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1980-2017年北京地区沙尘天气的变化特征及其可能成因

范文

黄红丽

摘要：利用1980-2017年北京地区沙尘天气、风速、气温和降水资料以及1998-2017年沙源地卫星遥感植被和积雪覆盖资料，研究了北京地区沙尘天气的变化特征及其可能成因。结果表明：北京地区沙尘天气以扬沙和浮尘为主、沙尘暴较少。沙源地植被覆盖状况是北京地区沙尘天气的重要影响因子，沙源地植被指数增加则沙尘天气减少;沙源地冬季积雪覆盖面积增加对北京地区沙尘天气减少具有一定影响。风速和气温是影响北京地区沙尘天气的重要气候因子，起风沙日数减少、气温上升则沙尘天气减少;降水量增加对北京地区沙尘天气减少具有较显著影响。

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.

关键词：北京地区;沙尘天气;植被指数;积雪覆盖面积;气候因子

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

中图分类号：[P445+.4] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編号：1006-4311（2020）24-0177-04

0 ?引言

沙尘天气是在特定地理环境和大尺度环流背景下诱发的一种灾害性天气（陈晓光等，2004），对生态环境、建筑、交通和人类健康可造成不可避免的危害（叶笃正等，2000;周子江等，2003）。因此，沙尘天气研究历来受到高度重视（王式功等，2000）。

许多学者对中国北方及北京地区沙尘天气的演变规律、影响因素及其沙源地进行了深入研究，取得诸多成果。周自江和章国材（2003）认为，1954-2002年中国北方地区大部分的沙尘暴和扬沙发生频率总体呈波动减小趋势，只有小部分地区的少数时间呈增长趋势。叶笃正等（2000）研究了1960-2000年华北沙尘天气的成因及发展趋势，认为局部地表覆盖状况是强沙尘天气产生的重要原因之一。高庆先等（2002）研究了1954-2001年北京地区沙尘天气的发生频率、发生规律和空间分布特征，以及北京地区沙尘暴的沙源地和本地影响。张小玲等（2005）针对2000-2002年北京沙尘天气增加和2003年沙尘天气迅速减少的现象，统计分析了近几年北京沙尘天气特征，并从大气环流形势、气候特点、气象要素以及可能影响北京沙尘天气的沙源状况进行了研究。邱玉珺等（2008）认为，浑善达克沙地是北京沙尘暴天气的主要外地来源，外地沙源对浮尘、沙尘暴、扬沙天气的影响概率分别约为北京本地影响的4.6、2.2和1.6倍，北京本地自然因素对扬沙和沙尘暴天气的影响概率约为人为因素影响的4倍。郑新江等（2004）、张志刚等（2007）、张钛仁等（2012）对影响北京地区沙尘天气的沙源地范围进行研究，认为影响北京地区的沙源地为中国北部以及西北地区;元天刚等（2016）认为1961-2010年中国北方沙尘源区的沙尘强度呈明显减小趋势。

北京地区是我国沙尘天气较为严重的区域之一，研究北京地区沙尘天气的变化特征及其成因，对提高沙尘天气的预报准确率，控制和改善北京地区的大气环境质量，以及做好防灾减灾和城市规划工作具有重要的科学意义。目前采用最新资料来研究北京地区沙尘天气特征及其成因的工作还较少，因此，本文拟采用1980-2017年北京地区的沙尘天气资料等，分析北京地区沙尘天气（包括沙尘暴、扬沙、浮尘）的年际变化特征，并探讨北京地区沙源地下垫面状况及相关气候因子与沙尘天气的关系，期望为北京地区沙尘天气防治及综合防灾减灾提供理论依据，为北京城市规划综合考虑沙尘天气因素影响等提供参考。

1 ?研究区域及资料和方法

1.1 研究区域和沙源地

本研究区域为北京地区，北京市南郊气象观测站是北京市气象观测代表站，位于北京市东南部大兴区三台山路亦庄桥北侧（图1）。张志刚等（2007）研究发现，北京地区的沙尘主要来自北部和西北地区，包括北京市以北的内蒙古自治区锡林郭勒盟、乌兰察布市、包头市、呼和浩特市和赤峰市，山西省朔州市和大同市，河北省张家口市和承德市等，面积达493883km2，其中巴丹吉林沙漠、乌兰布和沙漠、毛乌素沙地和浑善达克沙漠是影响北京沙尘天气的主要沙源地（图2）。

