1 引言
大风天气是指在大尺度环流天气系统或局地对流天气系统条件下产生的一种灾害性天气， 一般将6级以上（≥10.8 m·s-1）的风称为大风（朱乾根等， 2007）； 沙尘暴是干旱和半干旱地区常出现的灾害性天气， 是指强风将地面尘沙吹起， 使能见度小于1 km的天气现象（中央气象局， 2003）。20世纪以来， 沙尘方面的研究一直是世界范围内众多学者研究的热点问题之一（Kurosaki and Mikami， 2003； He et al， 2013； Draxl et al， 2014； Heckel and Pamela， 2015； Wu et al， 2017； 颜宏， 1993； 张文军等， 2019）。我国扬沙和沙尘暴的影响区主要有西北、 华北、 东北和青藏高原等地区， 其中我国北方沙尘暴主要分布在河西走廊和阿拉善高原、 南疆盆地南缘以及内蒙古中部， 这三个地区是我国沙尘天气的主要源地， 也是我国沙尘暴监测、 预防和防治、 治沙的重点地区（周自江， 2001； 钱正安等， 2002）。
沙尘暴的发生一般需要3个条件： 丰富的沙尘源、 强劲风力和不稳定的空气层结。其中， 裸露地表富含松散、 干燥的沙尘是沙尘暴形成的物质基础； 足够强劲、 持久的风力和不稳定的空气层结是沙尘暴形成的必要气象动力和热力条件（王涛等， 2001； 张俊兰等， 2020； 马元仓等， 2019）。翟盘茂和李晓燕（2003）和宋阳等（2005）对中国北方地区沙尘天气的气候条件、 下垫面进行研究指出： 西北部和蒙古北部沙尘天气受气象条件影响最为显著， 降水在年际变化中影响最大， 在沙尘天气多发区， 上一年夏季降水和沙尘天气的形成， 二者具有显著的反相关关系； 草地、 戈壁、 盐壳的稳定性好， 沙尘暴日数主要受大风次数影响， 农田与沙地的稳定性差， 沙尘暴日数受下垫面影响较大， 在没有大风的日子也会发生沙尘暴天气。Cheng et al（2012）进一步分析了沙尘暴过程中阵风对沙尘的夹带效应， 发现在强风期间， 系统中强的下沉气流抑制了粒径较大的沙尘颗粒， 使它们不能向上升到大气边界层的中上层， 只有粒径在5~40 μm， 才能夹带到大气边界层和对流层的中上层。
南疆塔里木盆地（下称盆地）深居欧亚大陆中心， 同时由于青藏高原存在， 水汽很难到达， 形成了亚洲大陆最大的极端干旱区， 境内拥有塔克拉玛干沙漠（亚洲最大、 世界第二大的流动沙漠）， 沙源丰富， 大风和沙尘天气频发。王旭等（2002a， 2002b）对新疆大风气候特征进行归纳， 提出年均大风次数数值高区在北疆西北部、 东疆和南疆西部， 阿拉山口、 达坂城大风最多； 南疆大风常见的两种形式分别为“西进”进入， 冷空气翻越西部山区进入南疆西部后， 沿昆仑山北麓经和田向于田移动； “东灌”进入， 北疆冷空气从七角井进入南疆后， 沿天山南麓经库尔勒向阿克苏移动。马禹等（2006）和陈洪武等（2003）的研究结果表明： 北疆大风年平均日数多于南疆， 但南疆年平均沙尘天气是北疆的7倍； 从地形分布来看新疆中、 低山区沙尘天气频数多于平原地区。霍文等（2011）和宋敏红等（2020）进一步对沙尘天气成因进行研究， 发现达坂城、 十三间房、 吐鲁番、 哈密等地处于三十风区和百里风区主风道， 其下垫面条件不利于起沙， 但受强天气系统影响， 系统沙尘暴较多， 地表状况复杂， 造成热力条件不充分， 加之下垫面沙源较少， 所以局地沙尘暴较少。
目前关于南疆大风和沙尘天气已经有众多研究成果， 但有关集中度和集中期的研究较少。本文利用1961 -2015年南疆阿克苏、 巴州、 和田、 喀什和克州等区域23个代表站点的地面大风和沙尘天气资料， 采用了大风（沙尘）集中度和大风（沙尘）集中期的方法（邱博等， 2013）， 讨论大风和沙尘天气日数在年内分布形态的时空特征， 并分析了大风天气对沙尘天气的影响， 为提前预防和抵御大风和沙尘等灾害天气带来的气候灾害提供必要的参考依据。
2 资料与方法
2.1 研究区域和资料概况
南疆行政上隶属新疆维吾尔自治区， 主要指以天山主分水岭以南的区域， 地理坐标介于73°40′E -96°23′E和34°22′N -45°05′N之间， 占地面积约1.31895×106 km2， 约占整个新疆总面积82.4%。北以天山山脊为界， 西有帕米尔高原（与哈萨克斯坦、 吉尔吉斯斯坦、 阿富汗及巴基斯坦相邻）， 南至昆仑山和阿尔金山脉， 东与甘肃相连， 中部是塔里木盆地， 盆地内是亚洲最大的沙漠——塔克拉玛干沙漠。
