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中国沙漠, 2025, 45(2): 47-60 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00146

卫星遥感揭示的2001年以来中蒙地区沙尘事件频次变化及其原因

程星雨,1, 徐志伟,1, 俞妍2, 张小啸3

1.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023

2.北京大学 物理学院 大气与海洋科学系，北京 100871

3.中国科学院新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011

Changes in frequency and possible causes of dust occurrence in northern China and Mongolia since 2001 revealed by remote sensing

Cheng Xingyu,1, Xu Zhiwei,1, Yu Yan2, Zhang Xiaoxiao3

1.School of Geography and Ocean Science，Nanjing University，Nanjing 210023，China

2.Department of Atmospheric and Oceanic Sciences，School of Physics，Peking University，Beijing 100871，China

3.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology，Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China

通讯作者: 徐志伟（E-mail： zhiweixu@nju.edu.cn）

收稿日期: 2024-08-22   修回日期: 2024-10-30  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42122001.  42021001

Received: 2024-08-22   Revised: 2024-10-30  

作者简介 About authors

程星雨（2000—），男，浙江杭州人，硕士研究生，研究方向为沙尘遥感E-mail：502022270005@smail.nju.edu.cn , E-mail：502022270005@smail.nju.edu.cn

摘要

沙尘是地球表层系统的活跃媒介，对全球气候变化响应敏感，能够通过一系列反馈作用影响全球辐射、能量平衡和物质循环。近年来，越来越多的卫星遥感产品被用于监测沙尘活动，例如沙尘气溶胶光学厚度（DOD）。然而，包括DOD在内的基于遥感反演的多种沙尘指数与沙尘活动强度的关系仍然缺少量化表征。利用中国北方沙尘暴观测站点资料和《沙尘天气年鉴》等数据，对2001—2007年中国北方沙尘事件的强度和次数进行统计，并检验DOD的沙尘指示意义；在此基础上，对不同区域、不同强度的沙尘事件进行区分，进而探讨2001—2022年中蒙地区沙尘事件频次的时空变化特征及其原因。结果表明：（1）随着浮尘与扬沙、沙尘暴、强沙尘暴等沙尘活动强度的增加，DOD总体呈现增加趋势，但是不同区域沙尘事件对应的DOD阈值有明显差别，其中，西部地区DOD对于不同强度沙尘事件的区分效果较好，浮尘与扬沙的DOD阈值（0.2）低于中东部地区（0.4）。（2）年均沙尘事件频次（FoO）高值区主要分布在中国新疆、内蒙古北部和蒙古国南部的戈壁沙漠，以及柴达木盆地的部分地区，并且这些地区春夏季的沙尘事件频次普遍高于秋冬季。（3）近20年来，中国北方沙尘事件频次整体呈现下降趋势，尤其是中国北方中部的沙漠沙地和黄土高原地区显著下降，而蒙古国沙尘事件频次呈现出东南部下降、西南部升高的特征。（4）研究区沙尘事件频次变化与植被指数和春季风速在大部分地区显著相关，反映出在气候变化与生态修复工程广泛实施的背景下，区域近地面风速下降和植被增多抑制了地表沙尘活动。

关键词： 沙尘暴 ; 沙尘气溶胶光学厚度 ; 沙尘事件频次 ; 遥感 ; 生态恢复 ; 气候变化

Abstract

Dust is an active component in the earth's surface system， highly sensitive to global climate changes， and capable of influencing global radiation， energy balance， and material cycling through a series of feedbacks. In recent years， an increasing number of remote sensing products have been used to monitor sand and dust storms， such as Dust Aerosol Optical Depth （DOD）. However， quantitative characterization of the relationship between DOD and other remote sensing-derived sand and dust storms indexes with the intensity of sand and dust storms remains limited. This study utilizes sand and dust storms observation data from meteorological stations in northern China and data from the Annual Report on Dust Weather in China to statistically analyze the frequency of dust occurrence （FoO） in northern China and Mongolia from 2001 to 2007， verifying DOD as an indicator for frequency of dust occurrence. Based on these analyses， this study distinguishes sand and dust storms of different intensities in various regions based on DOD and FoO， thereby exploring the spatiotemporal variations and driving factors of sand and dust storms in the study area from 2001 to 2022. The results show that： （1） DOD increases with the intensity of sand and dust storms， from suspended dust to blowing sand and dust， sand and dust storms， and severe sand and dust storms， but DOD threshold values for distinguishing various types of sand and dust storms vary by region. It shows more distinct DOD thresholds in western study area for different dust intensities， with a lower threshold for suspended dust and blowing sand and dust （0.2） compared to central and eastern study area（0.4）. （2） High FoO areas were primarily located in Xinjiang， gobi and deserts in northern Inner Mongolia and southern Mongolia， and deserts in Qaidam Basin， where FoO is generally higher in spring and summer than in autumn and winter. （3） Over the past two decades， FoO has generally declined across northern China， especially in deserts and dune fields of north-central China and the Loess Plateau. In contrast， Mongolia shows a pattern of decreasing FoO in the southeast and increasing FoO in the southwest. （4） Changes in FoO in most areas strongly correlate with vegetation index， NDVI， and spring wind speed， reflecting that reduced near-surface wind speeds and increased vegetation， driven by climate change and extensive ecological restoration efforts， have suppressed dust activity in northern China.

