我国北方起沙指数气候特征和影响因子及其环境效应

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我国北方35°N以北地区分布着面积广大的沙漠戈壁,成为中国、亚洲乃至世界的一大重要起沙源地,因此对该地区起沙状况进行研究具有重要意义。本文从沙尘天气的源发性着手,利用中国北方277个气象站的1961—2012年沙尘暴、扬沙的月发生日数,构造起沙指数并对中国北方起沙特征进行分析,然后探讨了相应气候因子——植被覆盖率、湿润度、大风日数、大气层结不稳定日数对起沙指数的作用,并对起沙的环境影响做出了相应分析,得出主要结论如下:(1)通过分析我国北方起沙指数的时空分布变化,发现:①南疆区与河西区是我国北方最易起沙的两个区域,中心区集中在南疆区的民丰、和田与河西区的拐子湖、民勤,东北区的起沙态势最弱;②起沙指数春夏季较高,秋冬季则较低,春季是最易起沙的季节,且大部分地区均在4月达到一年中的峰值,起沙指数在北疆区、南疆区与东北区为冬季最小,而其他区域则为秋季最小;③自1961年以来,整个北方地区的起沙指数波动减小,这一时间转折点位于20世纪80年代,此前起沙指数普遍较高,而此后北方逐渐转入起沙低值期,特别是90年代,减小趋势更为显著,2000年后,较90年代起沙态势更弱。(2)通过分析我国北方起沙指数与气候因子的空间、时间相关性,发现:①植被覆盖率、湿润度、不稳定日数与起沙指数分别表现出负、负、正的显著空间相关性,说明下垫面沙源情况和层结不稳定因素对起沙地域分布有重要作用;②影响起沙指数时间变化的气候因子在我国北方作用不同:起沙指数与大风日数的正相关性很显著,表明风力减小、大风日数减少成为我国北方起沙指数减小的最主要原因,此外大风日数在夏秋季节主要对南疆区、河西区与河套区影响显著,而冬季则对除北疆区与东北区外的区域影响显著;起沙指数与植被覆盖率呈负相关,表明起沙指数的减小与植被覆盖率上升有关,这一负相关性在影响北方主要沙区起沙指数的年变化与春季变化时较显著,夏季则在新疆西部、河西区、青海区、河套区的部分区域表现为较显著的负相关,秋冬季节无显著作用;起沙指数与湿润度呈负相关关系,但是负相关性较植被覆盖率略弱,主要在起沙天气频发的春季对沙区影响作用显著,表明春季湿润度上升对起沙指数的减小有作用,其他时间段影响较小。(3)利用美国环保局的半经验公式计算了我国北方PM50的起沙率,发现:①我国北方年均PM50起沙率呈现出“西多东少”的逐级分布态势,最大值超过10t/(km2·a),而最小值不足0.001 t/(km2·a),最大值与最小值可相差104倍,0.1t/(km2·a)等值线以西涵盖了中国北方几乎所有沙区,可作为起沙源区的主要界线;②我国北方PM50的起沙率整体呈下降趋势,特别是1 t/(km2·a)等值线所包含面积不断缩小,这一时间转折点为80年代,西北五大沙区典型代表站点的年起沙率时间序列也具有类似特征。(4)通过分析上游沙区起沙指数对下游的兰州、银川、西宁、西安等城市空气质量的影响,发现:①四个城市全年的主要大气污染物为PMl0,且在春季更加明显,PM10对城市空气质量影响显著;四个城市的PM1o浓度与能见度倒数间有很好的正相关性,特别是银川和兰州的正相关性最为显著,表明能见度倒数越高,PM1o的浓度可能越高,城市空气质量越差;②选择不同滞后时间计算上游沙区起沙指数与四个城市间能见度倒数的相关系数,发现兰州和银川的相关系数分布曲线相似,受腾格里沙漠影响最显著,其次为巴丹吉林沙漠,且二者影响趋势基本一致,新疆东部戈壁沙漠的影响较小,而柴达木盆地西部沙区对这两个城市能见度的影响不明显;柴达木盆地西部沙区对西宁和西安的能见度影响时间最快,腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠影响时间略晚,影响时间最晚的是新疆东部戈壁沙漠。因此,起沙源地距离下游城市越近,影响到下游城市空气质量的时间越短,影响程度也越显著。综上,我国北方的起沙指数自60年代以来呈波动下降趋势,春季是最易起沙的时节,起沙中心集中于南疆区与河西区;影响起沙指数空间分布的主要因素是植被覆盖率、湿润度与大气层结不稳定日数,而大风日数则主要影响起沙指数的时间变化;我国北方的PM50起沙率呈现出西多东少的形势,最大值与最小值可相差4个数量级,计算出的0.1 t/(km2·a)等值线可视为起沙源区的主要界线;起沙源地距离下游城市越近,对城市空气质量影响越大。
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