沙尘暴指强风卷起大量沙尘、使能见度恶化的沙尘天气，是干旱半干旱地区的灾害性天气^［1-2］。由于沙尘暴具有突发性、持续时间短和高强度的特点，往往能在短时间内造成严重危害^［3-4］，而中国西北地区属于中亚沙尘暴区，是世界上沙尘天气的高发区之一^［5］。每年沙尘暴都会对当地生产生活、经济、人民生命安全等造成严重威胁^［6-8］。

西北地区有5个沙尘暴高值区，分别是南疆盆地南缘、柯坪盆地、河西走廊的民勤、内蒙古拐子湖和宁夏盐池^［9］。而相比于局地沙尘暴，区域性沙尘暴天气的危害性更大^［10］。目前针对区域性沙尘暴的研究集中在区域性沙尘暴的标准、典型个例的特征及成因分析、时空特征分析等方面。陈晓光等^［11］基于46年的沙尘暴实测资料，确定了甘肃省区域性沙尘暴过程强度标准和单站沙尘暴过程强度标准；王式功等^［12］采用聚类分析对中国沙尘暴天气易发区进行划分，并对区域性特征进行了研究；杨晓玲等^［13］、李玲萍等^［14］分别对河西走廊2004年3月2日典型区域性沙尘暴个例和典型冷锋型区域性沙尘暴进行了天气学成因及物理量要素诊断分析；冯建英等^［10］运用小波分析等统计方法分析了1954—2001年中国西北地区区域性沙尘暴天气过程的特征和变化趋势，表明近48年来区域性沙尘暴和强沙尘暴天气过程都呈波动下降趋势，且强沙尘暴天气过程比沙尘暴天气过程下降趋势更明显，1988 年后无论沙尘暴或强沙尘暴天气过程均大幅减少。这些研究成果为了解西北地区区域性沙尘暴提供了很好的参考，但对21世纪中国西北地区区域性沙尘暴的气候特征缺少整体研究。

从气候学角度来看，沙尘暴的发生同时受气候因子和下垫面条件的影响，而下垫面条件也会因气候变化而变化^［15-17］。随着全球气候变暖，施雅风等^［18］认为西北地区气候转向暖湿的趋势可以肯定，但尚不能确切预测转型扩大在时间上与空间上变化的速度和程度；杨蓉等^［19］同样发现2000年以来陕甘宁蒙接壤区降水量呈明显增加趋势，但是否该区气候具有由暖干向暖湿转型的大趋势仍无法确认；而张强等^［20］研究表明，1961—2008年西北地区整体暖干化趋势明显，局部出现暖湿现象。受气候变化影响，西北地区植被覆盖在1981—1995年总体向改善的趋势发展，1996—2001年有退化的现象^［21］，而郭铌等^［22］研究表明，1982—2003年西北地区绿洲面积呈现增加趋势，邓朝平等^［23］证实了这一发现，并且指出植被增加面积主要分布在新疆和河西走廊绿洲、黄河沿岸灌区以及青海草区，水分条件充足的绿洲是植被覆盖增加最显著的区域。因此有必要探讨和研究近年来西北地区气候如何变化及其对植被覆盖的影响，以及气候变化和植被覆盖对区域性沙尘暴的影响。

周秀骥等^［24］提出了沙尘暴形成物理机制中的动力学特征，指出了2000年北京沙尘暴频率的剧增与冷空气活动有很大的关系。从气候动力学角度，探讨与沙尘暴发生频率最为相关的气候动力学因子，对研究近年来沙尘暴特征变化成因及未来沙尘暴频率预测有非常重要的意义。区域性沙尘暴强度大、范围广，大风、强冷空气等短时效的动力因子无法较好地解释长时间序列的特征变化，寻找和研究与区域性沙尘暴相关较好的、且空间变化不大的大尺度气候动力因子，对于预测未来西北地区区域性沙尘暴变化有重要的实际参考价值。

本文利用2000—2020年平均温度、年降水量、植被遥感、沙尘暴观测以及气候动力因子等资料，研究近年来西北地区区域性沙尘暴时空变化特征，并在此基础上讨论其对气候变化、气候动力因子、下垫面条件等的响应，以期为政府相关部门制定防沙、控沙决策，降低因沙尘暴造成的恶劣影响提供一定的理论依据。

研究区涵盖陕、甘、宁、青、新及110°E以西的内蒙古中西部地区（图1）。其中自然地理区域包括甘新绿洲农业区、黄土高原、宁蒙河套地区、陕北农牧交错区、青藏高原区域，既是中国生态环境比较脆弱的地区，也是中国干旱灾害和沙尘灾害最为严重的地区^［25］。主要的沙尘源地包括古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠、库姆塔格沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙地等七大沙漠、一大沙地^［26-27］。

