基于逐时数据的南疆沙尘天气精细化特征研究

吐莉尼沙 安大维 张超 于碧馨 陈春艳

(新疆维吾尔自治区气象台，新疆 乌鲁木齐 830002)

引言

新疆地处中亚干旱和半干旱地区，属于中亚沙尘区的一部分，天山以南的塔里木盆地降水稀少，气候干燥，荒漠和沙漠面积辽阔，沙尘天气是该区域的主要灾害性天气之一，沙尘天气发生时， PM10指数爆表，造成空气质量急剧恶化[1]，对大气环境造成恶劣影响。塔里木盆地同时也是我国沙尘暴天气的主要源地。近年来，诸多学者对南疆塔里木盆地沙尘天气开展了大量研究，对新疆沙尘天气的时空分布[2-3]、趋势变化[4-6]、周期[2-7]和突变[5]及影响因子[8-11]进行了分析研究。李红军等[12]对新疆沙尘暴的趋势研究指出，南疆和北疆近45 a沙尘暴次数呈下降趋势。霍文等[13]分析了新疆三十里风区、百里风区及其周边地区沙尘暴气候变化特征。王森等[14]研究1961—2017年南疆地区沙尘天气的时空变化特征及影响因素时，指出南疆地区沙尘天气呈极显著波动下降趋势，风速与沙尘天气日数呈正相关。周向玲等[15]研究了2001—2010年南疆西部沙尘暴发生的时间特征和风速特征，指出沙尘暴发生在傍晚20:00时段频数最多，发生沙尘暴时风速大小变化幅度大，有明显的阵风特点。陈洪武等[16-17]研究了1961—1999年大风对沙尘暴发生的贡献影响指出，主要风向北疆及东疆、南疆的吐鄯托盆地和焉耆盆地出现沙尘暴临界风速为 10 m·s-1，塔里木盆地为6—8 m·s-1，而盆地南缘只有6 m·s-1。以上针对南疆塔里木盆地沙尘时空分布特征及影响因子的研究仅研究到2005年左右，且由于之前缺乏逐小时观测数据，因此对沙尘天气频发时段、持续时间以及沙尘暴起沙风速等因子缺乏更精细化的研究。2006年开始，中国气象局开始大量布设自动观测站，为南疆沙尘天气的精细化研究提供了坚实基础。本文采用2006—2019年自动观测资料，对2006年以来南疆塔里木盆地沙尘天气的时空分布特征、起沙时间以及起沙临界风速等进行深入分析，探讨其与气象要素之间关系，并凝练沙尘预报的气象因子，以期为新疆沙尘暴天气预报预警和防灾减灾气象服务提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

将南疆区域定义为天山以南的7个地州(市)(图1)，即哈密市、吐鲁番市、巴音郭楞蒙古自治州(简称巴州)、阿克苏地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州(简称克州)、喀什地区，和田地区。气象资料由新疆气象信息中心提供，选用2006—2019年南疆地区55个气象站的风向、风速、小时观测数据，该数据集完整性好，详细记录了各站天气现象和持续时间。

图1 研究区域气象站分布和地形Fig.1 Spatial distribution of weather station and topography of study area

1.2 研究方法

按照观测记录中沙尘天气出现时能见度大小[18]，将沙尘天气分为浮尘(无风或风力≤3级，沙粒或尘土使水平能见度小于10 km)、扬沙(风将地面沙粒和尘土吹起，使水平能见度在1—10 km以内)和沙尘暴来进行统计。

对于单站的沙尘天气日数统计，依据《地面气象观测规范》[18]，以20:00(北京时)为日界，出现跨日界的沙尘暴时，统计为2个沙尘暴日，若一日中记录1次或以上记录时，只统计1个沙尘暴日，扬沙、浮尘天气统计方法类同；若某站同一日中同时出现沙尘暴、扬沙、浮尘的2种或以上记录时，则统计记录中最强的沙尘天气。为直观了解一年中不同等级沙尘天气出现频次，南疆区域沙尘天气日数统计方法如下：当某日南疆地区有3个及以上观测站出现沙尘暴均记为一个沙尘暴日，有5个及以上观测站出现扬沙或浮尘，则分别记为出现1个扬沙日、1个浮尘日。

