新疆地区气候与环境变化对沙尘暴的影响研究

新疆地区气候与环境变化对沙尘暴的影响研究 新疆地区气候与环境变化对沙尘暴的影响 研究 第27卷第2期 2004年6月 干旱区地理 ARIDIANDGEOGRAPHY Vo1.27No.2 Jun2004 文章编号:1000—6060(2004)02—0137—05 新疆地区气候与环境变化对沙尘暴的影响研究 魏文寿,高卫东,史玉光,OsamuABE. (1中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所.乌鲁木齐830002;2中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐830011 3Et本防灾科学技术研究所新庄支所.Et本山形县) 摘要:根据新疆地区50年来的气候变化以及人类活动的影响,阐述了新疆沙尘暴源区气候与荒漠环境变化.结 果表明,新疆地区的气候由暖干向暖湿发展.自20世纪70年代中期以来,暖湿过程非常明显,特别是新疆南疆与 北疆的气候变化特点和高山与盆地的气候变化差异以及湖泊其他水域面积的变化,都明显地反映了干旱区域气候 变化的敏感性,并且也反映了新疆区域气候与中国中,东部气候变化的差异性.由于气候的波动和人类活动的干 扰.使不同地区的荒漠环境受到不同程度影响.干旱地区的降水,大气湿度,下垫面状况等都直接影响着沙尘暴的 发生和发展.沙尘暴的发生频率和强度与沙尘源区的状况及其气候与荒漠环境变化以及动力条件(即天气系统) 等具有密切的关系.因此,20世纪80年代后期以来,气候变暖是造成干旱区生态环 境恶化,自然灾害尤其是风沙 灾害和沙尘暴增多的主要原因之一.同时,也反映出内陆干旱区是气候变化的敏感 反应区. 关键词:新疆气候变化荒漠环境沙尘暴 中图分类号:P445.4文献标识码:A 全球气候变化已成为全世界广泛关注的全球性 环境问题.众所周知,现代的荒漠化是自然因素和 人为因素共同作用的结果.而沙尘暴既是一种加速 土地荒漠化的重要过程,又是荒漠化发展到一定程 度的具体表现. 中国新疆位于欧亚大陆腹地,远离海洋.东至太 平洋约3400km,西距大西洋约6900km,南到印度 洋约2200km,北至北冰洋约3400km.新疆被高 山环绕,南有青藏高原,昆仑山,阿尔金山,东有祁连 山等,西南有喀喇昆仑山,北面有阿尔泰山,中部有 天山横亘,将新疆分为南北两半,天山北面形成了准 噶尔盆地与古尔班通古特沙漠,南面形成了塔里木 盆地与塔克拉玛干沙漠,从而形成了新疆"三山夹二 盆"的特殊地貌格局.依据地形的切割程度与海拔 高度,新疆的地形可分为高原,高山,低山丘陵,盆地 四大的地貌单元.由于天山对西风气流带来的水汽 的分割和拦截,大部分水汽经伊犁河谷和额尔齐斯 河谷进入新疆北部地区,形成较多降水,而能够到达 南疆的水汽甚少,从而导致了南北疆降水的明显差 异.因此,新疆的气候变化和荒漠生态环境具有区 域特征. 根据新疆地区近50年来的气候变化趋势分析. 其温度和降水都呈现增加的趋势,10年平均温度升 高了0.2?,降水增加了15ram.然而,分析结果表 明,湿润指数仍呈下降趋势【1】.自20世纪50年代 以来,新疆的气温持续升高,并且升温和降水增加主 要发生在冬季,而春季偏冷【2】.新疆地区的降水虽 有所增加,但其干旱化程度仍在加剧.因此,近年来 新疆的土地荒漠化程度和沙尘暴发生频率及强度仍 呈增加的趋势.而沙尘暴的发生频率和强度与沙尘 源的丰富度,沙尘暴源区的气候与生态环境变化,动 力条件等密切相关. 1与方法 本文所用资料是根据新疆100多个气象和水文 观测站的观测资料,并经统计分析后建立了新疆自 观测以来的气候变化序列.其中选取了新疆地区具 有代表性的观测台站多年观测的最大/最小降水量 和最高/最低气温作为讨论气候变化的依据,虽然它 们不能代表新疆气候变化中的极端值,但从目前有 连续观测的台站资料来看,对新疆的气候变化. 