沙尘天气是指沙粒、尘土悬浮空中，使空气混浊、能见度降低的天气现象。根据沙尘发生时的水平能见度及风力大小可将其分为浮尘、扬沙和沙尘暴3个等级^[1-2]。沙尘天气，特别是沙尘暴天气，往往会给当地的农牧业生产、人民生命财产安全和生态环境等造成不同程度的损失，是干旱、半干旱地区的主要灾害天气之一^[3-7]。

内蒙古自治区是中国荒漠化和沙化最为严重的地区之一，荒漠化土地面积6.09×10⁷ hm²，占全国荒漠化土地面积的23.3%；沙化土地面积4.08×10⁷ hm²，占全国沙化土地面积的23.7%^[6]。全区境内分布有巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库布其四大沙漠和毛乌素、浑善达克、科尔沁、呼伦贝尔四大沙地，沙化土地遍布全区12个盟市的91个旗县^[7]。脆弱的地表状况为沙尘天气的形成提供了丰富的沙源。同时，由于地处中高纬度地区，是蒙古气旋、冷锋等天气系统南下的重要通道，大风天气多，为沙尘天气的发生提供了动力条件^[8]。内蒙古自治区是中国北方重要的生态安全屏障，对遏制荒漠化东移南下具有重要的作用，沙尘天气治理是生态建设的重要内容之一^[9]。近几十年来，显著的区域气候变化和大规模的生态治理，对沙尘天气的发生产生了较大的影响^[10]。本文系统分析了内蒙古自治区1960—2020年来沙尘天气的时空演变特征及其驱动因素，以期科学认识气候变化背景下区域沙尘天气变化规律，为生态治理提供理论依据。

1 资料与方法 1.1 数据资料

选取内蒙古自治区119个地面气象站1960—2020年逐日的天气现象、平均风速、降水量等观测数据，天气现象包括：浮尘(能见度＜10.0 km)、扬沙(1.0 km＜能见度＜10.0 km)、沙尘暴(能见度＜1.0 km)。数据来源为内蒙古自治区气象局及中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.ov.cn/index.jsp)，少量缺失数据通过邻近站点拟合等处理。根据气候四季的划分，3—5月为春季；6—8月为夏季；9—11月为秋季；12月至次年2月为冬季。

遥感数据来源于美国国家航空航天局的EOS/MODIS MOD13Q1数据产品，选取年份为2000—2020年，时间分辨率为16 d，空间分辨率为250 m。利用最大合成法(MVC)合成月NDVI数据，在此基础上合成年最大NDVI，并认为NDVI值小于0.1的地区为无植被区，具体方法见参考文献[13—15]。

1.2 研究方法 1.2.1 沙尘强度指数

以WANG等^[16]定义的沙尘强度指数DI表征沙尘强度，计算公式为：

$ \mathrm{DI}=D_{\mathrm{Fldu}}+3 D_{\mathrm{FISa}}+9 D_{\mathrm{SaSt}} $

(1)

式中：D_Fldu, D_FlSa和D_SaSt分别表示浮尘日数、扬沙日数和沙尘暴日数。

1.2.2 气候倾向率

用x_i表示样本量为n的某一气候变量，用t表示x_i所对应的时间，建立x_i与t之间的一元线性回归方程：

$ x_i=a+b t_i \quad(i=1, 2 \cdots n) $

(2)

式中：a为回归常数; b为回归系数; a和b可以用最小二乘法进行估计。以b的10倍作为气候要素的气候倾向率^[17]。

1.2.3 M—K检验

M—K检验^[18]是一种无分布检验，不需要试验样本遵从特定的分布，亦不受少数异常值的干扰。可用于检验沙尘事件的变化趋势，具体过程如下：

对于具有n个样本量的时间序列x，构建秩序列S_k，S_k是第i时刻大于j时刻的累计值(j=1, 2…i)。在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

$ \mathrm{UF}_k=\frac{S_K-E\left(S_k\right)}{\sqrt{\operatorname{var}\left(S_k\right)}} $

(3)

式中：E(S_k)和var(S_k)分别为累计数S_k的均值和方差。按时间序列x的逆序列重复计算秩序列S_k, 并由上式计算标准分布下的UB_k。给定显著性水平α=0.01, 若UF_k>U_α, 则表明序列存在明显的趋势变化, 若UF和UB相交于临界线范围内则为突变开始的时间。

