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1961-1997年华北春季沙尘暴频次持续减少,近10年又有增多趋势,整个过程中年际变率非常明显,如2006年发生沙尘暴18次,而2003年只有2次。这种长期减少趋势以及显著的年际变率,其背后隐藏的气候过程是值得思考的。以往工作主要基于沙尘暴频次原始序列进行分析,由于沙尘暴频次存在长期趋势,所得研究结果更多情况下是反映年代际尺度上对沙尘暴频次的影响,对于华北沙尘暴频次年际变率的特征和成因尚未得到充分研究。文中重点分析影响华北沙尘暴频次年际变率的主要原因,以及与其他气候要素的关联机制,最后利用模式模拟加以验证。
春季东亚近地面天气扰动是导致华北春季沙尘暴频次年际变率的主要原因,近地面天气扰动的长期减弱,是造成华北沙尘暴频次长期减少的重要原因。当东亚中高纬对流层高层天气变率增强,导致近地表天气扰动增强,华北沙尘暴频次偏多,这种东亚对流层高层扰动可能与欧洲北部的对流层高层天气扰动有关,而且是通过中高纬西风传输和引起的。春季东亚天气扰动偏强时所对应的环流背景是:对流层高层华南上空副热带西风急流显著增强,同时中亚上空以及北太平洋上空西风强度偏强,300 hPa高度上贝加尔湖西侧北风偏强,贝加尔湖以东南风偏强;对流层中层主要表现为东亚大槽偏强;对流层低层表现为我国华北以及日本上空存在气旋型环流异常,相应的蒙古气旋或东北低压活动多影响华北地区,华北上空为显著的西北风异常。这种环流形势很容易形成沙尘暴天气。
欧亚地表温度异常与东亚近地面天气扰动存在一定联系。当3月欧亚大陆中高纬度南北地表温差加大,与之相伴随的是中高纬度西风加强,由此引起东亚地区中纬度西风偏强,西风急流垂直环流加强,动量下传加强和锋面活动增强,进而引发大风天气和沙尘暴天气。当4-5月西伯利亚南部地表温度负异常,伴随副热带西风急流偏强,位置偏北,同时中高纬度西风路径偏南,贝加尔湖以南天气变率显著增强,容易引起华北沙尘暴发生。
全球尺度气候背景与东亚天气扰动存在一定关联。北极涛动(AO)与华北沙尘暴频次年际变率为负相关关系,冬季AO指数偏高时,对流层高层副热带西风急流核偏东,高纬度西风路径偏北,高纬度风暴轴偏北;对流层中层阻塞高压活动多位于贝加尔湖地区,东亚大槽位置偏东,大气稳定,不易形成锋面气旋等天气系统,这种配置使得我国北方天气扰动减少,不利于华北沙尘暴发生。El Nino发生时,春季华北沙尘暴频次偏少,La Nina发生时,春季华北沙尘暴频次偏多。El Nino发生时,春季东亚中高纬度西风位置偏北,与中高纬度西风伴随的反向环流中的下沉支强度减弱,位置偏北,造成高层动量下传减弱,同时伴随东亚大槽偏浅,东亚冬季风较弱,华北沙尘暴天气偏少。La Nina发生时,春季环流背景与El Nino发生时基本相反,有利于华北沙尘暴天气发生。全球变暖伴随东亚15天以下近地面天气变率增强,主要表现为近地面北非上空西南.东北向正异常,到达西西伯利亚后为西北-东南方向正异常,到日本南部后表现为西南-东北方向正异常;同时产生贝加尔湖西南方向正位势高度异常和鄂霍次克海负位势高度异常,导致我国东部地区存在明显北风异常,有利于沙尘天气增多。
利用CEMSYS5沙尘数值预报模式,采用NCEP再分析资料作为边界场,模拟1982-2006年我国北方2-5月沙尘天气。模式输出结果表明:3月温差指数偏高时,3月华北强沙尘天气和弱沙尘天气日数偏多,西北地区东部、蒙古南部、我国内蒙中西部以及华北等地,起沙量偏多;西伯利亚南部4-5月地表温度正异常伴随4-5月华北弱沙尘天气日数偏少,4月我国北方气柱沙尘含量和沙尘浓度负异常,5月从蒙古南部沿着中蒙边界到我国东北地区,沙尘浓度为负异常,同时我国北方地区沿着400N整体表现为正异常;AO对华北强沙尘天气频次和弱沙尘天气频次存在显著影响,当冬季AO指数偏高时,春季我国北方大部分地区以及华南等地气柱沙尘含量和沙尘浓度偏低,而且从地面到高空沙尘浓度显著减少;E1 Nino(La Nina)发生后,华北强、弱沙尘天气日数偏少(多),但ENSO体现为对3-4月沙尘天气的影响,E1 Nino(La Nina)发生后,3月华北沙尘浓度偏低(高),内蒙中西部以及蒙古南部起沙量减少(增加),而4月我国北方大部分地区沙尘浓度偏高(低);全球变暖对华北强沙尘天气频次的影响更为突出,全球变暖,华北强沙尘天气频次显著增加,3-4月我国北方地区春季沙尘浓度以及气柱沙尘含量显著偏高,5月我国北方大多数地区沙尘浓度和气柱沙尘含量偏低,塔里木盆地偏低幅度最大,但是辽宁、吉林东部、朝鲜半岛以及东部沿海地带气柱沙尘含量以及沙尘浓度偏高。