全球变暖背景下，极端天气气候事件频繁发生且强度增强，过去“几十年一遇”甚至“百年一遇”的极端天气气候事件正变得越来越常见。过去几十年呈减少趋势的沙尘天气，近几年呈阶段性增多趋势
[1]，2021年春季我国北方出现了2次沙尘暴和2次特强沙尘暴，是近10年强度最强、范围最广的沙尘天气，导致当年3月北方城市PM
10浓度达到历史峰值，极端性引起了广泛关注
[2-3]。沙尘天气发生时，不仅直接危害工农业生产活动，形成的沙尘气溶胶会通过多种途径对大气、生态环境和人体健康等方面造成长期严重的危害
[4]。
20世纪20年代起，学者们开始对沙尘时空分布、结构及监测与对策等进行研究
[5-8]，特别是20世纪90年代以来，针对沙尘暴的源区、时空特征、天气气候成因等方面进行了大量的工作并取得丰硕成果
[9-12]。沙尘源、强风和不稳定的大气层结是形成沙尘天气的主要因素，我国沙尘源主要来自蒙古国和我国西北几个大的沙漠及沙漠边缘等地面热力、动力分布不均匀的地区
[13-14]。大气环流异常和气候系统异常是导致沙尘天气的年际和年代际变化的直接因素，西风环流、极涡、冬季东亚季风、西伯利亚高压、东亚大槽等影响冷空气活动的中高纬大气环流系统是影响我国北方沙尘活动频次年际变化的主要因子
[15-16]。我国北方沙尘天气活动年代际变化特征较明显，20世纪60—70年代波动上升，80—90年代呈现波动减少趋势，东亚季风环流在20世纪70年代末存在年代际减弱趋势
[17-19]，说明沙尘天气与全球大气环流系统年代际变化密切相关。海温、海冰等外强迫因子作为大气环流的驱动器，通过各种物理机制对沙尘天气产生显著影响，大范围的海洋—大气过程、北极海冰与大气的遥相关关系为沙尘天气发生提供了动力条件
[20-24]。
宁夏是西北地区重要的生态安全屏障，也是典型的气候变化敏感区和生态环境脆弱区，东、西、北三面被毛乌素沙地、腾格里沙漠和乌兰布沙漠环绕，是我国沙尘天气发生频率较高的地区，宁夏沙尘天气的变化一定程度上反映了我国北方沙尘的演变特征。以往有关宁夏沙尘天气的研究主要集中在长时间序列的宁夏沙尘特征及成因分析
[25-27]，目前对不同时期宁夏沙尘天气气候特征和异常影响因子差异研究较少。本文分析1961年以来不同时期宁夏春季沙尘变化特征差异及其异常成因，以期进一步加深对沙尘天气的科学认识。
1 资料与方法
1.1 资料
使用资料包括：（1）1961—2022年宁夏24个气象站沙尘天气观测日资料；（2）美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）2.5°×2.5° 500 hPa位势高度场及其风场等逐月再分析资料；（3）美国国家海洋和大气管理局（NOAA）2°×2°海温再分析资料；（4）英国哈德来中心（Hadley）1°×1°逐月海冰密集度资料。
根据世界气象组织（WMO）规定，以1991—2020年平均值为作为常年值。
1.2 方法
根据中华人民共和国国家标准G/T 20480—2017《沙尘天气等级》，将同一天中单站出现浮尘及其以上等级的任一扬沙天气记为沙尘日数，建立1961—2022年沙尘日数资料集进行分析。采用一元线性回归分析、5 a滑动平均、方差系数等气象统计方法进行年际及年代际演变特征分析；采用合成分析、相关分析等方法
[28]揭示不同时期宁夏春季沙尘天气的变化成因。
2 宁夏春季沙尘日数的变化特征
2.1 时间演变特征
1961—2022年宁夏春季沙尘日数整体呈现显著减少的趋势，减少速率为5.4 d·(10 a)