沙尘暴资料的统计中以沙尘暴发生次数为统计 单位并进行了与气候变化相关的个例分析.目的主 要是为了分析沙尘暴的发生频率和强度与天气过 程,气候变化,下垫面性质(包括表土含水率,植被覆 盖度和环境状况)等条件的关系. 收稿日期:2004—01—24;修订日期:2004—03—20 薹全目:革超重点基础研前朔~.4"~,(2002CCA04600);科技部基础性研究项目:"沙 尘暴观测规范和分级的研究"作者简介 :魏文寿(1954一),研究员.博士生导师,主要从事气候与环境变化的研究 l38干旱区地理27卷 2结果与分析 21降水 区域性降水的变化受多种因素的影响,新疆是 我国年降水量最少的地区,也是北半球同纬度降水 最少的地区t.新疆的年内降水分配不均,春夏 季多,冬秋季少(图1),根据地形和区域(或气候类 型)划分,降水则有明显的地域差异,即北疆多,南疆 少,蕊部多,东部少.从时间分布来看,北疆西部降 水以春季最多,夏季次之,到北疆中部变得与春夏相 近.南疆和东疆的降水量虽然极少,但是年内分配 则表现出春夏季大于冬季根据新疆降水量年内分 配分析.该地区的气候具有以下特征:(1)依据气候 分类,中国夏季季风区域的年内降水分配,最大期出 现在7月份,如上海的最大降水期为6,8月份.与 北疆纬度相近的啥尔滨的最大降水期与上海相似, 而新疆同纬度与以上地区的最大降水期极不相同 对阿拉木图,天山积雪站,特克斯,乌鲁木齐,哈密, 敦煌和酒泉等地的年内降水分配的比较表明.最 大降水期从西向东随着经度的增加而依次延后,也 就是说髓着经度的增大最大降水由春季向夏季滞 后.并且降水量自西向东逐渐减少,到吐鲁番和哈 密一带是年降水量最少的地方.随着向东部的延伸, 降水量又随之增加.因此新疆地区不属于东亚夏季 季风区;(2)从空气湿度看,新疆的湿度冬季大是因 为经常受气旋性风暴以及寒冷湿润的扳地气团的入 侵,冬季常产生寒潮和降水.新疆的湿度夏季小是 因为受源于局部地区的干燥大陆气团所控制,其表 现形式与地中海气候型相似.但是新疆的最大降水 期不是冬季,而是春季;(3)从温度变化看,新疆夏季 炎热.冬季寒冷,与地中海气候型的夏季炎热,冬季 温暖的气候特征有所差异. 伊宁市石河子乌鲁术齐奇台 图1北疆地区降水季节分配直方图 Fig1Sea.haldistrihutkanofprec~pltationinnorthXinjiang 新疆虽然不象地中海气候和季风气候那样有明 显的降水季节,但从多年的降水资料分析来看.它仍 有一个降水量相对集中的时期.如新疆西部和天山 地区.从3月份开始,降水量显着增多.据新疆通志 (气象志)统计,1998年6月.新疆连续降水日数最 多的一次曾出现在乌鲁木齐附近的大西沟站.时问 为29天,月最大降水出现在阜康天池站,降水量达 122.6ram. 由此看来,新疆的气候类型(特别是降水)既不 属于地中海气候类型.更不属于季风气候类型.而 这种内陆干旱气候的形成,首先是受高大山脉的影 响.海洋气团被阻挡.水汽很难翻越;其次是到达该 区的季风水汽已所剩无几;第三是源于新疆沙漠戈 壁下垫面所产生的热源,使对流加强,蒸发量加大 因此,该区降水属地中海气候与季风气候问的过渡 气候: ——?—一无兜世fI求-一-8l}岛醉水 9B1198Blg/1'g1g宕1t986199119.B2C(11 年份 图2新疆最大和最小年降水量变化 Fig2Changeofprecip[IationinXi~iang inthedryandWecyeara 新疆地区由于高大山体的屏障作用与盆地的阻 塞作用.使新疆的局地气候具有明显的差异.尤其是 高山与盆地,局地气候效应非常明显.根据新疆年 最大降水量年最小降水量台站的分析(图2),最大 降水量出现在中国天山西部北坡中lIl带的积雪站. 最大降水量可达1I24.0ram,年平均降水量为 8362ram.而最小降水量出现在吐鲁番地区的托克 逊站.年摄小降水量仅为0.5ram.年平均降水量为 7.5mm对上述两站地理条件进行比较,海拔高度 相差l775m.