乌海市沙尘暴日数变化特征及相关因素分析

2021-07-02张丽萍杨红子

内蒙古气象 2021年1期

张丽萍，杨红子

（乌海市气象局，内蒙古乌海 016000）

引言

沙尘暴的出现既是一种加速土地荒漠化的重要过程，又是荒漠化发展到一定程度的表现，是内蒙古的主要气象灾害之一[1]。乌海市地处中国内陆地区，位于内蒙古自治区中西部半干旱地区[2]，其西北、东北、东南分布有乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙地，三面环沙为沙尘暴提供了沙源地。虽然近年来，乌海地区绿化面积快速增加，沙化、荒漠化土地不断减少，沙尘暴天气减少，但仍是乌海地区主要的灾害性天气之一。沙尘暴的研究也越来越多，曹华等[3]对酒泉市沙尘暴的气候因子做了分析，建立沙尘暴日数的预报方程，张伟等[4]对喀什地区沙尘暴天气变化特征及影响因素做了分析，对大气环流做了分型。多位学者还对南疆沙尘暴、扬沙、浮尘天气变化特征及影响因素做了研究分析[5-6]。特日格乐等[7]、王学强等[8]分析研究了浑善达克沙地气象要素与植被覆盖对沙尘暴发生发展的关系。还有学者对一次沙尘暴过程做分析研究，杨彩云等[9]、姜学恭等[10]对内蒙古一次沙尘暴的动力机制及垂直输送特征做了分析，李一平等[11]分析内蒙古沙尘天气少发季节一次沙尘天气预报技术，钱莉等[12]、潇泓等[13]分析了河西走廊的沙尘暴动力机制，并比较了盛夏和春季沙尘暴的不同，高涛等[14]对2002—2015 年内蒙古大范围强沙尘暴环流形势做了分型研究，为沙尘暴预报预测提供了依据。

但对于三面环沙的乌海地区的研究较少，而且沙尘暴能造成交通、供电受阻或中断等，污染自然环境，破坏作物生长，给国民经济建设和人民生命财产安全造成严重的损失和极大的危害[15]。蒋雨荷等[16]分析了中国北方一次强沙尘暴天气过程的大气污染效应。学者们越来越多地关注研究沙尘暴对大气污染的影响，因此分析乌海地区沙尘暴的变化特征及影响因素对治理环境、减轻沙尘暴危害意义重大。本文通过分析乌海地区沙尘暴的变化特征及影响因素，为预测灾害性天气提供依据，进一步提高防灾减灾能力，为环境污染治理提供参考，进而提高环境气象服务能力。

1 资料与方法

本文使用乌海市国家一般气象站1961—2019 年沙尘暴日数、降水量、气温等气象要素数据，2005 —2019 年10、20、30、40、50 cm土壤相对湿度数据，2010—2019 年近10 年乌海市绿化覆盖率数据。用气象统计方法、Mann-Kendall非参数化突变检验方法分析了乌海地区沙尘暴的变化特征，用Pearson相关分析了沙尘暴与绿化覆盖率、土壤水分、气象因子的相关关系。

乌海地区春季是沙尘暴最频发的季节，占全年沙尘暴次数的54%，因此本文着重分析春季沙尘暴与土壤水分和气象因子的关系。

本文季节划分：春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月—次年2月。

2 沙尘暴的变化特征

2.1 年代际变化特征

乌海地区沙尘暴发生日数总体呈显著减少趋势（图1），20 世纪60—80 年代为沙尘暴多发期，70 年代达到最多，年均29.8 d。从20 世纪80 年代开始，沙尘暴日数呈下降趋势，90 年代下降趋势更加明显，此后进入沙尘暴少发期，年均沙尘暴日数为2.3 d，为最多发期的1/13；特别是进入21 世纪以后，年平均值为1 d。

图1 1961—2019 年乌海地区沙尘暴日数年变化

2.2 年际变化及突变特征

乌海地区沙尘暴年均日数为12 d，随时间减少趋势明显，气候倾向率为−5.6 d/10 a（图1）。沙尘暴日数以1983 年为界，分为多发期和少发期，1983 年及之前沙尘暴日数在均值以上，1983 年之后除1987、1990 年以外，其他年份的沙尘暴日数均在平均值以下。最大值出现在1972 年，高达50 d，而1990、1992、2000、2014、2015、2018 年没有出现过沙尘暴天气。

