基于轨迹模型的和田绿洲沙尘移动轨迹及气象特征分析

2022-07-31艾沙江艾力徐至远徐海量木合塔尔吾提库尔麦麦提艾力麦麦提敏

环境工程技术学报 2022年4期

艾沙江·艾力，徐至远，徐海量*，木合塔尔·吾提库尔，麦麦提艾力·麦麦提敏

1.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室

2.新疆农业大学水利与土木工程学院

3.新疆和田地区墨玉县气象局

沙尘暴是我国西北地区经常发生的一种灾害性天气现象，也是影响环境质量的严重问题之一[1-4]。和田绿洲位于塔克拉玛干沙漠南缘，是全国沙尘天气最频繁发生的地区，年平均降尘量约为1 400 t/km2，年沙尘暴天数为32.9 d，扬沙天数为53.l d，而浮尘天数可达202.4 d[5]。频繁及强烈的沙尘天气已经严重影响到该地区人们日常生产、生活与生命财产安全[6-8]。因此，治理沙尘暴以及减少沙尘暴危害已成为该地区生态环境部门最关注的问题。然而，治理沙尘暴，不仅要了解沙尘暴频率、强度和季节变化，更需要对沙尘暴的来源、移动路径进行系统的研究，确认沙尘暴的方向，以便采取针对性的措施。但长期以来，由于沙尘暴的形成原因及影响过程比较复杂，对沙尘暴移动路径的准确判定比较困难。以往对塔克拉玛干沙漠地区沙尘暴研究主要以沙尘暴时空分布及其对环境质量的影响为主。如王旭等[9]结合南疆地区42个气象站1961－1999年的沙尘天气数据，分析了该地区沙尘暴时空变化特征。刘明哲等[10]分析了1942－2001年南疆各地沙尘天气与气象要素之间的相关性，以及沙尘暴对气候变化的响应。刘艳等[11]研究了全疆铁路线沙尘天气，将新疆铁路沿线区域分为高发区、多发区、易发区、影响区和无灾区5个等级。刘尊驰[12]结合沙尘暴监测数据，利用HYSPLIT轨迹模式，揭示了2005－2014年南疆5个分区的沙尘暴月频率、强度、输送路径、气象特征及影响范围。然而，以往研究都将塔克拉玛干沙漠乃至整个南疆作为研究区域，多以沙尘暴时空分布特征研究为主，但对具体区域沙尘天气格局、沙尘天气与气象要素的关系、沙尘颗粒来源及移动路径的相关研究较少。

根据《地面气象观测规范》中的沙尘暴天气等级，依据沙尘天气地面水平能见度依次分为浮尘、扬沙和强沙尘暴3个等级。浮尘即当无风或平均风速小于等于3.0 m/s时，沙尘浮游在空中，水平能见度小于10 000 m的天气现象；扬沙是指风将地面沙尘吹起，空气很混浊，水平能见度小于1 000 m的天气现象；强沙尘暴是指大风将地面沙尘吹起，空气非常混浊，水平能见度小于500 m的天气现象。混合单颗粒拉格朗日函数综合轨迹模型(hybrid single particle Lagrangian integrated trajectory model，HYSPLIT)是计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型[13-16]。轨迹聚类方法是通过对轨迹停留点的计算，得到轨迹的主要来源方向及其占比，并整合轨迹计算分析结果的信息，判断污染的主要来源方向。以往的研究经常将该模型用于分析大气污染物前向移动轨迹，却很少用于沙尘暴移动轨迹的研究[17-18]。笔者以和田绿洲西北部的墨玉县为研究区域，分析了2004—2018年不同沙尘天气发生的频率，并采用HYSPLIT模型和聚类分析法，分析在沙尘天气期间到达和田绿洲的气流的移动路径，对不同强度沙尘暴的移动路径及气象特征进行对比分析，以期为进一步研究和田地区和新疆干旱区沙尘天气特征以及减少沙尘暴危害提供科学依据。

1 数据来源与方法

1.1 研究区域概况

和田绿洲（79°30'E～80°30'E，37°00'N～37°30'N）位于昆仑山北麓，塔克拉玛干沙漠南缘，包括和田市及和田、墨玉、洛浦三县[19-20]。将墨玉县作为研究区域，对到达墨玉县的沙尘暴进行模拟研究。墨玉县（79°08'E～80°51'E，36°36'N～39°38'N）位于和田地区西北部，昆仑山北麓，喀拉喀什河西侧，塔克拉玛干大沙漠南缘，海拔1 120～3 663 m。墨玉县地势南高北低，南部为山腰起伏山区，中部为洪水冲积扇平原。气候属暖温带干燥荒漠气候，四季分明，夏季炎热、干燥少雨，春季升温快，秋季降温快，降水稀少，光照充足，无霜期长，昼夜温差大。年平均气温为11.3 ℃，1月平均气温为-6.5 ℃，7月平均气温为24.8 ℃，极端最低气温为-18.7 ℃，年平均降水量为36～37 mm，蒸发量为2 239 mm，无霜期为177 d，年日照时数为2 655 h[21-23]。干燥的气候和附近大面积的沙漠为当地沙尘天气的频发提供了有利条件[24]。