2 结果与分析 2.1 时间变化特征 2.1.1 沙尘日数和强度的年际变化

数据分析表明，1960—2020年内蒙古自治区的总沙尘日数中，扬沙日数最多，占59.5%；浮尘日数次之，占21.4%；沙尘暴日数最少，为19.1%，表明扬沙是影响本区最主要的沙尘天气。从趋势变化来看，近61 a来，浮尘、扬沙和沙尘暴日数均呈极显著的下降趋势(p＜0.01)，下降速率分别为1.8，2.7，和1.6 d/10 a。各等级沙尘日数最大值均出现在1966年，分别为22.7，32.8, 17.5 d；浮尘和扬沙日数的最小值出现在2013年，分别为0.4 d和3.4 d。沙尘暴日数最小值出现在2020年，仅为0.2 d(图 1)。

由图 2可知，1960—2020年内蒙古自治区沙尘强度指数整体呈波动下降趋势，下降速率为24.4/10 a(p＜0.01)。沙尘强度指数最大值出现在1966年，达279.0；最小值出现在2013年，为16.0。1960—1975年，沙尘强度指数整体较高，平均值为144.9；1976—1999年，沙尘强度指数下降显著(p＜0.01)，速率为46.7/10 a，平均值为82.0；2000年后，沙尘强度年际间波动明显，但强度指数总体偏低，平均值为42.2。

2.1.2 沙尘日数和强度的月际变化

由图 3可知，内蒙古自治区沙尘日数峰值出现在4月，各等级沙尘日数比例均超过全年的20%，其中沙尘暴所占比例甚至接近30%；9月沙尘日数最少，各等级沙尘日数占比均在3%以下。从季节分布来看，春季沙尘天气最为多发，全年一半以上的沙尘日数均出现在春季，秋季的沙尘日数最少。

图 4为内蒙古自治区沙尘强度指数的月际变化。最大值出现在4月，为20.9；最小值出现在9月，为1.7，呈单峰型变化。从不同季节来看，春季沙尘强度指数最高(49.5)，夏季次之(13.5)，冬季再次(12.9)，秋季最低(7.8)。

1960—2020年各等级沙尘日数及沙尘强度指数的逐月变化见表 1。各等级沙尘日数均呈极显著的减少趋势(p＜0.01)，且其中4月沙尘天气减少最多，浮尘、扬沙和沙尘暴日数的减少速率分别达3.6，4.0，3.9 d/10 a；各月份的沙尘强度指数也均呈极显著的下降趋势，且以4月降幅最大，达5.1 d/10 a。

2.1.3 年尺度沙尘日数和强度指数的突变分析

利用M—K法对内蒙古自治区1960—2020年各等级沙尘日数及沙尘强度指数进行突变检验。由图 5a—5b可见，浮尘日数和扬沙日数在20世纪80年代前均呈先降后升的趋势，80年代后发生日数开始减少，且减少趋势均在1990年前后达到极显著水平。浮尘日数和扬沙日数的UF曲线和UB曲线在1990年左右存在交点，且交点位于α=0.01的置信区间内，表明浮尘日数和扬沙日数均在1990年前后发生了由多到少的突变。除1966年外，沙尘暴日数(图 5c)的UF统计量均小于0，表明研究时段内沙尘暴日数整体呈减少趋势，且在1983年后减少趋势达到极显著水平。

沙尘强度指数的突变检验见图 5d。1980年以前，沙尘强度的UF统计量正负交替，波动较大。自1980年后，UF统计量均小于0，表明沙尘强度呈明显的减小趋势，且减小趋势在1985年后达到极显著水平。由于UF曲线和UB曲线的交点位于临界线外，尚不能确定沙尘强度的突变时间。

2.2 空间变化特征 2.2.1 沙尘日数和强度指数的空间分布

由图 6可见，内蒙古自治区各等级沙尘日数的空间分布特征基本一致，均以西部地区最多，向东迅速减少，地区间差异明显。各等级沙尘天气中，扬沙的发生日数最多且影响范围最广，其高值中心位于阿拉善盟的中部及西部与乌海市交界地区，发生日数为54.8~72.3 d。仅有呼伦贝尔和兴安盟两个盟市年均扬沙日数低于5.4 d；浮尘日数的空间分布与扬沙日数相似，但总日数相对较少，高值区进一步向阿拉善中部地区延伸，发生日数为22.6~47.7 d；沙尘暴日数普遍较少，最高仅为23 d，主要以阿拉善和巴彦淖尔北部最为频发。东部四盟市中，仅有通辽、赤峰两市南部地区受沙尘暴影响较大。全区以呼伦贝尔市受沙尘暴影响最小，年均沙尘暴日数不足1 d。其中图里河在1960—2020年从未受到沙尘暴侵袭。

