西北地区气候因素对沙尘暴影响的模型研究

气候因素是沙尘暴形成的必要条件之一,建立适合于西北地区衡量气候因素对沙尘暴影响的定量模型极为重要。在前人的沙尘天气模型基础上,强调在西北地区利用温度、降水量、蒸发量综合考虑地区水分均衡来计算干燥指数,并与大风日数和风速计算的风速影响指数共同建立新的沙尘暴气候影响指数模型。将模型实际应用于新疆、青海、甘肃、陕西、宁夏和内蒙古等西北6省区,利用6省区1961—1980年的气象资料进行回归分析,结果表明,气候影响指数D和沙尘暴日数S之间具有良好的相关性。并选取1981—2005年陕西、甘肃和内蒙古3地气象资料计算的沙尘暴日数预测值与3省区的实际值作比较,发现模型拟合程度较好,且在揭示气候影响因子对沙尘暴影响作用方面,效果较为显著。     

近45a我国沙尘暴和扬沙天气变化趋势和突变分析

利用1954-1998年我国334个站每月沙尘暴和扬沙发生日数资料,通过线性趋势估计和多项式函数拟合等方法分析了沙尘暴和扬沙日数的长期趋势变化和周期变化,发现沙尘暴和扬沙日数的总体趋势是下降的,沙尘暴和扬沙年平均日数都是在20世纪50年代最高,60年代减少,之后70年代又有回升的趋势,到80年代又减少,90年代最少。沙尘暴日数的变化存在着6.7a的周期及2.59a和3.38a的周期,并且2.59a和3.38a的周期都通过了α=0.1的显著性检验。扬沙不存在显著性周期。由于资料长度的限制,无法对22a以上的长周期进行分析。利用滑动t检验法和气候跃变参数J_y分析了沙尘暴和扬沙日数的突变问题,发现沙尘暴和扬沙日数从80年代到90年代的变化率最高,沙尘暴和扬沙分别在1985年和1984年发生了由多到少的突变。我国北方强沙尘暴的发生次数从50年代到90年代呈上升趋势,从而使沙尘天气对我国的影响不但没有减弱反而有增强的趋势;近年来,大范围的强沙尘暴天气出现的频率增加、程度增强、范围扩大,因此保护生态环境,防止土地荒漠化,是我们目前面临的紧要任务。     

黄土高原地区沙尘暴形成的自然地理因素:Ⅱ多元回归分析与地带性特征

以黄土高原地区227个县的资料为基础,运用逐步回归的方法,建立了年均沙尘暴日数与影响因子之间的多元回归方程。黄土高原地区沙尘暴的分布具有一定的地带性。从西北向东南,年降水量逐渐增加,气候由干旱、半干旱向半湿润过渡。地表物质由风成沙、沙黄土向典型黄土和粘黄土过渡,天然植被类型由干旱荒漠、干草原、森林草原、草原森林向落叶阔叶林过渡,自然地理因子的地带性分异导致了沙尘暴的频率按同一方向递减。建立的回归方程表明,地表物质的抗蚀性对沙尘暴的影响较大,年降水量次之,大风日数居第三。通过合理的人类活动增加地表的抗蚀性,可以减低沙尘暴的发生频率。     

塔里木盆地沙尘天气日数的变化及其与北大西洋涛动的联系

基于塔里木盆地35站1961-2007年的沙尘暴、扬沙日数的观测资料,分析了塔里木盆地春、夏季沙尘天气日数的时空变化特征及其变化的可能原因。结果表明,沙尘暴和扬沙日数呈显著减少趋势,沙尘暴日数在盆地的西南部,扬沙日数在盆地的东北部,减少幅度最大。春、夏季沙尘暴日数的气候突变发生在20世纪80年代的中后期,而扬沙日数在90年代的中后期。春、夏季沙尘天气日数以单月发生为主,连续2月及以上发生概率较大的区域集中在天山南坡,尤其在阿克苏地区。近20 a来,沙尘天气日数异常站数迅速减少,尤其在2000年后。相关分析表明,前冬北大西洋涛动指数与春、夏季沙尘暴日数有较好的相关关系,可以作为其短期气候预测的一个因子。     

