中国北方沙尘暴气候成因及未来趋势预测，本文主要内容关键词为：成因论文,沙尘暴论文,气候论文,中国北方论文,趋势论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
我国从东北经华北到西北的北方干旱、半干旱和部分半湿润地区，共有沙漠、戈壁和沙漠化土地面积约为165.3万km[2]，占国土面积的17.2％。其中人类活动导致的现代沙漠化土地约为38.57万km[2]，占全部沙漠、戈壁和沙漠化土地面积的23.4％。沙漠化面积20世纪50～70年代每年以1560km[2]的速度在扩大，80年代发展为2100km[2]·a[-1]，到90年代发展为3600km[2]·a[-1]。如此广大的沙尘源地为我国的沙尘暴提供了丰富的物质条件，一旦有与冷空气相关的气旋活动以及地面风场摩擦速度，达到起沙—扬沙—远距离输送的动力条件，即有沙尘暴发生。关于近50a来中国北方沙尘暴的空间分布及时间演变趋势，钱正安等，李栋梁等已经作了分析。对于沙尘暴的短期天气预报，由于常规的短期天气预报和数值预报技术相对比较成熟，所以，沙尘暴的短期天气预报也比较有把握。相对而言，沙尘暴的气候预测，由于其成因还不清楚，没有较成熟的预测技术和方法。近年来，我国科学家从诸多的气象条件，如风速、降水、气候变暖，以及海温和ENSO循环等方面给予分析，为我国沙尘暴预测理论和治理决策提供了一定的科学参考。本文进一步分析影响我国沙尘暴的气候因素，重点分析青藏高原地面加热场强度对沙尘暴的影响，在此基础上，给出未来我国北方沙尘暴的发展趋势，特别是探讨了2004年我国沙尘暴的气候趋势预测。
1 沙尘暴的时空异常特点
影响我国沙尘暴的主要沙尘源区有五个：即蒙古国东南部戈壁荒漠区、哈萨克斯坦东部沙漠区、浑善达克沙地、巴丹吉林沙漠、塔克拉马干沙漠和古尔班通古特沙漠。这些尘源区正好位于冬、春季入侵我国的西北路（NW），西路（W）和北路（N）冷空气通道上，为影响我国北方大规模沙尘暴提供了丰富的物质基础。我国北方沙尘暴在空间分布上也有五大尘源区，即南疆塔克拉马干沙漠南缘（民丰、和田一带）、阿拉善高原（拐子湖）、河西走廊（民勤、金昌一带）、鄂尔多斯高原和浑善达克沙地。在空间异常变化上，主要表现为两种模态：一是北方大部分地区整体一致的偏多/少型，异常敏感中心在河西走廊；二是东西反向型，即西部地区多（少）沙尘暴年，东部地区少（多）沙尘暴，代表性区域分别在内蒙西部的阿拉善高原和华北北部。在近50a来的年代际变化上总体趋势在减少。其中20世纪60～70年代沙尘暴频数在波动中上升，80～90年代呈波动式减少，90年代是近5个年代中沙尘暴最少的。但20世纪末至21世纪初，沙尘暴日数有回升趋势。
2 沙尘暴的主要气候成因
在全球气候变暖的大背景下，西风急流轴向北移动，蒙古气旋减弱，冷空气活动减弱，风速减小；热带暖湿系统向北移动，西北西部降水增加，沙尘暴减少。
20世纪70年代亚洲西风最大中心轴线（西风急流轴）在40°N，大风所经之路正是我国沙尘源所在地，造成70年代沙尘暴多发。90年代由于全球增暖，副热带系统加强北上，西风急流北移到45～55°N，我国沙尘源区的西风比正常情况小，即东风距平占优势。致使90年代沙尘暴减少。
蒙古气旋减弱，高压加强，北方冷空气活动减弱，是中国北方沙尘暴减少的最直接原因。影响中国北方沙尘暴的主要系统是位于贝加尔湖地区的蒙古气旋，以及与其相配合的乌拉尔山高压脊。贝加尔湖地区是亚洲变暖最明显的地区，也是全球变暖最明显的地区之一。20世纪80年代以来，由于气候变暖，该地区气温显著升高，蒙古气旋减弱，高压加强，阻挡了北方冷空气的南下，使得中国北方沙尘暴减少。2004年2～3月贝加尔湖地区500hPa高度场呈现明显的负距平，即蒙古气旋加强，北方冷空气频繁南下，影响西北地区，引起沙尘暴增多。
西北地区气候由暖干向暖湿转型，降水增加，沙尘暴减少。由于全球变暖，副热带系统增强北上，西太平洋副热带高压西侧的偏南气流将热带暖湿气流向北输送，使得西北地区水汽增加。20世纪80～90年代在80°～120°E中纬度为一个高压维持，而在咸海—巴尔喀什湖为低槽维持，来自印度洋的水汽给新疆和西北地区带来降水。降水量的增加，特别是春季宝贵的降水量，使地表略微湿润或板结，可抑制起尘。其次，降水量的增加，有利于植被的生长发育，减少沙尘暴。统计表明，前冬（12月）气温偏低，次年春季迅速回暖，有利于北方沙尘暴的增多。2003/2004年冬季，新疆北部、河西走廊、宁夏等地气温较历史同期偏低1～3°C，个别站还打破了最低温度的历史记录。这有助于2004年的沙尘暴增加。
青藏高原地面加热场强度异常对中国北方地区沙尘暴日数有明显影响。青藏高原年平均地面加热场强度指数与中国北方沙尘暴总日数经EOF分解后的第一主分量，二者具有非常好的反相关对应关系（图1）。20世纪60年代高原地面加热场强度由强变弱的递减过程对应中国北方沙尘暴由少到多的增强过程；70年代高原地面加热场强度最弱，对应着中国北方沙尘暴的频发期。自70年代中期开始，高原地面加热场强度由弱变强，到90年代后期达到最强；中国北方沙尘暴从70年代中期的频发期开始逐渐减少，到90年代后期达到最少。21世纪初高原地面加热场强度又出现了由强向弱的转变，引起了中国北方沙尘暴的增加。