纬度差4.,经度差r-但多年平均降水 量却栩差828.7ram.由综合分析表明:(1)水汽来 源:新疆的降水主要由西风气流携带的水汽形成; (2)【【_地影响:由于天山山体迫使气流抬升,以致水 汽凝结并在】lI区产生大量降水.当气流到达新疆东 部的吐鲁番,哈密等地时所携带的水汽已所剩无几; (3)盆地与沙漠作用:在沙漠与荒漠下垫面的干热作 用下.很难产生有效降水.虽然两站的降水量相差 较大.但是近年的降水都呈增加的趋势. E* 啪啪批瑚. 柏巧??O l?** 匿盥 . _ 里目?圈圈???曩 冬 ???垦 . I.| ?嚣且,一I?I啊?—l 2期魏文寿等:新疆地区气候与环境变化对沙尘暴的影响研究139 根据全疆台站的降水资料分析(图3),20世纪 70年代中期以来,新疆地区的降水普遍呈增加的趋 势,尤其是自80年代中期以来,不但增加趋势明显, 而且降水变率增大显着.降水分析结果表明,新疆 地区不仅山区和丘陵地区的降水增加,并且盆地和 荒馍区的降水也呈增加趋势. ——?一年降水莆???--4三甲均t潞 230 210 190 ? 咖150 耋110 90 70 10 9.5 9 85 8道 75 7 6.5 6 19511956196119661971197619811986199119962001 年份 图3新疆地区气温和降水变化 Fig.3ChangeofairtemperatureandprecipitationinXinjiang 2.2温度 新疆的地形高差悬殊,气温变化幅度显着,平 原,盆地与中,低山带冬季被季节性积雪覆盖,高山 带覆盖有永久积雪和现代冰川以及多年冻土.北疆 富蕴县可可托海气象站的极端最低气温达 一 51.5?,而在吐鲁番机场曾测得极端最高气温达 49.6?.新疆的气温表现出明显寒冷和炎热的区域 温度变化特征. 新疆的温度同样有南北的显着差异.北疆冬季 寒冷,夏季炎热;而南疆则冬季暖和,夏季酷暑.从 气温月变化看【6】,南北疆的温度差异主要表现在冬 季,月平均气温以7月份最高,1月份最低.气温年 较差很大,北疆在40?左右,其中最大出现在准噶 尔盆地,如克拉玛依气温年较差为44.1?:南疆多 数地方的气温年较差在31,35?之间,如喀什为 32.0?,若羌为35.9?;在山区气温年较差明显减 小,天山积雪站的气温年较差为23.3?,大西沟站 仅为20.6?. 因此,新疆地区不仅本站具有极大的气温年较 差,而且区内最高与最低年际温差高达100?(图 4),富蕴与托克逊的海拔高度相差773m,纬度相差 4.,而如此之大的温度差异主要受如下因素的影响: (1)受山地和季节性积雪覆盖以及冬季环流的影响. 形成新疆境内的低温区;(2)受盆地和沙漠以及夏季 强日照和反射的作用,形成半封闭型的热汇区,造成 局域高温气候. 从全疆气温年际变化序列分析(图3),自20世 纪70年代以来,温度明显的上升趋势,特别是80年 代后期,升温幅度较大.在1988年,1998年的10 年间,温度升高了0.9?.分析认为,在近15年的 气候变化过程中,温度的升高是导致新疆的生态环 境恶化,自然灾害增加的主要原因之一,同时也反映 出内陆干旱区是气候变化的敏感反应区. -- ?一蓝扭皱低,气温——?一托免逊皴高t温 196119661971197619811986199119962001 年份 图4新疆最高/最低气温变化 Fig.4Changeofthemaximumandminimum temperaturesinXinjiang 2.3荒漠化与沙尘暴 新疆地区的生态环境自过去的50年以来,迅速 向荒漠化发展.对荒漠化发展起加剧作用的人类活 动主要有过渡开垦,放牧,滥肆樵采以及不合理的自 然资源开发,这些人类活动加剧了天然植被的破坏, 水土流失,土地沙化和土壤盐渍化.新疆地区人类 活动的主要影响是:20世纪50年代的过渡开垦,60 年代的为滥肆樵采,80年代的过渡放牧和90年代 之后的资源开发.尤其是在新疆两大沙漠的石油开 发,对沙丘的扰动非常严重.