-1，且通过0.05的显著性检验。1976年沙尘日数最多，为50.1 d，2012年最少，为4.1 d。2000年之前沙尘日数较常年明显偏多，2000年之后以偏少为主。20世纪60—70年代沙尘日数逐渐增加，80—90年代呈减少趋势，但仍多于常年，1990年以来沙尘减少趋势变缓，21世纪沙尘日数减少（
图1a）。1961—1980年为沙尘最多时期，1981—2000年为沙尘次多时期，2001—2022年为最少时期（
图1b）。20世纪70年代沙尘日数最多，平均为35.1 d；60年代次之，为28.0 d；70年代以来沙尘逐渐减少且减少速率逐渐变缓，20世纪80年代、90年代分别为21.6和1.9 d，21世纪00年代、10年代分别为9.0 和6.4 d。
1961—2022年宁夏春季沙尘日数呈现线性减少趋势，其中1961—1980年最多， 1981—2000年次多，2001年以来最少。20世纪70年代末期沙尘日数由增多转为减少的年代际差异可能与20世纪70年代全球变暖、冷空气活动减少有关
[28]。因此，本文以1961—1980、1981—2000、2001—2022年分别代表宁夏春季沙尘最多、次多、最少的3个不同时期进行对比分析。
2.2 空间分布特征
宁夏沙尘日数呈中、北部多，南部少的空间分布特征。1961—1980年沙尘日数最多，北部地区为35 d以上，中部次之，为25～35 d，南部为25 d以下；南部地区沙尘日数变化较大，变差系数为0.4～0.6，中、北部变差系数在0.4以下，相较南部变化较小（
图2a）。1981—2000年沙尘相对减少，中部北部地区沙尘日数超过20 d，变差系数为0.5～0.65；南部地区约为10 d，变差系数超过0.6，比中、北部变化大。2001—2022年沙尘最少，中、北部地区存在8 d以上的沙尘天气，变差系数为0.4～1.0，南部沙尘天气在6 d以下，变差系数在1.0以上（
图2b、c）。虽然不同时期宁夏沙尘分布均呈现中、北少，南部多的特征，但是沙尘日数的量级呈倍数减少，即后一时期约比前一时期减少一半；随着每个时期沙尘日数的减少，其年际变化增大，尤其21世纪在沙尘天气较少的背景下，年际变化更大（
图2）。
3 宁夏春季沙尘不同时期的异常成因
3.1 大气环流对沙尘异常的影响
图3 为1961—1980、1981—2000、2001—2022年3个时期东北半球500 hPa高度场距平和风场的变化。1961—1980年500 hPa环流大范围为负距平控制，极地负异常显著，极涡强度异常偏强，中高纬形成“负正负正负”的距平波列，利于极地强冷空气沿着乌拉尔山高压脊东侧和贝加尔湖低槽西侧的偏北风东移南下，途经蒙古国等沙源地，带来较多沙尘天气（
图3a）。与1961—1980年相比，1981—2000年500 hPa负距平幅度减小、风场减弱，极涡强度减弱，中高纬形成“负正负正”的距平波列，但环流经向度减弱，贝加尔湖低槽减弱，因此由极地南下的偏北气流减弱，沙尘较1961—1980年减少（
图3b）。2001—2022年500 hPa负距平转为正距平，较前两个时期中高纬经向环流和风场减弱、极涡相对偏弱，乌拉尔山附近为负距平，使高纬度地区冷空气不易南下，相对不易引起沙尘（
图3c）。
从500 hPa位势高度与宁夏春季沙尘日数相关分析（
图4）可知，不同时期中高纬500 hPa环流对宁夏春季沙尘天气影响关键区存在显著差异。1961—1980年当中高纬为“负正负正负”环流距平时，经向型环流强，东亚大槽和乌拉尔山高压脊偏强，极地和欧洲高纬地区强冷空气从偏北路径经贝加尔湖低槽向我国输送，易造成当年沙尘明显偏多。