本文主要采用1961 -2015年大风和沙尘天气月数据资料； 研究区域涵盖了阿克苏、 巴州、 和田、 喀什和克州等23代表站点， 代表站信息和地理位置如表1 和图1 ［该图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）3333号的标准地图制作， 底图无修改］所示。
表1 站点信息Table 1 Site information |
| 站点名称 | 纬度 | 经度 | 站点名称 | 纬度 | 经度 |
|---|---|---|---|---|---|
| 柯坪 | 40.30°N | 79.03°E | 于田 | 36.51°N | 81.39°E |
| 沙雅 | 41.14°N | 82.47°E | 民丰 | 37.04°N | 82.43°E |
| 库车 | 41.43°N | 82.58°E | 和田 | 37.08°N | 79.56°E |
| 拜城 | 41.43°N | 81.54°E | 皮山 | 37.37°N | 78.17°E |
| 阿拉尔 | 40.33°N | 81.16°E | 叶城 | 37.55°N | 77.24°E |
| 且末 | 38.09°N | 85.33°E | 普泽 | 38.12°N | 77.16°E |
| 若羌 | 39.02°N | 88.10°E | 莎车 | 38.26°N | 77.16°E |
| 铁干里克 | 40.38°N | 87.42°E | 伽师 | 39.30°N | 76.44°E |
| 尉犁 | 41.21°N | 86.16°E | 英吉沙 | 38.56°N | 76.10°E |
| 库尔勒 | 41.15°N | 86.08°E | 阿图什 | 39.43°N | 76.10°E |
| 轮台 | 41.47°N | 84.15°E | 阿合奇 | 40.56°N | 78.27°E |
| 和硕 | 42.15°N | 86.48°E |
2.2 研究方法
为了更好地表征新疆南部地区大风次数在年内的分布形态， 本文采用了大风集中度和大风集中期概念， 其中大风集中度（Gale-Concentration Degree， GCD）用D表示， 和大风集中期（Gale-Concentration Period， GCP）用P表示
式中： 分别是某年内的大风集中度和大风集中期； 为某测站一年内出现大风天气的总日数， ， ， 为某一年内某个月出现的大风次数， 为年内某个月对应的方位角（一年内的方位角设为360°）， 其中第一个月所对应的角度为30°， 第二个月对应的角度为60°， 以后逐月累加30°所得， i为年份（i=1961， 1962， …， 2015）， j为月序（j=1， 2， …， 12）。
由公式（1 ）、 （2 ）可知， GCD定量表征了单站大风天气在年内出现的集中程度。如果某地区一年内的大风天气集中出现在某一月， 则该地区的GCD值为极大值， 即为1； 如果一年内12个月每个月出现的大风次数都相同， 那么该地区的GCD值为极限值， 即为0。GCP是指合成向量的方位角， 它能表示出每月大风次数合成后的总体效应， 也就是向量合成后重心所指示的角度， 反映了某地区一年中大风次数集中出现在某个时段内。
3 研究结果
3.1 南疆地区大风气候特征
3.1.1 大风频数空间分布
总体上来说， 盆地北部大风频数多于南部， 从年际变化剧烈程度上来看， 也是盆地北部变化剧烈程度高于南部。即盆地北部是大风频发区， 大风次数年际变化较为剧烈； 盆地南部是大风少发区， 大风次数年际变化幅度不大。
3.1.2 大风频数年内变化
南疆盆地地区大风天气主要集中在4 -8月（月大风次数均在20次以上）， 峰值在5月和6月， 分别达到了49次、 50次； 其中5月和6月分别是盆地南部、 北部大风天气的高发期。比较沙尘暴天气的季节内变化发现， 存在一定差异， 沙尘暴天气主要集中在3 -8月， 其中4月和5月为高发期， 最多发生时期和大风的最大发生期存在一个月的差异（马禹等， 2006）。其原因主要是由于盆地地区下垫面是沙地， 沙地的稳定性差， 沙尘暴日数受下垫面影响较大， 当风力条件小于6级时也会引发沙尘暴（宋阳等， 2005； 陈洪武等， 2003）。
