1980-2017年北京地區(qū)沙塵天氣的變化特征及其可能成因

黃紅麗

摘要：利用1980-2017年北京地區(qū)沙塵天氣、風(fēng)速、氣溫和降水資料以及1998-2017年沙源地衛(wèi)星遙感植被和積雪覆蓋資料，研究了北京地區(qū)沙塵天氣的變化特征及其可能成因。結(jié)果表明：北京地區(qū)沙塵天氣以揚(yáng)沙和浮塵為主、沙塵暴較少。沙源地植被覆蓋狀況是北京地區(qū)沙塵天氣的重要影響因子，沙源地植被指數(shù)增加則沙塵天氣減少;沙源地冬季積雪覆蓋面積增加對(duì)北京地區(qū)沙塵天氣減少具有一定影響。風(fēng)速和氣溫是影響北京地區(qū)沙塵天氣的重要?dú)夂蛞蜃?，起風(fēng)沙日數(shù)減少、氣溫上升則沙塵天氣減少;降水量增加對(duì)北京地區(qū)沙塵天氣減少具有較顯著影響。

Abstract： Based on the data of sand and dust weather， wind speed， temperature and precipitation in Beijing from 1980 to 2017， and the remote sensing vegetation and snow cover data in the sand source region from 1998 to 2017， this paper analyzes the variation characteristics of sand and dust weather in Beijing and its possible causes. Results show that： ①The sand and dust weather in Beijing mainly consists of blowing sand and floating dust， with few sandstorms. ②The vegetation coverage in the sand source region is an important factor that affects the occurrence of sand and dust weather in Beijing， and the sand and dust weather days decrease with the increase of vegetation index in the sand source region. The increase of winter snow cover area in the sand source region has certain influence on the decrease of sand and dust weather days in Beijing. ③Wind speed and temperature are the important climatic factors that affect the sand and dust weather in Beijing， that is， the sand and dust weather days decrease with the decrease of days with wind and sand and the rise of temperature. The increase of precipitation has a significant effect on the decrease of the sand and dust weather in Beijing.

關(guān)鍵詞：北京地區(qū);沙塵天氣;植被指數(shù);積雪覆蓋面積;氣候因子

Key words： Beijing area;sand and dust weather;vegetation index;snow cover area;climate factors

中圖分類(lèi)號(hào)：[P445+.4] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）24-0177-04

0 ?引言

沙塵天氣是在特定地理環(huán)境和大尺度環(huán)流背景下誘發(fā)的一種災(zāi)害性天氣（陳曉光等，2004），對(duì)生態(tài)環(huán)境、建筑、交通和人類(lèi)健康可造成不可避免的危害（葉篤正等，2000;周子江等，2003）。因此，沙塵天氣研究歷來(lái)受到高度重視（王式功等，2000）。

許多學(xué)者對(duì)中國(guó)北方及北京地區(qū)沙塵天氣的演變規(guī)律、影響因素及其沙源地進(jìn)行了深入研究，取得諸多成果。周自江和章國(guó)材（2003）認(rèn)為，1954-2002年中國(guó)北方地區(qū)大部分的沙塵暴和揚(yáng)沙發(fā)生頻率總體呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，只有小部分地區(qū)的少數(shù)時(shí)間呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。葉篤正等（2000）研究了1960-2000年華北沙塵天氣的成因及發(fā)展趨勢(shì)，認(rèn)為局部地表覆蓋狀況是強(qiáng)沙塵天氣產(chǎn)生的重要原因之一。高慶先等（2002）研究了1954-2001年北京地區(qū)沙塵天氣的發(fā)生頻率、發(fā)生規(guī)律和空間分布特征，以及北京地區(qū)沙塵暴的沙源地和本地影響。張小玲等（2005）針對(duì)2000-2002年北京沙塵天氣增加和2003年沙塵天氣迅速減少的現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)分析了近幾年北京沙塵天氣特征，并從大氣環(huán)流形勢(shì)、氣候特點(diǎn)、氣象要素以及可能影響北京沙塵天氣的沙源狀況進(jìn)行了研究。邱玉珺等（2008）認(rèn)為，渾善達(dá)克沙地是北京沙塵暴天氣的主要外地來(lái)源，外地沙源對(duì)浮塵、沙塵暴、揚(yáng)沙天氣的影響概率分別約為北京本地影響的4.6、2.2和1.6倍，北京本地自然因素對(duì)揚(yáng)沙和沙塵暴天氣的影響概率約為人為因素影響的4倍。鄭新江等（2004）、張志剛等（2007）、張鈦仁等（2012）對(duì)影響北京地區(qū)沙塵天氣的沙源地范圍進(jìn)行研究，認(rèn)為影響北京地區(qū)的沙源地為中國(guó)北部以及西北地區(qū);元天剛等（2016）認(rèn)為1961-2010年中國(guó)北方沙塵源區(qū)的沙塵強(qiáng)度呈明顯減小趨勢(shì)。

