北方地区历史时期沙尘暴的频度变化与驱动机制

北方地区历史时期沙尘暴的频度变化与驱动机制摘要：利用1954-2005年我国北方地区87个站点的沙尘暴观测资料，分别对沙尘暴的空间分布特征，年变化特征，月变化特征和日变化特征进行研究，分析沙尘暴发生的时间、频次、规模受自然因素和人类活动的影响。结果表明，沙尘暴的发生次数与气温条件成正比，与降水量呈明显的负相关，与风速大小呈正相关。因此沙尘暴大多发生在少雨强风的春冬季和温度较高且气流紊乱的下午时段。此外，人类活动如滥砍滥伐，过度开垦或者退耕还林，植树固沙等都会影响沙尘暴的发生。关键词：沙尘暴；频度变化；驱动机制引言据钱正安等[1]最近统计,自建国以来,我国西北地区共发生了48次强和特强沙尘暴,每次都至少造成上亿元的直接经济损失。沙尘暴是沙暴和尘暴的统称，指强风从地面卷起大量沙尘，使水平能见度低于1千米，具有突发性和持续时间较短的特点，而且概率小危害大。经过1993年5月的一次特强沙尘暴之后，我国便对沙尘暴的研究工作给予了高度重视，并且于当年11月召开汇报会，将沙尘暴研究列入“八五”攻关项目[2]。根据国家标准，沙尘暴根据沙尘天气当时的地面水平能见度可划分为浮尘，扬沙，沙尘暴，强沙尘暴和特强沙尘暴五个等级，其主要发生在干旱，半干旱和亚湿润干旱地区，是风蚀过程的一种表现形式[3]。沙尘暴的形成受自然因素和人类活动因素的共同影响，自然要素包括大风，降水减少，及沙源等，而人类活动要素主要就是指人类在发展经济过程中对植被的破坏以后，导致沙尘暴发生的频数增加。近年来，我国北方地区的沙尘暴天气明显增加，对此，中国科学院寒旱所董光荣[4]分析说，在冷期，风频高、风力大，加之气候干旱、植被较少，流沙面积大，是沙尘暴的高发期和扩大期；在暖期则恰好相反，是沙尘暴的低发期和缩小期，近50年实际上是处于沙尘暴的低发期，人们感觉沙尘暴越来越严重是因为“大家的环境意识提高了”。他指出，近年来沙尘暴的发生只不过是一种气候变化的周期性现象，即主要是自然因素的作用，而人为因素的作用并未得到数据上的证实。在张莉等[5]人的研究中，他们通过数据分析得到了沙尘暴频度变化与气候变化之间的相关系数，强调了沙尘源区气候变化对沙尘暴频度变化的影响。胡金明等[6]却指出，沙尘暴天气从本质上看是一种自然天气现象，但是从我国沙尘暴天气频数的世纪变化趋势和人类活动干扰加强导致的区域生态环境日益恶化趋势之间较好的耦合关系来看，人类活动的干扰逐渐成为沙尘暴天气的主要促进作用，并且列出了相关数据：70年代中国北方沙漠化土地年均1560k㎡，80年代为2100k㎡，90年代达到2460k㎡，呈增长态势，他们认为增长部分即为人为作用的结果。此外，我校陈发虎院士的团队对此也进行了相关研究[7]，他们从黄土高原上的高山湖泊沉积物中提取了尘暴组并据此重建了过去2000年的沙尘暴历史，并提出人类活动是主导沙尘暴的主要因素。但是沙尘暴的影响因素究竟是以自然要素为主还是以人类活动为主，至今仍未有确切的结论，因此，本文拟通过沙尘暴与人类活动和气候因素的耦合度分析，判断沙尘暴发生的主要驱动机制，并通过研究沙尘暴的时间和空间分布特征，预测未来沙尘暴的发生趋势，为沙尘暴的预防工作提供相关建议。2.研究区域概况胡金明[6]等人通过对50年来我国沙尘暴天气的时空特征进行分析，发现我国沙尘暴天气主要发生在西北地区，我国北方地区拥有位于塔里木盆地中心的世界第二大沙漠塔克拉玛干沙漠、位于新疆准噶尔盆地中央，玛纳斯河以东及乌伦古河以南的中国面积最大的固定、半固定沙漠古尔班通古特沙漠、位于内蒙古自治区的西部的巴丹吉林沙漠、位于阿拉善地区的东南部，介于贺兰山与雅布赖山之间的腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、浑善达克沙地、科尔沁沙地等，为沙尘暴的发生提供了充足的沙源。