和田地区近60 a沙尘天气的时空变化特征

开买尔古丽·阿不来提，毛东雷，王雪梅，曹永香

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830054)

全球气候变化已成为国际和国内广泛关注的问题，而沙尘天气是在一定的气候条件和地理背景下发生的灾害性天气，沙尘天气主要分为沙尘暴、扬沙、浮尘3个等级[1]。沙尘天气对环境和人类活动形成了重要的影响，一直是气象领域研究的热点问题之一。目前，新疆南部盆地、河西走廊、西藏西北部和内蒙古西部是沙尘天气高发地区[2-4]，这些地区多年沙尘天气日数呈下降趋势[5-8]。在沙源地区，地面热对流极其不稳定，热对流胞与中尺度(反)气旋性涡旋耦合作用，进而形成沙尘暴天气[9]。许多学者从不同角度研究了沙尘天气形成的原因，柳丹等[10-12]用卫星遥感、后向轨迹等方法研究了沙尘天气形成的动力和热力原因，发现沙漠地区太阳辐射与沙尘天气有较高的相关性；邓祖琴等[13]研究得出太阳辐射引起的热量对流是影响沙漠地区沙尘气溶胶最重要的因子；黄鳞等[14]认为植被覆盖度是风沙灾害频发的主要原因，而新疆塔里木盆地作为沙尘灾害多发区之一，气候特征表现为气温明显上升，降水量明显增加[15-16]，降水稀少、气候干旱的自然条件使新疆的植被覆盖度低，导致沙尘灾害频繁。

以往的研究对我国西北地区的沙尘暴趋势和突变分析较多，时空尺度小，不能完全代表新疆在内的局部地区的沙尘天气分布特点。本文选取了我国沙尘发生率最严重区域之一的新疆塔克拉玛干沙漠南缘的和田地区，利用皮山、策勒、墨玉、和田、洛浦、民丰、于田7个气象站观测数据，定量分析和田地区7个县域1960～2018年间的各沙尘指标日数年际、月际趋势和特点，揭示和田地区沙尘暴日数突变规律和沙尘天气时空变化原因，旨为和田地区改善生态环境，规避沙尘灾害提供科学依据。

1 研究区概况

和田地区(E 77°30′～84°30′,N 34°～38°)属于暖温带极干旱荒漠气候，年平均气温为11.0～12.1 ℃,年降水量为28.9～47.1 mm,年蒸发量2 198～2 790 mm[17]。包括7县1市，分别为皮山县、策勒县、墨玉县、和田县、洛浦县、民丰县、于田县、和田市。和田地区位于塔里木盆地西南部，南邻昆仑山，西达喀拉昆仑山和帕米尔高原，东北部位于塔克拉玛干沙漠；因高大山脉阻隔，使水汽和冷空气很难到达和田地区，形成夏季炎热，冬季寒冷，降水稀少，蒸发强烈的气候特点。植被覆盖度低，地表沙土大面积裸露，该地区的沙尘灾害频发，是我国浮尘、降尘最严重的地区之一[18](图1)。

图1 和田地区区位图

2 材料与方法

本文利用1960～2018年和田地区皮山、策勒、墨玉、和田、洛浦、民丰、于田等气象站数据，包括平均气温、平均降水量、平均扬沙、浮尘、沙尘暴日数等数据。

用线性拟合法[19]分析沙尘天气各要素的趋势变化，使用非参数Mnn-Kendall趋势统计检验方法[20]进一步确定沙尘暴、年均气温、降水的显著变化年份和趋势，用相关性分析方法[21]对典型区域进行显著性判别，进而对沙尘天气的时空变化规律进行分析，同时探讨和田地区县市出现沙尘天气时空规律上的的共性、差异及原因。采用ArcGIS、Excel、SPSS17.0、Origin等软件进行数据处理和制图。