1.2 数据来源

2004—2018年的沙尘天气数据（浮尘、扬沙、沙尘暴发生日期）来自墨玉县气象局；2004—2009年以及2015年的地面气象要素数据（包括逐日平均气温、空气湿度、风向、风速）由于墨玉县气象局不全或者无法获取，从国家气象数据网站（http://data.cma.cn/user/toLogin.html）下载补充；2010—2014年以及2016—2018年的沙尘天气类型及频率数据来自墨玉县气象局。此外，为了更准确地分析沙尘天气的气象特征，还引入了每个沙尘天气日的大气混合层厚度和太阳辐射通量等数据，通过运行HYSPLIT后向轨迹模型获取。

1.3 研究方法

1.3.1 HYSPLIT后向轨迹模型

HYSPLIT模型是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)和澳大利亚气象局联合研发的。该模型利用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的全球资料同化系统(GDAS)资料，较准确地确定大气颗粒物的输送、扩散和沉积特征[13-17,25]。以墨玉县气象站点（75.25°E，35.71°N）上空 500 m 处的气团为运动终点，2004—2018年的每个沙尘天气日20:00(UTC，世界标准时间)为起始时间，采用HYSPLIT模型进行36 h的后向轨迹追踪，将模拟轨迹代表沙尘颗粒的移动路径。

1.3.2 聚类分析

本研究所用聚类方法为系统聚类，对样本分类采用欧式距离，欧氏距离是将m×n的数据矩阵X看作 m 个 1×n的行向量 x1，x2，…，xm，则向量 xi和xj之间的欧氏距离（dij）为：

将计算得到的后向轨迹根据气团水平移动速度和方向进行分组得出不同的输送轨迹组，对各组气团的发生天数、气象特征及移动路径进行分析对比[11-13,26-29]。

2 结果与分析

2.1 沙尘天气发生天数

2004—2018年，墨玉县总共发生了2 891 d沙尘天气，其中，浮尘天气发生天数为2 110 d，扬沙天气为571 d，强沙尘暴天气为210 d。各类沙尘天气发生天数年际变化如图1所示。从图1可以看出，2004—2018年，3种沙尘天气发生天数总体变化幅度不大。其中，浮尘天气发生天数变化最为明显，2006年、2011年和2016年的发生天数分别为180、171和175 d，比其他时段高，浮尘天气最低发生天数出现在2012年，为117 d。

图1 墨玉县各类沙尘天气发生天数Fig.1 Occurrence frequency of various dust weathers in Moyu County

2004—2018年墨玉县各类沙尘天气发生天数月变化如图2所示。从图2可以看出，沙尘天气主要集中发生在春夏季（3—7月），占全年发生天数的70.23%。5月浮尘和扬沙天气发生天数最高，分别为338和130 d，强沙尘暴天气在4月的发生天数最高，为64 d。冬季（11—次年1月）各类沙尘天气发生天数最低。

图2 墨玉县各类沙尘天气发生天数月变化Fig.2 Monthly variation of occurrence frequency of various dust weathers in Moyu County

2.2 沙尘天气与气象要素的相关性

为了进一步明确沙尘天气跟气象要素之间的相关性，采用线性回归分析法[30]分析了墨玉县2004—2018年沙尘天气月发生天数与各类气象要素的相关性。由于墨玉县降水量很小，没有统计意义，因此，选择了月平均风速、平均气温、平均气压和平均相对湿度等气象要素，进行相关性分析，相关系数及线性回归公式如图3所示。

图3 沙尘天气月发生天数与气象要素之间的关系Fig.3 Relationships between dust storm monthly occurrence frequency and meteorological factors

由图3可知，在月序列上沙尘天气发生天数与平均风速（R2=0.485 4，P＜0.01）和平均气温（R2=0.750 6，P＜0.01）呈高度正相关关系，与平均气压呈高度负相关关系（R2=0.684 8，P＜0.01），而与平均相对湿度相关性不明显（R2=0.191 7，P＜0.05）。说明风速和气温越高，沙尘天气越强，气压越低沙尘强度越高。风是近地表土壤风蚀和搬运、堆积的主要动力，在干旱气候条件下，风是造成风沙危害的直接动力条件。地面大风是影响沙尘暴发生的最为关键的因素。4—5月平均风速均在1.5 m/s以上，比全年平均风速高很多，强沙尘暴也主要发生在这段时间。气压差是导致气团运动的主要动力，一般情况下，气团从高气压区向低气压区移动，气压差越大水平气压梯度力就越大，故风力就越大。每年4—8月，墨玉县日平均气压浮动较大，尤其是在5月和6月出现了全年最低气压（8 500 hPa）。气压上的浮动导致强风和强沙尘暴的产生。