2000—2020年中国西北地区区域性沙尘暴特征及成因北大核心CSCD

利用地面观测资料分析了2000—2020年中国西北地区区域性沙尘暴特征,同时基于气候动力因子、温度、降水和NDVI资料,研究西北地区区域性沙尘暴成因。结果表明:2000—2020年西北地区区域性沙尘暴年总日数呈波动下降趋势,且存在两个高(低)频期。春季是区域性沙尘暴高发季,其中4月总日数最高,达47 d;相较于上旬和中旬,春季各月下旬更易出现区域性沙尘暴。新疆南部的塔里木盆地、内蒙古中西部和甘肃河西是西北地区区域性沙尘暴高发区,总日数均在10 d以上,其余大部分地方总日数均小于8 d。北半球极涡面积指数、强度指数及亚洲区极涡强度指数均与区域性沙尘暴日数显著正相关,北半球极涡从扩张期到收缩期转变及其强度的减弱,是西北地区区域性沙尘暴减少的重要气候动力因素。西北地区年(春季)降水量和平均NDVI均与区域性沙尘暴日数显著负相关,近21年西北地区大部分地方气候趋于暖湿化,植被覆盖整体以改善为主要趋势,此种转变有利于沙化面积收缩,减少非输入性沙尘暴的发生。     

黄土高原地区沙尘暴形成的自然地理因素:Ⅰ影响因素分析

以黄土高原地区227个县的资料为基础,研究了沙尘暴的发生频率与自然地理因子之间的关系。研究表明,沙尘暴的发生频率与自然地理因子密切相关,年降水量越大,地表物质可蚀性越小,大风日数越少,年均风速越小,年均沙尘暴日数越少。     

土地利用变化对鄂尔多斯高原周边地区沙尘暴的影响

以鄂尔多斯高原周边地区为例 ,研究土地利用变化对沙尘暴的影响 ,建立了多年平均沙尘暴日数与沙漠化土地面积百分比之间的关系。该关系表明 ,当沙漠化土地面积百分比Rd大于 30 %以后 ,沙尘暴日数随Rd的增大而急剧增加。年均沙尘暴日数与耕地面积和大风日数之间的回归方程 ,结果表明 ,耕地面积减少和大风日数减少对沙尘暴减少的贡献率分别为5 9 7%和 4 0 3%。通过在干旱、半干旱脆弱生态条件下的地区进行土地利用结构调整和退耕还草 ,恢复草原生态系统 ,可以在一定程度上减低沙尘暴发生的频率。     

西藏高原沙尘暴气候特征及成因研究

利用1960—2000年西藏22个台站观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了西藏沙尘暴日数的时空特征以及沙尘暴异常的气候成因。结果表明：西藏高原年平均沙尘暴日数分布为西多东少,狮泉河、申扎和泽当为年沙尘暴日数超过10 d的中心,它们的年变化特征是1～5月多,7～10月少。年沙尘暴日数的年代际变化特征为中间多、两头少,在20世纪90年代达到最少。青藏高原上空的高空西风急流减弱是导致西藏大风、沙尘暴日数减少的主要原因,影响西风急流偏强（弱）的气候系统是东亚大槽偏浅（深）和青藏高原高压偏强（弱）。沙尘暴日数的年代际异常与高空西风急流、大风日数、降水等要素年代际异常以及沙尘暴区地形地貌等因素关系密切。     

