中国北方春季沙尘暴频数与北半球500hPa高度场的SVD分析

选取1957-2000年中国北方地区春季沙尘暴发生次数资料和北半球500hPa秋、冬、春季的平均高度场资料,对沙尘暴和高度场作SVD分析。结果表明,我国北方春季沙尘暴次数各地具有比较一致的变化趋势,表明可能与大尺度气候背景的变化有联系。变化的最敏感区域为内蒙古中西部地区、新疆西部、青海西部和东北地区。我国北方春季沙尘暴发生次数与同期及前期500hPa高度场有较好的相关关系,前期环流形势对春季沙尘暴频数有一定的指示和预测意义,冬季环流场尤其具有预报指示意义,因为前一年冬季北大西洋涛动对我国春季北方沙尘暴发生次数有影响。     

西北地区气溶胶的源和汇与沙尘暴研究综述

西北地区是我国沙尘暴发生次数频繁、发生强度最大的地区,近年来发生的大沙尘暴源地均位于新疆、甘肃和内蒙古的干燥沙漠或戈壁地带。由这些地区起源的沙尘既对全球气候有影响,又对全球化学物质的循环有重要意义。该地区荒漠化严重,已成为全球四大沙尘暴高发区之一的中亚沙尘暴区的重要组成部分,文中综合论述了中国西北地区沙尘气溶胶的源和汇与输运过程,概括性总结了近20多年来对西北地区沙尘暴的研究成果。     

1960-2012年河西走廊中部沙尘暴空间分布特征和变化规律

利用6个常规气象站1960—2012年的沙尘暴观测资料,分析了河西走廊中部近53年沙尘暴日数的年代际、年际、季节、各月变化和空间分布,并用Mann-Kendall检验法检验河西走廊中部沙尘暴序列是否存在突变现象;在分析沙尘暴变化规律的基础上,建立了河西走廊中部沙尘暴日数的均生函数预测模型。结果表明：该地区1960—2012年的沙尘暴日数以11.75 d/10a的倾向率递减;20世纪60年代至80年代中期为沙尘暴多发期,进入80年代末沙尘暴日数开始明显下降;20世纪70年代最多,60年代次之,80年代到90年代中期逐渐递减,从1997年开始到2004年又处于逐渐上升的趋势,突出年份是2001年,此年共21 d发生了沙尘暴天气;20世纪80年代河西走廊中部沙尘暴日数有一明显减少的突变,具体时间是1983年。与沙尘暴日数相关性最强的是年平均气温,呈显著负相关,其次是春季平均气温、冬季蒸发量和春季蒸发量,有5个站点的沙尘暴日数与春季平均气温呈显著负相关、与冬季蒸发量和春季蒸发量呈显著正相关,有3个站点的沙尘暴日数与冬季平均气温和冬季降水量呈显著负相关。据预测,2013-2032年河西走廊中部沙尘暴日数将呈继续减少趋势。     

河北省坝上地区1971-2010年沙尘暴日数变化特征及与气象因素关系

利用1971-2010年地面气象观测资料,分析了坝上地区沙尘暴日数的季节变化和年变化特征及其与大风、降水、气温的关系。结果表明：坝上地区沙尘暴日数具有明显的季节性变化特征,春季沙尘暴日数最多,占全年沙尘暴日数的84.88%,秋季最少,仅占全年沙尘暴日数的1.39%,冬季沙尘暴日数多于夏季;从年变化特征上看,20世纪70年代沙尘暴发生日数最多,80年代减少,90年代达到最少,2000年后沙尘暴日数又开始增加,但总体来说沙尘暴日数呈现出波动中下降的趋势;年沙尘暴日数和年大风日数有显著的正相关,与前期、同期降水量没有达到显著相关,但是有着很好的对应关系,与年平均气温有显著的负相关。     