Keywords： sand and dust storms ; dust optical depth （DOD） ; frequency of dust occurrence （FoO） ; remote sensing ; ecological restoration ; climate change

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本文引用格式

程星雨, 徐志伟, 俞妍, 张小啸. 卫星遥感揭示的2001年以来中蒙地区沙尘事件频次变化及其原因. 中国沙漠[J], 2025, 45(2): 47-60 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00146

Cheng Xingyu, Xu Zhiwei, Yu Yan, Zhang Xiaoxiao. Changes in frequency and possible causes of dust occurrence in northern China and Mongolia since 2001 revealed by remote sensing. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(2): 47-60 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00146

0 引言

沙尘事件是风把地表土壤中的细小沙尘颗粒吹起，从而影响大气气溶胶成分、降低大气能见度的天气现象［1］。沙尘不仅会影响区域的辐射传输平衡和生态环境，还能够长距离传输［2-4］，影响海洋的生物地球化学过程和铁、碳等物质循环［5-6］。沙尘在一定程度上会影响土壤肥力以及土壤发育、地貌演变等［7-8］。中国北方分布着广阔的沙漠和沙地，是全球重要的沙尘源地。近年来，这些地区广泛开展了防沙治沙等生态修复工程，在一定程度上改善了区域生态环境，减缓了局地沙尘的释放［9-11］。因此，对中国北方的沙尘活动开展研究，识别沙尘源区并明晰沙尘活动时空变化过程等，一直以来是学界关注的热点问题。

目前，沙尘观测等方面的研究主要利用实地监测、卫星遥感以及数值模拟等手段。Prospero等［12］在萨赫勒地区开展现场观测，研究了包括沙尘在内的各种大气气溶胶成分含量以及典型沙尘事件的传输情况。Wu等［13］使用沙尘排放模型研究了近几十年来中国北方沙尘事件减少的驱动因素，并认为气候变化是其主要原因。Huang等［14］发现沙尘气溶胶的半直接效应会影响东亚干旱和半干旱地区的云发展过程。近年来，卫星遥感数据被用于识别沙尘源区和监测沙尘传输路径，但不同的遥感影像产品具有各自的特点和优势［15-17］。总臭氧量测图光谱仪（TOMS）可以同时探测陆地和海洋上的沙尘气溶胶，但空间分辨率较低，只适用于全球范围内的沙尘研究。葵花八号卫星影像具有高时间分辨率，可以用于沙尘传输监测和沙尘源点识别［17］，但数据时间跨度较短，不适用于长时间的沙尘活动变化趋势研究。卡利普索地球环境观测卫星（CALIPSO）可以用于研究沙尘气溶胶的三维分布，但数据受到太阳短波辐射影响较大，对日间的沙尘研究具有一定影响［18］。中分辨率成像光谱仪（MODIS）具有较高的时空分辨率和多光谱通道的优点，其气溶胶产品被广泛用于沙尘活动检测［19］。Ginoux等［20］较早利用MODIS卫星影像数据计算了沙尘气溶胶光学厚度（Dust aerosol Optical Depth，DOD），并通过分析其时空分布特征来识别全球沙尘活跃区。Wang等［11］也利用DOD数据分析了东亚地区近20年以来沙尘活动的时空变化特征。

基于MODIS卫星影像数据计算得到的DOD变化趋势与气象站点观测的沙尘活动具有较好的一致性，能够反映沙尘活动的整体格局和年际变化趋势［11，20］。尽管如此，卫星遥感获取的DOD与地面观测的沙尘活动状况之间能否建立量化联系，仍然存在疑问。虽然DOD能够指示沙尘事件的发生，但是在沙尘源区的识别上不能算得上是一个定量化的指标。因此，许多研究在DOD的基础上提出了更为具体的定量化指标。Prospero等［21］基于DOD提出的沙尘事件频次（Frequency of dust Occurrence， FoO），被认为能够量化某地区某个时间段内沙尘事件的发生次数。目前，大多数研究均直接使用Ginoux等［20］提出的DOD日值0.2作为阈值来计算沙尘事件频次，进而量化全球尺度以及区域尺度的沙尘事件频次［22］。然而，考虑到不同区域沙尘事件的起沙机制和环境背景不同，不同区域沙尘事件频次的DOD阈值可能存在差异。此外，在对沙尘事件进行观测时，通常根据沙尘事件影响范围和强度的不同，将其分为浮尘、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴等。对于DOD能够有效区分不同强度的沙尘事件这一问题，也没有明确结论。因此，亟须针对不同区域的沙尘事件特征和环境背景，建立遥感观测结果和实测数据之间的量化关系，从而确定DOD的沙尘指示意义以及沙尘事件频次的计算阈值，进而提高基于遥感指数研究沙尘活动的准确性和可靠性。

本研究将利用中国北方丰富的沙尘暴观测资料和《沙尘天气年鉴》等资料，研究基于MODIS遥感影像数据获得的DOD对不同强度沙尘事件的指示意义，确定不同强度沙尘事件的DOD阈值；在此基础上，分析中蒙地区2001—2022年沙尘事件频次的时空变化特征，并讨论影响其变化的可能原因。研究结果能够为防范和应对沙尘暴灾害以及区域防沙治沙等提供参考。

