1. 引言
沙尘天气是一种由强风将地面沙尘卷到空中，使空气混浊，大气能见度降低的一种天气现象，在气象学中，根据沙尘天气发生的强度，将其划分为浮尘、扬沙和沙尘暴3个等级 [1] 根据能见度沙尘暴分为三个等级：沙尘暴能见度0.5 km~小于1.0 km，强沙尘暴能见度0.05 km~小于0.5 km，特强沙尘暴能见度小于0.05 km [2]。沙尘天气不仅给工农业生产交通运输和人民生命财产造成极大损失，而且带来严重的生态环境问题，特别是高浓度的沙尘颗粒污染物容易引起相关人群呼吸系统的疾病，对人类的健康造成危害 [3]。
吐鲁番盆地位于(90˚E, 43˚N)附近，属于暖温带、干旱荒漠性气候，干旱少雨，高温日数多，其中高昌区、鄯善县、托克逊县年平均降水量分别为14.4毫米、26.7毫米、9.2毫米。四周山地环绕，盆地处于西北部为三十里风区和东部为百里风区的两个风口之间。三十里风区地势由西北向东南倾斜的下滑地形，不少特点与百里风区相似 [4]。当冷空气入侵时，由于地势条件和狭管效应等，使这两个地区极易出现大风。冷空气愈强，大风愈猛烈，持续时间愈强 [4]。这也是吐鲁番盆地风大，大风次数多的主要原因。风是沙尘传输的重要条件，吐鲁番盆地干旱的气候条件、特殊的地理位置以及多大风的天气特点致使其成为沙尘天气多发区。为了更好地预报沙尘天气，提供更加优质的气象服务，提高防灾减灾能力，减少其带来的危害损失，本文针对沙尘天气的变化特征进行分析，以期查找预报依据。
2. 资料和方法
2016年鄯善县、高昌区、托克逊县先后实现能见度观测自动化，为保证资料的一致性，本研究选用2016~2020年的日气象资料对一区两县沙尘天气的变化特征进行分析。使用NCEP/NCAR逐日再分析资料(水平分辨率为2.5˚ × 2.5˚)分析出现沙尘天气时对应的大气环流形势特征。
依据气象观测规范规定，以20时为日界，若某一次扬沙或沙尘暴过程跨越20时，则按两个出现日计算；当某一天扬沙或沙尘暴过程出现两次或以上时，按一个出现日计算 [5]。
3. 沙尘天气的时空变化特征
3.1. 沙尘天气日变化特征
浮尘天气持续时间较长且时有跨日界，日变化特征不显著，而沙尘暴出现次数极少其日变化特征不具代表性，所以本文对扬沙天气进行08~20时各时次的频数及沙尘暴的日变化特征分析。近五年夜间扬沙共出现119次，16~20时扬沙出现的次数占整个时段的56.6%。从图1可看出，扬沙天气出现的频次20时达到最高值，为53次，08时为最低值，只有4次。由此可见，扬沙天气有明显的日变化，
Figure 1. Frequency distribution of sand lifting time at 08~20 in 2016~2020 in Turpan Basin
图1. 2016~2020年吐鲁番盆地扬沙天气08~20时扬沙时次频数分布
大部分发生在下午和傍晚，早晨发生较少，这也说明了扬沙天气的出现与其产生的热力不稳定条件有关。
经统计2016~2020年沙尘暴发生的日变化来看，3个代表站出现沙尘暴天数共有19天，其中托克逊县16天，高昌区1天，鄯善县2天。沙尘暴出现的概率占总次数的79%，强沙尘暴为21%，未出现特强沙尘暴。且沙尘暴出现在夜间占58%，白天占42%，夜间出现沙尘暴的概率稍大于白天，沙尘暴一般也应出现在午后至傍晚与扬沙出现机理一致。
(a) (b)
(c)
Figure 2. The daily and monthly changes of floating dust, blowing sand and sandstorm are respectively shown in (a), (b) and (c); (a) Monthly variation of floating dust days from 2016 to 2020; (b) Monthly variation of sand lifting days from 2016 to 2020; (c) Monthly variation of dust storm days from 2016 to 2020