综上，沙尘天气的发生主要是由热力因素及动力因素中的平均风速引起，这与形成沙尘天气的基本条件是相符合的。而从各影响因子对沙尘天气发生的贡献程度来看，在年序列上风力对产生沙尘天气的影响占据了主导地位。

2.3 沙尘暴主要移动路径

对2 891次沙尘天气过程中的风向进行统计，近15年墨玉县主要风向以NW、WNW、E和ENE方向为主，这4个风向的频率占全年风向总频率的70.4%。其中，春季和夏季沙尘天气多发季节主要以WNW和E方向为主。为了进一步分析沙尘天气期间气流的移动路径，使用HYSPLIT后向轨迹模型和k-means聚散分析法计算墨玉县2004—2018年发生的2 891次沙尘暴的36 h后向轨迹，将模拟轨迹代表沙尘暴的移动路径，结果如图4所示。

由图4可知，墨玉县发生沙尘天气期间气团输送主要来自W、NW和NE方向，各方向的轨迹在长短、频率上有一定的差距。根据轨迹线路长短可判断气流移动速度，一般轨迹线越长，气团移动速度越快。根据气流轨迹空间分布特征的一致性，将到达墨玉县的2 891次沙尘暴气团轨迹进行聚类分析，气团移动的后向轨迹被分为4簇，分别为NW-W簇、N-N簇、NE-E簇和E-ES簇。将运行HYSPLIT后向轨迹模型得到的沙尘暴方向和对应时间地面风向监测数据进行对比，二者相同率为95.38%，说明本研究获取的轨迹模型具有很高的准确率。

图4 墨玉县沙尘暴36 h后向轨迹Fig.4 36 h of backward trajectory of dust storm in Moyu County

由于来自不同路径的沙尘暴移动速度和路过的区域不同，对应各簇沙尘暴气团的气象特征也有所不同，具体信息如表1所示。从表1和图4可以看出，NW-W簇气团从塔克拉玛干沙漠西北部开始向西移动，通过喀什绿洲北部到帕米尔高原东部向南移动，然后沿着塔克拉玛干沙漠西南向东移动，最终到达墨玉县。此簇气团移动的地面高度在4簇气团中最高，移动速度最快（1.51 m/s），移动轨迹最长，沙尘天气发生频率仅次于NE-E簇气团，但强沙尘暴发生天数为129 d，占墨玉县强沙尘暴总频率的61.4%。N-N簇气团从塔克拉玛干沙漠中西部开始向南移动直接到达墨玉县。此气团地面高度较低，移动速度较慢，沙尘天气发生天数也较少（352 d），但强沙尘暴的发生天数较高。气象特征方面，此簇气团平均气温最高（292.58 K），平均相对湿度最低（26.4%），属于高温、干旱气团。NE-E簇气团从塔克拉玛干沙漠中东部开始向西南移动，沿着塔克拉玛干沙漠南部，通过和田绿洲北部到达墨玉县。此簇气团移动高度、平均风速、平均气温都不高，移动速度也较慢。但沙尘天气发生天数最高，为1 764 d，以浮尘天气为主，占墨玉县浮尘天气总天数的69.5%。E-ES簇气团从塔克拉玛干沙漠中南部开始向西移动，然后转南移动到昆仑山北部转向，向北移动穿过和田绿洲，从西南方向到达墨玉县。此簇气团地面高度较高，移动速度较慢（1.36 m/s），3类沙尘天气的总发生天数最低，为 226 d。

表1 沙尘暴期间到达墨玉县的各簇气团的主要移动路径、沙尘发生天数及气象特征Table 1 Pathway, frequency and meteorological characteristics of each cluster of air mass reaching Moyu County during dust storm period

浮尘、扬沙和强沙尘暴的轨迹频率上有一定的差距，由于3种沙尘暴移动速度和移动方向不同，其轨迹频率覆盖的区域也有所不同。由图5可以看出，浮尘的轨迹频率覆盖的面积较小(76°E～84°E，36°N～39°N)，而强沙尘暴频率覆盖的面积很广（72°E～92°E，35°N～43°N）。

图5 墨玉县沙尘暴不同轨迹的发生天数Fig.5 Occurrence frequency of different trajectories of dust storm in Moyu County