季节划分以3—5月、6—8月、9—11月、12月至次年2月分别为春、夏、秋、冬季。统计沙尘天气的日峰值时，以地面观测记录为依据，按24个时次统计，得出日峰值，如沙尘暴记录时间为19:10—19:30，则计在20:00的时次上，累计发生沙尘暴最多的时次即为该站沙尘天气的日峰值。统计沙尘天气持续时间时，以分钟为单位计算。

2 结果分析

2.1 沙尘天气空间分布

图2给出南疆地区2006—2019年沙尘天气年平均日数分布。整体分布呈向南开口的扇形状，发生频次最高区域主要位于塔里木盆地中南部地区，整体呈现盆地中部多，东、西部少的分布特点，沙尘暴、扬沙、浮尘年均发生最高频次分别为20.0 d·a-1、50.0 d·a-1、130.0 d·a-1，呈现出浮尘>扬沙>沙尘暴的分布规律，三者具有相似的空间分布特征，但扬沙、浮尘天气范围明显大于沙尘暴范围。无论是沙尘暴、还是扬沙和浮尘，塔里木盆地南部地区均明显高于北部地区沙尘暴中心位于和田的民丰，年平均日数高达23.1 d，其次是巴州的塔中，年平均沙尘暴日数可达17.3 d。

图2 2006—2019年南疆地区沙尘暴(a)、扬沙(b)、浮尘(c)天气年平均日数空间分布Fig.2 Spatial distribution of annual average days in sandstorm (a),blowing sand (b) and floating dust (c) over southern Xinjiang from 2006 to 2019

天山南麓的拜城、轮台、库尔勒年平均沙尘暴日数少于2 d·a-1，原因一是地处沙漠北部边缘，远离沙漠腹地，其次是南疆盆地盛行偏东或偏西风，所以盆地北部地区受沙尘影响较少。西部的塔什库尔干、乌恰属于高山站，年平均沙尘暴日数仅为0.1 d，盆地东部的哈密、鄯善年平均沙尘暴不足1 d，但淖毛湖却达到4.3 d，可能和下垫面以及风速差异有关。盆地南部出现沙尘暴的频次明显高于北部及西部，其中，民丰至若羌县一线地区沙尘暴出现频率最高，年平均沙尘暴日数多达23.1—11.6 d。

扬沙天气空间分布与沙尘暴天气类似(图2b)，塔里木盆地南部地区扬沙天气多于北部，塔里木盆地东部的吐鲁番市、哈密市，克州等地扬沙天气较少，南疆大部地区扬沙年平均日数均超过10 d，盆地南缘和田地区的民丰县至巴州且末县一线区域扬沙发生频率最高，年平均日数高于50 d。其中，塔里木盆地腹地的塔中站扬沙日数最多，年平均日数高达87.21 d，和田地区所有站点的扬沙年平均日数均超过了20 d，尤其西部的皮山站年平均日数为40.6 d，明显高于和田至策勒一线的站点。

浮尘天气年平均日数明显高于沙尘暴和扬沙，其空间分布特征与沙尘暴分布大致相同(图2c)，浮尘中心区在和田地区民丰站，年平均日数为162.8 d，塔中站为141.4 d。和田的所有站浮尘出现年平均日数均超过了90 d，其精细化分布特征与扬沙不同，和田至策勒一线站点的浮尘日数高于和田偏西地区的浮尘日数,且浮尘日数约扬沙的1.5—2.0倍，沙尘暴的7—10倍。

