黑河流域中游荒漠区沙尘暴、扬沙和浮尘监测及其与气候因子的关系

张 虎, 刘贤德, 张亚光, 李小燕, 范菊萍

(1.甘肃省祁连山水源涵养林研究院， 甘肃 张掖 734000； 2.甘肃张掖生态科学研究院，甘肃 张掖 734000； 3.甘肃省白龙江林业管理局南华生态建设局， 甘肃 高台 734300)

沙尘天气包括沙尘暴、扬沙和浮尘等天气，尽管其发生时都伴随着风速大、沙尘多、能见度低的特点，但是它们之间的界定和观测是有区别的[1-2]，而且不同的沙尘天气变化特征和影响因素可能各不相同。沙尘天气的发生是多种因素相互作用的结果，如气候因素、植被因素、人为因素等，其中气候因素对沙尘源区沙尘天气的影响占主导地位[3]。国内外学者对沙尘天气变化特征及其与气候因子的关系进行了大量的研究，在20世纪20年代国外就开展了利用降水、风速等气候因子建立的综合指数模型[4-5]，分析气候因素对沙尘天气频率格局的影响。中国在20世纪70年代开始了全国、西北地区、华北地区沙尘天气的时空分布及其大气环流特征研究[6-7]。但是不同的地区，其沙尘天气的变化具有明显的地域特色。地处甘肃河西走廊中部的黑河流域荒漠区，其土地荒漠化和盐碱化是黑河流域生态最严重的生态环境问题，生态环境特别脆弱，是中国西北地区风沙灾害的严重区域之一，受到了许多专家和学者们的关注[8-9]。但是，这些研究多关注的只是沙尘暴，而对同样具有危害性的扬沙和浮尘研究报道较少。因此，本研究依托黑河流域红沙窝荒漠化综合防治试验站的监测数据，分析黑河流域中游沙尘暴、扬沙和浮尘频次和时长的月变化和年变化及其成因，并分析了这3种沙尘天气频次与主要气候要素的关系，旨在加深了解该区域的沙尘天气变化规律及其与气候要素的内在联系，为当地区域沙尘天气的早期预警和荒漠区的经营和管理提供依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

黑河出山口的莺落峡至正义峡之间的部分属于黑河流域中游区域，范围从北纬37°28′—39°57′到东经97°20′—102°12′，平均海拔1 200—1 700 m，区域内绿洲、农田、牧场、荒漠、戈壁、盐碱滩地交错分布，北部分布着巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和塔克拉玛干三大沙漠，风沙线长达1 600 km，在地理位置上属于典型的山前荒漠和绿洲荒漠过渡地带。位于该区域内荒漠区的红沙窝荒漠化综合防治试验站，海拔1 441 m，地理坐标E100°31′95.8″，N39°01′79.6″。这里气候干燥，降水稀少，日照充足，昼夜温差大，近10 a平均气温8.5 ℃，极端最高气温41.7 ℃，极端最低气温-31.7 ℃，年平均降水量144.2 mm，年蒸发量1 124.3 mm，年平均相对湿度43.4%，无霜期156 d，属中温带干旱荒漠大陆性气候。分布的植物主要以旱生、中旱生的藜科、蓼科、蒺藜科、豆科、菊科、蔷薇科、禾本科等植物为主，主要植被为泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)、红砂(Reaumuriasoongarica)、合头草(Sympegmaregelii)、碱蓬(Suaedaglauca)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、白刺(Nitrariatangutorum)等旱生荒漠植物，植被类型属于荒漠植被。试验站设在该区的9个植被固定样地和1个临时植被样地的每月15日的植被结构调查表明，研究区植被盖度总体上呈明显的好转变化趋势(见表1)。地带性土壤主要为灰棕荒漠土和灰漠土，土壤质地较粗，有机质含量低、含盐量高，土壤母质主要是由第四纪砂砾洪积、冲积物组成。地貌类型有流动、半流动、固定或半固定的沙丘及丘间低地。地下水埋深为4.2 m，因人类活动频繁，对地下水的影响较大。