1 研究数据与方法

1.1　研究数据

1.1.1　MODIS遥感影像数据

MODIS气溶胶产品能够表征大气中的气溶胶浓度［23-25］。研究者提出不同算法来反演不同地表的大气气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）。暗目标算法（Dark Target，DT）利用茂密植被和海洋在红、蓝波段的反射率相对较低的特征来计算大气气溶胶光学厚度。而裸露地表的地面双向反射率分布函数（尤其是蓝波段）较弱，针对这一情况，研究者提出深蓝算法（Deep Blue，DB）来检测气溶胶，在蓝色通道增加了总反射率和增强光谱对比，进而在干旱荒漠地区得到了更精确的气溶胶光学厚度［26-27］。因此，本研究使用来自MODIS Terra平台基于深蓝算法获得的AOD产品，利用这套数据计算DOD以及FoO等沙尘指数，最终得到空间分辨率为0.1°×0.1°、时间跨度为2001—2022年的沙尘遥感指数数据集。

1.1.2　沙尘暴气象观测资料

沙尘暴气象观测数据分为站点数据和《沙尘天气年鉴》。其中，站点数据来源于中国气象局，该数据包括了1954—2007年的中国沙尘天气序列及其支撑数据集，包含区站号、经纬度、年月日、沙尘暴开始和结束时间、能见度等指标。《沙尘天气年鉴》由国家气象中心组织整编，包含了2000年以来影响中国北方的沙尘天气过程概况、沙尘天气时空分布及主要沙尘天气过程图表等相关信息。本研究根据气象观测资料和卫星遥感资料的时间跨度，选取了时间跨度重合的2001—2007年数据用于沙尘指数的检验，这一时段也是近20年来沙尘活动较为频繁的时期。

本研究选取气象站点观测数据和《沙尘天气年鉴》两套资料，主要考虑到这两套资料对沙尘事件记录的互补性。地面气象站点记录了特定地区沙尘事件的强度与持续时间，但受限于观测范围，其空间代表性存在局限。同时，由于沙尘天气的定义严格，可能导致记录的完整性不足。《沙尘天气年鉴》收录了影响范围较广、持续时间较长的沙尘事件，然而在记录沙尘事件空间信息的精确度方面有待提高。因此，本研究结合两种观测资料来对2001—2007年发生的沙尘事件进行分类统计，并最终与遥感数据进行对比分析。

1.1.3　PM10 站点数据

本研究使用PM10站点数据作为遥感数据对比的补充资料。数据来源于环境气象数据服务平台发布的空气质量站点记录的PM10逐日数据，记录时间为2020年1月1日至今。通常情况下，沙尘活动期间站点记录的PM10会显著上升。

1.2　研究方法
1.2.1　DOD和沙尘事件频次计算

沙尘气溶胶具有吸收和散射太阳辐射的作用，会削弱到达地表的太阳辐射量。DOD是基于这一效应提出的用于表征大气垂直气柱单位截面上的沙尘气溶胶相对含量的遥感指数［28］。不过，在强反射地表（如沙漠地表），很多产品对气溶胶的反演会存在一定误差［27］。Ginoux等［20］根据沙尘的光谱吸收性和其吸收性随波长的增大而减弱的特点，提出了从MODIS DB AOD中计算DOD的方法。该方法考虑沙尘气溶胶的粒径为粗模态的特征，以连续函数的形式对其进行分离［29］，消除了细颗粒气溶胶的影响，得到误差较小的沙尘气溶胶指数。首先，该方法依据沙尘气溶胶的光学、物理特性对单散射反照率（ω）进行阈值划分［30］。当412 nm处的ω值小于0.95、470 nm处的ω值小于0.99，以及670 nm与412 nm处的ω差值大于0时，将AOD和埃指数（α）代入式（1）来计算DOD：

DOD=AOD×(0.98-0.5089α+0.0512α2)

对计算得到的DOD进行重采样后可以得到0.1°×0.1°空间分辨率的DOD数据集，时间跨度为2001—2022年。

FoO是基于DOD日值数据，在年尺度上统计获得的。首先，通过DOD日值对当天是否发生沙尘事件进行判读，当某天的DOD日值超过阈值时，则认为当天发生了沙尘事件，进而统计得到每年的沙尘事件频次。因此，沙尘事件频次也可看作沙尘天数的一个指标。在过去研究中通常使用一个统一的DOD阈值（0.2）来计算FoO，这带来了很多不确定性。本研究将利用DOD序列与当地气象观测数据进行对比分析，先确定不同区域不同强度沙尘事件的DOD阈值；在此基础上，计算研究区近20年来沙尘事件频次，分析并讨论其时空变化特征和可能的原因。