中国北方大部分地区的年平均地面风速在1-5m/s之间。大值区主要位于中蒙边境、高原东北部和东北地区。春季风速最大,冬季次之,秋季最小。中国北方大部分地区受东亚季风的影响，西太平洋副热带高压和高原气压系统是东亚季风的重要成员，受西伯利亚寒流等影响，我国北方地区冬季环流增强，东亚大槽加强，极地冷空气不断加强南下，使得中国北方地区的气旋活动加强，地面风速较大[8]。再者，我国西北部新疆区域内北方的阿尔泰山，中部的天山以及南部的昆仑山在准噶尔盆地与塔里木盆地形成了两个巨大的天然风口，在此处形成强风，在塔克拉玛干沙漠与古尔班通古特沙漠形成强沙尘暴。北方地区高低起伏的地形也为强风与沙尘暴的形成创造条件。因此，本次研究选取北方地区作为研究区域，并综合站点的沙尘暴发生次数、气温、降水、风速和植被覆盖等因素选取了八十多个站点（如图1所示）作为基础数据库分析沙尘暴的时空分布特征，结合北方地区的气候特征分析沙尘暴与气温、降水之间的相关系数，从而判断其驱动机制。图1研究区站点分布3.资料来源3.1沙尘暴数据来源沙尘暴数据来源于《中国强沙尘暴序列及其支撑数据集（1960-2007）》中的沙尘暴、水平能见度、沙尘暴的开始和结束时间、沙尘暴发生时的10分钟平均最大风速和风向数据。对于沙尘暴日数据的处理参考CMA（1979）标准，如果一天中有两次或两次以上的沙尘暴记录，统计为一个沙尘暴日；将20时作为时间节点，如果一次沙尘暴的记录超过记录节点，则统计为两个沙尘暴日，使用沙尘暴发生的频数来代表一年或一月中沙尘暴的发生日数。3.2气候数据来源气候数据来源于资源环境科学与数据中心的《中国1980年以来逐年年降水量空间插值数据集》和《中国1980年以来逐年平均气温空间插值数据集》，由于下载的是空间插值数据集，只能通过Arcgis将沙尘暴数据和气温、降水数据呈现在一张地图上进行定性的分析而无法进行定量分析。4.研究结果4.1沙尘暴的空间分布特征我国是世界上荒漠化最严重的国家之一，荒漠化面积已达262.2万平方千米，占国土总面积的27.3%，涉及18个省区的471个县市，目前仍以每年2460平方千米的速度扩展[9]。从我国整个北方地区来看，西北是沙尘暴天气的主要分布区。胡金明等[10]通过统计1954年以来沙尘暴天气的发生频次，可以看出西北有两个沙尘暴天气多发中心，一是在新疆塔里木盆地南部和西部的于田—策勒县—和田线上；另外一个在甘肃河西走廊，阿拉善高原，河套平原，鄂尔多斯北部高原地区。杨静[11]也指出，中国主要有三大沙尘暴源区：第一个是地表覆盖大面积戈壁沙漠和干涸湖床的河西走廊和阿拉善高原；第二个是由冲积扇和退化土壤覆盖的新疆塔克拉玛干沙漠；第三个源区位于内蒙古高原的中部和中国东北部地区。河西地区干旱少雨的气候特征使得干燥的下垫面产生的热力不稳定，另外河西地区两边被狭长的山脉所包夹，在河西地区易形成管道状的特殊地形，加速了气流的通过，再加上有巴丹吉林沙漠，腾格里沙漠提供源源不断的沙源，导致沙尘暴天气不断加剧[12]。塔里木盆地中央是面积达33万平方千米的塔克拉玛干大沙漠，尘源一年四季都很充足。春夏季，沙漠剧烈增温，在盆地中容易形成热低压，这时如果遇到冷空气的侵袭，就会引起空气的强烈对流运动，形成大风，扬起沙尘而形成沙尘暴。河西走廊南缘的青海，由于海拔高，强风极易到达地面将扬起地表沙尘，从而形成沙尘暴。通过对选取的研究区内的八十多个站点所记录的沙尘暴数据进行空间插值得到以下结果。