南疆沙尘暴气候特征分析

根据新疆地面气象记录月报表,整理出1961-1999年39a南疆42个气象观测站的沙尘暴天气现象资料并进行统计分析,给出南疆地区沙尘暴的时空分布特征。结果表明:①南疆沙尘暴的高发区在塔克拉玛干沙漠,沙漠南缘高于其它周边地区;②沙尘暴的多发年代在20世纪70年代,90年代沙尘暴的发生明显减少;③沙尘暴主要出现在3~8月,最活跃的是4~6月;④塔里木盆地全天都有沙尘暴发生,主要是在2~6时、11~15时、19~24时三个时段,其它地区在15~22时;⑤塔里木盆地周边地区多数沙尘暴持续时间在25h以内,其它地区大多数沙尘暴持续在30min以内。沙尘暴的最长持续时间盆地周边超过20h,其它地区在10h之内。     

中国沙尘暴发生的气象危险度研究

引入沙尘暴发生的气象危险度的概念,通过数学模型、实例计算和数据分析, 得到了定量的沙尘暴发生危险程度评价指标,并绘制了中国沙尘暴发生的气象危险度区划图。结果表明: ①新疆南部地区沙尘暴发生的危险度最大（气象危险度最高达到4级）,其次是内蒙古西部、甘肃北部部分地区（气象危险度最高达到3级）。 ②大风是沙尘暴发生的重要驱动力,每次沙尘天气过程中都伴随较强的风速,但是,沙尘暴天气过程越强,风速越大的现象并不明显。 ③通过绘制中国沙尘暴发生的气象危险度区划图,可以更好地刻画沙尘暴发生危险程度的空间分布特征,同时也为沙尘暴预报和灾害评价提供了重要参考。     

2011年春季中国北方沙尘天气过程及其成因

2011年春季,中国共出现了7次沙尘天气过程,其中沙尘暴4次,强沙尘暴2次,沙尘天气频次总体偏少、强沙尘暴偏多,影响范围较广。通过对2010/2011年冬季及2011年春季天气气候特征的分析表明:①2010/2011年冬季,冷空气偏强,气温偏低,有利于土壤冻结,同时新疆大部、内蒙古西部及东北部分地区降水偏少,使得前期地面植被状况偏差,进入2011年春季,中国北方大部地区降水仍偏少,地面植被状况虽未得到改善,但气温仍偏低,土壤解冻较晚,而2011年春季冷空气较常年偏弱,使得2011年沙尘暴发生时间较常年偏晚,且沙尘天气过程偏少;②中国北方沙尘天气常发区域土壤湿度较常年偏高,土壤状况良好,土质不够疏松,是2011年春季沙尘天气偏少的一个重要因素;③2011年春季蒙古国及内蒙古大部地区纬向风为偏西风的负距平区,不利于起沙及沙尘粒子向东输送。     

西北地区大风日数的时空分布特征

利用选取的西北5省(区)以及内蒙古西部(110°E以西)分布均匀的127个气象站1960-2000年41a逐月大风出现日数资料, 分析研究了西北地区大风的空间、时间特征, 并具体分析了大风与沙尘暴的时空关系, 揭示了西北地区大风分布的一些新事实。西北大风天气可划分为较少区(年均大风日数小于10d)、较多区(年均大风日数10~50d)、多发区(年均大风日数50~100d)和频发区(年均大风日数大于100d)。西北地区大部分区域为大风较多区, 占总站数的614%, 大风频发区分布最小; 大风最频繁发生的地方在新疆西北部的阿拉山口, 年平均大风日数超过160d, 平均不到3d就有一次大风天气, 大风日数最少的地方是陕西北部延安, 平均每年发生大风天气的日数不到1d。大风日数空间分布与地形有很大关系, 两山之间的峡谷地带以及高山和青藏高原极易出现大风天气。西北地区多数台站近40a来大风呈减少趋势, 其中新疆西北部、甘肃河西走廊西部和陕西东部等地区减少最为明显, 大风增加的区域主要集中在新疆东北部到青海西部地区, 其代表站年均大风日数从20世纪60年代到80年代中期以后增加了近3倍, 达到190d。总体来讲, 西北地区大风天气最多的季节是春季, 以5月最多, 其次是夏季, 秋、冬季特别是秋季大风最少; 陕西、甘肃中南部夏季大风较多, 青海东南部则夏季最最少, 冬季大风更多一些。进一步分析表明, 西北地区大风频发区与沙尘暴频发区并不完全重合, 例如, 南疆是西北乃至我国沙尘暴最频发区之一, 但是南疆却是西北地区大风的较少区, 年大风日数远少于沙尘暴日数。同样是沙源丰富的沙漠地区, 也都是我国沙尘暴的主要频发区, 但是塔克拉玛干沙漠及其附近地区的沙尘暴日数远多于大风日数, 而巴丹吉林沙漠地区的大风日数却比沙尘暴日数明显偏多。最近40 a西北地区大风与沙尘暴发生次数随时间变化趋势一致, 基本呈线性减少特征, 这说明在下垫面状况不变或变化不大的情况下, 近年来沙尘暴次数减少可能主要是由于大风天气(沙尘暴驱动因子)减少而造成的。大风的时间变化可以决定沙尘暴随时间的变化。     

