《Atmospheric Research》：Interannual variability of spring dust column mass concentration over Central Asia: Associations with multiple covarying meteorological factors
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中亚春季粉尘柱质量浓度（DUCMASS）年际变异特征及其与气象因素的关联。基于1980-2024年多源数据，EOF分解显示第一模态（EOF1）为塔里木盆地单极型（贡献40.8%方差），第二模态（EOF2）为塔里木-里海双极型（23.1%方差）。 EOF1与北大西洋三极SST异常通过激发NAO-like环流驱动粉尘活动，EOF2则与双极SST异常相关，两者均通过罗斯贝波传播影响区域大气环流，揭示气候因子协同驱动粉尘的新机制。
张海亮|何晴|艾海提·阿丽亚尔|李永康|曾康|江红|廖秋梅
新疆大学地理与遥感科学学院，乌鲁木齐830046，中国
摘要
中亚（CA）是全球沙尘活动的重要区域。然而，春季沙尘柱质量浓度（DUCMASS）的年际变化及其与多种气象因素的关联仍不够明确。基于1980-2024年的多源数据集，本研究利用经验正交函数（EOF）分解和回归分析系统地研究了这些方面。结果表明，DUCMASS存在显著的年际波动，平均变异系数为18.5%，年际方差贡献率为43.7%。第一模式（EOF1）对应于塔里木盆地的单极模式，而第二模式（EOF2）代表塔里木盆地-里海的双极模式。EOF1和EOF2分别解释了年际方差的40.8%和23.1%。10米风速、低至中对流层的环流异常、沙尘排放和传输、垂直运动、温度、降水和土壤湿度等因素在每种模式下共同塑造了中亚地区的DUCMASS空间分布。北大西洋三极海表温度（SST）异常可以触发类似NAO的模式，通过大气斜压和正压过程产生与EOF1一致的环流异常。与EOF1相关的波动通量遵循两条主要路径，而与EOF2相关的波动通量遵循一条主导路径，这表明罗斯贝波的传播维持了中亚地区的环流异常。EOF1主要与西伯利亚海平面压力（SLP）异常、大西洋的类似NAO的异常以及三极SST异常有关，而EOF2则显著与北大西洋和太平洋的双极SST异常相关。最大绝对相关系数达到0.48。这些发现为中亚地区沙尘活动的年际变化提供了见解，并为其预测提供了理论基础。
引言
中亚（CA）是世界上最大的干旱和半干旱地区之一，包括哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦、土库曼斯坦和乌兹别克斯坦（以下简称五个中亚国家（CA5）），以及中国西北部部分地区（Huang等人，2014年）。该地区分布着多个主要沙漠，如阿拉尔库姆沙漠、卡拉库姆沙漠和克孜勒库姆沙漠，这些地区是主要的沙尘源（Indoitu等人，2012年；Nobakht等人，2021年；Shen等人，2016年）。丰富的沙尘源加上干旱的气候条件导致了频繁的沙尘暴事件（Indoitu等人，2012年；Shen等人，2016年；Zhang等人，2020年）。位于中国新疆塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠是世界上第二大流动沙沙漠，也是全球重要的矿物尘埃气溶胶来源（Yang等人，2020年）。该地区沙尘事件频繁发生：沙尘暴平均持续超过10天，在极端情况下可长达约47天，而扬尘天气每年发生超过30天，最多可达86天（Yang等人，2016年）。鉴于新疆与CA5地区接壤且两地都经历频繁的沙尘事件，本研究将CA定义为包括CA5国家和新疆在内的整个区域。此外，观测和卫星研究表明，中亚地区的沙尘活动（以气溶胶浓度和沙尘事件频率表示）在春季达到高峰（Liu等人，2023年；Zhang等人，2020年；Zhou等人，2024年）。