3.1.3 大风年总频数变化
虽然大风年总频数年际变化和5、 6月份的大风总频数年际变化特点基本相似——线性减少趋势都比较明显， 线性递减趋势分别为2.9， 3.5和2.5次·（10a）-1； 但是也存在一些差异（图4 ）。1979年之前， 5、 6月与年大风次数下降趋势均不明显， 1979年之后5、 6月与年大风次数下降趋势都比较明显， 均具有突变性； 1992年之后6月与年总大风次数下降趋势趋于平稳， 但5月大风次数仍具有下降趋势。从总体趋势上的来看， 大风次数年际变化有明显的波动性， 但整体上均呈下降趋势， 其中5月大风次数下降趋势最为明显， 年大风次数次之， 6月大风次数最小。从不同地区大风年际变化上来看， 大部分地区在1979年后均发生突变性减少； 虽然盆地北部大部分地区大风次数在1992年后趋于平稳， 但盆地南部大部分地区大风次数年际变化仍然具有下降趋势。
整体而言， 盆地地区各地大风次数均在1979年后发生突变性减少， 但北部和南部地区在1992年后的变化趋势不同， 北部地区在1992年后趋于平稳， 南部地区在1992年后仍处于下降趋势。
3.1.4 大风频数的GCD和GCP特征
通过对大风频数集中度及其方差分析［图5 （a）， （b）］可知， 南疆盆地绝大部分地区集中度具体数值均在0.6以上， 即南疆盆地各地区年内大风天气分布都较为集中； 从其年际变化上来看各地存在明显差异， 除个别地区（皮山、 于田）， 整体集中度方差均小于0.15。从大风季节长短上分析来看， 主要分为以下三类： 大风短季节区（喀什南部、 阿克苏南部、 巴州东南部等地区）、 大风较短季节区（和田、 阿克苏北部、 巴州西北部等地区）和大风较长季节区（皮山、 阿图什、 若羌和库尔勒等地区）。对大风频数集中期及其方差分析［图5 （c）， （d）］可知， 盆地南部地区大风季节爆发期主要在5月之前、 盆地中部边缘地区大风季节爆发期在5月中上旬、 盆地北部边缘地区大风季节爆发期主要在5月下旬到6月初之后。从大风爆发期年际变化上来看， 大部分地区大风季节爆发期波动都比较大， 波动幅度均在30°以上， 即大风季节爆发期波动基本在一个月以上。从大风频发时间段分析来看， 主要分为以下三类： 5月前爆发区（和田）、 5月爆发区（喀什、 阿克苏南部、 巴州东北部地区）， 6月爆发区（克州、 阿克苏北部、 轮台、 尉犁等地区）。
盆地北部大部分地区大风季节爆发期在5月下旬以后， 且大风季节较短； 盆地南部大部分地区大风季节爆发期在5月中旬以前， 且大风季节较长。
从大风季节爆发时间上分析来看， 盆地北部与南部存在明显差异。盆地北方地区大风季节较短主要发生在5月末6月初， 且大风爆发期有提前出现的趋势； 盆地南方地区大风季节较长主要发生在5月中下旬。总体上来看， 南疆地区大风天气主要出现在年内5月中下旬到5月末期间， 且大风天气集中时段有提前出现的趋势。
从大风总频数与大风集中度和大风集中期的相关分析可知， 盆地地区年内大风天气频数对其集中度的影响较小， 对集中期的影响较大， 即年内大风季节长短比较固定， 但大风爆发期受大风频数影响， 波动较大。
3.2 南疆地区大风气候对沙尘天气的影响
3.2.1 大风和沙尘天气的总频数、 集中度关系
图8 ~10 分别是年内、 5月和6月的大风和沙尘天气总频数关系、 大风天气和沙尘天气集中度关系， 图中均取标准化值。分析总频数（图8 ~10 ）可知， 年内、 5月和6月的大风总频数与沙尘天气总频数的相关系数分别高达0.89、 0.85、 0.84。这说明盆地地区大风天气和沙尘天气具有明显的正相关关系， 当大风天气发生时大概率会产生沙尘天气。分析集中度关系（图8 ~10 ）可知， 年内、 5月和6月的大风与沙尘天气集中度的相关系数分别为0.23、 0.16、 0.19， 即沙尘天气爆发季节时间长短与大风天气爆发季节时间长短有一定的关系， 但并不起决定性影响； 由于5月大风天气大多数发生在南疆南部， 6月大风天气大多发生在南疆北部地区， 这说明盆地南部地区沙尘天气季节长短受大风季节长短影响最小， 即盆地南部地区沙尘天气季节长短较为稳定。