生态退化状况下的宁夏沙尘暴发生发展规律特征

利用近10 a宁夏8大类土地详查资料和沙尘暴实况及风速资料,结合亚洲环流指数和NCEP(1990-2002年)全球再分析资料,对宁夏沙尘暴多发区生态环境年际变迁与沙尘暴演变规律特征进行了综合对比分析。结果表明:近10 a来,宁夏生态环境状况整体呈逐年退化趋势,尤其是中部干旱带地区,由于牧草地和耕地面积明显减少,草场品质及载畜量下降,恶化趋势更为严重;在同等气象条件下,多发区沙尘暴发生前后的风速为逐渐减小趋势,这与宁夏地区生态特征量有显著的相关关系,且近10 a沙尘暴多发的4月,其发生次数在20世纪90年代后期有所增多。即生态环境的退化,导致宁夏中部干旱带地区沙尘暴起暴阈值明显下降,发生机率在显著提高。     

西北地区东部群发性强沙尘暴序列的建立与分析

利用1954－2001年60个站的气象实测资料，探讨了西北地区东部群发生强沙尘暴的认定标准，建立起该地区近48年较完整的群发生性强沙尘暴序列，并初步分析了该地区群发性强沙尘暴的时空分布特征和年际变化。结果表明：近48年西北地区东部共出现了99例群发生强沙尘暴；阿拉善高原，鄂尔多斯高原及河西走廓的大部分地区是强沙尘暴的主要多发区；强沙尘暴的多发季节为3－5月，约占全年的78．8％；强沙尘暴的发生次数，持续时间和覆盖范围以20世纪90年代最少，最短和最小，但是1997年以后有明显的增加趋势。     

我国沙尘暴的时空分布规律及其源地和移动路径

利用1971-1996年的地面气象记录月报和地面天气图资料，系统分析了我国沙尘暴的年际变化趋势及其时空分布规律，研究了沙尘暴的移动路径和源地，结果表明：1971-1996年，除青海、内蒙古的部分地区及北京等地外，我国各地沙尘暴发生的总次数呈现明显的下降趋势；根据沙尘暴的起源，可将发生在我国的沙尘暴天气过程分为外源型和内源型沙尘暴2类；外源型沙尘暴的移动路径主要包括北路和西路2条，其中北路沙尘暴侵我国的范围在西起新疆东部的哈密，东至内蒙古锡林郭勒盟的中蒙边境，西部沙尘暴入侵我国的范围在南疆和北疆的部分地区；我国沙尘暴源地主要集中在南疆和北疆的沙漠及其周边地区，甘肃河西走廓和内蒙古干燥沙漠及青海柴达木盆地等地。     

甘肃春季沙尘暴环流特征及其时间尺度诊断分析

根据43a甘肃春季沙尘暴日数距平序列选取了甘肃春季沙尘暴多发年和少发年。对甘肃春季沙尘暴多发年和少发年前期冬季(12月至翌年2月)和同期春季(3~5月)500hPa环流距平场合成结果表明, 前期冬季东亚大槽、同期春季蒙古气旋是影响沙尘暴发生多少的主要系统。西风指数和东亚北风指数计算结果表明, 沙尘暴多发年与少发年指数差异明显, 沙尘暴与冬季风联系紧密。甘肃春季沙尘暴小波变换分析, 清楚地反映沙尘暴不同频域的变化特征及其交替作用; 不同频域小波系数变化说明21世纪初沙尘暴将趋于增加。     

