【word】 新疆库车县沙尘暴变化特征及突变分析

【word】 新疆库车县沙尘暴变化特征及突变分析 新疆库车县沙尘暴变化特征及突变分析 第32卷第2期 2011年3月 ,,o1.32NO.2 Mar.2011 井冈山大学(自然科学版) JournalofJinggangshanUniversity(NaturalScience)54 文章编号:1674.8085(2011)02—0054.04 新疆库车县沙尘暴变化特征及突变分析 唐金,李霞 (新疆农,I人学草业与资环学院,新疆,乌鲁木齐8300521 摘要:根据新疆气象局地面观测资料,整理出库车县1951-2009年沙尘暴年H数资料,运用小波分析,累积距 平,滑动t检验等方法对沙尘暴年日数序列的变化趋势,周期特征,突变特征进行了分析,结果明:(1)近60 年间,库车县沙尘暴年曰数呈显着减少的趋势,趋势系数为.0.34,通过=0.05的显着性检验.2O世纪50年代, 60年代和7O年代是近60年库车县沙尘暴的三个频发期.(2)沙尘暴年日数序列存在7年,15年,22年的周期; 在不同的时间尺度上,沙尘暴经历了多个频发期和少沙尘暴期,在未 来几年可能会再次迎来一个沙尘暴的频发期. (3)研究区内沙尘暴年口数变化趋势确实存在1985年的突变年份,而 且这次突变并不是简单的均值突变或转折 突变,是这两种突变的组合. 关键词:沙尘暴;周期;突变;库车;新疆 中图分类号:P445.4文献标识 码:ADOI:10.3969~.issn.16748085.2011.02.015 ANALYSISONSANDSToRMCHANGINGCHARACTERISTICSAND ABRUPTCHANGEINKUCHE.XINJIANG TANGJin,LIXia (CollegeofPrataculturalandEnvironmentalScience,xinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China) Absrtact:BasedongroundobservationsofXinjiangBureauofMeteorology,thedataaboutannualsandstorm daysinKuchefrom1951to2009wereobtained,andthetrend, periodsandabruptchangeofsandstormvariation wereanalyzedbythemethodsofwaveletanalyze,annualanomaliesandabruptttest.Theresultsindicatethat:r11 ThesandstormfrequencytrendisdecreasedinKucheduring60years,theaveragetrendis一0.34withthe significanceof0.05leve1.Thesandstormdaysarethemostin1950S,1970Sand1980Sduring60years.r21 Thereisanobviousperiodof7,15and22yearsfortheannualsandstormdaysseries;atthescaleofdifferent years,therearemanyhigh~equencyandlatentperiodfortheannualsandstormdaysseries;anotherhigh frequencyperiodwillhappenagaininthefuture. (3)Theabruptchangeyearofannualsandstormdaysarereally 1985inthestudyarea,anditisnotasimpleabruptchangeofthemeanturningpointabruptchangeorabrupt change,butisacombinationofthetwoabruptchangetypes. Keyword:sandstorm;periodic;abruptchange;Kuche,Xinjiang 沙尘暴是指强风将地面大量尘沙吹起,使空气 相当混浊,水平能见度小于1.0km的天气现象”. 作为干旱和半干旱地区常出现的灾害性天气之一,, 它的频繁发生对当地脆弱的生态环境和社会经济 发展造成了极大的破坏,加快了土地的荒漠化进 程..