近60年河西走廊地区沙尘暴发生演变特征及其气象影响因子

罗晓玲, 李岩瑛，, 严志明, 杨 梅, 聂 鑫

(1.甘肃省武威市气象局, 甘肃 武威 733000; 2.中国气象局兰州干旱气象研究所, 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室 中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室, 兰州 730020; 3.甘肃省武威市党政专用通信局, 甘肃 武威 733000)

沙尘暴是特殊下垫面和地理环境条件下，因不同大尺度环流背景与中小尺度天气系统叠加而造成的一种小概率、大危害的灾害性天气[1-3]。甘肃省气象灾害种类多、发生频率高、危害重，因气象灾害造成的损失占自然灾害损失的88.5%，高出全国平均状况18.5%，占GDP的3%～5%[4]。甘肃河西走廊因其特殊的地理位置成为甘肃乃至全国沙尘暴的高发区之一[5-7]。因沙尘暴造成的损失位列全部气象灾害损失第3，仅武威市年均经济损失超过3 783万元，年均农业受灾面积超过13 195 hm2，已严重影响地方经济的发展[8]。

有研究者[9-13]分析了中国沙尘暴的分布及频次变化特征认为，我国50%以上的沙尘暴发生在春季，沙尘暴频次变化呈波动下降趋势，随着时间序列变长，沙尘暴是否有新的变化特征，作者用最新气象资料做了深入研究，以期有新的变化。近年来，沙尘暴的形成机理引起了广大学者的关注，研究表明[14-27]，沙尘暴频次与大风频次、风速、冬春季蒸发量为显著正相关，与气温、日照时数为负相关，降水对沙尘暴的发生有抑制作用，地形、地貌为沙尘暴的发生、发展提供沙源和起沙条件。Li等[28-29]得出塔里木盆地和蒙古中西部地区的沙尘暴频率与500 hPa位势高度为显著负相关，前冬北大西洋涛动指数与春、夏季沙尘暴日数有较好的相关性，刘生元等[30]研究表明，春季东亚副热带西风急流强度与中国春季沙尘暴日数呈显著负相关，Yang等[31]则认为，在沙尘暴高频年中，东亚高纬地区上部和中部对流层的经向气流明显强于低纬地区，冯鑫媛等[32]利用1954—2005年沙尘暴资料研究出沙尘暴持续时间分布规律为，短时型、中间型和持续型，但对持续时间变化特征未做研究。有关沙尘暴持续时间及强度变化特征的文献极少，虽然赵明瑞等[33]分析了甘肃民勤2001—2010年沙尘暴强度，但范围小，时间短，代表性不强，因此，本研究利用近60 a河西走廊区域性沙尘暴资料，从沙尘暴频次空间和时间变化以及沙尘暴持续时间和强度变化4个方面进行系统性分析研究，并首次研究大气环流特征量指数与河西走廊沙尘暴的关系，以期寻找更多影响因素，为准确预报沙尘暴，防灾减灾，减轻损失，为地方服务提供决策依据意义重大。

1 研究区概况

河西走廊位于甘肃省西北部，在祁连山以北，合黎山以南，乌鞘岭以西，甘肃新疆边界以东，为西北—东南走向的狭长平地。地域上包括甘肃省的河西五市：武威、张掖、金昌、酒泉和嘉峪关。西部敦煌市与库木塔格沙漠相连，北部金塔县与巴丹吉林沙漠接壤，东北部民勤县被腾格里沙漠所围。地势南高北低，其海拔高度1 139～3 100 m，年降水量40～410 mm，年蒸发量1 500～3 311 mm。气候干旱少雨，大风沙尘暴频发。

2 资料与分析方法

2.1 资料来源及说明

所用气象要素数据来源于河西走廊酒泉市、张掖市、武威市13个沙尘暴发生频次较高气象站的逐日观测记录。为了对比研究，按照地理位置划分为西部(马鬃山、肃州、敦煌、玉门镇、鼎新、金塔、瓜州)、中部(甘州、高台、山丹)、东部(民勤、永昌、凉州)3个区域。