根据气象观测规范定义，浮尘、扬沙和沙尘暴都属于沙尘天气的范畴［31］。其中，浮尘是天气条件为无风或者平均风速小于3 m·s-1、水平能见度小于10 km的天气现象；扬沙是风将地面尘沙吹起、水平能见度为1~10 km的天气现象；而沙尘暴是在强风的作用下，被风吹起的尘沙使得水平能见度保持在1 km以下的天气现象。本研究将这几种不同强度的沙尘天气统称为沙尘事件。本研究将统计气象站点观测和《沙尘天气年鉴》中每次沙尘事件中各点位对应的DOD日值，分析不同强度沙尘事件对应的DOD值分布情况，进而确定指示不同区域不同强度沙尘事件发生的DOD阈值。考虑到中国北方沙漠沙地的地理位置不同，以及不同区域的气候特征存在差异，本文将塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、库姆塔格沙漠、柴达木盆地沙漠划分为西部地区沙漠，巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙地划分为中部地区沙漠沙地，浑善达克沙地、科尔沁沙地、呼伦贝尔沙地划分为东部地区沙地（图1），并分别研究不同区域不同强度沙尘事件DOD值分布情况。

图1

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图1   2001—2007年中国北方气象站点观测的沙尘事件次数与主要类型

注：圆圈大小代表该站点记录的沙尘事件总次数，颜色由浅到深代表该站点记录的沙尘事件中的主要类型，分别为浮尘与扬沙事件、沙尘暴事件或强沙尘暴事件。数字1~12分别代表各个沙漠和沙地。其中，西部地区沙漠包括：1.古尔班通古特沙漠，2.塔克拉玛干沙漠，3.库姆塔格沙漠，4.柴达木盆地沙漠；中部地区沙漠沙地包括：5.巴丹吉林沙漠，6.腾格里沙漠，7.乌兰布和沙漠，8.库布齐沙漠，9.毛乌素沙地；东部地区沙地包括：10.浑善达克沙地，11.呼伦贝尔沙地，12.科尔沁沙地。地图基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.1   The number of sand and dust storms and their main types observed by meteorological stations in North China from 2001 to 2007


1.2.2　Mann-Kendall趋势检验

Mann-Kendall趋势检验由Mann和Kendall提出，被广泛应用于分析降雨、气温、径流和水质等要素时间序列的趋势变化［32-33］。它适用于分析单调趋势的时间序列数据，且不需要满足正态分布的假设。本研究通过对2001—2022年的沙尘事件频次进行MK趋势检验，以此来分析研究区沙漠沙地近20年间沙尘事件频次变化趋势。

2 结果与分析

2.1　沙尘事件发生的DOD阈值

基于地面气象站点观测数据和《沙尘天气年鉴》两套资料，本研究统计了2001—2007年中国北方发生的一百余次沙尘事件，发现这些沙尘事件主要发生在新疆、内蒙古、甘肃和宁夏等地区。其中，内蒙古地区的沙尘事件次数超过100次，新疆、甘肃和宁夏等地也有超过50次沙尘事件，并且这些地区的沙尘事件以扬沙和沙尘暴为主。部分站点记录的沙尘事件超过20次，如二连浩特站和海力素站。

通过对比气象观测资料记录的沙尘事件和DOD日值，发现不同强度沙尘事件的DOD分布具有以下特点（图2）。总体而言，随着浮尘与扬沙、沙尘暴和强沙尘暴等不同类型沙尘事件的强度的增加，DOD均值呈现递增趋势。不同强度沙尘事件的DOD分布存在一定的重叠。例如，强沙尘暴的DOD值分布范围广泛，并和其他类型沙尘事件DOD分布范围存在重合。个别浮尘与扬沙等事件发生时，DOD值较高，甚至达到沙尘暴或强沙尘暴发生时的水平。不过，整体上看，强沙尘暴的DOD均值和中值大多高于2.0（其中，超过55%的强沙尘暴DOD值大于2.0），80%的浮尘与扬沙天气的DOD值小于1.0，沙尘暴的DOD值大多介于1.0与2.0之间。

图2

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图2   中国北方西部、中部、东部不同区域沙尘事件DOD日值分布统计

Fig.2   Statistical distribution of daily DOD values for different sand and dust storms in western， central， and eastern parts of North China


分区域来看，西部地区浮尘与扬沙事件的DOD分布下界明显低于中部和东部地区，中部地区3类沙尘事件的DOD均值和中值明显低于东部和西部地区，而东部地区沙尘事件的DOD分布范围更集中（图2）。就沙尘暴和强沙尘暴等较强的沙尘事件而言，西部地区的沙尘暴和强沙尘暴DOD值明显高于中部和东部地区，80%以上的沙尘暴事件DOD值在1.0以上；而中部和东部地区60%以上的沙尘暴和强沙尘暴DOD值高于1.0。就浮尘与扬沙等弱沙尘事件而言，西部地区约80%的DOD值大于0.2，80%的中部和东部地区则是在0.4以上。因此，以DOD值下界作为是否发生明确沙尘事件（包括浮尘与扬沙天气）的阈值，可将西部地区的DOD日值大于0.2时视作沙尘事件发生，而中部和东部地区在DOD日值大于0.4时视作沙尘事件发生。该阈值可用于区分研究区不同区域的沙尘事件，进而计算逐年沙尘事件频次。

2.2　典型沙尘事件的遥感监测

2006年是进入21世纪以来沙尘天气较为严重的一年，国家林业局首次启动了《重大沙尘暴灾害应急预案》。本研究对2006年3月9—12日发生的沙尘事件进行案例分析。该次沙尘事件是影响新疆、内蒙古和华北平原的一次典型沙尘事件。如图3所示，《沙尘天气年鉴》记录该沙尘事件在中国北方的过境时段为9—12日，影响范围包括南疆盆地、青海西北部、内蒙古和辽宁等地区。在此期间，塔城、塔中、盐池、满都拉等站点观测到了该事件。本研究通过卫星遥感数据计算结果证实，这些站点在沙尘过境期间DOD值显著升高，峰值日期与地面站点及《沙尘天气年鉴》的记录基本相符（图3）。