按照沙尘强度指数的大小(图 6d)，可将内蒙古地区分为3个区域：西部阿拉善盟、乌海市、鄂尔多斯大部及巴彦淖尔西部地区沙尘强度较大，基本都在144.3以上，最大值出现在阿拉善的拐子湖站，达378.3。中部呼和浩特市、包头市、乌兰察布市北部和锡林郭勒盟东部地区沙尘强度明显减弱，除锡林郭勒盟西部个别站点外，大部分地区的沙尘强度指数都在87.4以下。东部赤峰市、通辽市、兴安盟和呼伦贝尔市沙尘强度指数较小，仅在赤峰市和通辽市南部有零散较高值区的分布。

2.2.2 沙尘日数和强度的趋势变化

内蒙古自治区各等级沙尘日数及沙尘强度指数的变化趋势见图 7。由图 7a可知，年浮尘日数整体呈现减少趋势，其中呈显著下降趋势的站点比例为63.9%(p＜0.05)，这些站点多位于西部的巴彦淖尔、鄂尔多斯、乌海和阿拉善4个盟市。东部地区浮尘日数略有上升，但仅有4个站达p＜0.05的显著性水平；年扬沙日数(图 7b)的变化趋势与浮尘日数类似，除少数站点呈微弱的上升趋势外，其余站点均呈下降趋势，且显著下降的站点达68.1%(p＜0.05)。沙尘暴日数(图 7c)和沙尘强度指数(图 7d)的空间分布基本一致，除东部地区零星站点外，其余各站均表现出下降趋势，其中呈显著下降趋势的站点比例分别达83.2%和84.0%(p＜0.05)，且西部地区降幅明显高于东部。

2.3 驱动因素分析 2.3.1 大风日数

风是影响地面起沙的动力条件。由于4级风力(5.5~7.9 m/s)对应的陆面现象为尘土卷入空中^[4]，故大风日的定义为日平均风速≥5.5 m/s。以沙尘强度指数与大风日数进行相关分析，相关系数为0.91，达到极显著水平(p＜0.01)，说明风速对沙尘天气的形成和扩散起决定性的作用。1960—2020年年平均大风日数呈下降趋势(图 8)，下降速率为10.1 d/10 a(p＜0.01)。1960—2020年，大风日数的变化与沙尘强度指数的变化趋势基本一致。均以1975年前为较高值，1966年达到最大，1976年后明显降低。就空间变化而言，全区97.5%的站点年平均大风日数呈下降趋势，且94.2%的站点通过了极显著检验(p＜0.01)。大风日数减少最多的站点位于巴彦淖尔市，达35.2 d/10 a，乌兰察布市与锡林郭勒盟交界处大风日数减少趋势也较为明显。大风日数上升的3站零散分布在内蒙古西部地区，但均未通过显著性检验，说明内蒙古自治区整体年大风日数减少是导致全区1976年后沙尘强度指数明显减弱的主要原因。

2.3.2 冬春降水总量

内蒙古自治区全年近60%的沙尘天气发生在春季，区内主要沙源地冬季多为积雪覆盖，积雪通过影响地面起沙及植被返青进而影响沙尘天气的发生，沙尘强度指数与冬春季降水量相关性(r=-0.40，p＜0.01)强于与春季降水量(r=-0.35，p＜0.01)和年降水量(p＞0.05)。1960—2020年，内蒙古自治区冬春降水总量波动上升(图 9)，增速为2.65 mm/10 a(p＜0.01)。从空间变化来看，全区绝大部分站点冬春降水总量都有所增加，包括沙尘天气最为频发的阿拉善、乌海、巴彦淖尔、鄂尔多斯等盟市。冬春季节降水量的增加在一定程度上导致了研究区沙尘强度指数的降低。

2.3.3 植被状况

如图 10所示，2000—2020年内蒙古自治区NDVI平均值为0.51，整体呈波动上升趋势，上升速率为0.036/10 a(p＜0.01)，与沙尘强度指数的相关系数为-0.46(p＜0.05)。

对NDVI值的栅格数据进行逐像元M—K检验，所得结果见图 10b。其中，NDVI值上升区域占总面积的90.2%，表明内蒙古自治区植被状况整体以改善为主。其中，NDVI极显著增加的区域约占总面积的26.72%，集中分布在内蒙古西部的鄂尔多斯市、巴彦淖尔市南部及阿拉善盟东部地区，呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市、赤峰市、呼和浩特市等地也有一定分布。NDVI显著增加的区域约占总面积的15.90%，在全区散点分布；NDVI值下降的区域主要分布在内蒙古中东部地区，但达到0.05显著性的区域仅占总面积的0.79%，降低趋势很弱。