虽然荒漠化演变过程 中自然因素起着主导作用,但是人类活动却加剧了 荒漠化的过程.如塔里木河下游的台特马湖和玛纳 斯河下游的玛纳斯湖的干涸,两大沙漠的流沙面积 和土地荒漠化面积的扩大以及天然植被的退化,均 与人口的不断增长(新疆全区人口1950年仅为443 万,到1985年增加到1361万,2001年增加到1876 万,50年问增加了4倍多),现代工业的快速发展, 对水土资源的开发利用与日剧增等有密切的关系. 如塔里木河流域对水资源的利用在不断的增加,流 向下游的原本就有限的水源被截流,地下水被大量 抽取.这些不合理的自然资源开发活动使得下游地 表水更加缺乏,地下水位下降,流域间的荒漠植物生 长受到严重影响,甚至沿河岸和古河道生长的胡杨 林也由于断流和地下水位下降而逐渐枯萎,死亡,有 的已遭人为破坏和采伐.然而.人类在对改造自然 和保护野生动,植物及其栖息地方面做出了巨大成 就,如塔克拉玛干沙漠公路人工绿化带的建设;策勒 140干旱区地理27卷 县曾面临被沙漠淹没的绝境,由于人工治沙,固沙和 对沙漠环境的改造,使沙漠化得到了遏制,该县居民 重新获得了安居乐业的家园空间.因此,人类活动 对生态环境变化所起的作用非常重要,只要受到合 理有效的保护,荒漠生态环境就会向良性方向发展. 在自然因素和人类活动的共同作用下,中国已 成为世界上沙漠化严重的国家之一;而新疆又是中 国沙漠化最严重的地区.流沙和土地荒漠化面积不 断扩大,在35年间(1960,1994)新疆的沙漠面积增 加了960km,流沙面积增加了3820km,两大沙 漠(古尔班通古特沙漠和塔克拉玛干沙漠)的生态环 境不断恶化,为沙尘暴的发生提供了丰富的沙尘 源[引.新疆地区的气候变化同样反映在沙尘暴的 发生频率上.根据新疆温度和降水变化趋势分析, 20世纪60年代到70年代和80年代中到90年代 中期为降水丰沛期,这两个时期在沙尘暴日数的年 序列统计中也为低值期.但是沙尘暴的强度变化则 不遵循于干湿周期的变化.如西北地区自20世纪 50年代以来曾发生过6次大范围的强沙尘暴(分别 发生在1952年4月9日,1971年4月5日,1977年 4月22日,1986年5月19日,1993年5月5日和 1998年4月18日).从强沙尘暴发生的时间周期 分析,近年的强沙尘暴发生频率在增加(图5),并且 强沙尘暴均发生在4月到5月初期间.根据强沙尘 暴发生机理的分析认为C9],4月到5月初期间是干 旱区表土含水率最小的时期,干旱的下垫面(包括农 田,戈壁和沙漠)为沙尘暴提供了丰富的沙尘物质; 其次是大气环流的变化造成天气系统的演变,为亚 洲西北部强沙尘暴的发生提供了强劲的动力条件. 由此可见,干旱地区出现沙尘暴次数的多少,主要取 决于降水,大气湿度和下垫面状况;而强沙尘暴的发 生,主要取决于下垫面的物质状况和天气系统条件. 20世纪50年代为新疆沙尘暴发生的高值期,60年 代之后,南疆的沙尘暴发生频率呈减少的趋势;北疆 沙尘暴发生的变化在50年代不明显,自70年代后 期呈弱增加(图5),到90年代末期沙尘暴的发生频 率又有了明显的增加.根据40年来的沙尘暴次数 分析,在塔里木盆地局地沙尘暴过程有1423次,区 域性沙尘暴385次.2000年3月,5月期间中国北 方共发生了16次浮尘天气,其中4次为强度较大的 沙尘暴,均以新疆的两大沙漠为沙尘源区. 3讨论 (1)新疆地区的气候与荒漠环境变化,不仅反映 了干旱地区的区域特点,而且显示了在全球气候变 暖过程中的区域气候变化信息,如降水的明显增加, 湖泊等水域面积的扩大,季节性积雪分布区域的增 加,现代冰川的退缩等,都说明新疆地区的气候在向 着暖湿方向发展.从1998年以来的观测资料分析, 向暖湿变化的趋势更加显着.