图3

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图3   2006年3月9—12日沙尘事件影响范围及典型站点DOD变化

注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.3   The influence area of a sand and dust storm in North China from March 9 to 12， 2006， and the variations in DOD at typical stations


本研究进一步分析了MODIS可见光影像，发现本次沙尘事件在3月12日并未完全结束，在新疆等地区沙尘事件持续影响到14日（图4）。相关的新闻报道也指出，在3月13—14日新疆、甘肃、宁夏等地区还存在较强的沙尘事件。这一情况表现在部分站点上，如图3所示，塔中、盐池等站点在3月13-15日也出现DOD峰值，表明沙尘影响仍在持续。

图4

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图4   2006年3月13日（A、C）、14日（B、D）MODIS可见光影像（A、B）和DOD分布（C、D）揭示的塔里木盆地沙尘活动和扩散情况

注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.4   Dust activity and its diffusion in Tarim Basin revealed by MODIS images （A， B） and DOD distribution （C， D） on March 13 （A， C） and March 14 （B， D） in the year 2006


值得注意的是，虽然图3中大部分站点都记录了3月9—12日的沙尘事件，但是阳泉站和哈尔滨站等站点却没有记录。然而，这两个站点的DOD值在3月10日出现峰值，这与《沙尘天气年鉴》的记录更为符合。这表明DOD能有效表征沙尘事件的发生和强度变化，而站点资料可能受主观因素影响和记录条件的限制。

2.3　中蒙地区沙尘事件频次时空分布特征

基于上述得到的不同区域沙尘事件发生的DOD阈值（西部地区为0.2，中部和东部地区为0.4），本研究计算获取了研究区逐年沙尘事件频次。如图5A所示，沙尘事件频次高值区（多年平均FoO大于10，即平均每年至少发生10次沙尘事件）主要在新疆、内蒙古北部和蒙古国南部的戈壁沙漠，以及柴达木盆地的部分地区。其中，塔克拉玛干沙漠全域年均沙尘事件频次常在50 d以上。塔里木盆地东部全年沙尘天数最多，年均有超过100 d发生沙尘事件。古尔班通古特沙漠、吐鲁番-哈密盆地等也有部分地区沙尘天数超过50 d。沙尘事件多发区域还分布在柴达木盆地北部、巴丹吉林沙漠西北部、河西走廊西段以及浑善达克沙地西部等，这些地区年均沙尘天数普遍超过20 d，部分地区超过50 d。蒙古国的沙尘事件频次高值区主要出现在南部戈壁，沙尘天数主要在20 d以上，有些地区可逾50 d。科尔沁沙地及其周边地区的年均沙尘天数较少，但通常也在10 d以上。

图5

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图5   2001—2022年中蒙地区多年平均（A）和春季（B）、夏季（C）、秋季（D）、冬季（E）季节平均沙尘事件频次（FoO）空间分布

注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.5   Spatial distribution of annual mean FoO （A） and seasonal mean FoO in spring （B）， summer （C）， autumn （D）， and winter （E） in North China and Mongolia from 2001 to 2022


不同季节沙尘事件频次分布和年均分布相似。不过，不同季节间的沙尘事件频次分布存在一定差异，具体表现为80%以上的沙尘事件频次高值区春夏季沙尘事件频次明显高于秋冬季（图5B~D）。这些地区集中在中国北方和蒙古国南部的沙尘活跃区，并且春季沙尘事件频次最高。以塔克拉玛干沙漠为例，春季沙尘天数通常在30 d以上；夏季和秋季沙尘天数通常在10~30 d，且沙尘活动频繁区域主要在沙漠东部，以及北部和南部的沙漠绿洲过渡带；冬季沙漠全域沙尘天数基本在20 d以下。以腾格里沙漠东缘、贺兰山为分界线，分界线以东地区（如科尔沁沙地、毛乌素沙地、浑善达克沙地及其周边地区）的季节性差异更大，表现为春夏季沙尘天数通常在10 d以上，秋冬季大部分区域的沙尘天数则在5 d以下；分界线以西（主要为沙漠分布区）的季节性差异较小，春夏季沙尘天气通常在10 d以上，部分区域沙尘天气超过30 d，秋冬季沙尘天数10~20 d。另外，古尔班通古特沙漠的沙尘天数季节性差异最显著，春季大于30 d，而冬季小于5 d，这可能与冬季积雪和地面冻结等有关。

2.4　中蒙地区沙尘事件频次的变化趋势

自2001年以来，研究区沙尘事件频次变化趋势和幅度存在明显的空间异质性。不过，整体来看，大部分沙尘活跃地区沙尘事件频次在过去20年以来呈现显著下降的趋势（图6A），尤其是腾格里沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙地等中部沙漠沙地以及黄土高原北部等地下降趋势较为显著且集中。塔克拉玛干沙漠沙尘事件频次显著下降的区域集中于沙漠东北部、东部以及沙漠边缘的沙漠绿洲过渡带，分布较为零散。相比之下，沙尘事件频次显著上升的地区主要在戈壁沙漠、巴丹吉林沙漠以西以及柴达木盆地东部等地区，但面积相对较小。在新疆沙漠边缘也有零星地区沙尘事件频次有所上升。蒙古国南部的戈壁沙漠东西两侧沙尘事件频次呈现出相反的变化趋势：戈壁沙漠东部地区（与内蒙古中东部的荒漠草原相连）沙尘事件频次显著下降；而在西部地区（与内蒙古西部的戈壁沙漠相连），沙尘事件频次显著上升。