通过资料质控，选取2000—2020年研究区域内有完整观测记录的381个国家级气象站的地面观测资料，包括逐日的地面2 m温度、降水量、全天24 h记录的天气现象及起止时间等。上述资料均来源于中国气象局国家气候中心数据库。

根据中国气象局《地面气象观测规范》^［28］及《沙尘天气预警业务服务暂行规定》^［29］，对地面观测资料中的沙尘暴、强沙尘暴及特强沙尘暴天气进行了筛选。本文对区域性沙尘暴的定义参考了冯建英等^［10］的研究，分别以出现沙尘暴天气的n个站为圆心，画n个半径为R的圆，若这n个圆中，只要有一个圆内能包含m（m≤n）个站，则认为本次沙尘暴天气为区域性沙尘暴天气过程。其中R表示区域的范围大小，m为区域站数标准，取R为400 km，m为3站。与冯建英等的研究方法有区别的是本文将沙尘暴、强沙尘暴及特强沙尘暴均作为沙尘暴天气进行统计，未做等级区分；程序自动检索对区域性沙尘暴日数进行统计。

根据2000—2020年研究区范围内的MODIS数据产品，使用ENVI、ArcGIS等图像处理软件对研究区域内沙尘暴高发期的归一化植被指数（NDVI）进行处理，获取了空间分辨率0.5 km且覆盖整个研究区的NDVI影像数据。该资料来源于中国科学院地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn/sources/index？pid=1&rootid=1）。

气候动力因子数据，如北半球极涡指数、亚洲区极涡指数、南方涛动指数等，均来自中国气象局国家气候中心数据库。

2000—2020年西北地区区域性沙尘暴逐年总日数呈波动特征，两个高频期分别是2000—2002、2006—2011年，平均年总日数分别为9 d和6 d；两个低频期是2003—2005、2012—2020年，平均年总日数分别为1 d和3 d。近21年西北地区区域性沙尘暴逐年总日数呈波动下降趋势，其中2002年总日数最高为11 d，2017年西北地区未出现区域性沙尘暴（图2）。

从季节变化来看，春季是西北地区区域性沙尘暴的高发季，总日数为83 d，占年总日数的92%，夏季、秋季、冬季总日数较少，分别仅为3、2、2 d （图3）。

3、4、5月是西北地区区域性沙尘暴的频发月，4月区域性沙尘暴总日数最高，达47 d，1、6、7、11、12月是低频月，总日数均在3 d以内；2、8、9、10月均未出现区域性沙尘暴（图4）。

由于春季是区域性沙尘暴高发季，分析春季3个月逐旬总日数特征。区域性沙尘暴的高发期均在下旬，3、4、5月下旬区域性沙尘暴总日数分别为9、17、5 d，其次为上旬和中旬，上旬总日数略小于中旬；春季各旬中，4月下旬区域性沙尘暴总日数最高，5月上旬最低（图5）。

2000—2020年西北地区区域性沙尘暴年总日数呈波动下降趋势，存在两个高频期和两个低频期；春季是区域性沙尘暴的频发期，其中4月区域性沙尘暴总日数最高达47 d，其余季节均有区域性沙尘暴发生，但总日数均较少；春季各月下旬是区域性沙尘暴的频发期，其中4月下旬区域性沙尘暴总日数最高。

2000—2020年西北地区区域性沙尘暴高发区域主要有3个：①新疆南部的塔里木盆地，主要沙尘源为塔克拉玛干沙漠，区域性沙尘暴总日数超过10 d，盆地中部总日数甚至达到22 d。②内蒙古中西部地区，主要沙尘源为巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙地，总日数超过10 d。③甘肃河西地区，主要沙尘源为巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠，总日数在10 d左右。除高发区域，西北地区其余地区区域性沙尘暴总日数均少于8 d（图6）。

春季各月（3—5月）区域性沙尘暴空间分布均与年总日数空间分布基本一致。3月，北疆、青海中部及陕西等地出现区域性沙尘暴的站点相对于4月较少，其中青海中部及陕西未出现区域性沙尘暴。新疆南部及内蒙古中西部两个高发区，区域性沙尘暴总日数为2—4 d，其余地区总日数在2 d以内（图7A）。4月，新疆南部的塔里木盆地区域性沙尘暴总日数最高达16 d，内蒙古中西部及甘肃河西地区总日数为6—8 d，西北地区其余地区总日数为2—6 d（图7B）。5月，西北地区出现区域性沙尘暴的站点显著减少，新疆南部塔里木盆地及内蒙古中西部区域性沙尘暴总日数低至2—4 d，其余各地总日数均少于2 d（图7C）。