2.2 沙尘天气时间分布

2.2.1 沙尘天气年际分布

图3为2006—2019年南疆地区不同等级沙尘日数及频次， 2006—2019年，沙尘暴、扬沙、浮尘日数总体呈上升趋势，但2006—2012年，浮尘发生日数总体呈现逐年递减趋势，而沙尘暴、扬沙则是 2009—2013年先略有增加后呈下降趋势。2013年后，沙尘暴、扬沙、浮尘日数再度呈现增多趋势，沙尘暴、扬沙日数呈缓慢上升趋势，浮尘日数年变率最大。年纪变化分析显示，沙尘暴年日数最大值出现在2019年，为31 d，最小值出现在2012年，为10 d。扬沙年日数最大值出现在2019年，为83 d，最小值出现在2013年，为41 d，浮尘日数年最大值出现在2016年，为182 d，最小值出现在2012年，为67 d(图3a)。单站年平均沙尘暴日数一般不超过5次，扬沙一般不超过15次，浮尘次数最多，最多时一年接近50次(图3b)。

图3 2006—2019年南疆地区沙尘日数(a)和频次(b)变化Fig.3 Variation of dust days (a) and frequency (b) over southern Xinjiang from 2006 to 2019

2.2.2 沙尘天气月分布

沙尘天气月际分布表明(图4)，南疆全年均有沙尘天气发生，其中，3—9月是全年沙尘出现最多的季节，沙尘暴出现频次最高在5月，高达6.1 d·m-1，其次是4月，最低出现在1月，不足1 d。扬沙出现频次最高亦在5月，为13.9 d，其次是6月和4月，分别为13.1 d、10.5 d，最低出现在1月，亦不足1 d。浮尘频次最高发生在4—5月，两者出现日数相当，分别为18.5 d、18.14 d，最低出现在12月和1月，分别为2.9 d、2.7 d。可见，春季(4—5月)是南疆地区沙尘天气的高发季节，以浮尘、扬沙天气为主，冬季出现沙尘天气的频次低，这或与冬季气温较低，土壤冻结以及南疆地区冬季冷空气活动弱等因素有关[14]。

图4 2006—2019年南疆地区沙尘天气月分布Fig.4 Monthly variation of dust weather over southern Xinjiang from 2006 to 2019

2.2.3 沙尘天气日变化

为进一步了解南疆地区沙尘天气日变化特征，针对每日南疆地区沙尘天气出现的时间进行了统计分析。由图5可见，盆地大部地区沙尘天气主要集中在傍晚18—21时，38.5%的沙尘暴、69.1%的扬沙站数均出现于该时间，远高于其他时段，但吐鲁番盆地、阿克苏地区北部和和田地区部分地区沙尘暴高发时段在凌晨至上午，其中，吐鲁番盆地、南疆西部喀什的沙尘暴发生时间以凌晨为主，扬沙则几乎全部发生在午后至傍晚时段，阿克苏沙尘暴以上午为主，扬沙则在午后比较多，这与南疆盆地午后热低压造成的热力不稳定有较大关系，也有研究认为是由午后中尺度对流单体后部的下曳气流(或阵锋风)所导致(新疆与内地有2 h时差)。吐鲁番沙尘一般出现在大风过天山后，扬沙高频时段除莎车站出现在夜间，其余均在白天。

不同颜色不同指向的箭头表征了沙尘天气的不同发生时段(北京时)图5 2006—2019年南疆地区各站沙尘暴(a)、扬沙(b)高发时次Fig.5 High occurrence time of sandstorm (a) and blowing sand (b) in southern Xinjiang from 2006 to 2019

2.3 沙尘天气持续时间

统计表明，南疆地区各站浮尘平均持续时间远大于扬沙和沙尘暴持续时间，72.7%的站点出现过持续2 d及以上的浮尘天气，52.7%的站点出现过持续5 d以上的浮尘天气，其中，阿克苏地区的柯坪浮尘天气持续时间最长，可达15 d(图略)。沙尘暴和扬沙天气的平均持续时间相近(图6)，82.3%站点的沙尘暴及78.1%站点的扬沙维持时间均小于3 h。