图3a中500 hPa中高纬平均环流的“负正负正负”距平分布与
图4a中影响宁夏沙尘异常的关键区环流的正、负中心对应，说明环流形势有利于沙尘整体偏多。与1961—1980年相比，1981—2000年沙尘日数与中高纬500 hPa环流的相关性减弱，显著相关区域范围缩小。中高纬由西北到东南呈“负正负正”的距平分布，有利于新地岛西侧冷空气经贝加尔湖沿偏北路南下（
图4b）。结合1981—2000年500 hPa“负正负正”距平波列（
图3b）可知，1981—2000年的平均环流利于沙尘日数较常年偏多，但实际沙尘日数较1961—1980年减少。与前两个时期相比，2001—2022年沙尘与极地相关性不显著。当中高纬由西到东呈现“负正负正”距平分布时，我国及其西侧呈现西高东低的分布形势，贝加尔湖大范围的低槽利于引导新地岛西侧冷空气沿乌拉尔山高压脊南下，春季沙尘易偏多（
图4c）；但中高纬仅有2个异常正距平中心（
图3c）与
图4c对应，经向型环流和偏北风较前两个时期减弱，说明环流形势的年际变化较大，虽然存在异常年份偏多的可能，但平均环流分布使沙尘日数较前两个时期减少。
3.2 外强迫因子对沙尘异常的影响
3.2.1 不同时期关键区海温影响
利用国家气候中心具有代表性的26项海温指数及全球海温再分析资料，对海温与沙尘的联系进行分析，结果表明某一海温因子并不能持续显著影响1961年以来宁夏春季沙尘日数，不同时期沙尘的前期海温影响因子表现不同。上一年秋季副热带南印度洋偶极子、西太平洋暖池强度指数和南印度洋海温（20°～60°S，50°～100°E）分别与1961—1980、1981—2000和2001—2022年宁夏春季沙尘日数相关性显著，相关系数分别达0.63、-0.51和-0.54，均通过0.05的显著性检验。1961—1980年前期秋季副热带南印度偶极子指数为正位相的年份偏多，沙尘日数偏多（
图5a）；1981—2000年沙尘日数随前期秋季西太平洋暖池的增强而减少，尤其在西太平洋暖池强度异常偏强的1996和1997年，沙尘日数最少（
图5b）；2001—2022年前期秋季南印度洋海温与沙尘日数负相关显著，尤其近5年海温指数呈减小趋势，沙尘日数增多（
图5c）。
图6为不同时期的前期秋季海温指数与500 hPa位势高度的相关系数分布情况，分布与
图4相似。1961—1980年（
图6a）当副热带南印度洋偶极子为正位相时，中高纬形成的“负正负正负”的异常分布，利于中高纬极地和东欧高纬地区冷空气对沙尘的输送，造成沙尘偏多。1981—2000年（
图6b）当西太平洋暖池强度偏弱时，中高纬为“负正负正”分布且我国北方及西北方形成“西高东低”分布的异常环流格局，极地和我国西北冷空气活跃，南下输送沙尘，沙尘易偏多。2001—2022年（
图6c）南印度洋海温偏冷，使中高纬关键区呈“负正负正”的异常分布，我国被深厚的负距平环流控制，利于冷空气从新地岛及乌拉尔山南下，向位势更低的我国北方地区输送，使沙尘增多，但极地冷空气不活跃。
3.2.2 不同时期关键区海冰影响
由
图7可知，不同时期影响沙尘日数的海冰关键区存在明显差异。1961—1980年新地岛以东至东西伯利亚海域的海冰与沙尘日数呈现显著负相关，负相关系数绝对值超过0.4（
图7a）。1981—2000年存在2个显著高相关区域，即伊丽莎白女王群岛北侧海域的海冰与春季沙尘具有显著负相关，波弗特海西部和楚科奇海的海冰与春季沙尘呈现显著正相关，2个区域正、负相关系数绝对值超过0.4（
图7b）。2001—2022年海冰和沙尘的正相关主要集中在波弗特海和楚科奇海海域，相关系数超过0.4，且显著正相关区域范围较1981—2000年增大，表明前期秋季的波弗特海和楚科奇海冰对春季沙尘的影响增强（