通过观察图一可以发现，我国的沙尘暴主要发生在西北地区，且主要分布在沙漠边缘地区，并呈现出由一个沙尘暴发生高频地区向四周扩散的规律。另外，通过对比图2近50年的沙尘暴空间分布图可以发现，沙尘暴发生区域整体西移，沙尘暴高频区的地理位置并未发生明显变化。图2近50年沙尘暴空间分布图2近50年沙尘暴空间分布（续）4.2沙尘暴的时间分布特征4.2.1沙尘暴的年际变化特征通过查阅文献得到了历史时期公元前50年-1850年发生沙尘天气的相关记录[13]，对文献中的数据进行处理得到图3，通过观察可以发现，历史时期公元前50年-1850年沙尘天气发生次数总体呈现增长趋势；曲线表现出双峰特征，分别在1200年左右和1600年左右出现异常峰值，在1400年左右出现异常低值，通过数据分析提出，北方地区各季节沙尘暴的发生次数与气温具有较高的相关系数，其中春季的相关系数为-0.46，夏季为-0.30，秋季为-0.34，冬季为-0.38[5]。据史料记载，以公元1000年为分界线，前期干旱时间段，湿润时间长，后期则旱灾多于水灾，以南涝北旱最为常见，北宋和南宋前期（公元960-1280年），气温不断降低，并在1200年左右达到最低，从南宋后期至元朝，气温不断回升，从十四世纪初开始，进入小冰期，整个地球的气候进入了寒冷阶段，结合上述相关系数，可以发现历史时期沙尘天气的发生与气温的变化具有较好的一致性。图3历史时期沙尘暴天气发生的年代分布其次，我们还通过挑选《中国强沙尘暴序列及其支撑数据集（1960-2007）》中研究站点的沙尘暴发生次数、水平能见度、沙尘暴的开始和结束时间、沙尘暴发生时的10分钟平均最大风速和风向数据，挑选出的数据整理在表格中。然后通过对表格中1954年-2004年各站点每年发生沙尘暴的次数做统计得出图4，从研究站点的数据上看，从1954年-2004年沙尘暴发生总次数总体呈现下降趋势；曲线在1966年出现一个异常峰值，结合等相关研究，从图5可以看出1966年春夏秋冬四个季节的降水量均降低，研究表明，沙尘暴的发生次数与年降水量呈现明显的负相关性，这一点很好的解释了曲线突变的原因。图4每年沙尘暴总次数图5中国北方不同季节降水量变化曲线（1961-2001）[14]同时，我们对北方地区历史近年来发生的沙尘暴根据可见度进行了划分，并根据划分结果制得了强和特强沙尘暴的年际变化曲线（图6），通过变化曲线可以发现，近年来虽然沙尘暴的总次数整体呈降低趋势，但是北方地区的强和特强沙尘暴的发生次数并不是一直降低的，相反，在1986-1990年期间强和特强沙尘暴次数较少，但是1990年之后，强和特强沙尘暴开始上升，2000年达到的80次，而历史时期最多的一年也就只有90多次。因此，目前沙尘暴的变化趋势是，整体的沙尘暴发生次数在降低，但是强和特强沙尘暴的发生频次逐渐增加。图6强、特强沙尘暴的年际变化曲线4.2.2沙尘暴的月际变化特征通过挑选《中国强沙尘暴序列及其支撑数据集（1954-2007）》中研究站点，统计各站点的沙尘暴发生次数，并统计每个月发生的沙尘暴的总次数，得出图7和图8：图7过去50年（1954-2003年）沙尘暴月份分布由上图可以发现，沙尘暴的发生次数以3，4，5月为高，分别占总数的15.2009%，24.0528%和16.7719%，其中以4月值为全年最高。5月以后沙尘暴数量急剧下降，9,10,11月的沙尘暴数量分别占总数的1.8242%，1.5888%和2.6651%。若按季节统计，则沙尘暴数量最多的是春季（3,4,5月），占总数的56.0256%；夏季（6,7,8月），占总数的18.9779%；秋季（9,10,11月），占总数的6.0780%；冬季（12,1,2月），占总数的18.9185%。