西北地区区域性沙尘暴高发区为新疆南部的塔里木盆地、内蒙古中西部、甘肃河西等3个地区。春季各月区域性沙尘暴总日数空间分布与年总日数空间分布基本一致。4月西北地区大部分地方区域性沙尘暴总日数在2—6 d，塔里木盆地、内蒙古中西部总日数在6 d以上，最高总日数达16 d；3月和5月西北地区大部分地方区域性沙尘暴总日数在2 d以内，塔里木盆地、内蒙古中西部总日数为2—4 d。春季，西北地区出现区域性沙尘暴的站点4月较多，5月较少。

极地上空，极涡是最强大的环流系统，其变化对中高纬乃至整个北半球天气系统的活动和天气气候有着直接的影响。极涡的扩张和收缩反映了极地冷空气的活动，它不仅会影响北半球气候带的南北推移，而且由于绕极环流的变化和异常，同时还会影响大气环流及天气气候的变化。对北半球极涡面积指数进行6阶多项式拟合，下文其他指数均采用此拟合方案。2000—2020年北半球极涡面积指数呈双峰型特征，整体呈波动下降趋势（图8A），表明北半球极涡近年来逐渐向北收缩。西北地区区域性沙尘暴日数与北半球极涡面积指数单相关系数为0.55（P<0.05），且二者波动变化趋势基本一致。北半球极涡强度指数变化趋势与区域性沙尘暴日数变化趋势也有较高的一致性（图8B），二者单相关系数为0.43（P<0.05），表明近年来北半球极涡活动逐渐转入偏弱期。由此看来，北半球极涡指数（面积和强度）是影响西北地区区域性沙尘暴日数的主要因子。该结果与达布希拉图等^［30］关于气候因子对内蒙古沙尘暴频率的影响研究结论基本一致。

西北地区区域性沙尘暴日数与亚洲区极涡强度指数单相关系数为0.5（P<0.05），与亚洲区极涡面积指数相关性很小。从变化趋势来看，强度指数与区域性沙尘暴日数二者波动变化趋势基本一致，面积指数波动变化不明显，但整体呈下降趋势（图9），与区域性沙尘暴日数线性趋势相同。

西太平洋副热带高压强弱变化及其南北和东西位置的进退摆动，是副热带环流调整的主要表现，同时它受西风带槽脊和东风带系统的制约和影响。西太平洋副热带高压面积指数和强度指数与西北地区区域性沙尘暴日数之间的单相关系数分别为-0.34和-0.31，未通过显著性检验。但从波动变化趋势来看，西太平洋副热带高压指数（面积和强度）与区域性沙尘暴日数均呈明显的反位相分布（图10）。这表明西太平洋副热带高压虽不是西北地区区域性沙尘暴频次变化的主要影响因子，但对预测未来区域性沙尘暴频次有很好的指示作用。郭晓宁等^［31］对柴达木盆地春季沙尘暴特征进行研究，发现西太平洋副热带高压面积指数与沙尘暴日数呈相反的变化趋势，原因为副热带高压面积逐年偏大，平均影响范围西伸至中国中部地区，青藏高原易形成低值系统，而处于高原腹地的柴达木盆地晴好天气减少，云量增多，大气水汽含量多，不利于沙尘天气形成。

北极涛动（AO）对气候变化具有重要作用，主要特征表现为冬季海平面气压场上北极地区与其周围环状地区之间气压的跷跷板式分布。Thompson等^［32-33］指出，AO反映了北半球中高纬度西风强度的变化，AO指数的高低分别对应着副热带西风的强弱。AO指数与区域性沙尘暴日数负相关，未通过显著性检验（图11），但二者的变化趋势无论是线性还是多项式拟合均呈反位相分布，AO指数增加与区域性沙尘暴日数减少相对应，反之亦然。AO指数呈逐年波动增长趋势，表明副热带西风环流强度偏强，北半球中高纬地区纬向环流占主导，郑广芬等^［34］关于AO异常对西北地区东部沙尘暴频次的影响研究显示，在这种形势下，整个中高纬度冷空气势力较弱，活动次数偏少，不利于大风、寒潮天气的发生，沙尘暴天气频次也相应减少。

南方涛动指数（SOI），由东西太平洋气压值之差算出，由于南方涛动和厄尔尼诺现象几乎同时发生，所以SOI可以用来衡量厄尔尼诺现象，通常合称为“ENSO”^［35］。SOI与西北地区区域性沙尘暴日数呈正相关，未通过显著性检验，但二者波动变化趋势基本一致（图12）。

