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2021 , Vol. 40 >Issue 11: 3002 - 3015

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj020210335

专栏：中蒙俄经济走廊资源环境与绿色发展

东亚沙尘区域时空变化特征分析

  • 包春玲 , 1, 2 ,
  • 咏梅 , 1, 2 ,
  • 金额尔德木吐 1, 2 ,
  • 包玉龙 1 ,
  • 图布新巴雅尔 1, 2 ,
  • 包玉海 1, 2
展开
  • 1.内蒙古师范大学地理科学学院,呼和浩特 010022
  • 2.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室,呼和浩特 010022
咏梅（1982-）,女,内蒙古赤峰人,博士,讲师,硕士生导师,主要从事干旱区极端气候变化的研究。E-mail:

包春玲（1997-）,女,内蒙古兴安盟人,硕士,主要研究方向为自然灾害监测与防治。E-mail:

收稿日期: 2021-04-20

  录用日期: 2021-10-26

  网络出版日期: 2022-01-10

基金资助

科技基础资源调查专项(2017FY101301-4)

国家自然科学基金项目(41867070)

国家自然科学基金项目(41861024)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。
收起

Regional spatial and temporal variation characteristics of dust in East Asia

  • BAO Chunling , 1, 2 ,
  • YONG Mei , 1, 2 ,
  • JIN Eerdemutu 1, 2 ,
  • BAO Yulong 1 ,
  • Tubuxin Bayaer 1, 2 ,
  • BAO Yuhai 1, 2
Expand
  • 1. College of Geographical Science, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China
  • 2. Inner Mongolia Key Laboratory of Remote Sensing & Geography Information System, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China

Received date: 2021-04-20

  Accepted date: 2021-10-26

  Online published: 2022-01-10

Copyright

Copyright reserved © 2021
Fold

摘要

沙尘天气是东亚地区常见的灾害性天气之一,强沙尘天气的发生不仅导致建筑物倒塌、人畜伤亡、植被破坏,还会导致火灾、空气污染等环境问题,对人体健康、社会经济活动及其全球沙尘循环产生重要影响。然而从东亚地区沙尘天气在长时间序列区域特征角度上系统分析的研究较少。基于此,本文利用1981—2019年东亚地区697个地面气象站点沙尘数据,分析了其区域时空分布特征。结果表明：空间上,东亚沙尘天气集中在位于内陆干旱区的蒙古国和中国西北地区,其中弱沙尘天气集中在中国北方地区,而强沙尘天气则集中在蒙古国。月变化上,东亚沙尘天气集中在春季（3—5月份）,在相对低纬度的中国青藏高原北麓沙尘天气3月份最多,位于中纬度的中国北方大部分地区4月份最多,而较高纬度的哈萨克斯坦东部和蒙古国5月份最多。年际变化上,40a间东亚沙尘呈减少趋势,尤其是在2000年之后多项生态工程的有效实施下中国北方大部分区域沙尘天气显著减少,但近几年内蒙古中西部地区强沙尘天气呈增长趋势;在生态环境较脆弱的蒙古国和塔克拉玛干沙漠等区域弱沙尘天气和强沙尘天气均呈增长趋势。本研究对准确地掌握东亚沙尘分布特征和防范沙尘灾害具有重要意义。

关键词： 沙尘天气; 区域特征; 空间分布特征; 时间变化特征; 东亚

本文引用格式

包春玲 , 咏梅 , 金额尔德木吐 , 包玉龙 , 图布新巴雅尔 , 包玉海 . 东亚沙尘区域时空变化特征分析[J]. 地理研究, 2021 , 40(11) : 3002 -3015 . DOI: 10.11821/dlyj020210335

