2021年春季我国沙尘天气发生时空特征分析

孔祥吉,王 雨,黄 侃,贾远信,王 棒

(国家林业和草原局林草调查规划院,北京 100714)

沙尘天气是指沙粒、尘土悬浮空中,使空气混浊、能见度降低的天气现象[1]。包括浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5种类型。每年春季(3—5月),我国北方大部分地区都要不同程度地遭受沙尘天气的影响,给国民经济和社会发展带来较大的危害和损失[2]。2021年3月14日至15日,我国14个省(自治区、直辖市)出现明显的沙尘暴天气,部分地区发生强沙尘暴。这是近10年我国遭遇范围最广、强度最强的一次沙尘天气过程[3],是京津冀地区2021年首次遭受严重沙尘影响,也是北京近6年来首次出现沙尘暴天气,人们生产生活遭受严重影响。关于沙尘天气问题,我国学者已开展了不少的研究,主要是集中在沙尘天气的气候特征[4]、变化趋势[5-6]、灾害防治[7-8]等问题。或者是重点分析某一次影响较大的沙尘天气过程[9-10],但就某年、某段时间公众关注较高的沙尘天气问题进行系统分析的较少。本文通过参与2021年春季沙尘暴灾害应急处置工作,以2021年春季沙尘天气监测和统计资料为依据,分析了2021年春季沙尘天气的发生特征,讨论了2021年春节沙尘天气成因和特点,以期为我国沙尘天气的研究和沙尘暴灾害应急处置提供参考。

1 研究方法

1.1 数据来源

沙尘天气数据主要来源于国家林业和草原局荒漠化监测中心沙尘暴监测数据,大风、冷空气、温度等气象相关资料来源于中国气象局和《2020年中国气候公报》。2000—2021年归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)数据来自美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的MODIS13A2产品,时间分辨率为16d,空间分辨率为1km。2000—2021年降水、实际蒸散发、潜在蒸散发数据来自欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的产品,时间分辨率为1个月,空间分辨率为0.25°×0.25°。

1.2 多因子沙尘驱动力分析

沙尘暴监测数据包括沙尘过程、强度的判定,主要依据《沙尘天气等级》(GB/T 20480—2017),结合国家林业和草原局荒漠化监测中心自主研发的卫星遥感沙尘识别系统,分布于北京、天津、河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆等北方13省(自治区、直辖市)的600余名信息员实时上报的PM10浓度、风速、能见度等关键沙尘监测因子,以及与中国气象局进行实时会商,最终判定是否形成一次沙尘过程、强度如何。土壤湿润指数(Soil Moisture Index,SMI)是实际蒸散发与潜在蒸散发之比[11],利用Matlab软件对ECMWF的实际蒸散发和潜在蒸散发数据进行预处理得到2000—2021年土壤湿润指数。最后,利用ArcGIS软件进行分区统计,得到我国北方地区长时间序列NDVI、降水量和土壤湿润指数数据；利用SPSS软件对长时间序列的沙尘暴、大风、冷空气、NDVI、降水量、土壤湿润指数数据进行趋势分析,并绘制图表。

2 结果与分析

2021年春季,我国共发生9次沙尘天气过程,按沙尘类型分,扬沙5次,沙尘暴2次,强沙尘暴2次；按月份分,3月份3次、4月份2次、5月份4次。影响范围涉及西北、华北、东北、华东、华中、西南等21个省(自治区、直辖市)的1 209个县(市、区、旗),受影响国土面积约402万km2,受影响人口5.3亿人。

表1 2021年春季沙尘天气基本情况统计

2.1 沙尘天气年(际)变化

主要从沙尘天气次数、累计日数、持续日数等方面进行沙尘天气年际对比。2021年春季发生9次沙尘天气过程,较近20年(2001—2020年)的同期均值(10.35次)少1.35次,减少13.04%。2021年春季沙尘日数为7.12 d,较近20年同期5.59 d偏多1.53 d,增加了27.37%。2021年春季发生超过3 d(含)的沙尘天气过程达8次,较近20年同期均值4.5次偏多3.5次,偏多77.78%(图1)。