图6

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图6   2001—2022年中蒙地区沙尘活跃区（A）及典型站点（B~E）年沙尘事件频次（FoO）变化趋势

注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.6   Trend of annual FoO in the dust-active regions of North China and Mongolia （A） and variations in FoO at typical stations （B-E） from 2001 to 2022


进一步分析各地区代表性点位的沙尘天数变化，发现它们也存在明显差异。例如，在毛乌素沙地的盐池站和塔克拉玛干沙漠边缘的楼兰遗址附近，沙尘事件频次下降的幅度各不相同：盐池站从2001年的每年60 d下降到不到20 d（图6D）；而楼兰附近，虽然沙尘事件频次也有下降，但仍保持相对较高水平（图6B）。位于浑善达克沙地西部的二连浩特站点，沙尘事件频次呈现波动下降，且下降幅度较大，20年中每年沙尘天数差值最大可达90 d（图6E）。在巴丹吉林沙漠以西的马鬃山站，沙尘事件频次呈现波动上升，但上升幅度较小，2012年以后年均沙尘事件增多了约10 d（图6C）。

3 讨论

3.1　DOD的沙尘指示意义

地面站点可能存在对部分沙尘事件的漏记现象（图3、4）。首先，《沙尘天气年鉴》中的一些沙尘事件虽然影响范围大，但是部分地区的强度可能不高，因此没有体现在这些地区的站点记录中。其次，由于地面站点对沙尘天气进行记录时有诸多环境限定条件，需同时满足包括风速、能见度等在内的多种条件，并且人为的观测会产生一定的偏差。因此，部分观测站点可能较难完整记录所有发生的沙尘事件。第三，站点观测具有一定的地理局限性，即仅仅代表在地面站点附近的沙尘天气。部分沙尘事件影响范围有限，也不能被分布稀疏的气象站点所记录。最后，有研究表明沙尘的回流现象也会带来沙尘天气。例如，2018年的《沙尘天气年鉴》记录了4月16—17日的沙尘事件影响范围集中于内蒙古中东部和东北地区，但是有研究指出北京市在该时间段同样受到了沙尘事件的影响，并且这一影响来源于13—14日的沙尘事件回流［34］，但这一现象引起的局地沙尘事件可能没有被站点所记录。相比之下，基于遥感资料的DOD数据具有较好的连续性，并且有较大的空间覆盖面，能够提供沙尘事件较为完整的信息。

本研究进一步对比了DOD与气象环境观测资料的一致性。之前有研究表明气溶胶浓度和大气环境质量存在相关性［35-37］，沙尘事件过境时，PM10浓度会有显著升高，因此，沙尘影响区内的PM10浓度变化在一定程度上也可以用来表征沙尘事件的发生。《2021年中国气候公报》记录了2021年3月13—18日、3月19—21日和3月27日至4月1日的3次沙尘事件。如图7所示，本研究将酒泉、盐池、阳泉3个站点的PM10记录与DOD进行了对比，发现这些点位在3次沙尘过境时，PM10和DOD都有着显著升高。PM10和DOD在变化趋势上有着较高的一致性，这进一步表明基于遥感资料的DOD数据可以用于表征沙尘事件的发生过程。

图7

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图7   2021年3月部分站点PM10浓度和DOD变化图（灰色阴影代表观测记录的沙尘事件发生时段）

Fig.7   Changes in PM10 and DOD at typical stations in March 2021 （the periods of observed sand and dust storms are indicated by gray shading）


由此可见，DOD在表征沙尘事件上存在较高的准确性，并且基本符合地面站点和《沙尘天气年鉴》互补后的沙尘事件记录。而基于DOD获得沙尘事件发生的阈值，并计算每个区域的沙尘事件频次，对观测资料而言是一个重要补充。以往的研究中大多使用Ginoux等［20］提出的DOD日值为0.2的阈值来计算沙尘事件频次［38］。但是，不同区域沙尘事件的起沙机制和环境状况有所不同，不同区域沙尘事件发生的DOD阈值存在差异。例如，南疆地区西高东低，东面靠近沙源、西面靠近山脉。虽然该区域沙尘事件频次高于其他区域，但浮尘是该地区沙尘天气最多的表现形式，并且沙尘事件的结束主要靠原地沉降或冷空气吹散［39］。相比之下，内蒙古地区地形起伏较小，加上受到蒙古气旋等天气系统影响，沙尘扩散较容易，浮尘天气较少，沙尘暴和强沙尘暴容易扩散并且影响范围大。东部地区植被覆盖度较高且距离沙源较远，沙尘天气总体次数少，浮尘和沙尘暴事件的次数相差较小。对西部、中部和东部地区沙尘事件发生时的DOD的统计结果表明（图2），中部和东部的沙尘暴DOD分布情况较相似。尤其是由于中部地区地形起伏较小，沙尘易扩散，沙尘暴和强沙尘暴的DOD阈值要低于西部地区，但浮尘与扬沙天气的DOD阈值相对较高。而西部地区植被覆盖度低并且沙源充分，容易发生浮尘与扬沙天气，并且浮尘与扬沙天气的DOD阈值相对较低。因此，本研究结果也表明，需要根据不同区域的起沙机制和环境状况来确定DOD的沙尘指示意义，进而利用沙尘事件发生的DOD阈值来计算沙尘事件频次。