沙尘暴持续时间最短的地区主要分布在塔里木盆地北部、吐鲁番盆地、焉耆盆地和高山站，平均持续时间<0.5 h，占统计站点的19%，持续时间长的区域有和田东部民丰县至巴州南部若羌县，哈密地区的十三间房站、哈密、喀什地区的泽普县、巴楚县，平均持续时间均超过2 h，约占总数23%，超过3 h的仅占6%，因此南疆大部地区沙尘暴持续时间不超过3 h。扬沙平均持续时间的空间分布特征(图6b)与沙尘暴分布相似，由塔里木盆地北部向南部增加，平均持续时间超过2 h的区域在巴州南部、哈密地区的十三间房、喀什地区的泽普县、巴楚县、阿克苏地区的新和县、阿拉尔市。

图6 2006—2019年南疆地区沙尘暴(a)和扬沙(b)平均持续时间Fig.6 Average duration of sandstorm (a) and blowing sand (b) in southern Xinjiang from 2006 to 2019

分析2006—2019年南疆各站沙尘暴最长持续时间(图略)表明，巴音布鲁克、和静、吐鲁番、鄯善、阿图什、乌恰、阿克陶、拜城沙尘暴持续最长时间不足1 h，主要分布在盆地北部和西部地区，且上述站点沙尘暴发生频率每年不足0.5次，可见这些区域沙尘暴不易发生，即使出现沙尘暴，其持续时间也相对较短，而和田地区的民丰，巴州南部的塔中、若羌、且末和铁干里克，阿克苏地区南部的柯坪、阿拉尔，喀什地区的巴楚、哈密地区的十三间房等10个站均出现过持续时间超过10 h的沙尘暴天气，其中持续时间最长的记录出现在若羌，长达12 h。南疆大部地区扬沙最长持续时间比沙尘暴要长，大部分地区扬沙均超过2 h，其中28站超过10 h，塔中和若羌站的扬沙最长持续时间超过20 h。原因主要有3个一是上述区域处于塔克拉玛干东南部沙漠腹地，具有丰富的沙源条件；二是从南疆西部的风口翻山进入盆地的偏西大风和从东疆的“百里风区”回流东灌进入盆地的偏东风，均可到达塔里木盆地东南部，可以为沙尘天气提供较好的动力条件；三是塔里木盆地处于天山和昆仑山、阿尔金山之间，沙尘天气发生后，被高山阻挡，造成沙尘在空中长久悬浮，不易向外扩散，因此导致长时间的沙尘天气。

2.4 沙尘暴风速阈值研究

风速是沙尘天气的动力基础，与沙尘天气呈明显正相关关系，贡献率超过50%[13]。当沙尘源相似时,风速对沙尘天气的发生影响占主导地位[11]。因此，利用2006年以来自动站观测的小时数据2 min风速和2016年以来的极大风速，分析南疆地区沙尘暴天气时的起沙风速阈值。某站记录沙尘暴的发生时间为15:20—16:40，则分别比较与该站沙尘暴开始时间15:20相邻的整点时次(15时、16时)的2 min风速和极大风速，选用较大者为该站当日沙尘暴天气的起沙风速，将该站所有沙尘暴日的起沙风速统计平均，得出该站的沙尘暴启动时的2 min平均风速和平均极大风速。

2.4.1 沙尘暴2 min平均风速

南疆地区各测站起沙风速差异较大，例如风口区域的沙尘暴起沙2 min平均风速>10 m·s-1，十三间房为25.3 m·s-1、巴音布鲁克为13.1 m·s-1、托克逊为10.1 m·s-1、淖毛湖为12.4 m·s-1，南疆其余大部地区沙尘暴临界2 min平均风速值介于3—4级，占61.1%，其中2 min风速较大的地区主要在南疆北部的吐鲁番盆地、哈密地区、库车至库尔勒市一线。盆地南部和田地区东部至巴州南部的2 min平均风速在2.5(于田)—4.5 m·s-1(若羌)之间。

