分布可知(图 3b), 21世纪初北方地区沙尘暴年日数明显下降, 平均沙尘暴年日数大于3 d的地区从整个西北地区向西缩小至新疆南部、青海西部和西藏北部；内蒙古阿拉善地区、二连浩特地区的沙尘暴年日数已从10 d以上降至4 d以下.仅在新疆塔里木盆地南部存在的沙尘暴年日数高值区已下降至15 d以下, 最高值仍出现在新疆民丰(26 d), 但与20世纪末相比下降明显.河西走廊、青藏高原中西部的沙尘暴年日数总体小于1 d, 与前20年相比这两个地区的高值区已经不复存在.

对比两个年代的沙尘暴年日数可以清晰地发现, 我国平均沙尘暴年日数在整个北方地区明显降低, 降幅前三的站点分别为西藏狮泉河(-19.75 d)、新疆柯坪(-17.1 d)和西藏拉孜(-15.25 d).新疆南部、西藏中西部、青海、河西走廊和内蒙古西部均下降2 d以上, 塔里木盆地西部、青藏高原西部、青海西部和内蒙古阿拉善地区下降均超过6 d.由此可见, 我国北方沙尘暴年日数在2000年后整体显著下降, 其空间格局已发生年代际改变.

2000年后, 我国北方地区沙尘暴分布存在着更小时间尺度上的空间格局变化.从2000—2019年每5年的平均沙尘暴年日数空间分布(图 4)可见, 21世纪以来北方沙尘暴影响范围持续缩小, 明显向西部新疆塔克拉玛干沙漠地区收缩西移, 但位于塔克拉玛干沙漠南部沙尘暴日数高值区的年日数在2010年后存在上升趋势.20年来, 沙尘暴年日数上升最多的站点为新疆且末, 从2000年的6 d上升到2019年的27 d, 增长率为11.5 d/10 a, 通过99%的显著性检验.内蒙古地区的沙尘暴覆盖范围同样逐年减小, 内蒙古西部的戈壁沙漠地区和与蒙古接壤的满都拉、鄂托克旗、二连浩特等地区的沙尘暴年日数从6 d以上降至2 d以下(图 4), 传统意义上的两大沙尘源区在2010年后逐渐转变为以新疆塔克拉玛干沙漠地区主导, 戈壁沙漠在亚洲沙尘源区的主体地位逐年下降.自2015年后, 青藏高原北部、内蒙古阿拉善盟等地区沙尘暴日数均少于1 d(图 4d).因此, 在我国沙尘天气明显减少的大背景下, 塔里木盆地南部沙尘暴天气却逐年加剧.

统计塔里木盆地周围站点的沙尘暴年日数发现, 民丰始终是20年间沙尘暴发生日数最多的地区, 但同时却出现逐年减少的趋势, 2000—2004年平均沙尘暴年日数为32 d, 2015—2019年间下降至23 d, 2000—2019年变化率为-5.5 d/10 a.与此同时, 塔里木盆地南部站点则出现沙尘暴年日数逐年升高的情况, 2000—2019年且末(11.5 d/10 a, p＜0.01)和塔中站(11.5 d/10 a, p＜0.05)的沙尘暴年日数均呈现出逐年上升趋势.由此表明, 塔克拉玛干沙漠南部高值中心的逐年上升现象并非受沙尘暴发生日数最多的民丰站的影响, 而是由于其他南疆沙漠站点的沙尘暴年日数逐年上升所致.

3.3 北方区域气候变化特征

下垫面的植被变化直接影响区域沙尘暴的时空变化.图 5为21世纪初我国北方地区NDVI的每5年空间距平分布, 平均态为2000—2019年共20年, 即从2000年起每5年对于平均态的地表植被差异.由图 5a可知, 2000—2004年新疆天山北部准格尔盆地西北环线、吐鲁番盆地、内蒙古与甘肃相接的巴丹吉林沙漠西北部及东部浑善达克沙地、青藏高原中部西至川西高原及青海局部地区的NDVI距平率先为正.到了2005—2009年(图 5b), NDVI正距平的面积扩大至塔里木盆地西部、内蒙古与蒙古接壤的二连浩特、甘肃南部和青海中南部地区.而2010年后(图 5c), 北方绝大部分地区的正距平在0.05以内, 至2019年末(图 5d), 河套平原、宁夏南部、新疆局地NDVI正距平高达0.1.归一化植被指数在干旱区与半干旱区均存在明显正距平分布, 说明我国北方地区地表植被覆盖程度持续提高, 为减少近地面沙尘的侵袭提供了必要的植被保障.近年来受东亚季风影响, 北方地区降水增多, 使得地表湿度增加(黄小燕等, 2011；付蓉, 2013), 生态环境的改善促使植被覆盖持续增加.由此可见, 21世纪初北方地区植被覆盖指数的整体上升可能是导致我国北方地区沙尘暴年日数减少的重要原因之一.