根据中华人民共和国国家质检总局和国家标准委2006年11月1日批准发布的《沙尘暴天气等级》，根据地面水平能见度依次分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5个等级。分级标准为，沙尘暴：能见度<1.0 km，强沙尘暴:能见度<0.5 km，特强沙尘暴：能见度<0.05 km.由于能见度的观测在1979年及以前为0～9级，1980—2003年的单位不一致，而且在地面观测月报表中有些年份没有最小能见度观测记录，故本文用2004—2019年的最小能见度资料统计分析沙尘暴的强度。

大气环流特征量指数由中国气象局国家气候中心气候监测室提供。冷空气次数，取酒泉、兰州等8个北方站和南京、汉口等7个南方站逐日平均气温。判定标准：三天内(个别情况二天或四天)连续降温≥5℃(允许某一天变温在0～1℃)为一次冷空气过程，其数目为冷空气次数；NINO 3.4区海表温度距平指数为5°S—5°N、170°—120°W区域内海表温度距平的区域平均值；大西洋多年代际振荡指数为0°—70°N，80°—0°W区域内海表温度距平的区域平均值；类El Nino指数定义为：[SSTA]C-0.5[SSTA]E-0.5[SSTA]W。其中[SSTA]C,[SSTA]E和[SSTA]W分别表示热带太平洋中部(10°S—10°N，165°E—140°W)、东部(15°S—5°N，110°—70°W)和西部(10°S—20°N，125°—145°E)区域海表温度距平的区域平均值；西太平洋副高面积指数是500 hPa高度场，10°—60°N，110°—180°E区域内≥5 880位势米(gpm)区域的球面面积；西太平洋副高强度指数是500 hPa高度场，10°—60°N，110°—180°E范围≥5 880位势米(gpm)的区域内，格点位势高度与5 870位势米(gpm)之差乘以格点面积的累积值；东亚槽位置指数为500 hPa高度场，30°—55°N，110°—170°E区域内，槽线的平均经向位置；西藏高原-1指数为500 hPa高度场，25°—35°N，80°—100°E区域内，格点位势高度与5 000位势米(gpm)之差乘以格点面积的累积值。西藏高原-2指数为500 hPa高度场，30°—40°N，75°—105°E区域内，格点位势高度与5 000位势米(gpm)之差乘以格点面积的累积值；欧亚纬向环流指数是500 hPa高度场，45°—65°N，0°—150°E区域内，以30个经度为间隔划分为5个区，分别按照公式(1)计算纬向指数IZi，然后计算5个区的平均纬向指数。

(1)

式中：φ1，φ2表示计算IZ的纬度范围；Z1i，Z2i分别是在φ1，φ2两个纬圈上的高度值；l为分别在φ1，φ2纬圈上均匀取点的高度值的数量。

2.2 统计与分析方法

用河西走廊13个观测站1960—2019年的逐日沙尘暴资料，利用线性倾向率方法分析沙尘暴频次的时间及空间变化趋势，通过滑动t检验方法检验是否存在显著突变；应用概率统计和线性倾向率方法研判该区沙尘暴持续时间和强度(最小能见度)特征及演变规律。

使用国家气候中心提供的130项1960—2019年逐日大气环流特征量指数，从大尺度天气系统、海温、冷空气的角度出发，利用相关系数(Pearson)法，分析气候系统指数与沙尘暴频次、沙尘暴过程持续时间的关系。

通过Excel 2007，SPSS 22.0，vb6.0等软件，对资料进行统计、处理和分析。

3 结果与分析

3.1 沙尘暴的空间分布及演变特征

河西走廊是中国沙尘暴的高发区之一，沙尘暴发生频次最多的是东北部的民勤(21.7 d/a)，其次是金塔(15.7 d/a)、鼎新(13.3 d/a)、甘州(10.5 d/a)、敦煌(9.3 d/a)，最少的是马鬃山(1.2 d/a)。从地理位置看，临近沙漠地区，沙尘暴频次较多，反之亦然。民勤三面被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠所围，金塔、鼎新、甘州北面与巴丹吉林沙漠接壤，敦煌西接库姆塔格沙漠。随着时间变化各地沙尘暴均呈减少趋势，年际倾向率为民勤-7.2 d/10 a>金塔-5.7 d/10 a>鼎新-4.8 d/10 a>甘州-4.4 d/10 a>高台-3.2 d/10 a>敦煌-3.1 d/10 a>肃州-2.6 d/10 a>凉州-2.4 d/10 a>瓜州-2.0 d/10 a>玉门镇-1.9 d/10 a>山丹-1.7 d/10 a>永昌-1.1 d/10 a>马鬃山-0.2 d/10 a(马鬃山p<0.05，其他站p<0.001)。由此可见，沙尘暴发生频次与减少速度呈显著正相关，民勤是沙尘暴发生频次最多的地方，也是减少速度最快的地方，这与近年来全球气候变暖、中纬度西风带强度减弱、大风日数减少，区域生态的重建和恢复息息相关。