随着“三北”防护林、天然林保护、京津风沙源治理、退耕还林还草、退牧还草、沙化土地封禁保护等一系列国家重点工程和政策在内蒙古的强力推进，内蒙古的生态环境实现了“整体遏制，局部好转”的重大转变。2010—2020年，全区森林覆盖率和草原植被盖度实现“双提高”，荒漠化土地和沙化土地面积实现“双减少”。累计营造林8.00×10⁶ hm²，种草1.90×10⁷ hm²，年均防沙治沙8.00×10⁵ hm²以上，规模均居全国第一，全区草原植被盖度和森林覆盖率分别由40.3%和20.8%提高到45%和23%，荒漠化和沙化土地面积持续减少^[19]。植被状况的改善，为减少地面起沙提供了必要的植被保障，是近年来内蒙古自治区沙尘强度减弱的重要原因之一。

3 讨论

1960年以来，内蒙古自治区的沙尘天气次数及强度指数均呈现为先上升后下降的规律。1962—1973年，全区人口自然增长率持续高于20‰^[20]。人口的快速增长加大了土地资源压力，1958年后的20 a间，全区仅草原滥垦就达2.50×10⁶ hm^2[21]。人类活动加速了土地荒漠化的发展，在一定程度上导致了20世纪60—70年代内蒙古自治区沙尘天气频发。1976—1990年是沙尘天气由多转少的重要阶段，气候变化和生态环境改善共同作用是1990年后沙尘天气突变减少的主要原因。

从气候因素来看，风速是影响沙尘强度的最直接原因，1960—2020年来全区97.5%以上的站点大风日数下降，极大地减弱了起沙和传输的动力条件。冬春季节降水量增加既可以产生湿沉降效应减少地面起沙，也可以缓解春旱促进植生长；从植被因素分析，80年代以来，随着大规模的“三北”防护林、天然林保护、京津风沙源治理、退耕还林还草、矿山生态修复等生态治理工程的实施，区域生态环境明显改善，整体呈现“绿进沙退”的格局^[22-24]，减少了地面沙尘来源。兴安盟索伦站等个别站点扬沙日数、沙尘暴日数及沙尘强度指数均有所上升，且上升趋势达到显著水平(p＜0.05)，这与当地草原生态破坏严重^[25]和极端天气活动有关。内蒙古扬沙日数降幅明显高于浮尘和沙尘暴日数的降幅，原因之一是扬沙取决于当地气候与植被，而浮尘和沙尘暴的发生既与当地气候植被有关，也与毗邻地区的气候植被有关。冬春季节，在西北气流的引导下，来自中国西北和蒙古国的沙尘暴天气往往会加剧内蒙古的沙尘天气^[26-29]。

从空间变化来看，沙尘天气对内蒙古西部影响较大，向东逐渐减弱，地区间差异明显，这一空间格局的形成与气候、地理和生态环境等条件关系密切。西部地区气候干燥、风力强劲，土地沙漠化严重，境内分布有巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠及毛乌素沙地，加上过度开垦、放牧、采矿等人为因素，使其成为中国乃至亚洲沙尘天气的高发中心。中部地区受沙尘影响减弱，浑善达克沙地附近有一定的高值区分布。沙尘天气对东部地区的影响最小，仅有通辽市和赤峰两市受沙尘暴影响相对较大，这与科尔沁沙地的分布及冷空气频繁南下有关。呼伦贝尔市西部虽分布有呼伦贝尔沙地，但当地降水条件普遍较好，植被覆盖程度高，加上南侧大兴安岭的阻挡作用，沙尘天气活动较弱。1960—2020年内蒙古西部地区的沙尘减弱趋势明显强于东部，应该与鄂尔多斯、阿拉善等西部地区近30 a生态治理成效显著，荒漠化逆转明显有关^[30]。

4 结论

(1) 从沙尘天气的趋势变化来看，1960—2020年内蒙古自治区的各等级沙尘日数及强度均呈极显著的下降趋势(p＜0.01)，浮尘、扬沙、沙尘暴的下降速率分别为1.8，2.7，1.6 d/10 a。浮尘日数和扬沙日数均在1990年前后发生由多到少的突变，沙尘暴日数和沙尘强度虽无明显突变点，但其减少趋势分别在1983年和1985年达到极显著水平。

(2) 从沙尘天气的空间分布来看，西部地区频发且强度大，向东迅速减弱，地区间差异明显。随沙尘等级的增加，发生日数逐渐减少，且高值区逐渐向西部的阿拉善、鄂尔多斯、乌海和巴彦淖尔延伸；就变化趋势而言，各等级沙尘日数及沙尘强度指数在大多数站点表现为显著的下降趋势(p＜0.05)，且西部地区降幅明显高于东部。

(3) 1960—2020年，内蒙古自治区沙尘天气减弱，既遇增温背景下的大风日数减少(10.1 d/10 a，p＜0.01)、冬春季节降水增多(2.65 mm/10 a，p＜0.01)有关，也与持续多年的大规模生态治理，NDVI上升(0.036/10 a，p＜0.01)和生态环境显著改善有关。