北京地區(qū)是我國(guó)沙塵天氣較為嚴(yán)重的區(qū)域之一，研究北京地區(qū)沙塵天氣的變化特征及其成因，對(duì)提高沙塵天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，控制和改善北京地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量，以及做好防災(zāi)減災(zāi)和城市規(guī)劃工作具有重要的科學(xué)意義。目前采用最新資料來(lái)研究北京地區(qū)沙塵天氣特征及其成因的工作還較少，因此，本文擬采用1980-2017年北京地區(qū)的沙塵天氣資料等，分析北京地區(qū)沙塵天氣（包括沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵）的年際變化特征，并探討北京地區(qū)沙源地下墊面狀況及相關(guān)氣候因子與沙塵天氣的關(guān)系，期望為北京地區(qū)沙塵天氣防治及綜合防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)，為北京城市規(guī)劃綜合考慮沙塵天氣因素影響等提供參考。

1 ?研究區(qū)域及資料和方法

1.1 研究區(qū)域和沙源地

本研究區(qū)域?yàn)楸本┑貐^(qū)，北京市南郊?xì)庀笥^(guān)測(cè)站是北京市氣象觀(guān)測(cè)代表站，位于北京市東南部大興區(qū)三臺(tái)山路亦莊橋北側(cè)（圖1）。張志剛等（2007）研究發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)的沙塵主要來(lái)自北部和西北地區(qū)，包括北京市以北的內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟、烏蘭察布市、包頭市、呼和浩特市和赤峰市，山西省朔州市和大同市，河北省張家口市和承德市等，面積達(dá)493883km2，其中巴丹吉林沙漠、烏蘭布和沙漠、毛烏素沙地和渾善達(dá)克沙漠是影響北京沙塵天氣的主要沙源地（圖2）。

1.2 資料來(lái)源和研究方法

本文氣象資料來(lái)自于北京市南郊?xì)庀笥^(guān)測(cè)站、衛(wèi)星遙感植被資料來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)上公布資料、衛(wèi)星遙感積雪資料來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心提供的美國(guó)NOAA衛(wèi)星和中國(guó)風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星觀(guān)測(cè)資料，其中氣象資料時(shí)段為1980-2017年、衛(wèi)星遙感植被和積雪資料時(shí)段為1998-2017年。本文采用了趨勢(shì)分析、相關(guān)分析等統(tǒng)計(jì)方法。

2 ?沙塵天氣的年際變化特征

《地面氣象觀(guān)測(cè)規(guī)范 天氣現(xiàn)象》（GB/T 35224-2017）中將沙塵天氣分為沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵3類(lèi)。表1給出了1980-2017年北京地區(qū)沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵發(fā)生天數(shù)及其總和（沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)）的逐年變化情況。