东亚中纬度地区前期降水对中国北方春季强沙尘暴影响初探

利用1980～2002年春季中国北方典型强沙尘暴序列和1979～2002年地面气象台站记录与卫星观测同化处理的格点降水资料(CMAP),分析了中国北方春季强沙尘暴活动与其前期大尺度降水异常的关系。研究结果表明,中国北方春季(3～5月)强沙尘暴活动与东亚中纬度地区前期年(前一年6月至当年5月)平均降水有较高相关,其中蒙古西南部和东南部,中国新疆北部局部地区和内蒙古中部为高相关中心,是重要的沙尘源地。前4个季度中前一年夏季(6～8月)降水与来年春季强沙尘暴活动负相关最高。另外,通过春季强沙尘暴活动与其前期土壤湿度和同期地表植被覆盖状况这两种和降水有关的下垫面因子的相关分析,发现前一年6月至当年5月的年平均土壤湿度及春季平均植被指数均与春季强沙尘暴序列有较高的负相关,而且高相关区的分布与降水场高相关区的分布大致相同。     

MODIS雪深反演数学模型验证及分析

在MODIS卫星遥感积雪监测的基础上,利用雪深反演数学模型、积雪指数NDSI和多光谱阈值等相结合的方法,对2004年以来新疆北疆地区的积雪分布状况进行了反演和计算,并利用2004年11月～2005年3月冬季北疆地区气象台站雪深数据和2004年12月～2006年1月加密野外实测雪深数据,对反演雪深数据进行了验证及分析,北疆各地除塔城地区反演精度为83.2%以外,其它地区反演精度达85.2%以上,平均反演精度达86.2%;野外实测数据验证反演精度达92%以上。     

新疆沙尘暴天气的气候特征

根据地面观测资料,整理出1961-1999年39 a新疆90个气象观测站的沙尘暴天气现象资料并进行统计分析,给出新疆沙尘暴的时空分布特征,并以分钟为单位得到沙尘暴的日变化和持续时间。结果表明:①新疆沙尘暴的地理分布特点是北疆少南疆多、山区少盆地多,高发区在南北两大沙漠中,沙漠南缘、山脉北麓出现的沙尘暴多于其他周边地区。②沙尘暴的高发年代多在60年代和70年代,90年代沙尘暴的出现日数明显减少。③沙尘暴主要出现在4~8月,10月到次年3月少有沙尘暴发生。多发时段在16~21时,持续时间北疆一般不超过60 min,南疆一般不超过90 min,塔里木盆地南部沙尘暴的持续时间最长。     

河西走廊沙尘暴50 a频率突变检测分析

 利用1958年至2007年民勤、敦煌、武威、张掖、景泰的沙尘暴春季发生频次资料,运用滑动t检验和滑动F检验进行突变检测分析,根据检验结果综合确定突变点及其突变强度,寻求沙尘暴发生频率突变规律及产生原因,为沙尘暴发生频率的变化趋势研究和预测提供参考。滑动t检测结果显示,5站点的沙尘暴春季频率突变数量呈现往东部递增的趋势;降低突变较多;升高突变年份集中在20世纪60年代末期和90年代末期,降低突变主要出现在1983年及2002年前后;均值降低突变强度大于升高突变。滑动Ｆ检验结果显示突变均是方差降低突变;河西走廊中东部的沙尘频率波动性差异较其他地区更为显著;方差突变出现在80年代中期及90年代初期,其余时间的波动性的差异维持在一个较低的水平。当对沙尘暴发生频率进行滑动t及滑动F检验时,两种情况下的降低突变检测结果存在一定的对应关系。河西走廊地区的沙尘暴发生频率突变与地面风速、大风日数、降水量及平均气温的突变存在密切联系,可作为沙尘暴频率突变的预测因子。     

