1961—2010年中国北方沙尘源区沙尘强度时空分布特征及变化趋势

元天刚，陈思宇，康丽泰，陈子琦，罗 源，邹 倩

（兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000）

1961—2010年中国北方沙尘源区沙尘强度时空分布特征及变化趋势

元天刚，陈思宇，康丽泰，陈子琦，罗 源，邹 倩

（兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000）

利用1961—2010年我国北方沙尘源区134个地面气象站沙尘暴、扬沙和浮尘发生频率逐月资料，结合定义的沙尘指数，系统地分析了中国北方7大主要沙尘源区沙尘强度的时空分布特征及变化趋势。结果表明：西部的塔克拉玛干沙漠沙尘强度最高，多年平均沙尘指数高达235，其次是中部的阿拉善高原和鄂尔多斯高原沙漠群（182），东北部的呼伦贝尔沙地沙尘强度最小，多年平均沙尘指数仅为23。总体来看，近50 a来中国沙尘源区的沙尘强度呈明显减小趋势，沙尘指数在1972、1987 和2000年出现突变。其中，中部的阿拉善高原和鄂尔多斯高原沙漠群沙尘强度减小趋势最为显著（－6．3 a－1），其次是西部的塔克拉玛干沙漠（－5．9 a－1）。EOF分析结果表明，中国北方沙尘源区各地的沙尘强度整体变化一致，塔克拉玛干沙漠、阿拉善高原和鄂尔多斯高原沙漠群是沙尘强度变化中心；在此基础上，东西部地区的沙尘强度呈明显的反相变化；此外，中国北方沙尘源区的沙尘强度在1980年代后期发生显著变化，沙尘指数至今处于较低值。

沙尘指数；时空分布；年际变化趋势；塔克拉玛干沙漠；阿拉善高原与鄂尔多斯沙漠群

元天刚，陈思宇，康丽泰，等．1961—2010年中国北方沙尘源区沙尘强度时空分布特征及变化趋势［J］．干旱气象，2016，34（6）：927－935，［YUAN Tiangang，CHEN Siyu，KANG Litai，etal．Temporal and Spatial Distribution Characteristicsand Change TrendsofDust Intensity in DustSource Regions of Northern China During 1961－2010［J］．Journal of Arid Meteorology，2016，34（6）：927－935］，DOI：10．11755／j．issn．1006－7639 （2016）－06－0927

引 言

作为对流层气溶胶的主要成分，沙尘气溶胶可以通过直接、间接和半直接效应对整个地—气系统产生重要影响。一方面，沙尘气溶胶可通过直接散射和吸收短波辐射来改变地球系统辐射收支。另一方面，沙尘粒子可通过间接或半直接效应来改变云的微观物理过程，进一步影响降水甚至整个水循环［1－22］。沙尘天气还会引发一系列生态与环境问题，沙尘暴的风蚀作用会加速地表荒漠化，进而对干旱气候产生影响［23－25］。沙尘中有毒物质、病菌等可通过呼吸系统进入人体且在体内积累，损害人体器官，引发各种疾病。另外，沙尘暴可使大气能见度降低，影响交通安全；通过沙埋、狂风袭击、降温霜冻等方式，使农作物大幅度减产甚至绝收，造成巨大经济损失［26－27］。因此，沙尘研究对社会经济发展及人类生活都至关重要。

中国每年有大量沙尘物质被传输到位于下风向的日本、韩国，还可穿越太平洋传播到美国、加拿大甚至北极地区［28－30］。为了更好地预报和预测沙尘天气，需要对其特征分布及发生发展规律有一个清楚认识。近年来，国内外科学家利用地面、卫星数据及数值模拟等手段在我国沙尘气溶胶时空分布特征、变化趋势、机制分析以及沙尘—气候—生态环境相互作用等方面都取得了非常显著的成果［31－39］。其中，地面观测的沙尘资料因其观测时间长、观测地点密集等优点一直被广为使用［40－50］。一系列针对1950年代到20世纪末的研究［40－43］发现，我国北方沙尘暴和扬沙日数总体呈下降趋势，其中沙尘暴和扬沙平均日数都是在1950年代最高，1960年代减少，1970年代又有所回升，1980年代再次开始减少，1990年代减小到最少。沙尘天气日数的时空变化成因［44－45］主要是大气环流的周期性变化，此外生态环境的整体恶化对沙尘天气的产生仍起着积极作用。钱正安等［46］指出虽然中国北方地区沙尘暴在1950年代到20世纪末期间总体呈波动减少的趋势，但2000年有回升现象，并预测未来可能将进入新一轮沙尘暴活动的活跃期。最近研究［47－48］发现，21世纪初沙尘暴确实有所增加，然而相对于1960—1980年代仍偏少。已有研究大多是针对沙尘暴、扬沙、浮尘3类沙尘事件单独进行讨论，主要研究区域为塔克拉玛干沙漠和内蒙古戈壁沙漠地区，而对中国沙尘源区整体的沙尘强度及其变化趋势的研究较少。