3.2　沙尘事件频次区域差异性

沙尘暴的形成与大风、沙源、不稳定的大气状态和局地的热力条件等因素相关［40］。前人分析了气象因子、地表因子和沙尘暴频次之间的关系，认为沙尘暴天数与风速、气温正相关，与相对湿度和降水负相关［41］。Goudie［42］通过对全球的沙尘暴发生频次和降水情况的分析认为，年降水量100~200 mm的干旱地区沙尘暴发生次数最多。中国的沙尘活跃区主要分布在北方干旱半干旱区的沙漠和沙地，以及河西走廊和黄土高原部分地区，其中又以南疆和内蒙古地区为沙尘多发地区［43-45］，且沙尘天数和降水、风速和蒸发量等因素的关系密切［46］。蒙古国南部的戈壁沙漠也是沙尘活动频繁地区［11，47］。

本文获取的年均沙尘事件频次分布情况和前人报道的沙尘活跃区域基本一致［11，48-50］。其中，沙尘事件频次高值区主要在新疆、戈壁沙漠和柴达木盆地的部分地区（图5）。新疆南部地区年均沙尘事件频次呈现高值，与该区域年降水量较低、植被稀少以及沙尘物质丰富有关［51］。干涸河床、湖盆及沙质裸地等地貌单元有丰富的松散碎屑物质，是容易起沙尘的主要地貌单元［52］。塔克拉玛干沙漠除了分布有流动沙丘外，也有较多的干涸河床和冲积扇等，这些大面积的裸露地表为沙尘天气的发生提供了充足的物源。内蒙古西部地区沙尘事件频次较高，除了因充足的沙源，较低的降水量和植被覆盖度也是重要原因。

从季节变化上来看，在研究区内，从春季到冬季沙尘事件频次的变化主要反映了不同季节的天气和下垫面状况所导致的起沙条件的变化（图5）。在春季，中国北方降水稀少、植被覆盖率低，并且土壤开始解冻、土层疏松干燥；同时，春季大气层结不稳定，频繁的冷空气活动增加了大风天气的可能性［49］。在这样的下垫面状况和天气条件下，容易发生沙尘事件。因此，春季的沙尘事件频次是全年最高的。夏季的植被覆盖度较高，能够减少地表裸露，减少土壤风蚀的概率。但由于西北地区的温带大陆性气候，昼夜温差大、降水稀少、土壤湿度低、地表加热较快，表层土壤干燥易被风吹起，增加了沙尘天气（特别是浮尘和扬沙天气）的发生概率。而在冬季，由于温度较低，会导致大范围的土壤冻结，特别是降雪量相对较多，减少了沙源。因此，虽然平均而言冬季风力可能较强，沙尘事件频次却呈现出较低的值（图5）。

3.3　沙尘事件频次变化趋势的可能原因

本研究发现，自2001年以来，中国北方大部分沙尘活跃区的沙尘事件频次呈现下降的趋势，这与前人报道的趋势基本一致［11］。自2001年以来，中国北方沙漠沙地的区域气候状况也发生了明显变化［53-54］。沙尘排放量对气候和植被变化有敏感的响应［55-56］。中国北方近几十年来的风速下降，是沙尘活动减少的主要自然因素［11，13］。风速一方面可以通过改变起沙的动力条件强弱来影响起沙量，另一方面可能会影响植物的生长以及生物土壤结皮的形成［9-10，57-59］。Wu等［13］的研究表明在2010—2017年地面风对沙尘减少的贡献率达到了46%。本研究表明，在沙尘活跃区沙尘事件频次和春季风速大部分地区呈现出正相关关系（图8A），尤其是在中部沙漠沙地（腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠和毛乌素沙地等）、东部沙地（浑善达克沙地西部）及中蒙戈壁沙漠-荒漠草原过渡带等周围地区呈现显著的正相关性。近些年来东亚地区的风速呈现下降的趋势［9，11，60］，这一情况和该地区沙尘天数下降相符。

图8

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图8   中蒙沙尘活跃区2001—2022年沙尘事件频次（FoO）和春季风速（A）、生长季NDVI（B）的相关性

注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.8   Correlation of FoO with spring wind speed （A） and growing season NDVI （B） in dust-active region of North China and Mongolia from 2001 to 2022