风速是影响沙尘暴生成与输送的重要气象因素, 既在起沙过程中发挥动力作用, 也是支撑沙尘远距离传输的必要条件.由1980—2019年北方地区平均风速年际变化(图 6)可知, 1980年以来, 北方地区平均风速年均值呈现波动下降趋势, 变化率为-0.1 m·s^-1/10 a(p＜0.01), 于2011年下降至最小值2.11 m·s^-1, 2011年后逐步上升(0.3 m·s^-1/10 a, p＜0.01), 分别与图 1中沙尘暴年日数在2012年达到最小值及在2013年前后开始增多的变化趋势位相一致.从季节分布来看, 春季最高, 夏季次之, 秋冬季最低, 我国沙尘天气多发于春季, 平均风速与沙尘暴年日数的季节变化亦存在一致性, 1980—2011年北方地区平均风速的整体降低是造成21世纪初北方地区沙尘暴天气大范围下降的主要原因.

为了进一步研究较强风速对我国北方地区沙尘暴的影响, 引入大风日数作为引发沙尘暴的影响条件进行长时间序列分析.根据蒲福风级的划分, 四级风力(风速为5.5~7.9 m·s^-1)对应的陆面现象为尘土卷入空中.因此, 将该等级风力的阈值, 即日平均风速≥5.5 m·s^-1的自然日定义为大风日, 以此统计大风日数.与平均风速的变化相似, 大风日数在1980—2011年呈下降趋势(图 7), 降幅为-4.4 d/10 a, 从1980年的最大值25 d下降到2011年的最小值9 d.2011年后显著上升, 增长率为4.5 d/10 a.大风日数的季节分布特征为春季最多、冬季其次.1980—2011年, 我国北方地区的平均风速和大风日数均呈现显著下降趋势, 可认为是导致20世纪80年代至21世纪初中国北方地区沙尘暴年日数整体下降的关键气象因素之一.2011年以后, 平均风速和大风日数均出现升高的趋势.2011—2019年, 以塔克拉玛干沙漠南缘的且末和沙漠腹地中心的塔中为例, 这两个站点的平均风速和大风日数均呈显著上升趋势, 平均风速的变化率分别为0.6 m·s^-1/10 a和0.7 m·s^-1/10 a, 均通过95%的显著性检验, 大风日数也呈现出逐年增加趋势(2.5 d/10 a, p＜0.1；2.3 d/10 a, p＜0.05).这些可能是导致塔克拉玛干腹地沙尘暴高值中心沙尘暴日数逐年上升的重要因素.

降水是影响沙尘暴的关键因子之一, 其对植被的生长促进作用及湿沉降效应将直接影响沙尘暴天气的发展与消亡.20世纪70年代末, 由于受东亚夏季风减弱的影响, 我国北方地区降水逐渐减少, 而21世纪初我国北方地区年降水量呈现出显著波动上升的趋势(图 8), 增长率为32.7 mm/10 a, 并通过了99%的显著性检验.最大值为2018年的471.16 mm, 最小值为2006年的362.34 mm.20世纪90年代以来, 全球气候变暖导致东亚夏季风逐年增强, 致使东亚雨带北移, 我国北方地区降水增加, 这对21世纪北方地区沙尘暴年日数的逐年下降和沙尘暴侵袭区域的“西缩”具有重要影响.