3 结果与分析

3.1 和田地区沙尘天气的时空变化分析

3.1.1 区域整体变化分析 和田地区近60 a来平均沙尘暴、扬沙、浮尘、总沙尘日数分别为17.5、54.5、143.6、215.8 d，整体呈不同程度的下降趋势(图2)。和田地区最高沙尘暴日数出现在1960年，为42 d，最低沙尘暴日数出现在2012年，为3.8 d；和田地区最高扬沙日数出现在1966年，为87 d，最低扬沙日数出现在2014年，为23 d；和田地区最高浮尘日数出现在1976年，为211.2 d，最低浮尘日数出现在2012年，为68.3 d；和田地区最高总沙尘日数出现在1966年，为323.6 d，最低浮尘日数出现在2012年，为105.4 d。

图2 1966～2018年和田地区沙尘天气整体变化趋势

多年来，沙尘暴出现次数最少的年份是2012年，和田地区沙尘天气呈现减少趋势，主要是气温逐年上升，从帕米尔高原入侵的冷空气减少，新疆低气压减弱，从而塔里木盆地西风减少，导致沙尘天气减少[22]。近年来，随着生态环境的改善，对沙尘灾害的防治也愈来愈受到重视，在南疆盆地，通过减少耕地面积，恢复生态脆弱区的天然草原植被，可有效的降低了沙尘暴的发生频率[23]。总体来说，近60 a和田地区的沙尘日数变化呈现下降趋势。

3.1.2 月际变化 民丰、和田、策勒、于田、洛浦、墨玉，月均沙尘暴日数高峰均出现在5月，峰值分别为6.3、4.3、3.9、3.3、2.9、2.7 d，皮山的峰值出现在6月，为4.2 d(图3)。皮山、策勒、和田、于田、墨玉月均扬沙日数高峰均出现在5月，为13.6、9.47、9.8、8.4、7.5 d，洛浦和民丰高峰值出现在6月，为12.1、9.47 d。和田、民丰、皮山、策勒、于田、墨玉月均浮尘日数高峰出现在5月，为23.5、22.5、19.6、18.2、17.8、16.4 d，洛浦高峰值出现在4月，为18.6 d。

图3 1966～2018年各县市沙尘天气月际变化图

民丰、和田、策勒、洛浦、于田、墨玉月均总沙尘日数高峰出现在5月，为40.5、37.7、31.6、30.2、29.5、26.5 d，皮山高峰值出现在6月，为35.2 d。各县市月均沙尘暴、扬沙、浮尘、总沙尘日数低峰值都出现在12月和1月，民丰月均沙尘暴日数低峰值为0.2 d，其余县市为0 d，民丰月均扬沙日数低峰值为1.1 d，其余县市低峰均小于0.6 d；和田和民丰月均浮尘日数低峰值为5.8、4.4 d，其余县市低峰值均小于3.1 d；和田和民丰月均总沙尘日数低峰值为6.3、5.8 d，其余县市低峰均小于3.4 d。

沙尘天气集中发生在春夏季(4、5、6月)，而在秋冬季节明显减缓(11、12、1月)，沙尘天气在民丰、和田、皮山发生频次高，而于田和墨玉发生频次低。在3种沙尘天气类型中，月均浮尘天气持续时间最长。

3.1.3 年际变化 1966～2018年，年均沙尘暴出现日数由多到少的县市依次为民丰、和田、策勒、皮山、洛浦、于田、墨玉，分别为31.1、19.2、17.7、16、10.9、10.7、10.6 d(图4)。年均扬沙出现日数由多到少的县市依次为皮山、民丰、策勒、和田、洛浦、于田、墨玉，分别为77.6、73.3、52.3、51.7、46.9、38.0、35.0 d。年均浮尘出现日数由多到少的县市依次为和田、民丰、洛浦、皮山、策勒、于田、墨玉，分别为190.4、179.0、139.7、134.1、132、126.6、114.0 d。年均总沙尘出现日数由多到少的县市依次为民丰、和田、皮山、策勒、洛浦、于田、墨玉，分别为283.5、263、229.1、202.5、197.2、174.4、159.7 d。

