艾沙江·艾力 梁菲菲 徐海量# 木合塔尔·吾提库尔 麦麦提艾力·麦麦提敏 李 金

(1.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； 2.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830001；3.墨玉县气象局，新疆 和田 848100)

沙尘暴是干旱、半干旱地区常见的气象现象。地处塔克拉玛干沙漠南缘的和田绿洲是新疆乃至全国沙尘暴发生频率最高、沙尘暴危害最严重的地区之一，每年平均沙尘暴天气频率超过250 d。沙尘暴天气已经成为影响当地人们日常生活、生产和身体健康的灾害性天气[1]。减少该地区的沙尘暴危害是环境领域研究的重要任务[2]。以往对和田绿洲沙尘暴的研究以沙尘暴发生频率、沙尘颗粒特征等为主[3-8]，较少涉及沙尘暴强度及其影响因子。周旭等[9]分析了沙尘暴过程中沙尘气溶胶对边界层气象因子的影响。凌肖露等[10]指出，沙尘气溶胶对半干旱地区地面微气象学特征及辐射收支具有明显的影响。TAN[11]研究了植被覆盖率和沙尘暴强度之间的关系。上述研究虽已涉及沙尘暴强度影响因子，但考虑的影响因子并不全面。本研究将使用相关分析和主成分分析[12-13]方法比较系统地揭示沙尘暴强度与风速、气温、湿度、气压、水汽压、日照时数等气象因子以及PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3等大气污染物之间的相互关联性，试图为改善绿洲区大气环境质量提供理论依据。由于和田绿洲范围较大，但其区域内沙尘暴格局和气象特征基本一致[14-15]，因此本研究将和田绿洲西北部的墨玉县作为研究区域，代表整个和田绿洲分析沙尘暴强度及其影响因子。

1 资料与方法

1.1 数据来源

2016—2018年墨玉县大气污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 和 O3)数据主要从新疆环境监测总站获取，有缺失的数据用和田地区生态环境局的数据补充；沙尘暴天气资料从墨玉县气象局获取；气温、风速、湿度、气压、水汽压和日照时数从国家气象数据网(https://www. data.cma.cn)获取。

本研究中将无沙天气、浮尘天气、扬沙天气、强沙尘暴天气定义为沙尘暴强度的4个等级(定量分析时分别定义为0、1、2、3)，其中沙尘暴天气包括浮尘天气、扬沙天气、强沙尘暴天气。

1.2 主成分分析

对沙尘暴强度、PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO、气温、气压、风速、水汽压、日照时数、湿度13个变量进行主成分分析[16-19]。

2 结果与讨论

2.1 沙尘暴天气和大气污染物情况分析

2016—2018年，墨玉县共发生沙尘暴天气591 d，其中浮尘天气440 d，扬沙天气109 d，强沙尘暴天气42 d。墨玉县沙尘暴天气主要集中在春夏季(3—8月)，平均占全年发生频率的77.12%；而冬季(1、11、12月)沙尘暴天气发生频率很低。强沙尘暴天气在4月发生频率最高，平均占全年发生频率的29.52%；浮尘和扬沙天气在5月发生频率最高，平均分别占全年发生频率的17.3%、21.8%。

表1统计了2016—2018年墨玉县不同沙尘暴强度天气下的大气污染物平均质量浓度。由表1可见，沙尘暴强度主要影响的大气污染物是PM10和PM2.5。沙尘暴强度越强，这两种颗粒物浓度就越高。强沙尘暴天气的PM10和PM2.5分别是无沙天气的7.3、8.4倍。相对于PM10和PM2.5，沙尘暴强度对SO2、NO2、CO和O3的影响不大，这些污染物主要跟工业、交通和冬季供暖等有关[20-21]。具体分析发现，SO2、NO2和CO的浓度主要在冬季供暖期较高。O3与沙尘暴强度有一定的相关性，主要是因为两者污染形成的季节比较一致，沙尘暴发生频率高的春夏季O3浓度往往也高，因为春夏季太阳辐射强和气温高导致光化学反应强烈[22-23]。