图1 沙尘天气过程超过3d(含)次数图

从年际对比中可以看出,2021年春季沙尘天气次数符合逐年减少趋势,但是累计日数、持续日数比同期偏多,分析其原因主要是一方面冷空气次数较多,欧亚中高纬地区大气环流活动是形成我国北方沙尘天气最为重要的气象条件,受到蒙古气旋和冷空气的影响,2021年春季冷空气次数有11次,较近20年均值9.5次偏多13.6%(图2)。另一方面是降水偏少,2020年12月至2021年2月,我国北方地区降水量为12.99mm,较近20年同期均值15.35mm偏少15.37%。这些都是导致2021年春季沙尘天气发生累计日数、持续日数等多于同期的关键因素之一。

图2 春季冷空气 大风日数与沙尘天气次数图

2.2 沙尘天气强度变化

主要从强沙尘暴、沙尘暴等高强度类型的沙尘天气次数、沙尘天气影响范围等方面进行沙尘天气强度对比。2021年春季发生2次强沙尘暴,较近20年均值1.4次多0.6次,增多了42.86%；发生2次沙尘暴天气过程,较近20年(2001—2020年)均值3.65次少1.65次,减少了45.21%(图3)。2021年春季,沙尘天气影响范围超过200万km2的有4次,为近17年最多,影响人口超过1亿人的有5次沙尘天气过程,为近15年最多。其中,3月13—18日的强沙尘暴天气,是近10年我国遭遇范围最广、强度最强的一次沙尘天气过程。

图3 春季沙尘暴 强沙尘暴次数图

通过沙尘强度的比较可以得出,2021年春季沙尘天气影响强度、范围都高于同期水平,特别是近10余年来强度和影响较为明显。究其原因主要是一方面遭遇极端天气,特别是冷空气大风的影响,2021年北方地区平均大风日数7.05d,较近20年均值7.02d偏多0.42%；另一方面气温偏高,土壤墒情较差,2020年12月至2021年2月,我国北方地区土壤湿润指数为16.62%,较近20年同期均值18.57%偏低10.50%,这也是2021年春季沙尘天气强度变化较大的直接原因。

2.3 沙尘天气起源及路径变化

影响我国的沙尘天气路径主要有3条,分别是东路路径、中路路径和西路路径[12]。主要从沙尘天气起源及路径进行对比。受地面冷锋和蒙古气旋影响,2021年春季,西路路径发生6次、中路路径发生7次、东路路径发生5次。同时,有8次沙尘天气来源于蒙古国进而影响我国北方地区,占到88.89%,其中有4次与源自新疆东部和甘肃河西走廊、3次与源自南疆盆地的沙尘一同影响我国。

通过对沙尘天气起源和路径的分析,2021年春季沙尘天气起源和路径特征明显。从沙尘源区植被长势角度看,我国北方地区2020年生长季(5—9月)植被长势较好,蒙古国南部植被长势整体偏差,是2021年春季沙尘天气起源和路径特征明显的原因。同时,与我国毗邻且在上风向的蒙古境内分布着大面积荒漠化土地,为境外重要沙源区,由于其植被长势整体偏差,地表条件比较有利于沙尘天气发生,这也是导致2021年春季沙尘天气多起源于蒙古国,沙尘天气多从中路、东路路径影响我国的重要因素之一。

2.4 重点区域(北京)沙尘天气变化

主要对北方地区城市化水平最高、人口最多的重点区域——北京,受沙尘天气影响的情况进行对比。受上游沙尘输送影响,2021年春季的北京沙尘日数达7d,较2020年同期2 d偏多5 d,增幅250%,较近10年同期2.7 d偏多4.3 d,增幅159%；较近20年同期5 d偏多2 d,增幅40%(图4)。2021年3月15日北京发生的近10年来强度最强的一次强沙尘暴天气,沙尘核心区域PM10高达近10 000μg/m3。