表1 试验区植被结构年均值变化

1.2 监测仪器与方法

试验站配置沙尘暴监测塔二座(5 m，10 m)，其中：大流量TSP采样器1套(产地：中国，型号：KC-1 000型，范围：(0.8～1.4)m3/min，精度：±2%)；沙尘暴沙尘采样器1套(产地：中国，型号：SC-1，范围：40～140 L/min，精度：5%FS)；单通道颗粒物采样器1台(产地：中国，型号：KC-16 A，范围：5～20 L/min，精度：±2%)；智能中流量TSP采样器1台(产地：中国，型号：KC-120 H，范围：60～125 L/min，精度：2级)；空气质量监测站(产地：新西兰，型号：AQM 65，范围：0～2 000 μg/m3(测定因子TSP，PM1，PM2.5或PM10)，精度：<±(2 μg/m3+5%读数)；便携式气象参数综合测试仪1台(产地：中国，型号：LS2009，范围：0～40 m/s(风速)，0～360°(风向)、-50～150 ℃(温度)，0%～100%(湿度)，对应的精度分别为：0.1 m/s，±0.5°，±0.3 ℃，±3%)；沙尘暴垂直降尘采样器4套(甘肃省治沙研究所自主研发产品)等相关荒漠化监测仪器和设备，在正式观测之前，已对观测试验数据进行了检验。同时建有荒漠化定位监测站分析实验室，具备进行沙尘天气监测、荒漠化监测的基础条件。

沙尘天气的观测依据中华人民共和国气象行业标准—沙尘暴、扬沙和浮尘的观测识别进行人工观测[2]。试验站有自动气象观测站一座，土壤温度(5 cm)、土壤湿度(10 cm)、大气温度、大气湿度、风速、总辐射等气象数据每小时整点采集1次，降水量中的降雨用翻斗式雨量计测定，降雪用称重法测定。本研究利用该试验站2010—2019年沙尘天气观测数据和气象监测数据进行沙尘天气与气候因子的关系研究。

1.3 数据分析方法

利用Excel 2016对2010—2019年沙尘天气频次和时长及气象要素观测数据进行统计，利用SPSS 19的Spearman和Kendall’s tau-b模块进行沙尘天气频次和时长与气候要素间的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 沙尘暴、扬沙和浮尘频次和时长的月变化

2.1.1 沙尘暴、扬沙和浮尘频次的月变化 对监测区发生的沙尘暴、扬沙和浮尘频次的月变化进行了统计分析(见图1)，分析图1可以得出，沙尘暴、扬沙和浮尘频次的月变化具有明显的季节变化规律，总体上来看，沙尘暴、扬沙和浮尘的频率变化呈“单峰”型。沙尘暴、扬沙和浮尘主要集中在春季(3—5月份)，沙尘暴、扬沙和浮尘频次分别占到了一年当中的88.9%，68.8%和71.6%，其次是冬季(12月至翌年2月份)，沙尘暴、扬沙和浮尘频次分别占到了一年当中的0，13.5%和15.9%，春冬两季的沙尘暴、扬沙和浮尘分别占了全年总次数的88.9%，82.3%和87.5%，特别是沙尘暴频次的比重达到了88.9%。秋季沙尘天气频次最低。在春季期间，3种沙尘天气频次的高峰时段主要集中在4月份(68次)，其次是3月份(57次)，5月份(28次)较3月份和4月份更少；冬季期间的沙尘天气频次高峰时段主要集中在2月份(23次)，12月份和1月份仅发生了2次。另外研究还发现，沙尘暴多发生在春夏季，扬沙和浮尘多发生在春冬季。

图1 黑河流域中游荒漠区沙尘暴、扬沙和浮尘频次的月变化

2.1.2 沙尘暴、扬沙和浮尘时长的月变化 因一次沙尘事件，有时候有1种、2种或3种天气伴随发生，而且同一沙尘天气事件中沙尘暴、扬沙和浮尘的发生时间不便于准确的测定。因此，本研究仅对监测区的沙尘时长月变化进行了统计分析(见图2)。分析图2可以得出，沙尘天气时长月变化与沙尘天气频次月变化规律基本一致，春季沙尘天气时长为1 074.6 h，占全年沙尘天气时长的68.5%，其次是冬季的沙尘天气，其时长为183.0 h，占全年沙尘天气时长的10.9%，春冬两季沙尘天气占全年沙尘天气的79.4%。秋季的时长最短，为140.0 h。可见，沙尘天气时长也主要集中在春冬两季。在春季期间，3—5月份的沙尘天气时长分别为392.0，377.5和305.1 h，冬季期间沙尘天气的时长最大的月份为2月份(174.2 h)，其次是1月份(44.6 h)和12月份(1.8 h)。