Abstract

Dusty weather is one of the most common disasters in East Asia. Severe dust storm can not only lead to building collapses, the destruction of vegetation, and human and animal casualties, but also cause fires, air pollution, and other environmental problems, which has a great impact on social and economic activities and the global dust cycle. In recent years, the severe dust storm in the study area has been increasing, which seriously threatens the ecological security and socio-economic development of China and its surrounding areas. In the spring of 2021, the strongest dust event seen in the past decade occurred in northern China, which attracted wide attention from the departments concerned. However, there is relatively little research on dusty weather in East Asia from the perspective of the regional characteristics of long time series. In this paper, using data from 697 meteorological stations that recorded dusty weather in East Asia for the period from 1981 to 2019, we examined the spatio-temporal distribution characteristics of dust frequency in East Asian. The results indicate that (1) spatially, East Asian dust is concentrated in the inland arid area, such as Mongolia and Northwest China. The weak dust weather is frequent in three regions— Mongolia Gobi Desert, Taklimakan Desert, and Badan Jaran Desert; while severe dust storms are frequent in two regions—northwest Mongolia and Mongolia Gobi Desert. (2) Temporally, East Asian dusty weather is concentrated in spring (March to May). Dusty weather is most frequent in March in the north of the Qinghai-Tibet Plateau at lower latitudes, in April in most parts of northern China at middle latitudes, and in May in eastern Kazakhstan and Mongolia at higher latitudes. (3) In the past 40 years, the dusty weather in East Asia showed a decreasing trend, especially since the effective implementation of many ecological projects after 2000, the number of dusty weather events in most parts of northern China has decreased significantly, but in the central and western parts of Inner Mongolia severe dust storm showed an increasing rend in recent years. In areas with fragile ecological environment, such as Mongolia and Taklimakan Desert, both weak and severe dust storms showed an increasing trend. This study is of great significance for understanding characteristics of dust distribution and preventing dust disasters in East Asia.

Key words： dusty weather; regional characteristic; spatial distribution characteristic; temporal variation characteristic; East Asia

1 引言

沙尘事件是多发于世界干旱和半干旱地区的灾害性天气现象之一[1]。强沙尘天气的发生对人类生命财产造成直接影响的同时还会诱导人类呼吸系统疾病[2,3,4];沙尘颗粒通过吸收和散射太阳辐射,改变云微物理特性,从而影响局部天气,甚至对全球气候及沙尘循环产生重要影响[5,6]。如2019年5月13日内蒙古巴彦诺尔市五原县强沙尘天气导致168人受到影响,直接经济损失达100.4万元[7];2021年3月13至17日,蒙古国起沙的强沙尘天气,在蒙古国境内瞬时风速高达（24~28）m/s,致使15名牧民和1名五岁儿童遇难;北京市空气达到重度污染程度,PM10浓度超过9753μg/m3,内蒙古部分中小学停课[8,9,10,11]。全球沙尘天气主要分布在北美、澳洲、中东和中亚的干旱地区;但近年来研究发现东亚地区（中蒙边境线地区）沙尘天气呈增长趋势[12,13]。多位学者指出,东亚沙尘暴不仅影响到下风区的日本、韩国等地区,还会影响太平洋,甚至绕地球一圈[14,15,16,17]。更重要的是,影响中国的东亚沙尘事件中70%来自蒙古国,并在由西向东的移动过程中增强[18]。但目前对于影响中国的境外其它沙尘源地尚未清楚。因此划分区域详细分析东亚沙尘的时空分布对于了解沙尘分布特征、防治沙尘及其对今后的研究具有重要意义。
研究表明,全球沙尘事件频率在空间和时间尺度上有显著差异[19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]。除北美和欧洲以外,全球平均沙尘浓度以每年1.2%的速度下降[29],沙尘频率空间分布特征为北非最高,亚洲次之[30]。亚洲沙尘天气主要集中在中亚和东亚,且东亚沙尘天气起源于蒙古国南部戈壁沙漠、内蒙古沙漠和戈壁地区以及新疆塔克拉玛干沙漠地区[31,32,33,34,35]。影响中国北方地区的境外沙尘暴源地主要有蒙古南部戈壁沙漠地区、哈萨克斯坦东部沙漠地带,以及境内的浑善达克沙地、巴丹吉林沙漠、塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠等[36,37,38,39]。位于中国上风区的蒙古国[40]、哈萨克斯坦等国家生态环境脆弱,自然灾害频繁,且防灾能力较弱。而中国北方边境地区是中国生态安全体系的重要组成部分和屏障。因此如何防治并降低中国及周边地区沙尘灾害已成为大众关注的热点问题之一,然而利用长时间序列、详细分区讨论沙尘天气时空分布特征的研究较少。
因此,本文以东亚5国为研究对象,利用1981—2019年沙尘天气数据（SYNOP）,统计分析了东亚各地区沙尘天气长时间序列时空分布特征及其发生频率变化。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究区概况