4 沙漠地区典型代表站点的相关分析(Correlation analysis of typical representative stations in desert areas)

通过上述分析可知, 21世纪以来新疆塔克拉玛干沙漠沙尘暴日数高值中心的年日数逐年上升, 与此同时, 内蒙古戈壁沙漠的沙尘暴年日数却出现明显下降.为对比塔克拉玛干沙漠地区与戈壁沙漠地区沙尘暴频数变化及气象因子的影响机理, 分别选取新疆且末和内蒙古鄂托克旗作为塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠的代表站点作进一步分析.且末沙尘暴年日数呈现逐年上升趋势(11.5 d/10 a, p＜0.01), 鄂托克旗则均呈现下降趋势(-5.3 d/10 a, p＜0.01).且末位于塔里木盆地南缘, 为20世纪80年代以来年均沙尘暴日数上升最多的站点.鄂托克旗位于戈壁沙漠南缘, 常年受蒙古气旋影响, 沙尘暴频发, 降水量稀少且蒸发量大.

分析2000—2019年春季且末与鄂托克旗的平均风速和NDVI的多年趋势, 结果如下: 且末站的平均风速显著增加(0.95 m·s^-1/10 a), 且与沙尘暴日数的相关系数达到0.7, 均通过99%的显著性检验；鄂托克旗站的平均风速上升较小(0.22 m·s^-1/10 a), 且与沙尘暴日数的相关系数仅为-0.01, 未通过显著性检验, NDVI则呈现大幅增加趋势(0.33/a, p＜0.01), 与沙尘暴日数呈负相关(-0.74, p＜0.01).通过上述分析可知, 塔克拉玛干沙漠南部高值中心的沙尘暴年日数逐年上升是由于局地春季平均风速增加所致；而近年来鄂托克旗所在的戈壁沙漠地表植被覆盖大幅增加, 这可能是进入21世纪后戈壁沙漠沙尘暴年日数显著下降的重要原因之一.

近年来, 在全球气候变化的背景下, 我国冬季风力总体减弱, 使得起沙的动力条件减弱, 北方地区大风日数明显降低, 导致沙尘天气大幅减少.而2011年后平均风速与大风日数的增加, 为沙尘天气提供了较好的动力条件.同时, 我国西北地区春季气温偏高明显(黄斌等, 2010), 沙源地解冻后地表沙层松动, 干燥裸露的地表为沙尘天气的发生提供了有利的下垫面条件(沈洁等, 2010；肖谋耀, 2017；李璠等, 2019), 使得南疆塔克拉玛干沙漠沙尘暴频数高值区的沙尘暴年日数逐年上升.

5 结论(Conclusions)

1) 2000—2013年中国北方地区平均沙尘暴年日数呈显著波动下降趋势, 下降速率为1.1 d/10 a；2013—2019年沙尘暴年日数又呈现上升趋势, 增速为0.4 d/10 a；21世纪初中国北方地区沙尘暴事件明显减少, 但于2013年出现转折并缓慢升高.春季仍然是北方地区沙尘暴的多发季节, 但其变化率明显下降(-7.3%/10 a), 而2010年后夏季沙尘暴日数的变化率则呈现上升趋势(12.4%/10 a), 春、夏季沙尘暴的趋势变化主要归因于新疆沙漠地区的季节贡献, 新疆沙漠地区夏季沙尘暴影响逐渐增强, 标志着塔克拉玛干沙漠源区沙尘暴的季节特征发生了一定的改变.

2) 20世纪80年代, 沙尘暴近乎覆盖我国整个北方地区, 而21世纪初的沙尘暴影响区域整体向高值中心缩小, 呈现明显的年代际下降.2000年后沙尘暴日数的年际变化显示, 中国北方沙尘暴的空间格局整体向塔克拉玛干沙漠南部地区收缩西移, 但南疆沙尘暴日数高值中心的沙尘暴频数自2010年后存在上升趋势, 年均沙尘暴日数上升最多的站点为新疆且末(18 d), 内蒙古戈壁沙漠在亚洲沙尘源区中的主体地位逐年下降.

3) 中国北方地区沙尘暴日数的整体区域性降低主要归因于北方地区平均风速与大风日数逐年下降、降水量逐年增加及植被覆盖增加地表变绿.此外, 塔里木盆地南缘局地平均风速的升高是近年来影响该地区沙尘暴日数逐年升高的重要气象因素, 地表植被覆盖的增加可能是2000年后戈壁沙漠沙尘暴日数显著下降的主要原因.