为了定量地反映沙尘源区沙尘强度的变化，Wang等［51］根据牛生杰等［52］对3类沙尘事件的观测结果，定义了塔克拉玛干沙漠的沙尘指数（TDI）和内蒙古戈壁沙漠的沙尘指数（GDI）。康林等［53］利用上述沙尘指数进一步分析了欧亚大气环流对中国北方春夏季沙尘天气的影响，同时Kang等［54］也将该指数引入青藏高原沙尘强度的变化趋势及其成因研究中。因此，本文利用长序列的沙尘观测数据，结合Wang等［51］定义的沙尘指数（Dust Index，DI），深入系统地分析1961—2010年中国7个主要沙尘源区沙尘强度的时空分布特征及其变化趋势。

1 中国北方沙漠分区

我国沙尘天气的发生区域主要集中在塔克拉玛干沙漠、内蒙古戈壁沙漠、巴丹吉林沙漠等广大沙漠地区［50］。此外，东亚的沙漠和戈壁是东亚地区沙尘排放量和贡献量的高值区，也是研究沙尘变化趋势的代表性地区，对区域气候具有重要影响［55－58］。综合考虑沙尘事件发生频数以及沙尘排放量2个因素，本文将沙漠及其附近地区作为研究区域，根据中国沙漠分布位置以及沙尘事件发生频数的空间分布，将中国北方沙尘源区划分为具有代表性的7大部分（表1）。

表1 中国北方7大主要沙漠分布区域Tab．1 Locations of seven main deserts in China

2 资料及方法

利用中国7个沙尘源区134个气象站1961—2010年沙尘暴、扬沙和浮尘日数逐月资料，该资料来自中国气象局气候资料中心。所选站点中缺测1 a、6 a和9 a的均有1个，缺测10 a的有2个，所有缺测数据均作为缺失值处理。

采用了Wang等［51］定义的沙尘指数进行中国北方沙尘源区的沙尘强度研究，其公式为：

其中，FD、BD和DS分别是浮尘、扬沙和沙尘暴出现的天数，单位：d。

3 结果分析

3．1 沙尘指数的时空分布

图1给出1961—2010年中国北方沙尘源区年和季节平均沙尘指数分布。由图1a可以看出，塔克拉玛干沙漠（TD，区域1）沙尘强度最高，多年平均DI高达235，其次是阿拉善高原和鄂尔多斯高原沙漠群（AOP，区域4）和柴达木盆地沙漠（QB，区域3），多年平均DI分别为182和162，而呼伦贝尔沙地（HuS，区域7）沙尘强度最小，多年平均DI仅为23。从图1b看出，春季TD的平均DI最大，约为118，其次为 AOP（92）和 QB（80），最小的是古尔班通古特沙漠（GTD，区域2）；夏季，TD的DI仍最大，QB的DI略大于AOP，中国东部地区科尔沁沙地（KS，区域6）的DI最小，甚至低于10；秋季，各沙漠区的DI相对较小，且差异最小，其中TD仍最高为28，AOP和QB的DI约为20；冬季，TD的DI继续减小，而QB和AOP的DI较秋季有所升高，分别为45 和37，且超过TD（20）。此外还发现，TD和GTD、HuS的DI季节变化较为一致，DI自春、夏、秋、冬季依次减小，QB和AOP、浑善达克沙地（HS，区域5）的变化较为一致，DI春季最大、秋季最小，而KS的DI春季最大、夏季最小。可见，各沙尘源区的沙尘强度均是春季最大。