特别是在高山与盆地 构成的地貌条件下的冰雪与沙漠环境,表现出了独 特的区域气候变化特点:(1)在高山,由于降水变率 较小,升温明显,使永久积雪和现代冰川融化加剧, 雪线升高,现代冰川退缩;(2)由于大气环流的影响 和水分内循环的加强,使山麓和盆地间的性降水增 加如2002年1月19日在塔克拉玛干沙漠一次降 水过程使季节性积雪面积达11.4万km,积雪持续 时问达1个月之久;2003年5,6月份,南北疆各地 的阵性降水频次增加并产生暴雨,多个台站到6月 底的降水量已达到年平均值.由此可见,山麓和盆 地的降水增加,不仅促进了水分内循环过程,而且可 改善荒漠地区野生动植物的栖息环境. 1961196619711976 14 12 10籁 8啭 ?H 6 4 2 ---0…降水——?一沙尘暴天气 一一一 多项式(沙尘暴天气)一多项式{降水) 图5南疆年降水量和沙尘暴发生次数变化 Fig.5Changeofannualprecipitationandduststorm occurringfrequencyinSouthXinjiang 新疆地区的气候变化参数分析结果表明,新疆 的气候增暖过程与中国甚至全球的变暖趋势基本一 致,但是在年内变化中冬季升温最为明显,并且从富 蕴和托克逊最高温度与最低温度变化过程中也证明 了这一点.本区的降水变化由于受地形和水汽来源 的制约,而且新疆本身的水汽源有限,虽然降水概率 有所增加,但总降水量还不能满足改善干旱区生态 环境的需求.尤其是沙漠和戈壁地区的降水量增加 十分有限,即使降水量增加十倍,也不能从根本上改 善其特殊的干旱生态环境.对湿润指数的分析也表 明,温度的明显升高和降水量的微弱增加并没有使 湿润指数增大和沙漠化速率减弱. (2)沙尘暴灾害的发生频率与强度,首先是受全 ?????柏约 E山/*逝 2期魏文寿等:新疆地区气候与环境变化对沙尘暴的影响研究 球气候变化的影响,气温的升高和土地沙漠化的加 剧为沙尘暴的发生提供了充足的沙尘条件;其次人 类活动的增加加剧了沙尘暴的发生和发展.新疆地 区沙尘暴灾害自1995年后出现波动式增加,是由温 度升高,相对湿度减小,土地沙漠化加剧和人类活动 增加共同作用所造成的.因此,加强保护干旱区脆 弱的荒漠生态环境和改善大气条件是实现干旱区可 持续发展的重要工程. 参考文献 [1]张家宝,史玉光.气候变化及短期气候预测研究[C].气象出版 社.2002.25,32. [2]张丽旭,魂文寿.天山西部中山带积雪变化趋势与气温和降水 的关系….山地.2001.19(5):403,407. 【3]魂文寿.古尔班通古特沙漠现代沙漠环境与气候变化…中国 沙漠,2000.20(2):178,184. C4] [5] [6】 王雪芹.雷加强.古尔班通古沙漠风沙活动特征与线形工程安 全研究【j].干旱区地理.2003.26(2):143—149. weiwenshou.Respondenceandfeedbackofmodernsanddeserts toclimatechange[J].ChineseScienceBulletin.2000.45(12):1 l37,ll42. 魏文鸯.何清,刘明哲,等.准噶尔盆地的气候变化与荒漠环境 研究[J].中国沙漠,2003,23(2):101,104. 刘明哲.魏文寿.沙尘源区与沉降区气深胶粒子的物化特征 ….干旱区地理.2003,26(4):334,339. 尚呵政.董光荣,王式功,等.我国北方河区气候变化对全球变 暖的响应….中国沙漠.2001,21(4):387—392. WangShigong.DongGuangrong,YangDebao,eta1.Astudyon sand—duststormsoverthedesertregionsinnorthChina[J].J NaturalDisasters,1996,5(2):86,93. InfluenceofClimateandEnvironmentChangeonDust StormsinXin.iiang,China WEIWen—shou一,GaoWei—dong2, SHIYu—guang.OsamuABE. (1InstituteofDesertMeteorology.ChinaMeteorologicalAdministration.Urumqi830002, China 