图2. 浮尘、扬沙、沙尘暴日数月变化分别用(a)图、(b)图、(c)图表示；(a) 2016~2020年浮尘日数月变化；(b) 2016~2020年扬沙日数月变化；(c) 2016~2020年沙尘暴日数月变化
3.2. 沙尘天气日数月变化特征
从图2(a)看来，浮尘日数有明显的月变化，浮尘天气主要集中在3~6月，高昌区、鄯善县变化趋势基本维持一致。高昌区、鄯善县3~6月浮尘日数分别占全年总日数的58.7%和72.2%，且峰值出现在5月。托克逊县浮尘日数3月最多，除1月未出现浮尘天气外，其余月份分布比较平均，各月浮尘日数均比高昌区、鄯善县少，这与托克逊县处于风口风线一带有关，强风吹走空气中的尘土与细粒物。
从图2(b)看来，一区两县3个代表站扬沙日数变化趋势相同，3~5月扬沙日数逐月增加且5月为3站最高值，6月开始有所下降。高昌区、鄯善县、托克逊县3~6月扬沙日数分别占全年总日数的63.8%、52.3%，59.6%。托克逊县每月扬沙日数均多于高昌区与鄯善县。
从图2(c)看来，高昌区、鄯善县发生沙尘暴的日数较少，6~8月出现了沙尘暴，月平均日数最大为0.2天，其余月份为0天。托克逊县8~10月未出现沙尘暴，其余月份均可出现沙尘暴天气。
3.3. 沙尘天气季节变化特征
3.3.1. 浮尘天气季节变化特征
从表1可看出，吐鲁番盆地一年四季均可出现浮尘天气，高昌区、鄯善县浮尘日数明显高于托克逊县。高昌区浮尘天气大多出现在春季，平均为16.2天，约为全年的48.5%，夏秋季次之，平均为7~8.4天，冬季最少，约占5.3%。鄯善县浮尘天气多出现在春季，平均为11.4天，占全年的63.3%，夏秋冬浮尘日数逐渐减少。托克逊县出现浮尘日数春夏秋基本相同，冬季最少。
Table 1. Annual average days of sand and dust weather in Turpan Basin in recent five years
表1. 吐鲁番盆地近五年沙尘天气年平均日数
3.3.2. 扬沙天气季节变化特征
托克县的春夏季扬沙日数较高昌区、鄯善县多10.8天、15天，托克逊县春季扬沙日数数最多达28天。而鄯善县的扬沙日数夏季略多于春季，秋季扬沙日数明显减少。高昌区、鄯善县冬季未出现扬沙天气，只有托克逊县有1.4天。
3.3.3. 沙尘暴天气季节变化特征
高昌区、鄯善县只有夏季出现过沙尘暴天气，平均日数仅为0.2~0.4天，表明出现沙尘暴的日数极少。托克逊县春夏秋冬均可出现沙尘暴天气，春夏冬季出现频次相同，各为1天，秋季最少仅为0.2天。
4. 沙尘天气与气象要素的关系
通过张焕平 [6] 等人对柴达木盆地沙尘天气的研究、刘晓英 [7] 对河北省坝上地区沙尘暴日数变化的研究以及周自江 [8] 对我国扬沙和沙尘暴的研究表明，沙尘天气的发生与风速存在明显的正相关性，为进一步揭示吐鲁番盆地大风和沙尘天气的关系，下面对各月沙尘天气日数与各月大风日数做出研究。同时为了更好地研究沙尘天气日数与其它气象要素之间的关系，同步分析月平均风速、月平均相对湿度、月平均气温与月降水量等气象要素与沙尘天气日数的相关性。
通过计算得出(见表2) 3个代表站的沙尘日数与大风日数及平均风速均成显著正相关，相关系数在0.719~0.894之间，相关性通过了0.01水平显著性检验。3站沙尘日数均与相对湿度成负相关，并通过了0.01水平显著性检验。平均气温成正相关关系，相关系数在0.614~0.665之间，并通过了0.05水平上显著性相关。高昌区、托克逊县月降水量与月沙尘日数成负相关，鄯善县没有明显的关系。说明月沙尘日数与月大风日数、月平均风速、月平均气温成显著正相关。