图2给出我国北方沙尘源区不同季节平均沙尘指数的空间分布。可以看出，春季是我国沙尘频发的季节［59］，沙尘源区春季沙尘强度最高，夏、冬、秋季依次减小。其中，春季TD、QB、AOP和HS的沙尘强度最大，所有站点的DI均在36以上；KS中西部的沙尘强度较高，而东北部相对较弱；GTD和HuS的DI较小，且分布较为均匀，基本在20以下。夏季，TD北部站点的DI低于南部，差值超过了20；AOP除西南和东北部DI＜5外，其他区域均在30以上；QB的外围DI较高，而中部相对较低；KS和HuS大部分站点DI值在0～2范围内，而HS则相对较高，大多数站点DI在12左右；GTD的DI分布基本与春季相同。秋季，TD南部和AOP中西部的DI＞30，而我国东部的HS、HuS、KS和西北部GTD的DI均＜20。冬季，TD南部地区有个别站点DI在30以上，其余大多站点的DI＜20，而AOP地区DI＞30的站点较秋季增多，尤其是AOP的中南部地区更为明显；QB的DI较秋季也有所增加，尤其是靠近AOP地区的站点，其DI＞30。可见，冬季AOP地区的沙尘事件影响最大。

图1 1961—2010年中国北方7个沙尘源区年（a）和季节（b）平均沙尘指数分布Fig．1 Annual（a）and seasonal（b）average dust index（DI）in seven dust source regions of Northern China during 1961－2010

图2 1961—2010年中国北方四季平均沙尘指数的空间分布（编号1—7为各沙尘源区，下同）Fig．2 The spatial distribution of DI in four seasons in Northern China during 1961－2010 （The number 1 to 7 represent seven dust source areas，the same below）

3．2 沙尘指数的变化趋势

图3给出1961—2010年中国北方7个沙尘源区沙尘指数的线性变化趋势。可以看出，近50 a来我国7大沙尘源区的沙尘强度均呈显著减小趋势，且都通过了0．05的显著性检验，中部AOP的DI减小速率最大（－6．3 a－1），其次是西部的TD（－5．9 a－1），东部的HuS最小（－0．8 a－1）。从不同季节DI线性变化趋势的空间分布来看（图4），除7个沙尘源区个别站点外，其余站点各季节DI的变化趋势较为一致，中西部的TD、AOP和QB在各季节均为DI减小速率最快的地区（尤其是AOP），且大部分站点通过了0．05的显著性检验，而东部HuS的DI变化趋势未通过显著性检验。春季，TD、AOP和QB绝大部分站点以及KS中部站点的DI线性变化趋势＜－1．8 a－1，而GTD的线性变化趋势最小，约为－0．3 a－1。夏季，TD、AOP和QB的DI线性变化趋势＜－1．8 a－1的站点数量较春季略有减少，大部分站点的下降率较高，仅AOP西南部站点变化率较小；KS、HS的DI线性变化趋势均较春季有所减弱，且前者下降速率较后者慢；GTD各站点的DI减小速率与春季相差不大。秋季，TD、AOP和QB的DI线性变化趋势显著减小，除少数站点DI的变化速率在－1．8～－1．5 a－1之间，其余大部分站点约为－0．6 a－1，其中TD南北差异较明显，TD北部的速率约为－0．3 a－1，而南部的速率为－1．2 a－1左右，约为北部的4倍；其他地区DI的线性变化趋势基本在－0．3～0 a－1范围。冬季，各地区DI的减小速率较秋季有所差异，TD各站点DI的变化率差异仍较大，但整体较秋季有所减小，而QB和AOP各站点DI的减小速率有所增大，特别是AOP中部和南部的站点，其减小速率达－1．8 a－1。综上可知，TD、AOP和QB作为我国主要沙尘源区，DI变化趋势具有明显的季节性特征，其中春季减小趋势最明显，夏季次之，TD在冬季减小速率最小，而AOP和QB在秋季减小速率最小。

图3 1961—2010年中国北方7个沙尘源区DI的线性变化趋势Fig．3 Linear change trends of DI in seven dust source regions of Northern China during 1961－2010

图4 1961—2010年中国北方7个沙尘源区各站点DI线性变化趋势的季节分布（实心圆通过了0．05的显著性检验）Fig．4 Seasonal distribution of linear change trend of DI in seven dust source regions of Northern China during 1961－2010 （The solid circles passed the 0．05 confidence test）

3．3 沙尘指数的年际变化特征

图5 1961—2010年中国北方7个沙尘源区DI距平的时间变化（黑线为DI距平月变化，红线为DI距平年变化）Fig．5 Themonthly and annual variations of DIanomaly in seven dust source regions of Northern China during 1961－2010 （The black lines and red lines for themonthly and annual variation of DIanomaly，respectively）