由沙尘暴日数的M-K突变检验可以看出（图2），自20 世纪60 年代以来乌海市沙尘暴日数有明显减少的趋势，70 年代初以来这种减少趋势均超过了显著性水平0.05（u0.05=1.96）的临界线，甚至超过了0.001 显著性水平（u0.001=2.56）,表明乌海地区的沙尘暴日数减少趋势十分显著。根据UF和UB曲线交点的位置，1968 年出现了突变，但是突变不显著。

图2 1961—2019 年乌海地区沙尘暴日数M-K突变检验

2.3 月、季变化特征

乌海地区全年每月均有沙尘暴发生（图3），主要集中在3—7 月，4 月沙尘暴日数最多，月均2.7 d，9 月最少。春季平均沙尘暴日数最多，为6.5 d；而冬季和秋季沙尘暴日数仅占全年的15.7%。表现为4 月最多，9 月最少，春夏多，秋冬少的特征。春、夏沙尘暴频繁的特点与乌海地区的气候特点、地理条件和地面状况密切相关。春季主要受大风影响，沙尘暴日数达到最多。夏季则因流沙受强烈日照辐射后迅速增温，造成局地的热力不稳定，诱发局地沙尘暴的发生。

图3 乌海市沙尘暴日数的月、季变化特征

3 沙尘暴影响因素

3.1 沙源地

乌海地处乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙地交汇处，提供了天然沙源地。内蒙古自治区荒漠化和沙化面积逐渐减少，2004—2014 年荒漠化面积减少了1.32×104km2，1990—2014 年沙化面积减少了0.82×104km2，内蒙古整个起沙源地呈减少趋势（表1）。

表1 1999—2014年内蒙古荒漠化和沙化面积[17-20]

在荒漠化减缓的同时绿化面积不断增加，乌海市绿化覆盖率呈逐年增加趋势（图4），近10 年由34.5%增加到44.0%，增加了9.5%。绿化覆盖率与沙尘暴日数呈负相关，相关系数为-0.513，并通过了显著性检验。

图4 2010—2019 年乌海市沙尘暴与绿化覆盖率变化

3.2 土壤水分

土壤相对湿度是反应土壤的干湿程度的物理量，分析了10、20、30、40、50 cm各层土壤相对湿度与春季沙尘暴日数的相关性。可以看出（表略），前一年夏季各层土壤相对湿度与春季沙尘暴日数均呈负相关，但没有通过显著性检验。前一年秋季各层土壤相对湿度与春季沙尘暴日数相关性很小。当年春季20~50 cm土壤相对湿度与沙尘暴日数呈负相关，20 cm土壤相对湿度相关性最大，相关系数为-0.312，但均没有通过显著性检验，10 cm的土壤相对湿度的相关性很小。

可见10~50 cm土壤相对湿度与春季沙尘暴日数的相关性较小或相关不显著，可能由于沙尘暴是大风将地面干燥沙土吹起而引发的，发生在地表面，而10~50 cm土壤相对湿度反应的是地面以下10~50 cm深度的干湿状况。

3.3 气象因素

沙尘暴的发生受下垫面状况、气象、人为等诸多因素的综合影响，主要受气象因素的影响[8]，分年和季节不同时间尺度进一步分析气象要素与沙尘暴相关性。表2可知，前一年平均气温、水汽压与春季沙尘暴日数为负相关，平均风速则为正相关，且均通过了P= 0.001的显著性检验，平均气温的相关性最强，相关系数为-0.497，说明前一年平均气温较低，有利于来年春季沙尘暴的发生。而前一年降水量、大风日数、气温日较差、日照时数与春季沙尘暴日数相关性很小。所以前一年平均气温低、水汽压小、平均风速大，有利于春季沙尘暴天气的发生。

表 2 年平均气象要素与春季沙尘暴的相关性

表从3可以看出，前一年夏季和当年春季大风日数与春季沙尘暴日数呈正相关，且通过了0.05的显著性检验，当地面风速大于起沙风速的情况下，风速越大，沙尘暴越容易发生。前一年夏季和当年春季大风日数越多，越有利于沙尘暴的发生。而降水量、积雪日数、降水日数、气温、相对湿度、最大冻土层与春季沙尘暴既有正相关又有负相关，但相关系数的绝对值均在0.3以下，且没有通过显著性检验。