图2 黑河流域中游荒漠区沙尘天气时长的月变化

2.2 沙尘暴、扬沙和浮尘频次和时长的年变化

2.2.1 沙尘暴、扬沙和浮尘频次的年际变化及趋势 对监测区2010—2019年10 a间发生的沙尘暴、扬沙和浮尘频次进行了统计分析(见图3)。分析图3可以得出，近10 a来的沙尘暴、扬沙和浮尘频次的年际变化具有各自不同的变化规律，其中沙尘暴频次逐年减少，总体的变化趋势呈递减的趋势，其在2015年、2016年和2017年发生的次数为0次，2018年和2019年仅仅发生了1次；扬沙频次总体上亦呈递减的趋势，2011年和2013年分别发生了14次和13次，2018年发生了14次外，其他年份均低于10次；浮尘频次总体上的变化趋势呈递增的变化趋势，其发生的频次最多的几年，分别是2011，2013，2016，2018年和2019年，这几个年份发生的浮尘均达到了13次。

2.2.2 沙尘暴、扬沙和浮尘时长的年际变化及趋势 对监测区2010—2019年不同年际发生的沙尘天气时长进行了统计分析(见图4)。分析图4可以得出，虽然不同年份间的时长变化有所波动，但其总体的变化趋势呈增加的趋势，2012年沙尘天气时长最短，为64.0 h，2014—2017年沙尘天气时长变化平缓，到了2018年和2019年，沙尘天气增加到了260.3和261.3 h，结合图3的分析，其主要原因是浮尘发生的频次增加所造成的。

图3 黑河流域中游荒漠区沙尘暴、扬沙和浮尘频次的年际变化及趋势

图4 黑河流域中游荒漠区沙尘天气时长的年际变化及趋势

2.3 沙尘暴、扬沙和浮尘频次与气候因子

2.3.1 沙尘暴、扬沙和浮尘频次月变化与各气象要素的相关性分析 对监测区沙尘暴、扬沙和浮尘频次月变化与土壤温度(5 cm)、土壤湿度(10 cm)、大气温度、大气湿度、风速、降水量和总辐射月均值进行了相关性分析(见表2)。分析表2可以得出，沙尘暴、扬沙和浮尘频次月变化均与当地的土壤湿度(10 cm)、大气湿度和风速之间呈极显著相关(p<0.01)，其中与土壤湿度(10 cm)和大气湿度之间呈极显著负相关(p<0.01)，与风速之间呈极显著正相关(p<0.01)。

2.3.2 沙尘暴、扬沙和浮尘频次年际变化与各气象要素的相关性分析 对监测区沙尘暴、扬沙和浮尘频次年际变化与春、冬两季的土壤温度(5 cm)、土壤湿度(10 cm)、大气温度、大气湿度、降水量和年降水量及年总辐射均值进行了相关性分析(见表3)。分析表3可以得出，春季期间，沙尘暴、扬沙和浮尘频次年际变化与各气象要素相关性不同，沙尘暴年际发生频次仅与土壤湿度(10 cm)之间呈极显著负相关(p<0.01)，扬沙年际发生频次仅与土壤湿度(10 cm)之间呈显著负相关(p<0.05)，浮尘年际发生频次仅与土壤温度(5 cm)之间呈显著正相关(p<0.05)。冬季期间，沙尘暴年际发生频次与冬季的土壤温度(5 cm)、土壤湿度(10 cm)和降水量相关明显，其中与土壤温度(5 cm)之间呈显著负相关(p<0.05)，与土壤湿度(10 cm)和降水量之间呈极显著负相关(p<0.01)；扬沙年际发生频次与土壤温度(5 cm)之间呈显著负相关(p<0.05)，与大气温度之间均呈极显著负相关(p<0.01)；浮尘年际发生频次与各气象要素均无显著相关性(p>0.05)。另外，沙尘频次年变化与年降水量和年总辐射量之间相关性不显著(p>0.05)。