由表1可知：①1980-2017年沙塵暴發(fā)生率為26.32%（共10a）。其中，1980-1995年為沙塵暴活躍期（共9a）、1980和1983年發(fā)生天數(shù)多達(dá)3d，1996-2017年為沙塵暴平靜期、僅2015年發(fā)生過(guò)1d。②1980-2017年揚(yáng)沙發(fā)生率為94.74%（共36a）。其中，1980-1990年揚(yáng)沙較活躍，除1987年7d和1989年2d外，其他年份均超過(guò)12d，1980年高達(dá)28d。從整體趨勢(shì)來(lái)看，1980-1997年揚(yáng)沙發(fā)生天數(shù)呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，1998-2002年揚(yáng)沙發(fā)生天數(shù)呈增加趨勢(shì)（2002年高達(dá)21d），2003年之后揚(yáng)沙發(fā)生天數(shù)較少且相對(duì)穩(wěn)定（僅2004和2006年超過(guò)4d）。③1980-2017年浮塵發(fā)生率為86.21%（共32a）。其中，2001和2006年浮塵發(fā)生天數(shù)大于10d，其他年份不超過(guò)8d。1980-2017年浮塵發(fā)生天數(shù)總體呈平穩(wěn)偶有波動(dòng)的變化特征。④從1980-2017年沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵發(fā)生天數(shù)的總和（沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)）來(lái)看，沙塵天氣發(fā)生率達(dá)97.37%（共37a），僅1997年未發(fā)生沙塵天氣。1980-2017年沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，其中1980年最多（32d），2000-2002年及2006年較多（≥22d），2007年之后較少且相對(duì)穩(wěn)定（不超過(guò)8d）。

上述分析表明，1987-2017年北京地區(qū)揚(yáng)沙發(fā)生率最高、浮塵次之、沙塵暴最低。3類(lèi)沙塵天氣中揚(yáng)沙發(fā)生天數(shù)最多（占沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)的66.19%）、浮塵次之（占30.26%）、沙塵暴最少（占3.55%），表明1980-2017年北京地區(qū)3類(lèi)沙塵天氣中以揚(yáng)沙、浮塵為主，沙塵暴較少。從線(xiàn)性趨勢(shì)來(lái)看，1980-2017年北京地區(qū)沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵發(fā)生天數(shù)以及沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)均呈減少趨勢(shì)，減少率分別為0.338、3.983、0.379和4.700d/（10a）。其中，沙塵暴和揚(yáng)沙發(fā)生天數(shù)以及沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)的減少率均通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)，減少趨勢(shì)明顯;而浮塵發(fā)生天數(shù)的減少率未通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn)，減少趨勢(shì)較弱。沙塵暴和揚(yáng)沙發(fā)生天數(shù)減少趨勢(shì)明顯的原因可能是，沙塵暴和揚(yáng)沙與周邊沙源地及本地沙塵源的關(guān)系更加密切，多年來(lái)北京市及其周邊沙源地注重實(shí)施還林還草工程，植被覆蓋程度增加，土地荒漠化現(xiàn)象減少，沙塵源減少，從而導(dǎo)致北京地區(qū)沙塵暴和揚(yáng)沙發(fā)生頻次降低（尹曉惠等，2007）。

3 ?沙塵天氣的成因

3.1 沙塵天氣與沙源地下墊面的關(guān)系

3.1.1 沙塵天氣與沙源地植被的關(guān)系

歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）是反映地表植被狀況的定量值，可以表征地表植被覆蓋狀況（李苗苗等，2004）。由表2可知，1998-2017年沙源地NDVI呈上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為0.018/（10a），未通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn);而沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)（表1）則呈較明顯減少趨勢(shì)，減少率為6.015d/（10a），通過(guò)0.1信度的顯著性檢驗(yàn)。北京地區(qū)沙源地NDVI與沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.511，通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)，表明兩者具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即北京地區(qū)沙源地NDVI增加，則北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)減少，反之亦然。這表明，北京地區(qū)沙源地地表植被狀況是影響北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生的重要因子。張鈦仁等（2010）指出，北京地區(qū)沙源地的土地利用不完善、耕地增加、荒漠化嚴(yán)重等現(xiàn)象，都會(huì)增加北京地區(qū)沙塵天氣的發(fā)生頻次。反之，當(dāng)沙源地植樹(shù)造林等活動(dòng)增加、地表植被狀況向好、土地荒漠化減輕時(shí)，沙源地影響下的北京沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)就會(huì)減少。