为更直观地对比不同沙尘源区的沙尘强度，图5给出我国北方7个沙尘源区DI距平的月和年变化特征。总体看来，各沙尘源区DI距平的时间变化特征大致上可划分为3类：（1）中西部沙尘源区，总体上TD、GTD、QB和AOP在1960—1980年代中期年平均DI为正距平，1980年代末以后为负距平。其中，1961—1980年距平值波动变化，1980年代中期距平值由正转变为负，2000年以后DI处于稳定高位的负距平。然而，这4个区域之间年平均DI距平变化也存在差异，主要表现在前期正距平阶段。其中，TD年平均DI距平在1979年出现一峰值，之后开始缓慢下降，1987年距平值由正转为负；GTD年平均DI距平在1970年代中期以前处于正负波动变化，且距平值较低，1970年代中期—1980年代中期正距平较高，之后于1987年距平值由正转负；QB年平均DI正距平在1961—1980年处于较高阶段，且期间出现了1次短暂的减小波动，1987年由正值变为负值；AOP年平均DI距平在1965—1980年间处于较高值，波动幅度较其他沙源区大，且在1966年出现峰值（24），由正值转为负值的时间仍为1987年。此外，从DI距平的月变化曲线发现，各沙尘源区DI主要由春季的DI决定，1980年代以前沙尘天气频发，春季沙尘天气的DI也较高，而1980年代后春季和夏季DI减小最为显著，几乎与DI的年际变化同步。（2）东部沙尘源区，HS的 DI距平与其他6个区域不同，无明显的阶段性变化特征，且波动幅度很小，近50 a间距平值基本稳定在0左右，1966年出现了峰值（20）。（3）最东部沙尘源区，KS、HuS的年平均DI距平可分为波动变化阶段和稳定阶段。其中，KS年平均DI距平值在1961—1984年为正值，且在0～5之间变化，而HuS在1987年之前在－1～4之间浮动，二者变化都较小且距平值较其他区域低，整体由正值转为负值的时间分别为1984年和1987年；1980年代末以后二者年平均DI较为稳定，且距平值为较小的负值。

3．4 沙尘指数的EOF分析及t检验

为了进一步展现我国北方沙尘源区沙尘强度的整体变化趋势，对1961—2010年中国北方所有站点的DI进行EOF分解，得到第1模态的方差贡献最大，为65．0%，第 2模态的方差贡献迅速减少，为9．0%，其余3个模态方差贡献较小（表略）。因此，这里只给出前2个模态对应的特征向量空间分布及时间变化系数（图6）。如图6a所示，第1特征向量场均为负值，说明近50 a我国30°N以北的地区沙尘强度的变化趋势一致，AOP和TD是高值中心。结合对应的时间系数（图6b）发现，中国北方各沙尘源区DI在1961—1987年为高值期，尤其是在1960年代和1970年代较为显著，1987年左右发生转折，DI显著减小，2000年以后处于低值期。

图6 1961—2010年中国北方DI的EOF分解第1（a、b）、第2（c、d）特征向量场空间分布（a、c）及其对应的时间系数变化（b、d）Fig．6 The spatial distribution（a，c）of the first（a，b）and second（c，d）eigenvector fields and variations of corresponding time coefficient（b，d）decomposed by EOF in Northern China during 1961－2010

图6c显示，第2模态的空间分布与第1模态有着明显的差异，除内蒙古以西的巴丹吉林沙漠、南部的毛乌素沙地和TD为正值外，其他地区基本为负值，这反映了东西部DI基本呈反相的分布特征，这在王存忠等［60］的研究中也得到了证实。结合对应的时间系数（图6d）可知，DI可能存在突变。为此，对1961—2010年的年平均DI进行了5 a滑动t检验［61－62］。如图7所示，1961—2010年t统计量有3处超过α＝0．05的显著性水平临界线，分别为1972年、1987年和2000年。可见，近50 a来中国北方7大沙尘源区沙尘强度发生了3次显著突变，DI在1972年发生了由少到多的突变，之后在1987年发生了由多到少的突变，2000年再次出现了由多到少的显著突变。结合图5中TD、GTD、QB和 AOP主要沙尘源区年平均DI的距平变化，发现DI距平在1980年代后期由正值转为负值，2001年出现了1次显著减少趋势，这与突变时间较为一致，且DI突变时间与沙尘暴和扬沙的突变年份（分别为1985和1984年）较为符合［50］。

图7 1961—2010年中国北方沙尘源区DI的5 a滑动t检验（虚线是α＝0．05的显著性水平临界线）Fig．7 The 5－year sliding t－test of DI in dust source areas of Northern China during 1961－2010 （The dotted lines for the critical lines with the 0．05 significance level）