3.2 沙尘暴频次的时间演变特征

3.2.1 沙尘暴频次的年际及年代际演变特征 沙尘暴频次年变化曲线(图1)显示，沙尘暴呈显著减少趋势，年际倾向率为东部-3.5 d/10 a(p<0.001)>中部-3.1 d/10 a(p<0.001)>西部-2.9 d/10 a(p<0.001)。东、中、西部减少速度最快的分别为民勤、甘州、金塔；年代际变化(表1)表明，20世纪70年代是沙尘暴高发期，80年代开始到90年代迅速减少，2000年以后减少速度减小，近9 a减少最显著。

表1 河西走廊各县(区)沙尘暴距平年代际变化 天

图1 河西走廊沙尘暴年变化趋势

滑动t检验监测显示，河西走廊沙尘暴发生了突变减少，显著突变点(p<0.05)，西部在1979年，中部在1966年、1972年、1973年，东部则在1966年。

3.2.2 沙尘暴频次的月际及季节演变特征 河西走廊沙尘暴一年四季均有发生，其中9月、10月最少，月均0.2 d，占全年沙尘暴频次的2.3%，4月最多为1.6 d，占全年沙尘暴频次的18.6%；春季最多为4.2 d，占全年沙尘暴频次的48.9%，其次是夏季2.1 d、冬季1.6 d，秋季最少为0.7 d，仅占全年沙尘暴频次的8.1%。

四季沙尘暴也为显著减少趋势(图2)，减少速度是春季>夏季>冬季>秋季。春季沙尘暴频次年际倾向率为中部-1.6 d/10 a>东部-1.4 d/10 a>西部-1.2 d/10 a；夏季年际倾向率为东部-0.99 d/10 a>中部-0.84 d/10 a>西部-0.66 d/10 a；秋季年际倾向率为西部-0.29 d/10 a>东部-0.28 d/10 a>中部-0.20 d/10 a；冬季年际倾向率为东部-0.89 d/10 a>西部-0.70 d/10 a>中部-0.48 d/10 a。

图2 河西走廊沙尘暴四季变化趋势

四季均为20世纪70年代是最多期，之后持续减少，近9 a减少最显著，春、夏、秋、冬较70年代分别减少了7.3 d，4.0 d，1.1 d，3.9 d。(四季变化趋势均p<0.001)。

3.3 沙尘暴持续时间特征及演变规律

河西走廊沙尘暴过程平均持续时间(图3A)为119 min，持续60～300 min的频次最多，其次是<60 min的，>300 min的频次最少。其中，西部和东部是持续60～300 min的频次最多，>300 min的频次最少；中部是<60 min的频次最多，>300 min的频次最少。

四季平均持续时间(图3B)分别为，春季106.7 min、夏季41.9 min、秋季35.1 min、冬季64.2 min。冬季、春季和秋季均是持续60～300 min的频次最多，>300 min的频次最少；夏季是<60 min的频次最多，>300 min的频次最少。

图3 河西走廊沙尘暴持续时间年、四季特征

以沙尘暴发生频次最高的民勤为例研究发现，<60 min的沙尘暴主要出现在下午到夜间，持续60～300 min和>300 min的沙尘暴则多出现在中午前后到下午。

近60年沙尘暴平均持续时间呈显著缩短趋势(图4)，年际倾向率为-7.42 min/10 a(p<0.001)。年代际变化显示，20世纪60—70年代是沙尘暴持续时间最长时期，平均持续时间为132 min，80年代持续时间有所缩短，平均持续时间为116.9 min，90年代迅速反弹延长，平均持续时间为124.2 min，1996年出现了1965年以来河西走廊西部最强沙尘暴，也是近60年持续时间最长的沙尘暴，2000年以后持续时间迅速缩短，平均持续时间为103.3 min，特别近9 a时间缩短最明显，持续时间是平均持续时间的2/3。