Table 2. Correlation coefficient between monthly sand and dust days and meteorological elements of 3 stations in Turpan
表2. 吐鲁番3站月沙尘日数与各气象要素相关系数
注：*，**在0.05和0.01水平上显著相关。
5. 环流特点
吐鲁番盆地沙尘天气形势的环流分型
吐鲁番盆地沙尘天气主要以浮尘与扬沙天气为主，沙尘暴日数极少，一场沙尘天气过程，一般3个代表站均会出现不同程度的沙尘天气。从吐鲁番盆地2016年至2020年出现的590天浮尘、扬沙日数中选择持续时间较长、影响范围广的55次天气过程，结合19次沙尘暴过程，共计74场次天气过程作为样本，使用NCEP/NCAR逐日再分析资料(水平分辨率为2.5˚ × 2.5˚)，通过Grads软件对逐日高空环流图进行画图，分析得出沙尘天气出现时500 hPa环流形势图，可分为北支槽型、中亚槽(涡)型、短波槽型、Ω型、西风锋区型、横槽型六种(见图3~8)。
北支槽：里咸海至乌拉尔山为高压脊，西西伯利亚低压分裂的短波槽沿脊前西北风带南下，此型出现17次，占23%。
中亚槽(涡)型：中亚为低槽或低涡，里黑海与新疆东部为高压脊，低涡低槽在东移过程中影响我区，此型出现12次，占16%。
短波槽型：中高纬度以纬向环流为主，巴湖附近有短波东移影响我区，此型出现16次，占22%。
Ω型：中亚范围环流形势呈现出Ω型，表现为新疆至西西伯利亚高压脊发展，中亚和贝加尔湖以东分别为低槽，且东部槽经向度大于西部 [9]，此型出现10次，占13.5%。
西风锋区型：乌拉尔山南部至里黑海为低压，新疆至贝加尔湖为宽广的高压脊，吐鲁番地区受低压外围锋区影响 [9]，此型出现9次，占12%。
横槽型：咸海以北区域有高压脊，巴湖至贝加尔湖为东西向的大槽或有低涡建立，我区受横槽前偏西气流控制，此型出现10次，占13.5%。
6. 结论
1) 从2016~2020年扬沙天气日变化过程来看，16~20时扬沙出现的次数占整个时段的56.6%。扬沙天气有明显的日变化，大部分发生在下午和傍晚，早晨发生较少。强沙尘暴出现的概率较小，占21%，沙尘暴占79%，没有特强沙尘暴，且沙尘暴出现在夜间占58%，白天占42%。
2) 高昌区、鄯善县3~6月浮尘日数分别占全年总日数的58.7%和72.2%，且峰值出现在5月。托克逊县浮尘日数3月最多。一区两县3个代表站扬沙日数变化趋势相同，高昌区、鄯善县、托克逊县3~6月扬沙日数分别占全年总日数的63.8%、52.3%，59.6%。托克逊县每月扬沙日数均多于高昌区与鄯善县。高昌区、鄯善县发生沙尘暴的日数较少，6~8月出现了沙尘暴，月平均日数最大为0.2天。托克逊县8~10月未出现沙尘暴，其余月份均可出现沙尘暴天气。
3) 高昌区浮尘天气大多出现在春季，约为全年的48.5%，夏秋季次之，冬季最少，约占5.3%。鄯善浮尘天气多出现在春季，占全年的63.3%，夏秋冬浮尘日数逐渐减少。托克逊县出现浮尘日数春夏秋基本相同，冬季最少。托克县的扬沙日数较高昌区、鄯善县都偏多，是高昌区的2倍多，鄯善县的3倍多，托克逊县春季扬沙日数最多达14.6天，高昌区、鄯善县只有夏季出现过沙尘暴天气，表明出现沙尘暴日数极少。托克逊县春夏秋冬均可出现沙尘暴天气。
4) 3个代表站的大风日数与平均风速均成显著正相关，相关系数在0.719~0.894之间，相关性通过了0.01水平显著性检验。3个代表站沙尘日数均与相对湿度成负相关。平均气温成正相关关系，相关系数在0.614~0.665之间。高昌区、托克逊县月降水量与月沙尘日数成负相关，鄯善县的没有明显的关系。说明月沙尘日数与月大风日数、月平均风速、月平均气温成显著的正相关。
5) 从吐鲁番盆地出现沙尘天气时环流形势来看，可分为北支槽型、中亚槽(涡)型、短波槽型、Ω型、西风锋区型、横槽型六种形势，为以后预报沙尘天气有可靠的依据。