研究区地理坐标介于30°N~60°N和73°E~145°E之间,包括中国北方、蒙古国、韩国、日本和朝鲜等5个东亚国家及位于中亚的哈萨克斯坦东部部分地区。如图1所示,研究区共有697个气象站点,被划分为27个子区域。并且研究区大部分地区位于欧亚大陆内部,距海洋远,降水稀少,常年干旱;年平均气温南高北低,存在明显的纬度变化特征;年均降水量则在经度和纬度方向上均有差异,年降水量介于0~800 mm,且降水量主要集中在夏季;大风日数在空间上呈现出西北高东南低的特征;年均大风日数大多在45d以上,是全球沙尘多发地之一。
图1 研究区气象站点示意

注：该图基于自然资源部地图技术审查中心标准地图（审图号为GS（2016）1600号）制作,底图无修改。

Fig. 1 Schematic diagram of meteorological stations in the study area

2.2 数据与方法

本文利用1981年1月至2019年6月沙尘天气数据（SYNOP）统计分析了东亚地区697个气象站点沙尘频率的时空分布特征。该数据用于世界各地的天气服务,全球大约有2万多个观测站点,每3小时或每6小时观测一次。目前天气代码（ww）是从00到99的两位数,其中与沙尘事件有关的分别为06~09、30~35以及98。所有数据在使用前均经过了严格的质量控制、误差矫正以及准确性检验。
沙尘天气根据能见度划分为：浮尘（06）和扬沙（07）为弱沙尘天气,沙尘暴（09、30~32）和强沙尘暴（33~35）为强沙尘天气,08、98被分为其它（与能见度无关）[29]。本文以沙尘天气频率作为定量表征指标,分析了东亚沙尘时空分布特征。对沙尘频率的定义为某一特定时期内发生的沙尘次数与总观测日数之比[39]。为了得到更准确的结果,首先把数据世界时间（UTC）转换成北京时间;其次统计了研究区每个气象站点沙尘天气日数,当某一天弱沙尘天气或强沙尘天气出现两次或以上时,按一个出现日计算。最后排除年平均沙尘天气频率小于1 的站点,剩下208个气象观测站点,分区统计分析了沙尘天气时空变化特征。

3 结果与讨论

3.1 东亚地区沙尘频率空间分布特征

本文利用1981年1月—2019年6月地面沙尘数据,以年平均沙尘频率为指标,分别统计分析了弱沙尘天气、强沙尘天气和总沙尘天气的空间分布特征,了解了东亚地区沙尘频率的区域分布特征（图2）。由图2a可知,弱沙尘天气主要分布在中国北方地区,其中位于研究区西部内陆干旱区的塔克拉玛干沙漠最多,年平均弱沙尘天气发生频率在3%~30%,部分站点超过30%;其次为位于中部的巴丹吉林沙漠、河西走廊和蒙古国南部戈壁沙漠地区,频率在5%~30%左右。蒙古国（蒙古国西北部、蒙古国中部戈壁沙漠-草原过渡带、蒙古国东部草原地区和蒙古国北部森林草原地区）和中国华北（浑善达克沙地、京津冀）及东北地区（东北平原）频率介于1%~5%,位于东部较湿润地区的韩国、日本等地区弱沙尘天气发生频率介于1%~2%。
图2 1981—2019年东亚沙尘频率空间分布

注：该图基于自然资源部地图技术审查中心标准地图（审图号为GS（2016）1600号）制作,底图无修改。

Fig. 2 Spatial distribution of Dust weather Frequency in East Asia during the 1981 to 2019