图4 河西走廊沙尘暴持续时间变化趋势

沙尘暴四季持续时间也呈显著缩短趋势，缩短速度是冬季>春季>秋季>夏季。春、夏、秋、冬四季持续时间年际倾向率分别为-16.8 min/10 a，-11.2 min/10 a，-13.6 min/10 a，-21.7 min/10 a。(四季均p<0.001)。冬季和春季持续时间最长为20世纪70年代，之后持续缩短，近9 a是持续时间最短期，较70年代分别缩短了108.2 min和100.0 min ；夏季和秋季持续时间最长为20世纪60年代，之后持续缩短，近9 a是持续时间最短期，较60年代分别缩短了62.7 min和63.1 min。

3.4 沙尘暴的强度特征及演变规律

根据每次沙尘暴天气过程中最小能见度来表征沙尘暴的强度，沙尘暴个例资料显示，河西走廊沙尘暴过程平均最小能见度为0.569 km(沙尘暴)，0.5～1.0 km(沙尘暴)的频次最多，占总频次的70%，其次是0.05～0.5 km(强沙尘暴)的，<0.05 km(特强沙尘暴)的频次最少，仅占总频次的3.2%(图5A)。即河西走廊沙尘暴以普通类型为主。

沙尘暴四季强度(图5B)和年特征一样，各季均是0.5～1.0 km(沙尘暴)的频次最多，其次为0.05～0.5 km(强沙尘暴)的，<0.05 km(特强沙尘暴)的频次最少。

图5 河西走廊沙尘暴最小能见度年、四季特征

近16 a沙尘暴年均最小能见度序列变化显示，河西走廊沙尘暴强度无明显变化，最小能见度维持在0.57 km左右。

3.5 沙尘暴变化影响因素分析

3.5.1 频次变化影响因素分析 影响沙尘暴发生的因素很多，诸多学者已有研究，这里不再一一赘述，本文拟从大尺度天气系统、海温、冷空气的角度出发分析大气环流特征量指数变化对该地区沙尘暴的影响(表2)。

表2 河西走廊沙尘暴频次与各影响因子相关系数

分析发现，与河西走廊年沙尘暴频次相关性最好的是大西洋多年代际振荡指数，其次是西藏高原-1指数、西藏高原-2指数、副高西伸脊点指数、西太平洋副高面积指数、西太平洋副高强度指数、东亚槽强度指数、东亚槽位置指数、NINO 3.4区海表温度距平指数、类ENSO指数(以上均p<0.05)。其中，与大西洋多年代际振荡指数、NINO 3.4区海表温度距平指数成显著负相关，类ENSO指数成显著正相关，说明沙尘暴频次与ENSO事件关系密切，PDO负位相(拉尼娜)有利于沙尘暴发生；与西藏高原-1指数和西藏高原-2指数均呈显著负相关，且相关系数较大，表明高原槽的位置和强度对沙尘暴频次影响较明显；与副高西伸脊点指数呈显著正相关，西太平洋副高面积指数、西太平洋副高强度指数呈显著负相关，说明西太平洋副热带高压588线位置越偏西，面积越小，强度越弱，河西走廊沙尘暴频次越多；与东亚槽位置指数呈正相关，东亚槽强度指数呈显著负相关，说明东亚槽的位置和强度直接影响着沙尘暴频次；与冷空气次数呈弱正相关，冷空气次数多，就意味着天气过程多，伴随地面冷锋过境，在锋面前后强气压梯度作用下形成大风，继而引发沙尘暴；与欧亚纬向环流指数呈弱负相关，表明500 hPa环流经向度加大，偏北气流引导冷空气南下，形成大风，导致沙尘暴频次加大。