3.1.2 沙塵天氣與沙源地冬季積雪的關(guān)系

由表2可知，1998-2016年沙源地冬季積雪覆蓋面積呈上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為5.187萬(wàn)km2/（10a），通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn);而1999-2017年沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)（表1）呈減少趨勢(shì)，減少率為8.123d/（10a），通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn);沙源地1998-2016年冬季積雪覆蓋面積與1999-2017年沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)（表1）的相關(guān)系數(shù)為-0.211，未通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn)，表明兩者具有較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即北京地區(qū)沙源地冬季積雪覆蓋面積增加，則北京地區(qū)次年沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)減少，反之亦然。這表明北京地區(qū)沙源地冬季積雪覆蓋面積對(duì)北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生具有一定影響。

3.2 沙塵天氣與氣候因子的關(guān)系

3.2.1 沙塵天氣與風(fēng)速的關(guān)系

通常以日平均風(fēng)速大于5m/s的日數(shù)稱(chēng)作起風(fēng)沙日數(shù)（陳玉福和唐海萍，2005）。由表3可見(jiàn)，1980-2017年北京地區(qū)起風(fēng)沙日數(shù)呈減少趨勢(shì)，減少率為5.439d/（10a），通過(guò)0.01信度的顯著性檢驗(yàn);隨著起風(fēng)沙日數(shù)逐漸減少，沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)逐漸降低，它們的相關(guān)系數(shù)為0.624，通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)，表明兩者具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。由此可見(jiàn)，風(fēng)速減弱導(dǎo)致沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)明顯減少，風(fēng)速是影響北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生的重要?dú)夂蛞蜃印?/p>

3.2.2 沙塵天氣與氣溫的關(guān)系

由表3可知，1980-2017年北京地區(qū)氣溫呈增加趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為0.420℃/（10a），通過(guò)0.01信度的顯著性檢驗(yàn);隨著氣溫升高，北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)減少，它們的相關(guān)系數(shù)為-0.527，通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)，表明北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)與氣溫具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。由此可見(jiàn)，氣溫升高導(dǎo)致沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)明顯減少，氣溫也是影響北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生的重要?dú)夂蛞蜃印?/p>

3.2.3 沙塵天氣與降水的關(guān)系

由表3可知，1980-2017年北京地區(qū)降水量呈弱的減少趨勢(shì)，減少率為6.543mm/（10a），未通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn);北京地區(qū)降水量與沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.308，通過(guò)了0.1信度的顯著性檢驗(yàn)，表明降水量與沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)具有較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。由此可見(jiàn)，降水量是影響北京地區(qū)沙塵天氣較顯著的氣候因子。

4 ?結(jié)論

本文研究了北京地區(qū)浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴發(fā)生天數(shù)以及沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)的年際變化特征，探討了北京地區(qū)沙塵天氣與沙源地2種下墊面以及北京地區(qū)3種氣候因子的相關(guān)關(guān)系，得到以下結(jié)論：

①1980-2017年北京地區(qū)沙塵天氣中揚(yáng)沙發(fā)生天數(shù)最多（占66.19%）、浮塵次之（占30.26%）、沙塵暴最少（占3.55%），表明北京地區(qū)3類(lèi)沙塵天氣中以揚(yáng)沙、浮塵為主，沙塵暴較少。1980-2017年北京地區(qū)沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵發(fā)生天數(shù)以及沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，減少率分別為0.338、3.983、0.379和4.700d/（10a），其中沙塵暴、揚(yáng)沙發(fā)生天數(shù)以及沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)的減少趨勢(shì)明顯，而浮塵發(fā)生天數(shù)的減少趨勢(shì)則較弱。

②1998-2017年北京地區(qū)沙源地歸一化植被指數(shù)與沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明沙源地植被覆蓋狀況對(duì)北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生具有重要影響;沙源地冬季積雪覆蓋面積與沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)存在弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明沙源地冬季積雪覆蓋面積對(duì)北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生具有一定的影響。

③1980-2017年北京地區(qū)起風(fēng)沙日數(shù)與沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明風(fēng)速對(duì)北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生具有重要影響;北京地區(qū)氣溫與沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明氣溫對(duì)北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生具有重要影響;北京地區(qū)降水量與沙塵天氣發(fā)生總天數(shù)存在較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明降水量對(duì)北京地區(qū)沙塵天氣發(fā)生具有較顯著的影響。

致謝：南京信息工程大學(xué)倪東鴻博士對(duì)論文撰寫(xiě)及修改給予指導(dǎo)，謹(jǐn)致謝忱！

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