由于移动路径不同，这4簇气团的气象特征也有明显的差距。NW-W簇气团移动的地面高度比较高，路过地势较高的山区，因此，此簇气团的相对湿度（34.9%±4.3%）、大气混合层厚度〔（1 856.55±265）m〕和太阳辐射通量〔（591.51±22）W/m2〕最高，移动速度也很快。强风很容易把沙漠西部的松散沙尘颗粒物吹到空气中，产生强沙尘暴。虽然研究区东部和北部都有足够的沙尘源，但是由于风力较弱、风速较慢，因此，来自东部和北部的强沙尘暴的发生天数较低，主要以浮尘天气为主。

由图4和可知，墨玉县沙尘暴输送主要来自西北、东北及西部方向。由于墨玉县地处塔克拉玛干沙漠南缘，西、北和东面直接跟塔克拉玛干大沙漠接触，因此，无论是来自东、西和北部的气流都能在该地区产生沙尘天气。从轨迹频率来看（图5），频率较高的区域（70%以上）都分布在墨玉县东部，这说明墨玉县主要沙尘颗粒来自东边的沙漠地区。

3 讨论

塔克拉玛干沙漠南缘是我国沙尘暴最频繁发生的地区，靠近沙漠的地理位置、大气环流格局以及绿洲边缘开荒引起的沙尘源的扩大，是该地区沙尘暴频繁发生的主要原因。和田绿洲沙尘暴的发生与气象因素有着很大的关系。不论从季节变化还是从年度变化来看，风速和气温对沙尘暴频率和强度的影响较大，且都呈显著的正相关性。风速越大，越易发生沙尘天气，说明动力条件是沙尘暴发生的最重要的条件。相对湿度和气压等因素也在不同程度上影响沙尘暴的发生。刘海涛等[31-32]分析了和田地区大尺度大气环流背景，指出塔里木盆地南缘在春夏季节大部分时间受热低压控制，容易产生热力不稳定因素。刘明哲等[10]以整个南疆地区为研究区域，分析了1942—2001年发生的沙尘暴频率和地面气象要素之间的关系，揭示了南疆各地区沙尘暴频率随着降水量和相对湿度的增加而减少，并提出风速是决定沙尘暴发生天数和强度的主要因素。从大尺度大气环流分析，塔里木盆地是个封闭式盆地，在东、北、西、南分别被青藏高原、天山山脉、帕米尔高原及昆仑—喜马拉雅山脉环绕。塔克拉玛干沙漠独特的地理位置导致独特的高空环流形势，进而决定着近地面风场特征。俎瑞平等[33]通过对1996—2000年17个气象站风资料的分析与计算，结合高空环流形势，对塔克拉玛干沙漠近地面风场特征进行了研究，指出塔克拉玛干沙漠近地面风场特征是在高空西风带的背景下，经过青藏高原、天山山脉的动力分支和抬升等作用下形成的；从行星风系来看，高空环流主要受中纬度西风带影响；然而，由于塔里木盆地四面环山，周围地形特别是青藏高原对环流形势有着直接影响，这导致塔里木盆地由东向西方向和由南向北方向的气流较弱。冬季塔克拉玛干沙漠大部分处于蒙古—西伯利亚大陆高压的西南缘，仅沙漠的西部边缘受西风的影响。冬季，尼雅河以东盛行偏东风，以西盛行偏西风；夏季，克里雅河以西盛行偏西北风和西风，以东盛行东北风；从东到西，东北风系影响逐渐减弱而西北风系影响逐渐加强；南北方向变化较为复杂。以上研究结果与本研究结果相似。和田绿洲位于塔克拉玛干沙漠与昆仑山之间，由沙漠与山地的气温、气压条件上的差距而产生的局地气流对沙尘暴的产生也有很大的影响。墨玉县强沙尘暴主要以NW-W方向为主，此簇气团气象特征为风速最快、大气混合层厚度和太阳辐射通量最大，正是因为这种气象特征和塔克拉玛干沙漠西南部的沙尘源的存在，导致了和田绿洲强沙尘暴以由西向东方向为主。使用后向轨迹模型模拟了到达墨玉县的来自不同方向的沙尘暴移动轨迹，这些轨迹与地方气流和季风气候的关系密切，春季受冷空气南下的影响，西和西北方向的气流占比很大，这导致NW-W簇沙尘暴气流的频率和强度较高；而夏季气流轨迹较为分散，以北、西和东方向轨迹并存，但气流移动速度不快，一般为1.34～1.41 m/s，因此，相应N-N、NE-E和E-ES方向沙尘暴主要以浮尘天气为主。鉴于资料限制，无法对来自不同方向沙尘暴的风场时空变化规律及其与沙尘暴强度的关系等进行深入研究，今后可进一步加强这方面的研究。