3.5.2 持续时间变化影响因素分析 分析沙尘暴持续时间与大气环流特征量的关系发现(表3)，与河西走廊沙尘暴持续时间相关性最好的是西太平洋副高面积指数，其次是西太平洋副高强度指数、西藏高原-2指数、西藏高原-1指数、副高西伸脊点指数、大西洋多年代际振荡指数、东亚槽强度指数(以上均p<0.05)。与副高西伸脊点指数呈显著正相关，与西太平洋副高面积指数、西太平洋副高强度指数呈显著负相关，表明西太平洋副热带高压588线位置越偏西，面积越小，强度越弱，河西走廊沙尘暴持续时间越长；与西藏高原-1指数、西藏高原-2指数均呈显著负相关，即高原槽的位置和强度对沙尘暴持续时间有一定影响；与大西洋多年代际振荡指数呈显著负相关，说明沙尘暴持续时间与ENSO事件有一定关系；与东亚槽强度指数呈负相关，表明东亚槽的强度直接影响着沙尘暴的持续时间。

表3 河西走廊沙尘暴持续时间与各影响因子相关系数

综合以上，年沙尘暴频次与环流指数的关系比持续时间与环流指数的关系更为显著，河西走廊沙尘暴的发生发展，下垫面条件是主要影响因素，大尺度天气系统演变是触发机制，气候要素变化是直接影响因子。

4 讨 论

河西走廊沙尘暴年、季频次呈显著减少趋势，与高振荣等[18]研究结论完全一致，年际倾向率有所差别是所用资料时间长短不同所致；沙尘暴过程，持续60～300 min的频次最多，>300 min的频次最少，与李玲萍等[17]分析的河西走廊东部沙尘暴持续时间结果基本一致；河西走廊沙尘暴强度无明显变化，最小能见度维持在0.57 km左右，这一结论与赵明瑞等[33]用2001—2010年民勤沙尘暴资料得出的“最小能见度有减小趋势”有所不同，主要原因是研究范围和资料长度不同所致；大气环流经向度加大，沙尘暴发生频次加大、持续时间延长，这一个结论与江灏等[5]的研究相一致；沙尘暴频次与NINO 3.4区海表温度距平指数、大西洋多年代际振荡指数成显著负相关，与类ENSO指数成显著正相关，与南方涛动指数关系不显著，这一结论与李威[34]用1957—2002年资料分析结果 “北方春季沙尘暴与NINO3区海表温度的相关不如与SOI的好”不完全相同，究其原因，与资料年代长短、研究区范围大小、地理位置不同所致，有待进一步研究。

5 结 论

(1) 河西走廊沙尘暴分布特点为，临近沙漠地区发生频次多，远离沙漠地区发生频次少。随着时间变化各地沙尘暴均呈减少趋势，且发生频次与减少速度呈显著正相关。

(2) 河西走廊沙尘暴频次呈显著减少趋势，年际倾向率为东部-3.5 d/10 a>中部-3.1 d/10 a>西部-2.9 d/10 a。20世纪70年代是沙尘暴高发期，之后持续减少，近9 a减少最显著。四季也呈显著减少趋势，减少速度是春季>夏季>冬季>秋季。沙尘暴发生了突变减少。

(3) 河西走廊沙尘暴过程平均持续时间为119 min，持续60～300 min的频次最多，>300 min的频次最少。沙尘暴平均持续时间呈显著缩短趋势，年际倾向率为-7.42 min/10 a，近9 a持续时间缩短最明显；四季持续时间也呈显著缩短趋势，缩短速度是冬季>春季>秋季>夏季。

(4) 河西走廊沙尘暴过程平均最小能见度为0.569 km，0.5～1.0 km(沙尘暴)的频次最多，占总频次的70%，<0.05 km(特强沙尘暴)的频次最少，仅占总频次的3.2%。近16 a沙尘暴年均最小能见度无明显变化，始终在平均值上下波动。

(5) 河西走廊年沙尘暴频次与副高西伸脊点指数、东亚槽位置指数、类ENSO指数呈显著正相关，与西太平洋副高面积指数、西太平洋副高强度指数、东亚槽强度指数、西藏高原-1指数、西藏高原-2指数、NINO 3.4区海表温度距平指数、大西洋多年代际振荡指数呈显著负相关。

(6) 河西走廊沙尘暴过程持续时间与副高西伸脊点呈显著正相关，与西太平洋副高面积指数、西太平洋副高强度指数、西藏高原-1指数、西藏高原-2指数、东亚槽强度指数、大西洋多年代际振荡指数呈显著负相关。