中国北方中西部沙尘暴气候特征

利用1954—2005年西北五省（区）及内蒙古沙尘暴观测资料,分别对沙尘暴的年变化、日变化和持续时间频率分布进行分型和分析,初步探讨了不同类型沙尘暴时间变化特征及其成因。结果表明,沙尘暴发生日数的年变化趋势可划分为4大类型,即春季型、冬春夏型、春夏型和冬春型,它们分别占总数的29.7%、29.7%、27.1%和13.5%,除冬春型冬季沙尘暴发生最多外,其他类型均为春季最多;沙尘暴日变化可划分为3种类型,各型高发时段和峰值时间均有明显差异;持续时间分布规律也划分为3种类型,短时型、中间型和持续型。上述类型划分及分析结果表明,沙尘暴的时间变化特征也存在明显的地域差异,这一差异是某一时期内强风、沙尘源和不稳定层结三者在不同地区配置情况差异的综合反映。     

地面风速的气候特征及其对沙尘暴的影响研究

利用EOF和典型相关统计方法,分析了我国北方近30 a地面风速变化的时空异常特征及其对沙尘暴的影响。结果表明:20世纪70年代我国北方普遍风速较大,80年代西北、华北、华东地区地面风速有所减小,90年代我国大部分地区风速明显减小;地面风速与沙尘暴存在着较好的正相关关系,即当冬季初春地面风速越大,后期年、春季、4月沙尘暴就越多;冬季初春地面风速越小,后期年、春季、4月沙尘暴就越少。相关最显著区域在南疆盆地、河西走廊及阿拉善高原。     

我国沙尘暴发生日数的空间分布格局

根据全国近30 a的沙尘暴记录,运用分形分析得出,在不同的降水量区域,沙尘暴的发生规律明显不同。中国北方沙尘暴发生日数平均为4.4 d·a-1。年降水量≤305 mm的地区沙尘暴发生日数最多,平均为9.9 d·a-1,这是荒漠和半荒漠地区,主要是我国传统的畜牧区;305 mm<年降水量<570 mm的地区平均为4.0 d·a-1,这是草原区,主要是传统的农牧交错带。年降水量≥570 mm的地区为0.4 d·a-1,主要是我国的农耕区。305 mm<年降水量<570 mm的区域,沙尘暴发生的频率随降水的变化幅度最大,为4.1,年降水量≤305 mm地区,沙尘暴随降水的变化幅度最小,为0.3。分析认为,我国沙尘暴危害的防治需要构建牧区—农牧交错带—农区生态农业体系。     

南疆盆地翻山型沙尘暴环流动力结构分析

2003年4月8日至9日发生了一次超极地冷空气入侵新疆并翻越天山造成南疆盆地大范围强沙尘暴过程,分析沙尘暴强盛期的高度场、高空急流异变、螺旋度场、散度场和不稳定发展,揭示了该类沙尘暴强盛期的环流动力结构。结果表明:①伊朗高压的爆发性发展与乌拉尔山脊叠加形成长波脊,导致泰米尔半岛的极地强冷空气南下,并直插新疆越过天山到达塔里木盆地,造成大范围沙尘暴天气;②强沙尘暴天气产生的根本原因是西西伯利亚地面冷高压爆发性南下并强烈发展;③高空西风急流发生异变在南疆盆地上空形成急流区,并通过动量下传导致地面大风,是大范围沙尘暴发生的动力条件;④沙尘暴区上空螺旋度垂直分布低层为正值、高层为负值,揭示强的旋转上升运动是大范围沙尘暴发生的动力条件。⑤低层辐合高层辐散的垂直结构,易于发生近地面大风和上升气流;⑥该次沙尘暴是一次大范围强对流天气,大气层结处于对流中性或对流不稳定状态,但都有强的斜压不稳定发展,并冷暖空气交换剧烈。沙尘暴影响前塔里木盆地有一个能量明显聚集期,但聚集时间很短。