2XiiangInstituteofEcologyandGeography.ChineseAcademyofSciences,Urumqi83001l, China; 3Snou?andIceResearchGpvup.NationalReseamhInstitutefo,'EarthScienceandDisasterP revention.Japan) Abstract:ThedesertenvironmentchangeinthesohrceareasofduststormsoccurringinXiNiangisdiscussed basedontheclimatechangeandtheimpactsofhumanactivitiesinXinjianginrecent50years.Theresultsshow thattheclimateinXinjiangischangingfromwarming—dryingtypetowarming— wettingtype.Theclimate warming—wettingisquiteobvioussincethemid一 1970s,especiallythesensitivityoftheregionalclimatechangein thisaridareaisobviouslyrevealedbymanyfactors,suchasthecharacteristicsofthelocalclimatechangein southandnorthXinjiang,thedifferenceofclimatechangeinthealpinezonesandthebasins,andthechangeof areasofthewaters,andthesefactorsalsorevealthedifferenceoftheregionalclimatechangebetweenXi~iang andcentralandeasternareasofChina.Becauseoftheclimatefluctuationandthedisturbance0fhuman activities,theoccurrenceanddevelopmentofduststormsaredirectlyaffectedbytheprecipitation,airhumidity, statusofunderlyingsurface,etc.inthearidareas.Theoccurringfrequencvandintensitv0fduststormsare closelyrelatedtothenaturalconditions,changeofclimateanddesertenvironmentaswellastheforcing conditions(i.e.,weathersystems)inthesourceareasofduststorms.Therefore.climatewarrningis0ne0fthe maincausesresultinginthedegenerationoftheecologicalenvironmentandthefrequentoccurrenceofnatural disasters,especiallythedisastersofsanddriftandduststormsinthearidareassincethelate一 1980s.which revealsthatthecontinentalaridareasarethesensitiveregionstoclimatechange. KeyWords:Xiniiang;climatechange;desertenvironment;duststorm.