2.4.2 沙尘暴平均极大风速

南疆地区发生沙尘暴时的极大风速总体呈现由盆地西部、北部、东部向盆地的中部和南部减小的特征(图7)。超过8级(17.1 m·s-1)达到大风标准的测站有巴音布鲁克、托克逊、巴里坤、淖毛湖和伊吾，这5个站中2站为风口站，3站为高山站。南疆地区其他测站发生沙尘暴时的平均极大风速均小于13.8 m·s-1(6级)，在4.6 m·s-1(和田)—13.3 m·s-1。和田地区、阿克苏地区南部的柯坪至沙雅地区、吐鲁番盆地的库米什、鄯善，喀什地区的麦盖提、叶城的极大风速约为4—8 m·s-1之间，而盆地西部的喀什地区和北部的阿克苏地区极大平均风速在8—13 m·s-1之间。可见，南疆地区沙尘暴最小风速阈值与冷空气分别从南疆西部克州山区、阿克苏等地翻山进入盆地以及从东部哈密地区回流倒灌进入盆地的路径有明显关系。

图7 2016—2019年南疆地区沙尘暴起沙时2 min风速(a)和极大风速(b)平均分布Fig.7 Distribution of 2-min velocity (a) and maximum velocity (b) at the beginning of dust emission during dust storm events over southern Xinjiang from 2016 to 2019

2.4.3 沙尘暴最小极大风速阈值

针对易造成灾害的沙尘暴天气，本文还统计了2016—2019年南疆地区沙尘暴极大风速的最小值及其对应的风向。由图8可知，南疆大部地区出现沙尘暴时最小极大风速在1.6(于田、且末)—9.8 m·s-1(和硕)之间，只有风口、高山地区的巴音布鲁克、淖毛湖、巴里坤、伊吾等4站的极大风速最小值超过了17.1 m·s-1，达到了大风标准，其他站出现沙尘暴时极大风速的最小值均没达到大风级别。风向分布显示，沙尘暴时各站极大风速最小值对应风向偏东风(14站)频次最高，其次是偏北风(12站)、偏西风(11站)，最少是偏南风(7站)。偏东风与偏北风主要出现于塔里木盆地北部的阿克苏地区至库尔勒市一线以及巴州南部和哈密地区，这主要与来自翻越天山后东路倒灌进入盆地的冷空气有密切关系，冷空气翻天山后，由于地形(下坡风)影响，冷空气带来的风速明显增大，因此造成南疆地区出现沙尘频率最高的为偏东风。受偏西风影响出现沙尘暴的吐鲁番盆地、喀什地区、阿克苏地区北部和哈密地区，由于越过昆仑山脉进入盆地的西路冷空气通常强度较弱，因此西路冷空气导致的沙尘天气范围小，强度弱。

2.4.4 春、夏季节沙尘暴极大风最小值差异分析

春季和夏季是南疆地区沙尘暴发生最多时段，其中，夏季最多，春季次之。为进一步了解春、夏季节沙尘暴发生频率差异，选取2016—2019年南疆地区18个站春、夏两季沙尘暴起始时刻极大风速进行分析。由表1可见，18个站中只有吐鲁番的库米什和巴州北部的轮台夏季的极大风速大于春季，南疆地区其他各站均表现为春季沙尘暴起始时刻极大风速值大于夏季，南疆地区多沙漠、戈壁，夏季气温快速升高，大气不稳定性增强，发生沙尘暴的热力条件比春季好，因此较小的风速即可达到沙尘暴所需的动力起沙风速临界值。进一步分析发现，沙尘暴风速差异最大的两站为风口站托克逊和高山站巴音布鲁克，春、夏风速差值均可超过15 m·s-1，而其他站春、夏季极大风速差值仅在0.5(墨玉)—4.0 m·s-1(尉犁)，这体现出高山风口地区与其他地区巨大差异。和田、巴州地区南部的平均极大风速春季在4.4(墨玉)—12.6 m·s-1(若羌)，夏季在3.9(墨玉)—10.4 m·s-1(若羌)。和田地区民丰、于田、墨玉3站沙尘暴平均极大风速春、夏季差值较小，只有0.5—0.6 m·s-1，而洛浦、策勒2站的春、夏季极大风速差值在2.0—2.7 m·s-1。巴州地区尉犁及以南地区平均极大风速春、夏季差值在2.2(若羌)—4.0 m·s-1(尉犁)，巴州南部沙尘暴发生时春、夏平均极大风速差值明显高于盆地南部的和田地区，说明盆地南部和田地区更易起沙。