图4 1960～2018年各县市沙尘天气年际变化图

7个县市的年均沙尘暴、扬沙、浮尘、总沙尘天气日数均符合线性关系，整体呈现下降趋势。沙尘暴日数随年份的变化线性拟合度较好。

3.2 典型区域分析

墨玉出现的沙尘天气日数在7县市中最少，民丰出现的沙尘天气日数最多。民丰的沙尘暴日数比其他县域都要高，与其特殊的地理位置、大气对流作用以及气候因素有一定的联系，民丰地处南疆盆地，由冷高压从帕米尔高原进入南疆盆地[5]，从而使地面冷热不均，在南疆盆地形成西风。同时，在大尺度的环流调整过程中，西伯利亚的冷空气迅速进入我国西北地区，易造成大面积的沙尘天气[24]。民丰县发生的扬沙、浮尘日数、沙尘暴日数与大气相对湿度在0.01水平上呈显著的负相关性(表1)。夏季的土壤湿度和降水量大致呈正比的关系，降水量大小会影响地表土壤粘性变化，进而影响起沙过程[25]。民丰的年均降水量波动很大，大气相对湿度低，蒸发量较高，促使民丰土壤湿度小，容易起沙，同时还会影响到植被的覆盖程度，植被对沙尘有一定的抑制作用。自然因素在民丰沙尘暴的发生中起着重要作用，但人类不合理开发利用也促使民丰成为和田地区沙尘灾害最严重的地区之一。

表1 民丰、墨玉沙尘天气与气象要素相关性分析

墨玉大气相对湿度与扬沙、浮尘、沙尘暴日数之间在0.01水平上存在着显著负相关性，和流经墨玉的喀拉喀什河、东风水库有一定的关系。喀拉喀什河流经墨玉县，喀拉喀什河流域6～9月水量最高，11～12月基本无水[26]。而沙尘天气也在5、6、7月出现最多，近年来，和田地区的气温呈上升趋势，冰川和雪山融水增多，喀拉喀什河径流量增大，加上有东风水库的存在，该区域土壤和空气相对湿度明显增大，为植被的生长提供较好的水热条件，植被盖度有所提高，对墨玉的沙尘天气的发生有一定的抑制作用。

3.3 沙尘暴与气象要素M-K趋势分析

为了进一步判断沙尘天气、气象要素的变化趋势，对和田地区5县1市1971～2015年的沙尘暴、年均气温、降水用M-K方法进行突变检验(图5)。

图5 各县域沙尘暴、气温、降水M-K趋势检验

皮山的沙尘暴日数从1985年后，UF曲线超过95%置信度，呈显著的下降趋势，无突变；策勒和于田的沙尘暴日数从1995年开始，有显著的下降趋势，突变年份分别出现在1997年、1993年；和田和洛浦的沙尘暴日数在1989年、1991年后，呈显著下降趋势，和田无突变，洛浦沙尘暴日数突变年份为1988年；而民丰的沙尘暴日数呈现下降-上升-下降的波动趋势，2012年为突变年；和田地区沙尘暴日数显著下降年份集中在1985～1995年之间。皮山、洛浦1971～1991年年均气温UF超过95%置信线并呈现显著上升趋势，突变年分别是1996年、1997年；和田、策勒1971～1994年年均气温呈现显著上升趋势，突变年均为1998年；于田、民丰1971～1995年、1971～1996年年均气温呈现显著上升趋势，突变年分别是2002年、1996年；各县域年均气温整体呈上升趋势集中在1971～1996年之间。5县1市年均降水量的变化在2000年前整体呈上升趋势，2000年后呈波动下降趋势，各县UF和UB均有多个交点上升趋势不太显著。

从整体分析，各县市沙尘暴日数随年份变化呈现显著下降的趋势，与年均气温显著上升、降水波动上升关系密切。随着气温增高、降水波动上升，对和田地区植被的生长和繁殖带来了良好的水热条件，促使和田地区的植被覆盖度进一步提高，土壤湿度增加，土壤肥力增加，植被对当地的防风固沙能力增强，进而沙尘天气日数随着年份变化呈现下降的趋势。

4 讨论

沙尘暴的形成与大气运动有密切的关系，副热带西风急流是沙尘天气发生的动力原因，春夏季，急流在新疆低压槽底部和南亚高压北部，急流轴北移到N 30°～45 °，此时，塔里木盆地的沙尘天气急剧增强，在秋冬季，高压脊和低压槽的移动，导致急流南移，新疆塔里木盆地沙尘天气逐渐减少[27]。和田地区沙尘天气呈现减少趋势，主要是气温逐年上升，从帕米尔高原入侵的冷空气减少，新疆低气压减弱，从而塔里木盆地西风减少，导致沙尘天气减少[28]。近年来，随着生态环境改善，耕地面积减少，恢复了一些天然植被的覆盖率，沙尘暴的发生日数也随之减少。