1.2 资料来源和研究方法

本文气象资料来自于北京市南郊气象观测站、卫星遥感植被资料来源于中国科学院资源环境科学数据中心网上公布资料、卫星遥感积雪资料来源于中国气象局国家卫星气象中心提供的美国NOAA卫星和中国风云三号气象卫星观测资料，其中气象资料时段为1980-2017年、卫星遥感植被和积雪资料时段为1998-2017年。本文采用了趋势分析、相关分析等统计方法。

2 ?沙尘天气的年际变化特征

《地面气象观测规范天气现象》（GB/T 35224-2017）中将沙尘天气分为沙尘暴、扬沙、浮尘3类。表1给出了1980-2017年北京地区沙尘暴、扬沙、浮尘发生天数及其总和（沙尘天气发生总天数）的逐年变化情况。

由表1可知：①1980-2017年沙尘暴发生率为26.32%（共10a）。其中，1980-1995年为沙尘暴活跃期（共9a）、1980和1983年发生天数多达3d，1996-2017年为沙尘暴平静期、仅2015年发生过1d。②1980-2017年扬沙发生率为94.74%（共36a）。其中，1980-1990年扬沙较活跃，除1987年7d和1989年2d外，其他年份均超过12d，1980年高达28d。从整体趋势来看，1980-1997年扬沙发生天数呈波动减少趋势，1998-2002年扬沙发生天数呈增加趋势（2002年高达21d），2003年之后扬沙发生天数较少且相对稳定（仅2004和2006年超过4d）。③1980-2017年浮尘发生率为86.21%（共32a）。其中，2001和2006年浮尘发生天数大于10d，其他年份不超过8d。1980-2017年浮尘发生天数总体呈平稳偶有波动的变化特征。④从1980-2017年沙尘暴、扬沙、浮尘发生天数的总和（沙尘天气发生总天数）来看，沙尘天气发生率达97.37%（共37a），仅1997年未发生沙尘天气。1980-2017年沙尘天气发生总天数呈波动减少趋势，其中1980年最多（32d），2000-2002年及2006年较多（≥22d），2007年之后较少且相对稳定（不超过8d）。

上述分析表明，1987-2017年北京地区扬沙发生率最高、浮尘次之、沙尘暴最低。3类沙尘天气中扬沙发生天数最多（占沙尘天气发生总天数的66.19%）、浮尘次之（占30.26%）、沙尘暴最少（占3.55%），表明1980-2017年北京地区3类沙尘天气中以扬沙、浮尘为主，沙尘暴较少。从线性趋势来看，1980-2017年北京地区沙尘暴、扬沙、浮尘发生天数以及沙尘天气發生总天数均呈减少趋势，减少率分别为0.338、3.983、0.379和4.700d/（10a）。其中，沙尘暴和扬沙发生天数以及沙尘天气发生总天数的减少率均通过了0.01信度的显著性检验，减少趋势明显;而浮尘发生天数的减少率未通过0.05信度的显著性检验，减少趋势较弱。沙尘暴和扬沙发生天数减少趋势明显的原因可能是，沙尘暴和扬沙与周边沙源地及本地沙尘源的关系更加密切，多年来北京市及其周边沙源地注重实施还林还草工程，植被覆盖程度增加，土地荒漠化现象减少，沙尘源减少，从而导致北京地区沙尘暴和扬沙发生频次降低（尹晓惠等，2007）。

3 ?沙尘天气的成因

3.1 沙尘天气与沙源地下垫面的关系

3.1.1 沙尘天气与沙源地植被的关系

归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）是反映地表植被状况的定量值，可以表征地表植被覆盖状况（李苗苗等，2004）。由表2可知，1998-2017年沙源地NDVI呈上升趋势，增长率为0.018/（10a），未通过0.05信度的显著性检验;而沙尘天气发生总天数（表1）则呈较明显减少趋势，减少率为6.015d/（10a），通过0.1信度的显著性检验。北京地区沙源地NDVI与沙尘天气发生总天数的相关系数为-0.511，通过了0.05信度的显著性检验，表明两者具有显著的负相关关系，即北京地区沙源地NDVI增加，则北京地区沙尘天气发生总天数减少，反之亦然。这表明，北京地区沙源地地表植被状况是影响北京地区沙尘天气发生的重要因子。张钛仁等（2010）指出，北京地区沙源地的土地利用不完善、耕地增加、荒漠化严重等现象，都会增加北京地区沙尘天气的发生频次。反之，当沙源地植树造林等活动增加、地表植被状况向好、土地荒漠化减轻时，沙源地影响下的北京沙尘天气发生总天数就会减少。