表1 2016—2019年春季、夏季南疆沙尘暴日各站平均极大风速Table 1 Average maximum wind velocity at each station in sandstorm days during spring and summer over southern Xinjiang from 2016 to 2019 m·s-1

箱线图分析法广泛用于天气预报阈值分析，本文选取南疆塔里木盆地民丰、塔中、且末三站数据的箱线图为例进行说明(图8)，春季民丰、塔中、且末等地极大风速值分别在5—10 m·s-1、9—14 m·s-1、6—15 m·s-1，而夏季三站沙尘暴起沙极大风速分别为4—8 m·s-1、7—9 m·s-1、5—10 m·s-1，春季沙尘暴极大风速略高于夏季，而最小起沙极大风速略小于夏季(图略)，春季极大风速离散度比夏季大，造成这种分布可能由于春季下垫面条件更有利于沙尘出现，所以起沙极大风速区间大，离散度高同时春季多大风，出现大风的频次以及极大值均多于夏季。

图8 南疆地区民丰(a)、塔中(b)和且末(c)沙尘暴高频站的春夏季极大风速对比箱线图Fig.8 Boxplots of maximum wind velocity during spring and summer observed at Minfeng (a),Tazhong (b),and Qiemo (c) stations (with high occurrence frequency of sandstorm events) in southern Xinjiang

3 结论

(1)沙尘中心位于塔里木盆地中部至其南缘的民丰至且末一线，表现为中部多、东部西部少的分布特点，浮尘和沙尘暴的中心在民丰，而扬沙中心在塔中站。沙尘暴、扬沙的季节差异比浮尘天气明显，秋冬季沙尘天气最少，以浮尘为主，春、夏季是南疆地区沙尘天气的高发季节，浮尘日与扬沙日数接近，约为沙尘暴的2倍，与秋冬季明显不同。

(2)南疆沙尘天气日变化特征总体呈现出白天明显多于夜间，下午多于上午的分布特点， 18—20时是南疆地区出现沙尘暴、扬沙天气高频的最高时段。南疆浮尘天气具有分布广、持续时间长的特点，而扬沙和沙尘暴的平均持续时间短，一般不超过3 h。

(3)南疆各站起沙风速差异较大，存在一定的区域性规律，极大风速分布呈东部大于西部，北部大于南部，塔里木盆地中部和南部最小，春季的极大风速平均值大于夏季，差值较小的地区在和田地区，春季的极大风速离散度也较夏季大。

(4)南疆地区各站出现沙尘暴时极大风速的最小值范围在1.6—9.8 m·s-1，阿克苏地区南部、东部至库尔勒市一线以偏东风为主，吐鲁番盆地、喀什地区、阿克苏地区北部和哈密地区以偏西风为主，而南疆沙尘中心的民丰、塔中、若羌对应偏北风，且末对应偏东风。

(5)和田地区、阿克苏地区南部的柯坪至沙雅一线沙尘暴平均极大风速阈值约为4—8 m·s-1，喀什地区、阿克苏地区北部、除焉耆盆地的巴州地区等地沙尘暴平均极大风速阈值约为8—13 m·s-1。