与弱沙尘天气相比,强沙尘天气主要分布在研究区北部的蒙古国,其中蒙古国南部戈壁沙漠地区最多,频率在3%~20%;蒙古国西北地区频率介于2%~10%;蒙古国中部戈壁沙漠-草原过渡区和蒙古国东部草原地区强沙尘天气频率在2%~5%。而中国北方地区的强沙尘天气与弱沙尘天气空间分布规律相似,内蒙古西部的巴丹吉林沙漠频率较高,介于3%~5%。相比之下,位于东部湿润地区的朝鲜、韩国、日本及中国北方地区（京津冀、东北平原以及内蒙古东部典型草原）40a平均强沙尘天气频率小于1%（图2b）。
在整个东亚地区总沙尘天气发生频率较高,中国北方地区总沙尘天气空间分布特征与弱沙尘天气相似,而蒙古国地区总沙尘天气与强沙尘天气相似。西部内陆干旱区的塔克拉玛干频率最高,个别站点高达30%以上;其次为吐鲁番盆地、巴丹吉林沙漠、乌兰布和沙漠和蒙古国南部戈壁沙漠等地区,频率为10%~30%;古尔班通古特沙漠和蒙古国西北部沙尘天气频率为5%~10%;相比之下,位于研究区东部湿润地区的内蒙古东部典型草原、东北平原、朝鲜、韩国和日本等地区总沙尘天气频率较低,介于1%~2%（图2c）。
综上所述,沙尘天气频率较高的地区均处于内陆干旱地区,主要以粗质和中质的土壤为主[20],降水量极少、植被覆盖度低,沙源丰富,春季在蒙古-西伯利亚高压控制下,风力较强,从而为沙尘的排放和输送提供必要的动态条件[28,41]。同时这些地区地形条件独特,如蒙古国西北部和河西走廊地区两山夹峙,处于风口处,在较强的峡谷风的作用下沙尘活动频繁。

3.2 东亚地区沙尘频率时间分布特征

3.2.1 东亚地区沙尘月变化特征 为了解东亚地区沙尘年内变化特征,以月平均沙尘频率为指标,分别统计分析了弱沙尘天气、强沙尘天气和总沙尘天气的月变化特征。由图3可知,不同地区弱沙尘频率表现出不同的月变化特征,位于相对低纬度的青藏高原北麓地区3月份弱沙尘天气最多;位于中纬度的中国北方大部分地区弱沙尘天气集中在4月份;而位于较高纬度的哈萨克斯坦东部和蒙古国地区5月份弱沙尘天气频率最高,总体集中在春季（3—5月份）。由图4可知,中国北方地区强沙尘天气与弱沙尘天气月频率相似,在3月和4月份最多;值得注意的是,哈萨克斯坦东部和蒙古国地区强沙尘天气与弱沙尘天气不同,在4月份最多。
图3 1981—2019年弱沙尘天气频率月变化特征

注：图中编码对应的区域名见图1。

Fig. 3 Monthly variation of Weak Dust Weather Frequency in East Asia during the 1981 to 2019

图4 1981—2019年强沙尘天气频率月变化特征

注：图中编码对应的区域名见图1。

Fig. 4 Monthly variation of Severe Dust Weather Frequency in East Asia during the 1981 to 2019

图5（见第3007页）所示,中国北方地区、蒙古国西北部和南部戈壁沙漠地区总沙尘天气与弱沙尘变化相似。而蒙古国北部森林草原、中部戈壁-草原过渡区以及东部草原地区总沙尘天气与强沙尘变化较一致,在4月份最多。这可能是因为纬度差异导致的,青藏高原北麓、中国北方（除了青藏高原北麓）和蒙古国地区纬度依次递增,低纬度地区土壤解冻时间相对较早,高纬度地区相对较晚。总体而言,研究区沙尘天气主要集中在春季,可能是因为春季降水稀少、地表裸露、气温迅速上升、大量冷气团南下使得空气的气压梯度增强,导致沙尘天气的发生[24,28,39,42-45]。此外气旋强度、频率和轨迹的变异性也对其产生重要的影响[29]。
图5 1981—2019年总沙尘天气频率月变化特征

注：图中编码对应的区域名见图1。

Fig. 5 Monthly variation of Total Dust Weather Frequency in East Asia during the 1981 to 2019