气象因素对中国沙尘源区沙尘强度变化的影响占主导地位［46］。大风是起沙的动力条件。研究表明，我国西北地区大风日数与沙尘暴频数的正相关性极高，近40 a大风日数的减少几乎与沙尘暴的年代际变化同步［23］。降水量的变化通过改变地表植被覆盖以及土壤湿度来抑制沙尘暴的发生。研究指出，中国西北地区在1987年左右发生了由暖干到暖湿的突变［63－64］。温度变化与沙尘暴频数呈反相关关系［65］，北半球在1970年代开始增温，而中国地区在1980年代开始增温［66］。北半球升温的结果是引起了中纬度大气温压结构和对流层上层西风环流特征的改变，从而导致温带气旋的减弱；同时造成了冬春季节寒潮势力的减弱。综上所述，大风减弱、降水量增加、气温升高是导致中国北方地区沙尘强度减弱的重要原因。

4 结 论

（1）TD是我国北方沙尘强度最高的地区，多年平均DI高达235；其次是AOP和 QB，多年平均DI分别为182和162；HuS是年平均 DI最小的地区。从季节分布上看，我国北方沙尘源区7个主要区域的沙尘强度均以春季最高，DI最小的季节不同区域略有差异。

（2）1961—2010年间我国北方7个主要沙尘源区的年平均DI整体均呈显著下降趋势。TD和GD是主要的沙尘强度变化中心，QB次之，变化较小的是HuS和GTD。就季节而言，春季中国北方各沙尘源区沙尘强度减小趋势最为明显，其余季节不同地区略有差异。近50 a中国北方沙尘源区DI在1972年发生由少到多的突变，沙尘事件频发，1987年发生由多到少的突变，沙尘强度显著减小，2000年再次出现由多到少的突变。

（3）我国北方7大沙尘源区DI年际变化特征大致可分为3类：中西部源区（TD、GTD、QB和AOP），该地区总体上在1960—1980年代前期年平均DI为波动的正距平，1980年代中期距平值由正变为负，1990年代后负距平呈阶段性下降，2000年代负距平更稳定；东部源区（HS），该地区的年平均DI距平整体呈波动变化特征，且浮动很小，距平值基本稳定在0左右，其中1966年距平达到峰值（20）；东部偏东源区（KS和HuS），该地区年平均DI距平变化可分为波动变化阶段和稳定阶段，波动幅度小且距平值较其他区域低。

本文虽然对中国北方沙尘源区的沙尘强度变化特征进行了较深入的分析，但是对于沙尘强度变化的原因只根据前人研究成果给予了简单的解释，详细的原因将在今后的研究中进一步讨论。

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Temporal and Spatial Distribution Characteristics and Change Trends of Dust Intensity in Dust Source Regions of Northern China During 1961－2010

YUAN Tiangang，CHEN Siyu，KANG Litai，CHEN Ziqi，LUO Yuan，ZOU Qian

（College of Atmospheric Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

Based on themonthly dust days data of dust storm，floating dust and blowing dust at 134 surface weather stations in dust source regions of Northern China during 1961－2010，the spatial and temporal distribution characteristics and variation trends of dust intensity in seven major dust source regions of China were systematically analyzed by using the dust index（DI）．The results showed that the dust intensity in Taklimakan Desertwas the highest，with annualmean DIof235，and then followed by Alashan Plateau and Ordos Plateau deserts，with annualmean DIof182，while the least of dust intensity appeared in Hulunbeier Sand－land in northeast China，DIwas only 23．In general，the dust intensity in seven dust source regions of Northern China decreased obviously in recent50 years，and themutation of DIoccurred in 1972，1987 and 2000，respectively．Especially，the dust intensity in Alashan Plateau and Ordos Plateau desert region and Taklimakan Desert decreased significantly during 1961－2010，and the change rates of DI were －6．3 a－1and－5．9 a－1，respectively．Meanwhile，EOF results showed that the change trends of DI in Northern Chinawere consistent as a whole，and that in western China was opposite to eastern China，the higher change centers located in Taklimakan Desert and Alashan Plateau and Ordos Plateau region．Besides，the dust intensity in Northern China had changed significantly in the later 1980s，and so far DI has been still in a lower value．

dust index；temporal and spatial distribution；seasonal and annual variation；Taklimakan Desert；Alashan Plateau and Ordos Plateau deserts

1006－7639（2016）－06－0927－09

10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－0927

P445．4

A

2016－05－30；改回日期：2016－09－05

国家自然科学基金（41405003）资助

元天刚，男，主要从事沙尘地面观测和数值模拟研究．E－mail：yuantg14＠lzu．edu．cn

陈思宇，女，博士，主要从事沙尘地面观测和数值模拟研究．E－mail：chensiyu＠lzu．edu．cn