1S 7 宁夏春季沙尘暴气候趋势及成因分析* 郑广芬1 , 2, 赵光平2纳丽2胡文东2, 孙银川2王卫东21 . 南京气象学院江苏 南京 2 1 0 0 4 4 2 . 宁夏气象防灾减灾重点实验室宁夏 银川 7 5 0 0 0 2 摘 要 对 2 0 世纪 6 0 年代以来宁夏春季沙尘暴变化趋势进行分析结果表明 沙尘暴具有明显的年代际变化特征8 0 年代中期宁夏春季沙尘暴发生突变在此之前为沙尘暴高发期其后沙尘暴日数明显减少为探究形成这一变化趋势原因我们从形成沙尘暴的动力因子入手对大气环流海温大风日数平均气温等的长期变化趋势进行分析发现北半球极涡强度指数极涡面积指数亚洲西风环流指数N I N O 3区海温及宁夏春季大风日数冬季平均气温冬春季平均气温温差与沙尘暴存在较为一致的年代际变化特征即决定冷空气活动频次的诸因子在 8 0 年代中期也发生了突变由此可见在同一生态背景下冷空气活动次数对形成春季沙尘暴的变化趋势起着至关重要的作用 关键词春季沙尘暴年代际变化影响因子 沙尘暴是多因子综合作用的结果其发生不仅与气象条件密切相关也是特定地形地 貌条件下必然的产物 1 由于天气条件及年际气候背景的复杂使得沙尘暴的强度影响范 围持续时间有所差异也造成每年沙尘暴发生日数的不同 牛生杰等2对贺兰山东西两测沙尘暴观测研究表明贺兰山地区沙尘暴发生日数总的 趋势是减少的杨建玲等 1 对宁夏 18 站沙尘暴变化规律的研究也进一步验证了这一研究 结果王涛等3邹旭恺等4对中国北方沙尘暴研究也得出自 20 世纪 50 年代以来我国 沙尘暴呈波动减少之势 众所周知 沙尘暴发生的最主要的两个条件是足够强劲持久的风力 和地表丰富的松散干燥的沙尘5亦即风和沙尘是形成沙尘暴的两个主要因素研究成果还 表明我国沙化土地面积 20 世纪 5060 年代中期开始平均每年扩展 1560km290 年代每 年扩展达 2460 km26宁夏现有 3 / 4的土地受沙漠化的影响 沙化面积已达总面积的 3 8 . 3 % 盐池县近 1 0 年中平均每年都有 1 . 1 5 万 h m2土地沙化 7 随着国家退耕还林政策的实行近 年来西北地区林地面积有所增加 但新增林地的生态调控作用近期难以发挥 加之干旱区水 资源短缺等其它不利因素仍将长期存在因此生态环境总体呈退化态势不易改变这意味 着我国地表覆被整体在恶化 沙尘暴的物质源越来越丰富 沙尘暴发生次数理应呈增多趋势8这显然与沙尘暴普遍减少的天气事实不吻合甚至是矛盾在这种情况下沙尘暴的减 少意味着风的因素即动力因子可能起了主导作用 我们认为在同一生态背景下 冷空气活动 次数是影响沙尘暴发生频率的主要因素 同时也是我们对沙尘暴进行气候趋势预测时所应把 握的关键所在 本文正是基于此 对影响宁夏春季冷空气活动的主要因子的年代际变化特征 进行分析从而为沙尘暴气候趋势预测提供着眼点 1 资料及方法 本文研究主要使用了三种资料第一种是选取宁夏具有代表性的 1 8 个站银川永宁 贺兰惠农平罗陶乐吴忠青铜峡灵武中宁中卫盐池同心海原固原 西吉隆德泾源1 9 6 1 2 0 0 2 年 4 2 年春季沙尘暴日数大风日数冬春季平均气温 这里每个站的一个沙尘暴日数是指某一天以北京时间 2 0 : 0 0 为界只要出现沙尘暴由于 强风将地面大量沙尘吹起使空气很混浊水平能见度小于 1 k m 的天气现象而不管该日 有几个时段发生沙尘暴将各站 3 月 4 月5 月沙尘暴日数累加作为春季沙尘暴日数序列*基金项目国家自然科学基金项目4 0 0 6 5 0 0 2 中国气象局基金项目宁夏沙尘暴监测预警服务系统研究共同资助 作者简介 郑广芬 1 9 6 4 - 女 汉族河北献县人 高级工程师 主要从事气候及短期气候预测研究. E - m a i l : y c h _ z g f 1 6 3 . c o m 该论文将在南京气象学院学报2 0 0 4 年第 4 期发表 