图1 青藏高原地面加热场强度指数（虚线）与中国北方沙尘暴日数第一主分量（实线）的历史演变曲线
Fig.1 Historical curves of the heat-field intensity index（dash line）on Qinghai-Tibetan Plateau surface and the first principle component of sandstorm days（real line）in North China
对青藏高原年平均地面加热场强度与次年中国北方沙尘暴总日数的相关系数分析，当前一年青藏高原地面加热场强度异常偏强（弱）时，次年中国北方大部分地区沙尘暴偏少（多）。偏少（多）中心在新疆中西部、河西到河套；沙尘暴偏多（少）的地方主要在新疆东部、柴达木盆地和华北北部，但范围较小。20世纪80年代以来青藏高原地面加热场强度总体呈增强趋势，中国北方沙尘暴总体处于减少趋势。但自1998年以后，青藏高原地面加热场强度出现转折，表现为减弱趋势，与其对应的是21世纪初中国北方沙尘暴的增多现象。2003年青藏高原地面加热场强度偏弱（负距平），这可能会引起2004年在新疆中西部、河西到河套地区沙尘暴的增加。
不同时段青藏高原地面加热场强度对不同地区沙尘暴的影响可能有所不同（图2）。华北地区的内蒙古锡林浩特（图2中A），西北东部的甘肃景泰（图2中B）和西北西部的新疆库车（图2中C）3a滑动平均的年沙尘暴日数与前期青藏高原地面加热场强度指数的变化反映出，当冬季青藏高原地面加热场强度增强（减弱）时，有利于中国北方沙尘暴的增加（减少），反之亦然；而当春季青藏高原地面加热场强度增强（减弱）时，有利于中国北方沙尘暴的减少（增加）。沙尘暴的变化在位相上比青藏高原地面加热场强度落后1～3个月，代表站的相关系数可达0.6～0.7。这无论从青藏高原地面加热场强度影响沙尘暴的物理过程，还是对沙尘暴的气候预测是很有意义的。
图2 不同季节青藏高原地面加热场强度指数（虚线）与不同地区代表站年沙尘暴日数（实线）变化
Fig.2 Seasonal correlation between the annual sand-dust storm days（real line）of representative stations and the surface heat-field intensity index（dash line）on Qinghai-Tibetan Plateau in different regions
诊断分析和数值试验表明，青藏高原地面加热场对北半球大气环流和中国区域气候有影响。是什么原因引起青藏高原地面加热场强度的变化？从青藏高原地面加热场强度指数（B-H）与太阳黑子周期长度（SCL）的10a滑动平均变化（图3）可以看出，20世纪50年代（实际从40年代初开始）SCL处于变长趋势，即太阳活动减弱，到1976年达到近60a来的最长12a（太阳活动最弱）。与此相反，B-H从有资料的50年代末的最强逐渐减弱，到1981年达到近50a的最弱；此后，太阳活动开始加强，即SCL开始变短，1996年为近60a来的最短9.3a（太阳活动最强）。与其对应的是B-H从80年代初开始加强，到1997年达到近50a的最强。1997年以后太阳活动又一次开始减弱，即SCL开始变长，预计SCL下一个极大值出现在2030年前后。根据近50a的已有资料分析，B-H的谷、峰值出现时间比SCL的峰、谷值出现时间落后1～4a。预计未来20～30a青藏高原地面加热场强度为减弱趋势，中国北方沙尘暴将进入新一轮的相对活跃期。
图3 青藏高原地面加热场强度指数距平（虚线）与太阳黑子周期长度距平（实线）10a滑动平均曲线
Fig.3 Decadal running mean of the surface heat-field intensity index（dash line）on Qinghai-Tibetan Plateau and the sunspot cycle length anomaly（real line）
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结论与讨论
（1）中国北方沙尘暴在空间变化上，主要表现为两种模态，即整体一致的偏多（少）型和东西反向的西多（少）东少（多）型。在近50a的变化上，经历了20世纪60～70年代沙尘暴增加和80～90年代沙尘暴减少的演变过程。
（2）分析中国北方沙尘暴成因，建立其预测概念模型，即太阳活动减弱（SCL变长）/增强（SCL变短）→气候变冷/变暖→青藏高原地面加热场强度减弱/增强→西风急流轴偏南/偏北→蒙古气旋加强/减弱→沙尘暴增加/减少。
（3）20世纪90年代末到21世纪初太阳黑子周期长度开始变长，表明新一轮的太阳活动弱期开始，气候变暖速率将比20世纪90年代减缓，青藏高原地面加热场强度转向减弱趋势，蒙古气旋逐渐加强。预计未来中国北方沙尘暴在波动中逐渐增加，进入新一轮的相对活跃期。考虑到2003/2004年前冬青藏高原地面加热场强度偏弱，新疆北部、河西走廊及宁夏等地气温异常偏低，后冬蒙古气旋明显加强。预测2004年中国北方沙尘暴明显比近几年偏多。偏多地区主要在中、西部。