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。     

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。     

西北地区东部沙尘暴转型对气候和生态环境变化的响应

 利用西北地区东部近50 a较完整的沙尘暴资料序列和1981年以来NOAA/AVHRR的NDVI数据,通过量化反演关键区植被覆盖率,并结合土地详查等代用资料的校准,对西北地区东部沙尘暴转型的生态演变量化特征与基本型态及沙尘暴过程发生频次、持续时间和高发站沙尘暴启动风速的年代际演变特征进行了综合分析。结果表明:1951年以来,西北地区东部沙尘暴过程发生频次出现了由多到少的明显转型,年突变出现在1987年,春季突变出现于1986年;近50 a,该区域年NDVI指数振荡幅度较大,并在波动中略有减小,生态环境整体呈退化趋势,在此背景下,沙尘暴过程持续时间明显增加,启动风速显著降低。依据生态/气候影响分析模型,在不同生态/气候型态下,西北地区东部沙尘暴过程频次和持续时间有明显差异,气候变化对沙尘暴过程发生频次具有明显的驱动作用,而生态环境的变化对沙尘暴过程持续时间有显著的调节与控制作用。     

新疆沙尘暴的趋势和突变研究

采用新疆77个站1961—2005年沙尘暴日数资料,使用Mann-Kendall趋势统计检验方法、最大熵谱分析,突变的t检验等方法分析了南北疆沙尘暴变化的趋势、周期和突变以及与气候变化的关系。结果显示：①南疆和北疆45 a沙尘暴趋势是减少的,南疆减小的趋势比北疆的强,两者趋势值是-0.25和-0.06,都通过了α=0.01的显著性水平检验,减少趋势中心分别位于南疆皮山、安得河附近和天山中段南北坡,20世纪80年代的减少趋势最大。②南疆和北疆低于45 a平均趋势值的年份大多集中在近20 a;南疆沙尘暴的周期分别为2.9 a和2.8 a,北疆为3.4 a和2.3 a。准3 a周期变化是南疆和北疆所共有的特征。③南北疆年沙尘暴日数与气温和降水呈反相关关系,与大风呈正相关关系,与大风的相关性最高;在南北疆,沙尘暴与气温、降水的相关性显著水平不同。受南北疆大风和降水量出现突变以及平均气温趋势出现明显转变影响,南北疆沙尘暴日数都在1987年出现突变。     

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。     

北极涛动异常对西北地区东部沙尘暴频次的影响

利用西北地区东部沙尘暴日数资料、北极涛动指数资料、东亚高低空大气环流形势场资料,分析了沙尘暴日数与北极涛动的关系,进而研究了北极涛动异常年东亚大气环流分布特征,探讨了北极涛动影响西北地区东部沙尘暴的可能途径。结果表明：西北地区东部沙尘暴频次呈波动减少之势,20世纪80年代中期发生气候突变;北极涛动指数与西北地区东部沙尘暴频次显著负相关,二者年际、年代际变化都有较好的应关系,北极涛动正位相年,西北地区东部沙尘暴偏少,反之亦然。究其原因：北极涛动异常对东亚冬季风强度、东亚高低空气压场、风场分布形势有重要影响：北极涛动正位相年,东亚冬季风、蒙古高压均偏弱;500 hPa高度场上,春季西风带纬向环流占优势,极涡面积偏小,强度偏弱,贝加尔湖阻塞高压异常强盛,蒙古国及我国华北和西北地区位于贝加尔湖阻塞高压底部的暖区里,地面至高空西北风偏弱;在这种形势下,整个中高纬度冷空气势力较弱,活动次数偏少,不利于大风、寒潮天气的发生,因此沙尘暴频次也偏少。而北极涛动负位相年基本相反。     

宁夏沙尘暴天气研究进展

概括地分析了宁夏沙尘暴天气的地理分布与时空演变特征、形成机理与成灾规律,以及沙尘暴与生态环境等方面的研究成果。 总结性地分析了宁夏中北部沙尘暴多发区生态退化、土地荒漠化与强沙尘暴间的相互关系等,取得了阶段性进展;同时也介绍了利用多源资料及相关科研成果,建立适合宁夏中北部地区气候特征的沙尘暴发生频率定量化模型等,以期对以后沙尘暴的更深入研究有所借鉴和帮助。     