亚洲纬向和经向环流指数与西北地区区域性沙尘暴日数的单相关系数分别为0.31、0.04，区域性沙尘暴日数与纬向环流指数有较好正相关，与经向环流指数的相关性忽略不计，可见纬向环流对区域性沙尘暴日数的影响远大于经向环流。从变化趋势来看，纬向环流指数波动变化较小，与区域性沙尘暴日数变化趋势一致性较弱（图13）。

北半球极涡面积指数、亚洲区极涡强度指数、北半球极涡强度指数这3个因子是与西北地区区域性沙尘暴日数相关性最好的因子，均为正相关（P<0.05）。其次西太平洋副热带高压面积和强度指数与区域性沙尘暴日数的相关性较好，均为负相关。此外相关性从高到低依次是亚洲纬向环流指数、南方涛动指数、北极涛动指数、亚洲区极涡面积指数、亚洲经向环流指数（图14）。

西北地区区域性沙尘暴日数与北半球极涡面积和强度指数、亚洲区极涡强度指数均存在显著正相关，近年来北半球的极涡逐渐向北收缩并逐渐转入偏弱期，是西北地区区域性沙尘暴日数减少的主要原因之一。西北地区区域性沙尘暴日数与西太平洋副热带高压面积和强度指数、北极涛动指数均呈负相关，与南方涛动指数、亚洲纬向环流指数呈正相关，虽相关性均不显著，但线性和多项式拟合变化趋势均呈现较高的一致性（正相关）或反位相分布（负相关），表明西太平洋副热带高压的面积和强度、北极涛动、南方涛动、亚洲纬向环流强度等均与西北地区区域性沙尘暴之间存在密切关系，对今后西北地区区域性沙尘暴天气过程的多少具有一定的预报指示作用。

地面的起沙量是沙尘暴形成的重要因子，植被的覆盖度与起沙量有着密切关系^［36］。下垫面状况主要体现在植被覆盖度，植被覆盖受气候变化和人类活动共同影响，同时温度、降水也是沙尘暴发生的影响因子。

西北地区2000—2020年年平均温度总体呈上升趋势，上升速率为0.02 ℃·a^-1，与区域性沙尘暴日数相关性很小（表1）；年降水量呈上升趋势，上升速率为2.64 mm·a^-1，与区域性沙尘暴日数单相关系数为-0.46，通过了0.05的显著性检验，呈显著的负相关。春季平均温度与区域性沙尘暴日数呈负相关，单相关系数为-0.29；春季降水量与区域性沙尘暴日数单相关系数为-0.38，通过了0.1的显著性检验，呈显著负相关。这表明温度和降水量的增加均对区域性沙尘暴的减少产生正贡献，其中降水量的正贡献更高。春季逐年平均温度和降水量均呈上升趋势（图15），平均温度上升速率为0.05 ℃·a^-1，高于年平均温度上升速率，降水量上升速率为1.5 mm·a^-1，低于年降水量上升速率。整体来看，春季西北地区气候趋于暖湿化。

西北地区春季平均温度呈东西高中间低的特征，西部新疆地区及东部甘肃东南部、陕西、宁夏、内蒙古中西部等地区春季平均温度均大于10 ℃，其中塔里木盆地、甘肃东南部、陕西南部春季平均温度在16—20 ℃；中部甘肃河西、青海等地春季平均温度均小于8 ℃，其中青海部分地区低于0 ℃（图16A）。春季降水量的空间分布呈带状，自西北向东南先递减后递增，新疆南部-甘肃及青海西北部-内蒙古西部一带春季降水量最少，小于10 mm，陕南地区春季降水量最多，大于200 mm，最高可达260 mm（图16B）。

春季除陕西北部和南部地区以外，西北地区大部分地方平均温度均呈上升趋势，气候倾斜率为0—0.12 ℃·a^-1，其中青海、甘肃河西、内蒙古中西部等地上升趋势明显，气候倾斜率大于0.04 ℃·a^-1（图17A）。 西北地区大部分地方春季降水量也均呈上升趋势，其中青海东部、陕西、宁夏及甘肃东南部上升趋势尤为明显，气候倾斜率大于4 mm·a^-1，新疆塔里木盆地、甘肃酒泉、内蒙古中部等小部分地区呈下降趋势，气候倾斜率为-1 mm·a^-1（图17B）。