孙令东[15]也指出，春季为沙尘暴多发季节，是因为该季节具备了地表土质疏松的下垫面、适当的高空急流轴位置、不稳定的大气层结和频繁的冷锋活动等有利条件。春季期间冷暖空气异常活跃，气旋活动频繁，特别是午后地面受热增温快。一方面，地表吸收并储存了大量来自太阳的热量，土壤蒸发量加大，致使地表干燥疏松，表面土层易被大风吹起；另一方面由于地形等方面的因素，来自西伯利亚的冷空气在新疆、内蒙古的北部不断地聚集，势力逐渐增强，达到一定程度爆发南下；另外，春季增温幅度大，易引起大气温度层结的不稳定，在有利的大尺度环流背景下，中纬度地区形成较强的水平气压梯度，冷平流也有明显加强，动量下传较强，使得地面风速迅速加大[16]。图8过去50年（1954-2003年）每月沙尘暴发生次数的年际变化此外，我们研究了每个月沙尘暴发生次数的年际变化，由上图可以发现，3，4，5月份沙尘暴发生次数的年际变化波动较大，其中3月份的年际变化波动在400次左右，4月份的年际变化波动在500次左右，5月份的年际变化波动在300次左右，其余月份的年际变化波动不大，大约在200左右，其中9,10,11月沙尘暴次数的年际变化波动范围在100以内，因此研究沙尘暴的时间变化特征主要研究春季即可。4.2.3沙尘暴的日际变化特征挑选《中国强沙尘暴序列及其支撑数据集（1954-2007）》中研究站点的沙尘暴发生次数以及沙尘暴的开始和结束时间，然后将研究站点的沙尘暴发生次数日分布按2小时的时间间隔等分为12个区间进行统计，得到图9：图9沙尘暴发生时间日分布从图9可以看出沙尘暴主要发生在下午和晚上，其中14：00-16：00LST最为集中，沙尘暴频率这种明显的日变化模式与前人的研究高度相似。研究区沙尘暴多出现于春季的午后，究其原因，可能与热力不稳定条件的变化有关。春季是全年中冷暖变化最大的季节，在白天，随着太阳高度角的上升，太阳辐射破坏了大气稳定性而有利于对流的发生并加强现有对流系统[17]。这一活跃的对流活动通过混合自由大气与地表空气而产生更强的横向风速以及强烈的大气湍流度从而将地表沙尘颗粒更多的夹带和运输到大气中[18]。夜晚，由于夜间强辐射冷却，地表温度下降较快，边界层上层气温高于地表层，使得大气向上的运输力降低并产生一个稳定的温度结构，大气垂直对流减弱从而不利于沙尘暴活动的发生。4.3沙尘暴的影响因子4.3.1沙尘暴与人类活动新中国成立以后，我国人口增长达到一个极快的速度，从1950年到1976年间，每年人口增长数达到4%。我国北方地区，快速增长的人口给自然环境造成了极大的影响，主要表现在耕地面积的增大，牲畜数量的变化，对河流的透支等方面，而这几项又互相影响，加速了土地荒漠化。沙尘暴的频发是人类活动和脆弱的自然环境耦合的结果，在不同地区主要的人类活动不同，对沙尘暴发生的影响也就不同。如在内蒙古四子王旗，张卫青[19]认为人类活动对沙尘暴发生影响较大的主要表现在人口的增长、耕地面积的增大、牲畜数量的变化等方面,且这几项互相影响,对荒漠化的影响有滞后性；在纯牧业区的玛曲，有研究表明[20]人类活动对玛曲地区生态环境的影响主要表现在超载放牧和滥伐乱挖；在人为因素沙尘暴关系研究一文中,张宏亮[21]认为人类活动的因素体现在经济，社会和生态三个系统之中。他提出，有学者认为主要是人口增加所引起的,表现在农业大规模的开发,对林地和荒地的不合理开垦;对畜产品需求急剧上升,草原超载过牧,草场退化;对燃料需求的加大,对地表植被的破坏等等；有的学者从文化层面上探究导致产生沙尘暴的深层次根源,即中国传统的“以耕为本”思想影响；有学者认为在管理和政策上也存在不足一面，主要有管理失控和某些政策上的遗忘的问题。