3.1.2 沙尘天气与沙源地冬季积雪的关系

由表2可知，1998-2016年沙源地冬季积雪覆盖面积呈上升趋势，增长率为5.187万km2/（10a），通过0.05信度的显著性检验;而1999-2017年沙尘天气发生总天数（表1）呈减少趋势，减少率为8.123d/（10a），通过0.05信度的显著性检验;沙源地1998-2016年冬季积雪覆盖面积与1999-2017年沙尘天气发生总天数（表1）的相关系数为-0.211，未通过0.05信度的显著性检验，表明两者具有较弱的负相关关系，即北京地区沙源地冬季积雪覆盖面积增加，则北京地区次年沙尘天气发生总天数减少，反之亦然。这表明北京地区沙源地冬季积雪覆盖面积对北京地区沙尘天气发生具有一定影响。

3.2 沙尘天气与气候因子的关系

3.2.1 沙尘天气与风速的关系

通常以日平均风速大于5m/s的日数称作起风沙日数（陈玉福和唐海萍，2005）。由表3可见，1980-2017年北京地区起风沙日数呈减少趋势，减少率为5.439d/（10a），通过0.01信度的显著性检验;随着起风沙日数逐渐减少，沙尘天气发生总天数逐渐降低，它们的相关系数为0.624，通过了0.01信度的显著性检验，表明两者具有显著的正相关关系。由此可见，风速减弱导致沙尘天气发生总天数明显减少，风速是影响北京地区沙尘天气发生的重要气候因子。

3.2.2 沙尘天气与气温的关系

由表3可知，1980-2017年北京地区气温呈增加趋势，增长率为0.420℃/（10a），通过0.01信度的显著性检验;随着气温升高，北京地区沙尘天气发生总天数减少，它们的相关系数为-0.527，通过了0.01信度的显著性检验，表明北京地区沙尘天气发生总天数与气温具有显著的负相关关系。由此可见，气温升高导致沙尘天气发生总天数明显减少，气温也是影响北京地区沙尘天气发生的重要气候因子。

3.2.3 沙尘天气与降水的关系

由表3可知，1980-2017年北京地区降水量呈弱的减少趋势，减少率为6.543mm/（10a），未通过0.05信度的显著性检验;北京地区降水量与沙尘天气发生总天数的相关系数为-0.308，通过了0.1信度的显著性检验，表明降水量与沙尘天气发生总天数具有较显著的负相关关系。由此可见，降水量是影响北京地区沙尘天气较显著的气候因子。

4 ?结论

本文研究了北京地区浮尘、扬沙、沙尘暴发生天数以及沙尘天气发生总天数的年际变化特征，探讨了北京地区沙尘天气与沙源地2种下垫面以及北京地区3种气候因子的相关关系，得到以下结论：

①1980-2017年北京地区沙尘天气中扬沙发生天数最多（占66.19%）、浮尘次之（占30.26%）、沙尘暴最少（占3.55%），表明北京地区3类沙尘天气中以扬沙、浮尘为主，沙尘暴较少。1980-2017年北京地区沙尘暴、扬沙、浮尘发生天数以及沙尘天气发生总天数均呈现减少趋势，减少率分别为0.338、3.983、0.379和4.700d/（10a），其中沙尘暴、扬沙发生天数以及沙尘天气发生总天数的减少趋势明显，而浮尘发生天数的减少趋势则较弱。

②1998-2017年北京地区沙源地归一化植被指数与沙尘天气发生总天数存在显著的负相关关系，表明沙源地植被覆盖状况对北京地区沙尘天气发生具有重要影响;沙源地冬季积雪覆盖面积与沙尘天气发生总天数存在弱的负相关关系，表明沙源地冬季积雪覆盖面积对北京地区沙尘天气发生具有一定的影响。

③1980-2017年北京地区起风沙日数与沙尘天气发生总天数存在显著的正相关关系，表明风速对北京地区沙尘天气发生具有重要影响;北京地区气温与沙尘天气发生总天数存在显著的负相关关系，表明气温对北京地区沙尘天气发生具有重要影响;北京地区降水量与沙尘天气发生总天数存在较显著的负相关关系，表明降水量对北京地区沙尘天气发生具有较显著的影响。

致谢：南京信息工程大学倪东鸿博士对论文撰写及修改给予指导，谨致谢忱！

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