沙尘暴给人类造成的严重危害已引起了国内 外学者的高度关注,大量学者已在沙尘暴天气的成 因分析,气候特征,沙尘的远距离输送以及监测模 拟方面开展了相关研究1.近些年来,国际上尝 试利用风速,降水等气候因子建立综合气候影响指 收稿日期:2010,0612;修改日期:20lO-0804 基金项目:新疆维吾尔自治区”十一五”重大专项(200733144.1);中国 科学院知识创新工程重人项目(KZCXI.YW一09) 作者简介:唐~(1987一),女,湖南武冈人,硕上生,主要从事环境与生态 恢复研究rE—mail:balonhn@126. corn); 李~(1956一),女,山东菏泽人,教授,硕士,主要从事环境与生态恢复研 究fE.mail:lxtj2011@126. com). 井冈山大学(自然科学版)55 数模型,分析气候因素对沙尘暴频率格局的影响, 取得了较大进展[I”].与中国其它地方相比,新疆 气候干燥,沙漠和荒漠面积广阔,又处于冷空气活 动路径上,因而沙尘暴多,灾害强,不少学者研究 了20世纪以来新疆的沙尘暴天气气候变化特征, 普遍认为沙尘暴70年代最多,80年代之后有所减 少【1引,而近20多年来,新疆气候又出现了增暖 变湿,这种变化是否引起沙尘暴趋势的改变,是否 达到突变水平,需进一步研究.本研究以新疆库车 县为例,利用新疆气象局实测库车县1951-2009年 沙尘暴年日数资料,定量的检验和分析近60a来沙 尘暴趋势分布,周期变化和突变时间,以揭示该地 区沙尘暴的演变规律,丰富新疆沙尘暴天气的研究, 为准确预报沙尘暴的发生及沙尘暴天气的研究提 供了依据. 1研究区概况 库车县地处天山中部南麓,塔里木盆地北缘, 地理位置为东经82.34r~8425,北纬40.49,4238. 属于大陆性暖温带干旱气候,光照充足,降雨稀少, 夏季炎热,冬季干冷.全县人口44万人.总面积 1.52x10kn12.全年无霜期为227d,10?的年积 温为4264.14?.多年平均气温为11-3?,多年平 均降雨量和蒸发量分别为76.1IlllTI,2219.41TI1TIll. 2数据来源与分析方法 沙尘暴资料选用新疆气象局整编库车站气象 数据.考虑到资料的完整性和可比较性,统一选用 无缺测的1951-2009年沙尘暴日数记录. 对研究资料的统计分析,采用的方法为:?用 趋势系数,线性回归方程分析变化趋势,趋势系数 或线性方程的斜率小于0,则为下降趋势,反之为 上升趋势.?用小波分析法l】]来识别沙尘暴序列 的周期性变化,小波方差出现极值的时间尺度即为 序列周期的时间尺度.?以距平曲线的波动来反映 沙尘暴变化幅度,累积距平曲线的上升和下降反 映了沙尘暴随时间变化的增加和降低.用滑动t检 验【l9】来确定沙尘暴序列的突变年份,t值超过显着 水平线的年份即为突变年份. 3结果与分析 3.1沙尘暴日数年际变化分析 表1中给出了库车不同年代沙尘暴发生次数, 50年代沙尘暴发生次数最多,达到17次/年;60年 代和70年代,发生次数减少,但仍达到10次/年以 上,并在80年代显着减少,只有4.2次/年.9O年 代和21世纪初沙尘暴发生次数持续减少,在2001 年后9年问只发生了12次. 表1库车不同年代沙尘暴发生次数 Table1SandstormdaysindifferentdecaderecordedbyKuche 年代1951,19601961,]9701971,】9801981,】 990ig91-20002001-2009 图1给出了库车1960,2009年沙尘暴发生日数 的年际变化.近60年间,库车沙尘暴年日数呈显 着减少的趋势.其中年日数高于60年平均值的年 份有27年,且大部分集中于5O年代,60年代和 70年代问,占总年份的45.8%,是近60年库车沙 尘暴的三个频发期.其中1960年库车沙尘暴发生 日数最多,为31天,其次是1958年,为28天, 沙尘暴发生次数最少的年代为21世纪初期,这与 王旭的结论相一致l2….发生这种变化原因可能是由 于白20世纪中期以来,随着全球气候变暖,新疆 发生沙尘暴的次数呈减少趋]. 1951195619611966i97i19761981l986l99ll99(520012006 年份/a 图1库车沙尘暴}=j数的年际变化 Fig.1ChangeofannualsandstormdaysinKuche 3.2沙尘暴日数的周期分析 库车近60年沙尘暴年日数变化的小波分析(图 2)表明,沙尘暴发生日数存在较长周期,长周期 中又包含着短周期,沙尘暴年日数的变化是由不同 长度周期震荡叠加而形成的. 