4.3.2沙尘暴与气温气温也是形成沙尘暴和沙尘暴加强的主要条件之一，且气温与沙尘暴发生次数呈负相关关系。赵明瑞等[22]人在研究甘肃民勤地区沙尘暴变化趋势及影响因素时提出沙尘暴出现次数与年平均气温呈负相关,相关系数为-0.54；河西走廊东部沙尘暴特征及地面气象因素影响机制一文中说道[23]，河西走廊东部沙尘暴频次与年平均气温、地温为显著的负相关；另外王森等[24]人在1961-2017年南疆地区沙尘天气的时空变化特征及影响因素分析中提出气温与沙尘日数呈负相关关系,且在各影响因素中贡献率为0.2%；张钛仁[25]也从不同季节的气温影响来分析冬季气温偏低土壤冻结层厚，春季升温解冻后，松土层变厚，是沙尘暴形成的有利条件。此外，张莉等[5]对沙尘暴发生次数和气温数据进行了处理，发现两者之间存在明显的负相关性，且通过了0.05的相关性检验，并提出这种显著的负相关可能反映了温度对于沙尘暴发生的间接影响，即北方较明显的升温导致地面气压梯度减小，从而使平均风速和大风日数减少，沙尘暴发生频率也降低。本文以近几十年的年均温矢量数据为底图，将每年各站点的沙尘暴数据加载到图层中，得到图10，通过观察发现沙尘暴主要发生在气温中等的地区，高温、低温地区沙尘暴发生的次数都较少，于是猜测气温是影响沙尘暴的因素之一，当气温过高或过低时，会引起其他影响因素的变化，范一大等人就指出，温度的变化会影响大气气溶胶内部的能量从而改变气流的湍急速度，风力大小因此随之改变，因此气温对于沙尘暴的影响较为复杂。图10气温与沙尘暴关系图4.3.3沙尘暴与降水因为降水量的多少也是影响沙尘暴的一个重要因素，因此我们对研究区年降水量与沙尘暴的发生频数的空间分布进行了相关分析，得到图11。通过图像可以发现，我国年降水量的总体分布为南方多于北方，东部多于西部，虽然每年的降水量有所不同，但是相对降水量并未发生明显变化。通过下图可以发现，沙尘暴主要发生在降水量较少的地区，且沙尘暴高频区总是位于中等降水量与低降水量的交界处。杨静[11]通过分析沙尘暴与降水量数据发现这两者之间存在负相关性，但是相关性并不是特别明显，多介于-0.1和-0.3之间，并提出降水可能是通过影响该地区的植被分布而间接影响沙尘暴的发生，因此会有一两年的滞后。张莉等[5]同样做了此类研究，他们分别对当年沙尘暴的发生次数和当年以及前一年的干燥度进行了相关性分析，发现当年的沙尘暴发生次数与当年的干燥度之间的相关系数仅为0.24，而与前一年的干燥度之间的相关系数为0.31，并且通过了0.05的显著水平检验，更加证实了降水与沙尘暴之间的相关性。图11降水量与沙尘暴关系图4.3.4沙尘暴与风速高荣等[26]根据我国30年平均12月至次年4月的风速数据制得了风速分布图，由图可知风速小值区位于我国西南部的四川盆地,，风速大值区主要位于我国的西北部和华北区，刚好处于我国的沙尘暴高发区。由此可知风速对沙尘暴的强弱有很大的影响。当大风在沙尘暴源区加强时,很容易将沙尘携入空中,形成沙尘天气。有利于产生大风或强风的天气形势，有利的沙、尘源分布和有利的空气不稳定条件是沙尘暴或强沙尘暴形成的主要原因[27]。表1研究区沙尘暴发生时10min最大风速所占频率（%）10min最大风速（m/s）频率（%）(QUOTE,5]1.0(5,10]15.0(10,15]41.0(15,20]31.9(20,25]9.0(25,QUOTE)2.1观察表1得知，沙尘暴发生时10min最大风速为10-20m/s时所占频率最大，多达72.9%，可知强风是沙尘暴产生的动力，沙、尘源是沙尘暴物质基础，不稳定的热力条件有利于风力加大、强对流发展，从而夹带更多的沙尘，并卷扬得更高。