2.2 气象因子对沙尘暴强度的影响

由于气象因子与沙尘暴强度的关系较为复杂，不是简单的线性关系，因此本研究采用二次方程进行拟合，结果如表2所示。通过监测数据的统计分析发现，气温、风速与沙尘暴强度呈极显著(P<0.001)的正相关关系，R2分别为0.715 4、0.389 1；日照时数与沙尘暴强度之间呈显著(P<0.010)的正相关关系，R2为0.103 4。气温和日照时数的增高，导致绿洲和周围沙漠地区之间的气压差变大，从而出现大风天气，而风是近地表土壤风蚀、搬运和堆积的主要动力，是干旱气候条件下造成沙尘暴的直接动力条件。墨玉县沙尘暴主要发生在春夏季，这两个季节一般风速、气温和日照时数比较高。气压、湿度与沙尘暴强度呈显著(P<0.010)的负相关关系，R2分别为0.192 6、0.284 4。气压差是导致气团运动的主要动力，一般情况下，气团从高气压区向低气压区移动，从而产生风和沙尘暴天气。从9月开始，整个南疆地区气压都比较高且比较稳定，因此墨玉县和周围沙漠地区之间的气压差不大，风速较低，所以冬季沙尘暴频率和强度都较低。水汽压与沙尘暴强度之间相关关系不显著(P>0.010)。

2.3 大气污染物对沙尘暴强度的影响

同样用二次方程对大气污染物与沙尘暴强度的关系进行拟合，结果如表3所示。通过监测数据的统计分析发现，PM10、PM2.5与沙尘暴强度呈极显著(P<0.001)的正相关关系，R2分别为0.256 0、0.230 4，说明沙尘暴强度越大，颗粒物浓度越高，与2.1节的初步判断一致。SO2、NO2、CO与沙尘暴强度之间的相关性不明显，因为R2都小于0.01。O3与沙尘暴强度在P<0.010的水平下存在正相关关系，R2为0.086 8。

表1 不同沙尘暴强度天气下的大气污染物平均质量浓度

表2 气象因子与沙尘暴强度的关系

表3 大气污染物与沙尘暴强度的关系

2.4 主成分分析结果

主成分分析结果如表4所示，前3个主成分的方差贡献率分别为33.36%、19.95%、12.38%，累计贡献率已经达到了65.69%，因此本研究选择前3个主成分进行分析。

第1主成分的方差贡献率为33.36%，载荷绝对值较大的变量是沙尘暴强度(0.479)、气温(0.323)、风速(0.432)、日照时数(0.351)和湿度(-0.378)。由此可见，气象因子对沙尘暴强度的影响远大于大气污染物，特别是气温、风速、日照时数和湿度。

第2主成分的方差贡献率为19.95%，载荷绝对值较大的变量是PM10(0.412)、PM2.5(0.405)、风速(0.326)、水汽压(-0.318)和湿度(-0.303)，以PM10和PM2.5的载荷绝对值最大。第2主成分虽然没有包含沙尘暴强度，但是显现了PM10、PM2.5和风速之间的正相关关系，由此说明沙尘暴强度与PM10、PM2.5存在着显著的间接正相关关系。

第3主成分的方差贡献率为12.38%，载荷绝对值较大的变量是SO2(0.395)、NO2(0.413)、O3(-0.331)、CO(0.359)、气温(-0.309)和气压(0.317)，主要是SO2、NO2、CO和O34种大气污染物，说明这4种大气污染物的来源比较一致，但与沙尘暴强度的关系已非常微弱。

总体而言，主成分分析更加深入地揭示了沙尘暴强度与其影响因子之间的直接和间接关系以及关系的强弱。沙尘暴强度主要由气象因子决定，与大气污染物中的PM10和PM2.5存在着明显的间接关系，但与SO2、NO2、CO和O3的关系已非常微弱。

表4 主成分分析结果

3 结 论

和田绿洲墨玉县沙尘暴天气主要集中在春夏季(3—8月)，其沙尘暴强度主要由气象因子决定，特别是气温、风速、日照时数和湿度。沙尘暴强度与大气污染物中的PM10和PM2.5存在着明显的间接关系，沙尘暴强度越大，大气中PM10和PM2.5浓度越高。沙尘暴强度与SO2、NO2、CO和O3等大气污染物的关系非常微弱，但O3与沙尘暴的形成季节比较一致。