图4 北京2000—2021年春季沙尘天气日数图

从沙尘日数的变化可以看出,2021年春季的北京沙尘天气日数是近10年最多的,主要也是受2021年春季我国整体沙尘天气数量多、强度大的影响。同时,我国北方地区及蒙古国南部气温偏高,导致积雪提前融化,沙源地裸露,加上北京等地连续无降水日数突破历史极值,这些也是造成北京等重点区域受到了较强的沙尘天气影响的重要原因。

3 讨论与结论

3.1 讨论

1)通过统计2021年春季沙尘天气监测数据,并将其相应变化与近20年同期均值进行比较分析,可以发现:近20年,国家不断加大生态保护修复力度,我国主要沙尘源区植被状况持续向好,近20年沙尘天气发生次数逐步降低,2021年春季沙尘天气发生次数符合年际变化趋势。但是,我国地处中亚沙尘暴频发区,北方地区春季干旱,植被干枯,加之春耕破土,遇到大风很容易扬沙起尘。沙尘天气是一种自然现象,是特定气候背景下的产物,其形成需具备3个条件:强冷空气、不稳定的空气状态、沙尘源等[12]。2021年春季受比较强的蒙古气旋影响,冷空气次数较多、势力较强；2020—2021年冬季北方大部分地区降水偏少、气温偏高,再加上蒙古国南部植被长势整体偏差,这些因素综合形成了2021年春季沙尘天气年际变化多发，沙尘天气影响强度和范围均高于20年同期均值，沙尘天气多从中路和东路路径影响我国的沙尘天气发生时空特征。

2)武建伟等[13]、冯永忠等[14]研究指出,春季是北方地区沙尘天气的高发期,结合气候背景、地表状况的发展趋势,北方地区沙尘天气将呈整体下降的趋势,但不排除强冷空气造成较强影响沙尘天气的可能性。本文的分析能很好地印证上述研究成果,同时也能说明2021年春季沙尘天气数和强度明显高于近年同期的偶然性和不确定性。加上对重点区域(北京)的分析,回应了社会公众关注,避免了对沙尘暴“回归”等错误认识。

3.2 结论

1)2021年春季，我国沙尘天气次数偏少、日数偏多,沙尘过程时间偏长。2021年春季共发生9次沙尘天气过程、沙尘日数7.12 d、超过3 d(含)的沙尘天气过程达8次。冷空气次数较多、势力较强,是导致2021年春季沙尘天气多发的主要原因。

2)2021年春季，我国沙尘天气强度偏强、影响范围偏大。2021年春季发生2次强沙尘暴,沙尘天气影响范围超过200万km2的有4次。同年3月15日，北京时隔6年来首次出现沙尘暴天气。春季气温偏高、北方大部分地区降水偏少,特别是北京等地连续无降水日数突破历史极值,导致2021年春季沙尘天气影响强度、范围高于同期水平。

3)2021年春季，我国沙尘天气主要起源于蒙古国南部。2021年春季,有8次沙尘天气来源于蒙古国进而影响我国北方地区,沙尘天气发生路径中的中路路径、东路路径发生次数高于同期。我国北方地区植被长势较好,蒙古国南部植被长势整体偏差,造成2021年春季沙尘天气多起源于蒙古国南部。

4)2021年春季，我国沙尘天气引起了社会各界广泛关注。2021年3月13—18日发生的强沙尘暴天气,是近10年我国遭遇的范围最广、强度最强的一次沙尘天气过程,京津冀地区也遭受严重沙尘影响。近年来,我国防沙治沙工作不断推进,沙尘天气得到了非常明显有效的改善,但沙尘暴短期内无法消除,在非常极端或者不利的气象条件下,仍然会出现高影响的沙尘暴天气。持续开展荒漠化防治、提高沙尘暴灾害应急处置能力刻不容缓。