西北特殊地形与沙尘暴发生的关系探讨

应用西北地区沙尘暴多发区中心站和毗邻站1961-1999年沙尘暴日数、大风日数和降水资料, 参考相应地区的地形和地表覆盖资料, 结合卫星资料监测事实, 分析了沙尘暴中心站沙尘暴高发以及毗邻站沙尘暴发生较少的原因, 探讨了地形与沙尘暴发生的关系。结果表明: ①沙尘暴中心站沙尘暴高发是地表状况、大风和地形共同作用的结果, 而沙尘暴毗邻站沙尘暴较少的主要原因为沙源与大风不匹配; ②地形对沙尘暴发生有重要作用, 干燥的下垫面产生的热力不稳定和特殊地形产生的气流加速和抬升作用, 对局地沙尘暴的形成和强沙尘暴的触发有重要作用; ③大风和降水的配置对沙尘暴发生有一定影响, 大风日数多且降水较少的时段为沙尘暴的高发期, 随着雨季的到来, 沙尘暴日数明显下降; ④下垫面与沙尘暴发生关系密切, 戈壁地表不利于沙尘暴的发生, 植被覆盖度的增加对沙尘暴有明显的抑制作用。     

用CEOF方法探讨形成西北地区沙尘暴天气的源地及传播特征

利用西北地区311个气象站自1961—2003年43 a沙尘暴天气过程资料及近年来作为天气气候过程诊断分析的新工具之一（CEOF分析方法）,分析研究形成西北地区沙尘暴天气的源区、传播方向及突变特征等。结果表明：①由沙尘暴天气日数及沙尘暴天气持续时间时变场CEOF展开的第一复主分量空间位相及空间振幅函数,对形成沙尘暴天气的源区有一个很好的反映,其空间位相函数的早位相中心与我国北方地区的主要沙漠区存在着很好的对应关系,并且沙尘暴天气持续时间时变场的CEOF展开项所包含的信息量更加丰富。②近43 a来西北地区沙尘暴天气日数总体上是在波动中不断减少的,其中前17 a间波动幅度相对较大,但基本没有出现明显的下降趋势,且属于沙尘暴天气的多发期,后26 a出现逐年下降的趋势。1977—1978年间是西北地区沙尘暴天气变化规律出现显著改变的时期。③1977年之前第二复主分量的时间位相序列为正位相,1978年以后出现位相上的突变,由正位相突变为负位相;第二复主分量的时间振幅在1975年之前偏高,1976年之后偏低;1976—1978年间西北地区沙尘暴天气日数由多发型转变为少发型。     

关于宁蒙陕农牧交错带重点地区沙尘暴灾害及防治对策

论述了宁、蒙、陕农牧交错带重点地区沙尘暴的时空分布,揭示了沙尘暴形成的原因,重点论证了人为不合理的经营在该区沙尘暴形成中的作用,并提出调整该区不合理的经营方向、方式,是防治沙尘暴形成的关键所在。     

宁夏春季典型沙尘暴年环流特征量分析

利用近1960-2000年宁夏春季沙尘暴发生次数及常规气象与环流特征量、海温等资料, 首先分析得出了宁夏近41a来沙尘暴发生频次的变化规律; 其次通过对宁夏典型沙尘暴多、少年气候特征对比分析, 发现沙尘暴多、少年前期气象要素及环流特征量存在明显差异: 沙尘暴少(多)发年前一年夏季及前一年夏季到当年春季累积降水量偏多(少); 冬春季冷空气活动次数偏少(多); 前期及同期北半球极涡面积偏小(大)、强度偏弱(强); 冬季东亚大槽位置偏东(西)、强度偏弱(强); 前一年春季北太平洋海温距平场表现为厄尔尼诺遥相关分布型(反厄尔尼诺遥相关分布型)。依据作用机理, 提出了在西北地区生态环境局部治理、整体恶化背景下, 宁夏春季沙尘暴发生频次减少, 主要是东亚环流调整、冬季风减弱所致, 同时还形成了宁夏春季沙尘暴短期气候趋势预测概念模型。