在极有利的大尺度环境、高空干冷急流和强垂直风速、风向切变及热力不稳定层结条件下，引起锋区附近中小尺度系统生成、发展，加剧了锋区前后的气压、温度梯度，形成了锋区前后的巨大压温梯度[28]。在动量下传和梯度偏差风的共同作用下，使近地层风速陡升，掀起地表沙尘，形成沙尘暴或强沙尘暴天气[29]；有利于风速加大的地形条件即狭管作用，是沙尘暴形成的有利条件之一。经分析研究可知，我国的沙尘暴发生在沙源充足情况下，与风速成正相关，尤其在春冬季气流相对不稳定的情况下，存在着地面风速越大沙尘暴越多，风速越小沙尘暴越少的特征。总结与讨论通过上述分析，可得出以下结论：（1）西北地区的沙漠边缘地带为我国沙尘暴主要分布区，新疆塔克拉玛干沙漠和河西走廊是沙尘暴天气多发中心，源源不断的沙源、席卷的强风和不稳定气流是形成沙尘暴天气的必要条件。沙尘暴天气存在从高频地带向四周扩散和区域整体西移的规律，但沙尘暴高频区的位置并未发生明显变化。（2）到目前为止，我国的沙尘暴天气发生频次整体呈现减少趋势，但强和特强沙尘暴的发生次数在逐渐增加。（3）由于春季具备了地表土质疏松的下垫面、活跃的冷暖空气活动，频繁的气旋，适当的高空急流轴位置、不稳定的大气层结和频繁的冷锋活动等有利条件，一年中沙尘暴天气的频发时间都在春季。（4）一天中沙尘暴天气的高发时段在14:00--16:00，这个时段地表的太阳辐射达到最强，太阳辐射破坏了大气稳定性而有利于对流的发生并加强现有对流系统，对流的加强产生更强风速而使沙尘暴发生更多，规模更大。（5）沙尘暴的频发是人类活动和脆弱的自然环境耦合的结果。人类活动，气温，降水，风速都是沙尘暴频发的重要影响因素。研究表明，沙尘暴的发生频次与气温条件成正比，与降水量呈明显的负相关，与风速大小呈正相关，这也是沙尘暴主要发生在春季和下午的主要原因。致谢感谢黄小忠老师在项目选题、研究思路及论文修改方面给予的指导和帮助，感谢邓洋老师在下载研究数据方面提供的帮助。参考文献[1]钱正安，蔡英，刘景涛等，2004中国北方沙尘暴研究的若干进展，干旱区资源与环境，2004，No.S1，1-8.[2]韦惠兰，张宏亮，人为因素与沙尘暴关系研究，干旱区资源与环境，2004，Vol.18N0.41—6.[3]王长松，中国历史时期沙尘暴研究进展，中国沙漠，2010，Vol.30No.5，192—195.[4]王式功，董光荣，陈慧忠，李希良，金炯，沙尘暴研究的进展，中国沙漠，2000，Vol.20No.4，349—356.[5]张莉，任国玉，中国北方沙尘暴频数演化及其气候成因分析，气象学报，2003，Vol.61No.6，744—750.[6]胡金明，崔海亭，唐志尧，中国沙尘暴的时空特征及人类活动对其发展趋势的影响，自然灾害学报，1999，Vol.8No.4，49—56.[7]FahuChen,ShengqianChen,XuZhang,JianhuiChen,XinWang,EvanJ.Gowan,MingruiQiang,GuanghuiDong,ZongliWang,YuecongLi,QinghaiXu,YangyangXu,JohnP.Smol,JianbaoLiu,Asiandust-stormactivitydominatedbychinesedynastychangessince2000BP,2020,Naturecommunications11.[8]田莉，中国北方地区地面风速变化特征及其影响因子研究，2012.[9]刘玉振，王艾萍，土地荒漠化与区域经济发展刍议，河南大学学报，2001，No.4，75—81.[10]胡金明，崔海亭，唐志尧，中国沙尘暴时空特征及人类活动对其发展趋势的影响，自然灾害