2大风日数与沙尘暴日数类同冬春季平均气温分别用上年 1 2 月至当年 2 月三个月及 3 5 月三个月气温求平均 冬春季平均气温温差指春季平均气温减去冬季平均气温 第二种资料 是国家气候中心下发的同期大气环流特征量资料 包括北半球极涡强度指数 极涡面积指数 亚洲经向环流指数亚洲纬向环流指数第三种资料为赤道东太平洋海温格点资料 N i n o 3 区海温用 1 5 0 W 9 0 W 5 N 5 S 纬度经度= 55区域格点平均海温 西风环流指数采用公式 9 MMZZ II III=其中ZI表示纬向环流指数ZI表示纬向环流多年平均值 MI表示经向环流指数MI表示经向环流多年平均值当I0 时表示西风带纬向环流占优势反之则经向环流占优势 2 沙尘暴日数变化趋势 图 1 图 2 分别给出自 2 0 世纪 6 0 年代以来到 2 0 0 2年宁夏 1 8 个主要站平均春季沙尘暴 日数逐年变化曲线及沙尘暴日数距平积分曲线由图可见自 6 0 年代以来宁夏春季平均沙尘 暴日数虽有较多波动但总体上呈下降趋势且具有明显的阶段性特征8 0年代中期以前为沙尘暴高发期其后沙尘暴日数明显减少8 0年代中期为沙尘暴发生突变的时期这与 杨建玲等 1 的研究结果相吻合 不同年代平均沙尘暴日数也呈逐渐下降的趋势 2 0 世纪 6 0 年代年平均 4 . 6 d , 7 0 年代为 4 . 4 d , 8 0 年代为 3 . 5 d , 而 9 0 年代仅为 1 . 6 d 同时我们发现宁夏地域虽小, 但由于南北跨度较大再加上境内地形地貌较为复杂 使得各地沙尘暴变化趋势也不尽相同 分析各站沙尘暴的变化趋势 大体上可分为两种分布 类型其一为以惠农吴忠为代表的 2 0 世纪 6 0 7 0 年代初期高发型其二为以银川盐池 为代表的 7 0 8 0 年代中期高发型只是高发的持续时间有差异然而无论那种分布型8 0 年代中期以后也均表现为一致的沙尘暴偏少图略 3 沙尘暴日数演变趋势的成因分析 3 1 北半球极涡的年代际气候变化 图1 宁夏春季沙尘暴变化- 4 . 0- 2 . 00 . 02 . 04 . 06 . 01 9 6 11 9 6 61 9 7 11 9 7 61 9 8 11 9 8 61 9 9 11 9 9 62 0 0 1日数距平图2 春季沙尘暴日数距平积分曲线- 5051 01 52 02 53 01 9 6 11 9 6 71 9 7 31 9 7 91 9 8 51 9 9 11 9 9 7累积距平Fig 2 Anomaly integral curve of spring sandstorm days Fig 1 Change of spring sandstorm in Ningxia 3极涡是极地上空最强大的环流系统 其变化对中高纬乃至整个北半球天气系统的活动和 天气气候有着直接的的影响极涡的扩张和收缩反映了极地冷空气的活动 9 对春季冷空气 活动次数及强度会起到关键作用图 3 a 为北半球极涡面积距平累积曲线从图中可清晰看到北半球极涡面积的长期变化自 2 0 世纪 6 0 年代初期至 8 0 年代中期极涡面积指数 距平值以正为主处于扩张期8 0年代中期以后曲线呈下降趋势面积指数距平值以负 为主虽期间有一次明显的的波动但总体上处于收缩期图 3 b 则反映了北半球极涡 强度的长期变化自 6 0 年代至 8 0 年代中期北半球极涡强度总体上处于增强期强度指数 距平值以正为主而 8 0 年代中期以后极涡强度处于减弱时期强度指数距平值以负为主 尤其 1 9 9 4 年至 1 9 9 9 年曲线明显下降以上分析可以看出8 0 年代中期是极涡变化的突变 时期由于 8 0 年代以前极涡的向南扩张及强度的增强极地冷空气活动较活跃造成春季 冷空气活动频繁因而形成沙尘暴天气过程的高发8 0年代中期以后极涡向北收缩强度 减弱 极地冷空气较弱 因此春季冷空气势力相对也较弱 造成沙尘暴天气的明显减少 1 9 9 4 1 9 9 9 年宁夏经历了持续沙尘暴异常偏少时段 见图 1 同时分析自 6 0 年代以来逐年春季 极涡指数值发现极涡面积最大值为 7 3 4 出现在 1 9 6 9 年该年的极涡强度指数为 2 3 5 是 除 1 9 6 4 年以外的第二高值年与之对应这一年春季宁夏 1 8 个站平均沙尘暴日数 7 . 