图8 1961 -2015年南疆地区年内大风天气与沙尘天气的总频数以及集中度相关性分析Fig.8 Correlation analysis of the total frequency and Gale-concentration degree of gale and sandstroms during the Year in South Xinjiang from 1961 to 2015 |
图9 1961 -2015年南疆地区5月大风天气与沙尘天气的总频数以及集中度相关性分析Fig.9 Correlation analysis of the total frequency and Gale-concentration degree of gale and sandstroms during the May from 1961 to 2015 |
综上分析可知， 在南疆盆地地区大风天气虽然容易导致沙尘天气的发生， 但不是决定性的因素。同时也验证了沙尘天气与大风天气的集中发生期存在一个月的差异——当风力条件小于6级时， 也会发生沙尘天气。
3.2.2 沙尘天气频数与大风频数的年际变化
沙尘天气发生较多的月是3 -8月（马禹等， 2006）， 因此着重对3-8月的大风天气和沙尘天气的相关性进行分析， 由1961 -2015年内沙尘天气频数与大风频数年际变化（图11 ）可知， 3 -8月沙尘天气频数与大风频数的相关系数值分别为0.69、 0.73、 0.71、 0.82、 0.73、 0.72， 由此可知在南疆大风天气频发的时段， 沙尘天气很容易发生。进一步从整体分析来看， 沙尘和大风天气年总频数年际变化在1979年前变化不明显， 1979年后发生突变性减少， 并在2000 -2015年来趋于稳定。
南疆地区大风和沙尘天气频数之发生这样的年际变化和年代际变化， 可能是因为近50年来新疆地区日照时间明显减少、 平均风速呈显著下降等原因造成的（任国玉等， 2005）。同时由于南疆地区有着浩瀚的塔克拉玛干沙漠， 下垫面十分干燥， 植被覆盖率小， 因此平均风速的大小对沙尘日数的多少起着非常重要的作用（马禹等， 2006）。故沙尘天气和大风天气频数呈现基本一致的年际变化、 年代际变化趋势。
4 结果与讨论
南疆地区由于受到周围高大地形（昆仑山、 帕米尔高原、 天山）影响， 使得南疆南北部地区的大风和沙尘天气时空分布特征具有明显的差异性。其主要结论如下：
（1） 南疆盆地地区大风次数的空间分布呈现明显的地域差异性， 盆地北部是大风频发区， 大风次数年际变化较为剧烈； 盆地南部是大风少发区， 大风次数年际变化幅度不大。南疆盆地各地区大风次数均在1979年后发生突变性减少， 但北部和南部地区在1992年后的变化趋势不同， 北部地区在1992年后趋于平稳， 南部地区在1992年后仍处于下降趋势。
（2） 南疆地区年平均大风集中度、 大风集中期空间分布呈现明显的地域差异性， 其中盆地北部等地区（喀什、 巴州北部）年内大风天气发生情况较为集中， 大风季节较短， 爆发期在5月下旬以后； 盆地南部等地区（和田、 克州等地区）年内大风天气发生情况较为分散， 大风季节较长， 爆发期主要在5月中旬以前。整体上来看， 南疆地区年内大风季节长短较为固定（4 -8月）， 月内大风次数均在20次以上， 峰值在5、 6月， 但每年大风季节爆发时间波动较大； 南疆盆地年内大风天气出现最多的时段主要是5月中下旬到6月初期间， 且有提前出现的趋势。
（3） 沙尘天气频数和大风天气频数有着良好的正相关关系， 即当盆地地区发生大风天气时， 沙尘天气很容易发生。南疆沙尘天气年际变化趋势与大风天气基本一致， 1979年后发生突变性减少， 2000年以后趋于平稳。
从本文的结果来看， 集中度和集中期的方法可以较好的表示南疆的大风天气的时空分布特征。沙尘天气（3 -8月）与大风天气（4 -8月）集中发生时期为何存在1个月差异？初步分析认为是因为南疆地区下垫面是沙地稳定性差， 增加了沙尘的运输量， 使得沙尘暴日数受下垫面影响较大， 当风力条件小于6级时也会引发沙尘天气， 即当未发生大风天气时也会产生沙尘天气。此时能发生沙尘天气， 主要是由于塔克拉玛干地区沙子粒径较小， 使得起沙风速较小， 地面风速达到6 m·s-1， 观测风达到8~10 m·s-1， 即可为沙尘天气提供动力条件（Zhou et al， 2020）。本文关于上述问题， 做了简要探讨， 但其具体的物理机制还需更加深入的研究与分析。