3.2.2 东亚地区沙尘年际变化特征 为了解东亚地区沙尘频率的区域特征年际变化情况,以年平均沙尘频率为指标,分别统计分析了弱沙尘天气、强沙尘天气和总沙尘天气的年变化特征。
1981—2019年间研究区平均弱沙尘天气频率呈下降趋势（图6e）。其中弱沙尘天气在哈萨克斯坦东部、蒙古国（西北部、北部森林草原、中部戈壁-草原过渡带、东部草原和南部戈壁沙漠）地区呈增长趋势。而朝鲜和中国北方大部分地区40a间呈减少趋势。韩国、日本、内蒙古浑善达克沙地、内蒙古东部典型草原和内蒙古东部农牧交错区等地区没有明显的变化趋势。此外,吐鲁番盆地、柴达木沙漠、青藏高原北麓及内蒙古巴丹吉林沙漠地区近几年有增长趋势,尤其是在2012年以后显著增长（图7,见第3009页）。
图6 1981—2019年总沙尘频率年变化特征

注：图中编码对应的区域名见图1。

Fig. 6 Annual variation of Total Dust weather Frequency in East Asia during the 1981 to 2019

图7 1981—2019年弱沙尘频率年变化特征

注：图中编码对应的区域名见图1。

Fig. 7 Annual variation of Weak Dust weather Frequency in East Asia during the 1981 to 2019

研究区强沙尘天气与弱沙尘天气年平均频率一致,均呈缓慢下降趋势一致（图6e）。其中蒙古国大部分地区（西北部、南部戈壁沙漠地区及东部草原地区）强沙尘天气呈增长趋势,而中国北方大部分地区呈减少趋势,这与弱沙尘天气的年际变化大致相同。值得注意的是,2000年以后哈萨克斯坦东部和蒙古国大部分地区强沙尘天气频率呈增长趋势;而蒙古国南部戈壁沙漠地区2006年来有下降趋势,但在2014年之后又有增长趋势（图8）。
图8 1981—2019年强沙尘频率年变化特征

注：图中编码对应的区域名见图1。

Fig. 8 Annual variation of Severe Dust weather Frequency in East Asia during the 1981 to 2019

总体上,研究区总沙尘天气呈波动中下降趋势,这与弱沙尘天气和强沙尘天气较一致（图6e）。其中在2000年左右出现一次高峰;2006年达到峰值,2012年最低,近几年又呈增长趋势。空间上,哈萨克斯坦东部和蒙古国地区总沙尘天气呈上升趋势。中国北方地区与整个研究区沙尘频率趋势相似,尤其是内蒙古中西部地区2000年左右出现了一次高峰,引起了中国政府及周边国家的广泛关注[32,46-48]。2000年之后又显著减少,2012年最低,近年来（2012年以来）巴丹吉林沙漠和柴达木沙漠地区呈增长趋势（图6）。这是由于2000年左右干暖的气候背景、土地退化严重、3a的持续干旱及其拉尼娜事件高峰期,造成中国北方春季频繁出现强寒潮大风、冷空气和气旋活动,在夏季气温高于往年,降水量稀少,致使植被覆盖度急剧下降,冬季积雪减少[49,50,51]。而在2000年之后,中国实施了多项生态工程项目（三北防护林、退耕/牧还草、京津翼风沙源治理工程等）,2010—2015年中国退化土地面积明显下降,因而有效地抑制了沙尘天气的发生[52,53]。但近几年可能因为巴丹吉林沙漠降水量增加速度比其他沙漠地区（如：塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠）慢[54],但气温增长速率比同期西北地区甚至比全国高导致强沙尘天气增加[55,56]。近年来蒙古国地区因土地利用方式（开矿/采矿）的改变,以及干旱导致的地表植被严重受损,给沙尘天气提供了物质条件。