表2 黑河流域中游荒漠区沙尘暴、扬沙和浮尘频次月变化与各气象要素的Spearman相关系数

表3 黑河流域中游荒漠区沙尘暴、扬沙和浮尘年际发生频次与各气象要素的Spearman相关系数

3 讨 论

(1) 监测区沙尘暴、扬沙和浮尘天气频次和时长的月变化均呈明显的“单峰”型变化。3种沙尘天气主要集中在春季，其次是冬季。沙尘天气之所以集中在春季，原因是一方面地面温度回升，加上冻结的沙土结构变得疏松(4月份表层土壤全部解冻)[10]，另一方面是北方冷空气的频繁活动。在地层气温上升和冷空气相互作用下，给中小尺度天气系统提供了有力的物理转换过程，驱动了沙土在一定空间范围内的运移。在冬季虽然冷空气活动频繁，但地面温度低，冷热对流很弱，而且研究表明近地表土壤处于完全冻结状态[10]，地表上的沙土不易吹起，沙尘天气以扬沙和浮尘天气为主，无沙尘暴天气。本研究分析得出沙尘暴集中在春夏季，这与丁荣等[8]得出的结论一致，夏季之所以发生的沙尘暴频次也较多，原因是监测区虽然分布大小不等的绿洲，但大部分地区分布的是戈壁荒漠，在太阳辐射下，荒漠吸热快散热也快，近地空气受热变化日较差特大，使得大气层变化极不稳定，荒漠蒸发量大，加上较短的时间内降水稀少。扬沙和浮尘的2种天气的四季分布与张存杰等[11]对甘肃省近30 a扬沙、浮尘季节分布特征一致，可见本研究监测站点尺度上分析的扬沙和浮尘季节变化规律与区域尺度上的扬沙和浮尘季节变化规律是一致的，这是由特殊的地理环境和气象条件所导致的。沙尘天气在春季发生的时间最长，其次是冬季，一方面是春冬两季沙尘天气发生频率高的原因，另一方面与这个时期的沙尘源、强风和热力不稳定因素有关。

(2) 监测区10 a间的沙尘暴和扬沙频次的变化趋势逐年减少，沙尘暴频次的变化趋势验证了河西走廊中部沙尘暴将在2013—2032年呈持续减少的变化趋势[7]。沙尘暴和扬沙频次减少的原因是监测站所在区的降水量增加的缘故，改善了当地下垫面自然植被的生长。监测站点的降水数据表明，10 a间降水量呈逐渐增加的变化趋势，而监测站点位于河西走廊中部，已有研究表明，河西走廊中部从1960—2012年乃至预测未来的20 a该地区降水因气候变暖促使南方海洋水汽向北输送，总体上呈缓慢增加的变化趋势[12-13]；另外一个原因是监测站所在区域的投入大量资源进行生态恢复与重建等生态工程建设项目，在一定程度上改善了区域生态环境所致。浮尘频次的变化趋势逐年增加，因浮尘空间分布特征不同于沙尘暴和扬沙[11]，其频次的增加是一个复杂的过程，除了与当地部分沙尘暴或扬沙天气过后所产生的滞尘天气有关外，还与其他地区沙尘暴或扬沙所卷起的沙尘由东南方向扩展到低纬度地区有关[14]。上述主要分析了监测区浮尘的产生的主要原因，至于在同一气候背景下的浮尘频次的增加，有待于进一步的深入和研究。另外研究还发现，监测区的能见度从2010年到2019年逐渐减弱，监测区沙尘暴和扬沙频次的减少小于浮尘频次的增加，沙尘暴和扬沙发生的频次低于10 a的平均值，但发生强度增加，如发生在2018年11月25日13点10分的唯一一次沙尘暴，此次沙尘暴来势汹汹，能见度不到2 m，伴随的风力达到了7级以上，形成了一道高达上百米的沙墙由西向东持续蔓延扩散，并入侵到甘肃省中部地区，沙尘暴和扬沙结束之后又出现了浮尘，一直持续了11月26日的8点。浮尘在逆温层、大气层结构、高空风场的作用下使得沙尘粒子不易扩散与沉降，从而较长时间的滞留在高空中，加上沙尘时长的年变化总体呈增加的趋势。