8 天, 为自 1 9 6 1 年以来最高值见图 1 3 2 亚洲西风环流指数的年代际气 候变化 西风环流指数是对西风带环流形势 的定量描述指标说明了西风带环流的 经纬向两个基本分量的特征图 4给出 东亚冬春季西风环流指数距平积分曲 线由图可见自 2 0 世纪 6 0 年代初期至 8 0 年代中期曲线呈下降趋势西风环 流指数以负值为主表明西风带经向环 流占优势 造成冬春季冷空气势力强盛 冷空气活动频繁因此大风天气较多 导致沙尘暴天气频繁发生8 0 年代中期 以后曲线在波动中上升西风带纬向图 3 春季北半球极涡指数变化曲线 ( b ) 北半球极涡强度指数距平积分曲线- 5 . 01 5 . 03 5 . 05 5 . 07 5 . 09 5 . 01 1 5 . 01 3 5 . 01 9 6 11 9 6 71 9 7 31 9 7 91 9 8 51 9 9 11 9 9 7累积距平( a ) 北半球极涡面积指数积分曲线0 . 05 0 . 01 0 0 . 01 5 0 . 02 0 0 . 02 5 0 . 01 9 6 1 1 9 6 7 1 9 7 3 1 9 7 91 9 8 5 1 9 9 1 1 9 9 7累积距平Fig 3 Change of north hemisphere vortex index in spring. (a) Integral curve of surface, (b) Aomaly integral curve of intensity 图4 冬春季西风环流指数积分曲线- 1 . 0- 0 . 8- 0 . 6- 0 . 4- 0 . 20 . 00 . 20 . 41 9 6 11 9 6 61 9 7 11 9 7 61 9 8 11 9 8 61 9 9 11 9 9 62 0 0 1累积距平Fig 4 Integral curve of west wind index in winter and spring. 4环流占优势冷空气势力较弱活动次数较少因此沙尘暴次数也偏少图中的明显波动 由 1 9 9 5 年值所致同时由文献 7 可知1 9 9 5年为经向环流指数的极大值年这一年宁夏发 生特强沙尘暴 3 3 海温的年代际气候变化 图 5 为春季 N I N O 3区海温距 平积分曲线 自 2 0 世纪 6 0 年代至 8 0年代初曲线呈下降趋势 N I N O 3 区以冷水位相占优势 而后 经历冷暖位相交替期8 0年代中 后期曲线在波动中上升 N I N O 3 区 以暖水位相占优势 研究 1 0 指出东亚冬季风与 厄尔尼诺事件有密切关系 东亚冬 季风的强度在厄尔尼诺年弱 而在 反厄尔尼诺即拉尼娜年强2 0 世纪 6 0 7 0 年代拉尼娜事件占优 势期间东亚冬季风偏强春季寒潮大风所引起的沙尘暴也较频繁8 0年代以后厄尔尼 诺事件占优势东亚冬季风偏弱冷空气势力也较弱因此沙尘暴较少 3 4 冬季平均气温的年代际气候变化 图 6给出宁夏 1 8个主要站冬季平均气 温距平积分曲线图其趋势与沙尘暴日数的 积分曲线呈反位相分布2 0 世纪 8 0 年代中 期以前曲线基本呈下降的趋势气温距平 以负值为主 7 0年代末期有一次波动8 0 年代中期以后曲线呈上升趋势气温距平 基本为正值由此看出 8 0年代中期以前 宁夏冬季处于相对冷期也是沙尘暴的频发 期期间的波动也对应着沙尘暴高发期间的 相对平缓期 图 2 即说明了亚洲中高纬地