西北地区春季大部分地方气候逐渐趋于暖湿化，其中包括区域性沙尘暴频发的新疆北部、宁夏、甘肃中部、内蒙古西部等地区。西北地区区域性沙尘暴日数与年降水量、春季降水量均呈显著负相关，与春季平均温度也呈负相关。降水量增加使得沙化地表蓬松度减弱，而温度增加表明西北地区冷空气活动减弱，与前文气候因子特征分析结论一致。这表明气候的暖湿化转变也是西北地区区域性沙尘暴减少的影响因子之一。

由于春季（3—5月）是沙尘暴频发季节，故选取2000、2020年春季平均NDVI空间分布及两者的差值，表征西北地区区域性沙尘暴春季植被覆盖的变化。2000年西北地区春季平均NDVI空间分布（图18）与年降水量空间分布（图16B）基本一致，其中NDVI高值区为北疆地区及西北地区东南部，NDVI为0.4—1.0，其余大部分地区NDVI在0.15以下。2020年与2000年春季平均NDVI差值的空间分布显示，西北地区除北疆部分地区NDVI差值为负值，其余大部分地区NDVI差值均为正值，陕西、甘肃东南部地区差值为0.4—0.8（图19）。整体来看西北地区植被覆盖度以上升为主要趋势，植被改善尤为明显的区域为陕西及甘肃东南部地区，北疆部分地区的植被覆盖度略有下降。

2000—2020年西北地区NDVI总平均值为0.163，平均NDVI呈逐年波动上升趋势，上升速率为0.0017 ·a^-1（图20），与区域性沙尘暴日数的单相关系数为-0.58（P<0.05）。

研究显示^［37-40］，中国北方的沙尘暴有一部分来自于蒙古国的沙尘输入，因此蒙古国植被覆盖变化也在一定程度上影响西北地区区域性沙尘暴的发生。陈芳等^［41］基于MODIS数据对蒙古国2003—2017年植被覆盖变化进行了研究，发现蒙古国植被覆盖度呈逐年上升趋势，但趋势不显著，土地总体荒漠化程度有所减轻，极重度荒漠化面积减少而轻度、非荒漠化土地面积增加。王蕊等^［42］基于MODIS对蒙古国2001—2010年NDVI的监测分析表明，夏季、秋季、冬季，蒙古国NDVI整体呈弱上升趋势，植被覆盖均有所改善，春季普遍存在退化的趋势，仅蒙古国南部小片区域植被保持稳定。

总的来说，西北地区大部分地区植被覆盖均有改善，且平均NDVI呈逐年上升趋势，与区域性沙尘暴日数呈显著负相关，表明西北地区植被覆盖改善有利于本地起沙的区域性沙尘暴频次减少，是近年来西北地区区域性沙尘暴明显较少的影响因子之一。

2000—2020年西北地区区域性沙尘暴年总日数呈波动下降趋势，且存在两个高频期和两个低频期，高频期平均总日数为8 d，低频期平均总日数为2 d；春季是区域性沙尘暴高发季节，该季节总日数占全年总日数的92%；全年各月中，4月区域性沙尘暴总日数最高，达47 d；春季各月下旬为区域性沙尘暴高发期，其次为上旬。

西北地区区域性沙尘暴高发区主要包括3个，分别是新疆南部的塔里木盆地、内蒙古中西部地区以及甘肃河西地区，区域性沙尘暴总日数均大于10 d，其中塔里木盆地总日数可达22 d。春季各月的区域性沙尘暴总日数空间分布与年总日数分布基本一致，3月和5月青海、新疆北部、陕西等地出现区域性沙尘暴的站点明显少于4月。

北半球极涡面积指数、亚洲区极涡强度指数、北半球极涡强度指数3个气候动力因子与西北地区区域性沙尘暴日数均呈显著的正相关，且三者波动变化趋势均与区域性沙尘暴日数变化趋势一致，表明北半球的极涡从扩张期到收缩期转变及其强度减弱，是西北地区区域性沙尘暴日数减少的重要气候动力因子。西太平洋副高面积指数和强度指数、北极涛动指数、南方涛动指数、亚洲纬向环流指数等均对西北地区区域性沙尘暴日数变化有一定的指示作用。

西北地区春季大部分区域气候呈暖湿化，植被（NDVI）整体以改善为主要趋势，年（春季）降水量、平均NDVI均与区域性沙尘暴日数显著负相关。气候暖湿化和植被改善也是近年来西北地区区域性沙尘暴出现频次减少的原因。但由于沙尘暴极易输入中国北方，蒙古国植被覆盖又改善不明显，因此气候暖湿化及植被覆盖度的增加有利于减少非输入性沙尘暴的发生。