图7c）。
将1961—1980、1981—2000和2001—2022年沙尘日数与前期秋季海冰密集度显著高相关的区域（
图7红色方框）进行区域平均后的数值（1981—2000年2个负、正相关区域平均后进行差值处理）定义为各时期的海冰关键区指数（
图8蓝色折线）。
1961—1980、1981—2000和2001—2022年前期秋季海冰关键区指数与宁夏春季沙尘日数的相关系数分别达-0.54、0.50和0.55，均通过0.05的显著性检验。各时期海冰关键区指数和沙尘日数的年际变化一致。1961—1980年海冰关键区指数随时间减小，沙尘日数呈增多趋势（
图8a）；1981—2000年沙尘日数随关键区海冰指数的减小而减少（
图8b）；2001—2022年，沙尘日数与海冰关键区指数的演变趋势维持较高的一致性（
图8c）。
图9为影响宁夏春季沙尘日数的关键区海冰指数与500 hPa位势高度的相关性分布。1961—1980年（
图9a）关键区海冰偏小时，中高纬环流形成“负正负正负”分布，有利于中高纬极地和东欧高纬地区冷空气从西路和北路南下输送沙尘。1981—2000年（
图9b）关键区海冰增加时，中高纬形成“负正负正”波列，使我国及其西侧形成“西高东低”分布，有利于新地岛冷空气对蒙古国等沙源地沙尘的南下输送。2001—2022年（
图9c）海冰关键区海冰偏大时，极涡偏强且中高纬为“正负正负”波列、我国及其西侧呈西高东低分布，有利于新地岛西侧及伊朗高原的冷空气南下经沙源地向东南侵袭。
前一年秋季的海温和海冰对宁夏春季沙尘输送具有显著影响，大气环流的异常分布影响不同时期沙尘输送的路径和强弱，但某一因子并不能持续影响沙尘输送量，不同时期有明显转变。
4 结论
（1）1961—2022年宁夏春季沙尘日数以5.4 d∙（10 a）-1速率减少。1961—1980、1981—2000、2001—2022年分别为沙尘最多、次多、最少时期，不同时期空间分布上一致存在“中、北部多，南部少”的特征，且后一时期的沙尘日数较前一时期明显减少，其中2001—2022年沙尘日数最少、年际变化最大。
（2）1961—1980年500 hPa环流场被大范围负距平控制，极涡强度异常偏强，中高纬“负正负正负”的距平波列造成沙尘日数明显偏多。1981—2000年极涡强度和中高纬环流经向度减弱，中高纬“负正负正”距平波列带来的沙尘较前一时期减少。2001—2022年欧亚地区为正距平控制且极涡偏弱，中高纬为“负正负正”距平波列引导冷空气南下的形势较前两个时期减弱。
（3）不同时期前一年秋季海温和海冰影响关键区使大气环流的异常分布存在明显差异。1961—1980年副热带南印度洋海温偶极子偏强、新地岛以东至东西伯利亚海域海冰偏小时，有利于沙尘天气多发；1981—2000年西太平洋暖池强度偏弱、伊丽莎白女王群岛北侧海冰偏小而波弗特海西部—楚科奇海偏大时，有利于沙尘天气多，但路径单一和冷空气来源较弱造成沙尘强度较前一时期减弱；2001—2022年南印度洋海温偏冷和波弗特海—楚科奇海一带海冰偏大时，有利于沙尘向宁夏输送，但沙尘发生动力条件较前两个时期弱。
海温和海冰是影响气候系统异常的主要外强迫因子，能够通过大气环流影响沙尘的异常分布，本文仅通过外强迫因子与沙尘多发期大气环流的相关性揭示其对沙尘的影响机理，两者的相互作用及内在物理机制有待于进一步深入研究。
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