除了在全球气候变化背景下，中国北方风速下降这一自然背景外，近些年来中国北方沙漠沙地、黄土高原地区土地利用方式的变化、防沙治沙措施的实施以及生态环境的恢复，会促进植被增多［9，57］，在一定程度上也减少了沙尘暴发生的概率。植被可以通过降低近地面风速和减少地表可侵蚀性（沙源）等过程来影响沙尘事件的发生［61］。事实上，随着“三北”防护林建设、退耕还林还草、京津源风沙治理、沙漠化防治工程等生态恢复工程的实施，近年来中国北方沙漠沙地以及黄土高原的植被覆盖度有了显著提高［9-10］，这能够有效减少沙尘事件的发生。除此之外，在近几十年全球变暖的背景下，中国北方降水和气温的变化，以及风速的下降，对于植被的生长也具有重要作用［53-54，62］。自20世纪80年代以来，西北地区出现“暖湿化”现象［53，63］，区域降水显著增多，使得植被覆盖度和地表径流增加，这也是新疆地区沙尘事件频次减少的影响因素。

本研究对近20年沙尘活跃区沙尘事件频次与其生长季归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）进行相关性分析后发现（图8B），在大部分地区，沙尘事件频次与生长季NDVI显著负相关。这些呈现显著负相关的区域与沙尘事件频次减少的地区具有较高的重合度，并且集中在以下几个地区：①中部沙漠沙地（包括腾格里沙漠、毛乌素沙地等黄河“几字弯”地区）以及黄土高原北部；②浑善达克沙地西部及中蒙戈壁沙漠-荒漠草原过渡带；③科尔沁沙地及其周边地区；④古尔班通古特沙漠西部和塔克拉玛干沙漠边缘的沙漠绿洲过渡带。这些地区恰恰是新时代“三北”工程建设、防沙治沙三大标志性战役以及生态修复工程大规模开展的地区。

不过，也有部分地区沙尘事件频次趋势变化不明显或有所上升（图6A），并且这些地区的沙尘事件频次变化往往和生长季NDVI或春季风速的相关性不强。局部地区沙尘事件频次变化和生长季NDVI正相关（图8B）或者与春季风速负相关（图8A）。这可能是以下几方面的原因造成的。①这些地区沙尘事件频次本身变化幅度不大。例如，毛乌素沙地一些区域沙尘事件频次相对较小，而浑善达克沙地西部的沙尘事件频次较高，在植被增多和风速减少的情况下，浑善达克沙地的变化幅度会高于毛乌素沙地，而毛乌素沙地内部一些区域的变化并不明显。②近期气候环境的改善对于区域的起沙条件影响不大，因此沙尘活动没有发生本质上的变化。例如，塔克拉玛干沙漠大部分地区，本身就是非常重要的沙尘源地，即使近期气候环境的改变和人为治理的因素，仍然不可能在短时间内改变地表自然环境或大幅度减少沙尘活动。③一些地区沙尘事件频次和生长季NDVI不显著相关或呈现正相关关系，例如内蒙古西部地区，这可能是由于这些地区植被变化趋势不显著或者下降所导致的［64-65］。有研究指出内蒙古西部地区受到的风蚀影响呈现上升趋势［66］，以及人类干预的加强等，这在一定程度上可能导致了这些区域沙尘天数的增多。

4 结论

不同强度的沙尘事件所对应的DOD分布具有一定的规律性。随着浮尘与扬沙、沙尘暴和强沙尘暴等不同类型沙尘事件的强度增加，DOD均值呈现递增的趋势。整体上看，强沙尘暴的DOD均值和中值大多高于2.0，沙尘暴的DOD值大多为1.0~2.0，浮尘与扬沙天气的DOD值大多小于1.0。

不同区域DOD的沙尘指示意义不同。其中，西部地区浮尘与扬沙事件的DOD分布下界明显低于中部和东部地区，而在中部地区，三类沙尘事件的DOD均值和中值明显低于东部和西部地区。西部地区DOD日值大于0.2指示沙尘事件发生（包括浮尘与扬沙天气），而中部和东部地区DOD日值大于0.4指示沙尘事件发生。

近20年来年均FoO高值区集中在新疆、内蒙古北部和蒙古国南部的戈壁沙漠，以及柴达木盆地的部分地区。其中，南疆地区沙尘事件频次最高，超过100 d；蒙古国南部，以及中国北疆、吐鲁番-哈密盆地、柴达木盆地北部、巴丹吉林沙漠西北部、河西走廊西段、浑善达克沙地西部等地区沙尘事件频次普遍超过20 d，甚至超过50 d。春夏季的沙尘事件频次普遍高于秋冬季。

研究区沙尘事件频次在近20年来主要呈现下降趋势。其中，中部沙漠沙地和黄土高原北部等地区下降趋势明显且集中，蒙古国西南部戈壁沙漠、巴丹吉林沙漠以西以及柴达木盆地东部等部分地区存在上升趋势但是较分散。研究区沙尘事件频次与生长季NDVI呈现显著负相关、与春季风速呈现显著正相关，并且这些区域与沙尘活动减少的地区具有较高的重合度。这表明，在气候变化与生态修复工程广泛实施的背景下，近地面风速下降和植被增多对研究区沙尘活动减少具有重要影响。

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董祝雷，姜学恭，衣娜娜，等.

风速和植被对内蒙古地区沙尘天气影响的数值模拟

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Wang S， Li R， Wu Y，et al.

Effects of multi-temporal scale drought on vegetation dynamics in Inner Mongolia from 1982 to 2015，China

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Zhang H， Fan J， Cao W，et al.

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［J］.Science of The Total Environment，2018，639：1038-1050.

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