3.3 东亚地区沙尘频率趋势分析

在东亚沙尘频率区域时空分布的基础上,为进一步了解具体气象站点沙尘天气的变化情况,分别统计分析了弱沙尘天气、强沙尘天气和沙尘天气的40a内的变化趋势。
如图9a所示,研究区弱沙尘天气在内陆干旱区的塔克拉玛干沙漠腹地增加速率最快（1~2）d/a;其次为哈萨克斯坦东部、蒙古国大部分地区、中国西北的吐鲁番盆地东北部、内蒙古（中西部荒漠草原、浑善达克沙地、内蒙古东部典型草原）及其韩国以小于1d/a的速率增长。而塔克拉玛干沙漠南部边缘地区减少速率最快,为（1~2）d/a;河西走廊、柴达木沙漠、巴丹吉林沙漠、乌兰布和沙漠、毛乌素沙地、库布齐沙漠、京津冀、东北平原、朝鲜和日本地区次之,以小于1d/a的速率减少。
图9 1981—2019年东亚沙尘天气年变化速率

注：该图基于自然资源部地图技术审查中心标准地图（审图号为 GS（2016）1600号）制作,底图无修改。

Fig. 9 Change rate of dust weather in East Asia the period of during 1981 to 2019

从各站点强沙尘天气频率变化趋势图9b可知,蒙古国和中国塔克拉玛干沙漠腹地强沙尘天气与弱沙尘天气的变化一致,均呈增长趋势;朝鲜、日本及中国北方大部分地区均呈减少趋势。韩国和内蒙古（中西部荒漠草原、浑善达克沙地、内蒙古东部典型草原）地区与弱沙尘不同,呈减少趋势。
从研究区总沙尘天气40a变化趋势图9c可知,哈萨克斯坦东部、韩国、蒙古国大部分地区及中国塔克拉玛干沙漠腹地、吐鲁番盆地东北部、内蒙古（中西部荒漠草原、浑善达克沙地、东部典型草原）等地区总沙尘天气呈增长趋势;而朝鲜、日本和中国北方大部分地区呈减少趋势,这些均与弱沙尘天气变化趋势相似;但是蒙古国西北部及南部戈壁沙漠地区总沙尘天气频率增长速度比弱沙尘天气快,以每年1~3d不等的速率增长。

4 结论

本文以东亚地区5个国家（中国（北方）、蒙古国、朝鲜、韩国、日本以及中亚地区哈萨克斯坦（东部））为研究区,分析了1981—2019年沙尘天气时空变化特征。
（1）研究区弱沙尘天气和强沙尘天气多发区不同,弱沙尘天气频率在空间上有3个多发区,分别为位于内陆干旱地区的蒙古国南部戈壁沙漠、中国北方塔克拉玛干沙漠及巴丹吉林沙漠等;而强沙尘天气则有2个多发区,分别为蒙古国西北部和蒙古国南部戈壁沙漠地区。
（2）研究区沙尘天气集中在春季,弱沙尘天气在位于低纬度的青藏高原北麓地区3月份最多,中纬度的中国北方大部分地区集中在4月份,而位于高纬度的哈萨克斯坦及蒙古国地区集中在5月份。研究区大部分地区弱沙尘天气的频率与强沙尘天气和总沙尘天气月变化特征相似,但哈萨克斯坦东部和蒙古国强沙尘天气与弱沙尘天气和总沙尘天气具有一定区别,在4月份最多。
（3）研究区沙尘天气在40a间呈减少趋势,弱沙尘天气在哈萨克斯坦东部、蒙古国、韩国及中国塔克拉玛干沙漠地区呈增长趋势,中国西北地区近几年亦有增长趋势。强沙尘天气在哈萨克斯坦东部、蒙古国及中国塔克拉玛干沙漠地区呈增长趋势。

真诚感谢匿名评审专家在论文评审中所付出的时间和精力,评审专家对本文结果分析、结论梳理方面的修改意见,使本文获益匪浅。

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[Hai Wen. Beijing issued a yellow warning signal for sandstorm, which will gradually weaken in the evening of the 15th. Haiwainet, https://baike.baidu.com/reference/56316012/ba2budlo59Eta_Dt8T5jSDh4_975MvYACQxZtGxACeLtLngqQiK-9MqXCYr_TVesjo9hRgzaCsVdTXIezCb7ignM0GeB-565rfJcRL7Ddd1Lf9xNhVQ5Zg, 2021-03-15.]

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