(3) 沙尘天气频次是大风、降水、大气温湿度、土壤温湿度等单个或多个气象要素综合作用的结果。本研究结果表明，监测区沙尘天气频次月变化与土壤湿度、大气湿度和风速密切相关，原因是土壤和大气湿度是沙尘天气发生的背景场，土壤和大气湿度越低，沙尘天气越易发生；风速是沙尘天气发生的动力条件，风速越大，沙尘天气越易发生。土壤和大气湿度和沙尘天气频次的关系与张莉等[15]分析得出的中国北方绝大多数地区沙尘暴发生日数随本地的降水和相对湿度的增加而减少的结论一致；风速和沙尘天气频次的关系与Liu Xiaodong等[16]研究认为中国北部沙尘暴频次与地面风速存在很强的正相关性结果一致。本研究结果还表明，春季期间的沙尘暴和扬沙频次年际变化与土壤湿度密切负相关，原因是研究区地处荒漠区，蒸发量大，加上返青季节缺水，土壤湿度很小，为沙尘暴和扬沙的发生提供了沙源。通常土壤温度变化与气温变化普遍表现为正相关关系，浅层土壤温度的变化在一定程度上促成了各种热力过程，为浮尘的发生创造了条件。沙尘暴频次年际变化与冬季期间的土壤温度相关，与土壤湿度和降水量密切相关，说明土壤温度的变化造成了土壤的热胀冷缩，增加了起尘量，研究结论与赵红岩等[17]的研究认为北方沙尘暴的多发与土壤温度偏低密切相关结论一致；降水量的减少，对沙尘暴频次的增加有明显促进作用，但与年均降水量影响无关，说明冬季的降水量对沙尘暴频次的影响作用明显。扬沙频次年际变化与冬季的土壤温度和大气温度相关，表明土壤温度变化提供了沙源，而大气温度与扬沙的作用有正反两方面[18]，监测区扬沙频次的多发年，当年大气温度更低，表明大气温度为扬沙提供了有利条件。沙尘天气中的浮尘频次年变化与当地气象要素无关，即浮尘与局域气候要素无关，但是有时在同一沙尘天气事件中，既有沙尘暴、扬沙和浮尘同时发生，说明沙尘天气发生的空间范围大，如整个河西走廊地区。研究还发现，年际尺度上的沙尘天气与年降水量和年总辐射的变化联系不紧密。

4 结 论

(1) 黑河流域中游沙尘暴、扬沙和浮尘频次和时长存在明显的季节变化规律，沙尘暴、扬沙和浮尘频次最多的是春季，其次是冬季。春冬两季的沙尘暴、扬沙和浮尘分别占了全年总次数的88.9%，82.3%和87.5%。沙尘时长与频次的变化规律相同，时长最长的是春季，其次是冬季，春冬两季沙尘天气占全年沙尘天气的79.4%。

(2) 2010—2019年黑河流域中游沙尘暴和扬沙频次均逐年减少，总体上均呈减少的趋势，而浮尘频次逐年增加，总体上呈增加的趋势。沙尘天气时长因浮尘频次的增加，总体上呈增加的趋势。

(3) 黑河流域中游沙尘暴、扬沙和浮尘频次月变化的主要影响气象要素是浅层土壤湿度、大气湿度和风速。影响春季沙尘暴和扬沙频次年际变化的气象要素是浅层土壤湿度，影响浮尘年际频次变化的气象要素是浅层土壤温度；冬季沙尘暴频次年际变化与浅层土壤温湿度及降水量密切相关，而扬沙的主要影响因素是土壤温度和大气湿度，浮尘频次年际变化与当地的气象要素均无关。