图2(a)中,小波方差在15年和22年尺度上 存在极值,由于数据序列较短,无法准确预测更长 时间尺度周期,最终确定库车在近60年的时间尺 度上存在约准15年和准22年的年代际周期.而从 60年代到80年代前期存在8年的短周期,这一短 周期在80年代中期到90年代中期缩短为5年,在 90年代后期以后又恢复到8年. 图2(b)中,在7年的时问尺度上,在1960-1985 年间,曲线的波动比较明显,年日数序列经历了7 个沙尘暴的频发期,6个沙尘暴偏少期.在15年的 时间尺度上,小波系数曲线总体上波动振幅较小, 56』F冈山大学(白然科学版) 年日数序列经历了3个沙尘暴的频发期,4个沙尘 暴偏少期.在22年的时问尺度上,年日数序列经 历了l95l,1985年的偏多期11985-2009年1个沙 尘暴偏少的时期,发生变化的年份是1985年. 由2(C),库沙尘暴年日数序列小波系数 等值线在15年和22年左右的尺度上分布比较密 集,存在明显的小波系数高低值中心震荡.在15,22 年的时问尺度上,该『又=沙尘暴经历了”多一少.多.少” 的交替变化,l985年以前是沙尘暴频发明,而1985 年的后20多年年是少沙尘暴期,每个多少交替期 都对应着年日数的突变.在10,15年的时间尺度上, 沙尘暴年日数含有3个相对频发期利4个相对少沙 尘暴期,每一时期持续的时间人都在7年左右. 综合2中的(b)和(c),可以看山,库沙尘暴 年目数序列,在15年的尺度上,小波系数等值线 或曲线都没有J合,且处丁低值的末年,表明沙 尘暴偏少的时期将要过去,米米儿年沙尘暴可能会 出现一个频发期.在7年利15年的尺度上,小波 系数等值线或曲线都没有闭合,且刚刚进入高值 『又=.由此可以推断,不论是在哪一时间尺度上来看, 术米儿年库沙尘暴将可能会出现一个频发期. . 汾 2库车沙尘暴年?数序列小波方差(a),主周期尺度小 波曲线(b),小波系数(c) Fig.2Waveletvariances(a),waveletcoefficientslinesin principalperiodscales(b)andwaveletcoefficients(C)of annualsandstormdaysinKuche 3.3沙尘暴日数的突变分析 3是l95l,2009年沙尘暴年日数距平和累积 距平变化序列,从中可以看山,近60年间,沙尘 暴频发年份利少沙尘暴年份人致相等,距平值为正 值的年份有27年,IIl’剑总年数的45.76%,且人部 分集中丁50年代至80年代,其中,l960年的距平 值为历年最人,为22.53.累积距平线的变化趋势 表明,库沙尘暴年日数序列经历了”增加.减少” 的波动,在1985年达剑最人值,发生突变;20 世纪50年代成为沙尘暴发生最为频繁的时期,20 世纪70.80年代是沙尘暴发生最为频繁的稳定时 期,21十甘=纪初期是沙尘暴减少最为明显的时期. 3库沙尘暴年【=II数距l,和累积距j变化趋势 Fig.3Yearlychangeandtrendofsandstormsanomaliesand annualanomaliesinKuche 由3和l可知,近60年米,库车沙尘暴 年日数呈现显着下降趋势,并发生了突变,这种突 变是否真的存在,是否可以达到显着水平,需要做 进一步的分析.检验突变的方法由很多种,主要为 线性趋势法,偏相关法,多元回归法,滑动f检验 等.其中,滑动f检验法能够简单直观的确定突变 点,囚此本文运用滑动t检验法对库车沙尘暴的年 日数进行突变检验.图4给出了滑动t检验法的检 验结果,1951,1960年和1990,1995年,沙尘暴年 日数始终处于负趋势,1961,1990年和1996,2009 年处于正趋势,并在1985年达到?=0.01的显着水 平,是沙尘暴发生变化的突变年份,说明库车在 1985年沙尘暴发生日数发生了由多到少的突变.滑 动f检验得出的突变年份与累积距平线得到的突变 年份一致,表明研究区内沙尘暴年日数的变化趋势 确实存在1985年的突变年份. 八 … , ……66?…7……99t;?l 图4库车沙尘暴年数突变检验 Fig.4TheabruptchangesofannualsandstormdaysinKuche =』I:冈山大学(自然科学版)57 库车沙尘暴发生日数序列在1985年发生了突 变,这种突变属T哪种类的突变,是均值突变, 跷跷板突变还是转折突变,还需要对突变类型进行 检验.