和田各县域1966～2018年间月际沙尘天气变化是春夏多、秋冬少，与毛东雷等[29]得出的沙尘天气月际变化趋势一致。而本文研究的皮山、策勒、墨玉、和田、洛浦、民丰、于田多年均沙尘天气日数为229.0、202.5、159.7、263、197.2、283.4、174.4 d，与元天刚等[30]认为西部的塔克拉玛干沙漠多年平均沙尘指数高达235 d不一致，主要由于塔克拉玛干沙漠腹地的沙尘天气日数高于塔克拉玛干沙漠边缘地区。本文研究区处于塔克拉玛干沙漠南缘地区，近年来这些地区外围植被与防护林网日渐完善，沙尘天气日数呈现下降趋势。本研究在元天刚等[30]研究者的基础上，研究了近60 a的沙尘天气的变化趋势。本文研究得出年均扬沙、浮尘、沙尘暴总体呈现下降趋势，与R.Indoitu[31]发现沙尘日数变化总体趋势一致。本文研究发现民丰沙尘暴在1978年存在上升突变，与李红军等[32-33]在新疆、河西走廊地区的发生突变的年份不一致，但1978年民丰出现旱灾，所以民丰出现的突变可能与气候发生突变有关。民丰、和田、策勒沙尘灾害发生次数较多，皮山、洛浦、于田、墨玉沙尘发生次数较少，主要是因为民丰、和田、策勒降水较少，植被盖度相对差，容易起沙，所以区域沙尘发生率较高。而克里雅河流经玉田县，墨玉县有喀拉喀什河和东风水库，土壤含水率相对要高，不容易起沙，植被覆盖度高，沙尘灾害的发生率相对较低。

5 结论

1) 在时间尺度上，和田地区近60 a来平均沙尘暴、扬沙、浮尘、总沙尘日数分别为17.5、54.5、143.6、215.8 d，整体趋势呈不同程度的下降趋势。沙尘天气中年平均浮尘日数出现最多，为145.1 d，沙尘天气主要集中发生在春夏季节，秋冬季节下降。沙尘天气集中发生在春夏季(4、5、6月)，而在秋冬季节明显减缓(11、12、1月)，沙尘天气在民丰、和田、皮山发生频次高，而于田和墨玉发生频次低。在3种沙尘天气类型中，月均浮尘天气持续时间最长。

2) 在空间上，沙尘暴日数变化规律为东、南、西边缘的县市出现次数多(民丰、和田、策勒年均沙尘暴日数分别为31.1、19.2、17.7 d)，中部县市出现沙尘暴次数较少(皮山、洛浦、于田、墨玉年均沙尘暴日数分别为16、10.9、10.7、10.6 d)。7个县市的年均沙尘暴、扬沙、浮尘、总沙尘天气日数均符合线性关系，整体呈现下降趋势，其中各县沙尘暴的线性拟合度较高。

3) 墨玉沙尘灾害发生次数最少，民丰发生次数最多。民丰县与墨玉县发生的扬沙、浮尘日数、沙尘暴日数均与大气相对湿度在0.01水平上呈显著的相关性，由于相对湿度间接影响到植被覆盖度，进而影响了沙尘天气的时空变化。

4) 和田地区年均气温显著上升集中发生在在1971～1996年之间，年均沙尘暴日数显著上升年份集中在1971～1996年，而降水呈波动上升趋势。策勒、洛浦、于田、民丰的沙尘暴日数下降突变分别发生在1997、1988、1993、2012年；除于田气温上升突变出现在2002年外，其他县市气温的上升突变集中发生在1996～1998年，与各县市气温显著上升的年份吻合。

5) 和田地区近60 a沙尘天气日数的在时间和空间上的变化特征，主要是由该地区特殊的地理位置、地形、河流径流量、植被覆盖度等综合影响所致。本研究结果可为研究区人工生态修复、防风固沙提供理论依据。