为卉清突变的类型,以1985年为分界点对 沙尘暴发生曰数进行了阶段趋势检验.两个时段均 值检验的sig.=0<0.01,说明195l,1985年间利 1986,2009年问的沙尘暴日数均值存在极显着的差 异,库7F沙尘暴发生日数住l985年发生了均值突 变.1中沙尘暴发生日数的变化趋势明显的分为 两个阶段,l985年前,沙尘暴发生日数波动变化人, 而l986年斤,沙尘暴发生日数逐渐减少,说明库 7F沙尘暴发生目数以1985年为分界点,发生了转 折突变.总的看米,l985年库沙尘暴发生日数的 突变类型比较复杂,同时发生了均值突变利转折突 变两种类型. 4结论与讨论 沙尘暴是干旱和干旱地区常山现的灾害性 天气之一,它的频繁发生导致这些地区脆弱生态环 境的进一步恶化,加剧了全球荒漠化进.新疆远 离海洋,气候干燥,沙漠广阔,是我国沙尘暴的多 发区之一【2刚.冈此,新疆沙尘暴变化特征的研究对 当地生态环境,农业生产及社会经济发展具有深远 的意义.研究综合分析了1951-2009年库车沙尘暴 年日数序列时间分布特征,运}=}j小波分析法,累积 距平法及滑动,检验法对沙尘暴年日数序列的周期 特征I突变特征进行了分析,得到如下结论: (1)近60年间,库车沙尘暴年日数呈显着减 少的趋势,倾向率为3.4次/10a,趋势系数为.0.34, 相关系数达到了0.6236,通过of,=0.05的显着性检 验.年日数高于近6O年平均的有27年,且大部分 集中在5O年代,60年代和70年代间,是近6O年 库车沙尘暴的三个频发期. (2)沙尘暴发生频率及强度与气候变化有关, 尤其与地表降水量和大风频数关系密切,而气候变 化遵循一定的规律,使得沙尘暴的发生也呈规律性 的变化,主要表现为周期性【J.小波分析是一种信 号的时间一尺度分析方法,具有多分辨率分析的特 点,可以看到每一时刻在各周期中所处的位置,能 够更好地分析序列随时间的变化情况,借助小波变 换的时频局部化优势可以准确地找到时间序列的 大小时间尺度(周期)和突变点所在的位置,从而为 气候及水文系统分析,预测提供重要依据…. 小波分析结果表明,小波方着在7年,15年, 22年尺度上存在极值,即沙尘暴年日数序列存在7 年,15年,22年的周期;在不同的时问尺度上, 小波系数等值线包含了多个高值『又=和低值,即沙 尘暴经历了多个频发期和少沙尘暴期:从7年和15 年的尺度上米看,小波系数曲线刚刚转到高值, 可以推断,往未米儿年可能会迎米一个沙尘暴的频 发划. (3)气候突变是遍存在丁气候变化中的一 个重要现象,是气候预测和模拟的重要冈素.20 纪以米,全球气候变暖不断加剧,导致气候向暖湿 转变.近年米,一些研究表明新疆气候止在发生着 由暖干向暖湿方向的转,气候增湿会导致沙尘暴 发生7久数的减少f19-2o1,但是这种减少是否导致了沙 尘暴日数的突变,需要做进一步分析.沙尘暴的突 变分析表明,滑动,检验得出的突变年份与累积距 平法得到的突变年份基本一致,研究区内沙尘暴年 日数的变化趋势确实存在l985年的突变年份,而 且这7久突变并不是简单的均值突变或转折突变,是 这两种突变的组合. (4)本研究仅以历史时期沙尘暴发生曰数 的资料为依据,对库车县沙尘暴年日数序列的 周期特征和突变特征进行了分析,和国内其他 研究相比【22-23],尚缺乏对该区沙尘暴的形成机制, 预测预报及其防治措施方面的研究.笔者今后将利 刚相关资料对上述领域作进一步的研究.’ 参考文献: 【l】中国气象局.地面气象观测规范[MI.北京:气象l}I版 f21王金艳,王式功,马艳,等.我困北方春季沙尘暴与 气候闪子之关系【J].中国沙漠,2007,27(2):296?300. 『31郭慧,王式功,李栋梁,等.甘肃春季沙尘暴环流特 征及其时问尺度诊断分析【J】.中国沙漠,2004,24(5): 593-598. f414牛生杰,孙继IIJJ,桑建人.贺兰山地区沙尘暴发生次 数的变化趋势[J].中国沙漠,2000,20(1):55-58. 【5]5栏彩霞.新疆近40年气候变化与沙尘暴趋势分析【J1.气 象,2001,27(12):38—41. 『61钱正安,宋敏红,李万元.近50年米中国北方沙尘暴 的分布及变化趋势分析【JJ.中国沙淤,2002,22(2): 106.111.(参考文献[7卜[23)转第91页)