频繁的沙尘事件不仅对公共健康构成威胁，还影响当地农业生产（Ahmadzai等人，2023年；Lee等人，2014年）。来自沙尘源地区的细颗粒物可以在中高纬度西风的影响下被抬升到大气边界层顶部，并远距离传输，影响下游地区（Chen等人，2017年；Shao等人，2011年）。因此，中亚地区的沙尘活动引起了越来越多的学术关注。先前的研究表明，近地面风场是该地区沙尘事件的关键调节因素。例如，来自北方、西北方或东北方的冷空气入侵会显著增加中亚的沙尘排放（Shi等人，2020年）。Xi和Sokolik（2015年）通过数值模拟表明，中亚沙尘活动的减弱主要是由于地表风速的降低，而非与当地植被相关的地表粗糙度变化。在塔里木盆地，沙尘事件主要由从盆地东侧侵入的东风驱动（Meng等人，2019年）。
中亚地区沙尘事件的年际变化与气候系统的内部变异性密切相关。Zhang等人（2020年）报告了北极涛动（AO）与中亚地区沙尘事件频率年际变化之间的显著正相关（R = 0.32）。AO在冬季调节西伯利亚高压（SH）的强度，从而影响该地区的环流和沙尘排放（Bingyi和Jia，2002年；Shi等人，2020年）。沙尘活动也与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）指数负相关（R = -0.23），这意味着在拉尼娜条件下沙尘会增加。厄尔尼诺现象在春季和夏季显著减少了从阿拉伯半岛到中亚的沙尘柱负荷（Huang等人，2021年）。Shi等人（2020年）还注意到，前一个冬季的多元ENSO指数（MEI）与里海东岸的沙尘排放之间存在显著负相关，将其归因于拉尼娜引起的降水量减少和土壤干燥，从而增强了该地区的沙尘活动。值得注意的是，南亚地区的沙尘活动与春季北大西洋三极海表温度（SST）异常密切相关。数值模拟表明，正的北大西洋三极SST异常可以增强800 hPa层的西风传输，导致5月至9月期间南亚地区的沙尘气溶胶光学深度增加约10%（Banerjee等人，2021年）。此外，北大西洋SST异常可以激发一条向东延伸至南亚和东北亚的准正压罗斯贝波列，这对调节东北亚地区的沙尘活动强度和频率起着关键作用（Liu等人，2022年）。然而，关于北大西洋SST异常对中亚沙尘事件的直接影响及其潜在物理机制的研究仍然有限。
先前的研究提高了我们对中亚地区沙尘活动及其影响因素的理解；然而，仍有几个关键问题尚未解决。目前对气候因素与沙尘变化之间关系的认识主要基于统计相关性，而相关的环流模式和大尺度动态背景尚未得到充分描述。沙尘活动年际变化的主要时空模式尚未明确识别，多种气象因素之间的共变性也很少在综合框架内进行研究。此外，尽管新疆在地理上与中亚5国相邻，但在以往的研究中很少将其作为不可或缺的部分纳入其中，从而限制了区域尺度的统一评估。从动力学角度来看，与沙尘年际变化相关的波动通量（WAFs）的传播路径也受到了有限关注。总体而言，尽管中亚是全球沙尘活动最活跃的地区之一，对其年际沙尘变化及其相关环流背景的研究仍然相对有限。
为了解决这些空白，本研究使用1980-2024年的多源数据集，结合经验正交函数（EOF）分解和回归分析，系统地研究了中亚地区春季沙尘柱质量浓度的年际变化及其与多种共变气象变量的关联。
研究区域的地形特征
本研究关注中亚地区，包括CA5和中国新疆地区（图1）。CA5大部分地区以广阔的平原和低矮的山丘为主，地形相对平坦，而其东南边缘则以高山和高原为特征，多个主要山脉在此交汇，包括天山山脉、帕米尔高原和兴都库什山脉。位于新疆南部的塔里木盆地被山脉环绕，形成了一个几乎封闭的菱形盆地。
年际变化的空间分布
在1980-2024年期间，中亚地区的春季DUCMASS表现出显著的年际变化。平均DUCMASS范围为6.59 × 10^-5至8.73 × 10^-4 kg·m^-2，最高值主要出现在塔里木盆地，其次是在土库曼斯坦（图3a）。标准差范围为1.29 × 10^-5至1.49 × 10^-4 kg·m^-2，较大值也集中在塔里木盆地（图3b）。变异系数（CV；标准差除以平均值）介于10.5%之间。
讨论
基于长期再分析数据，本研究应用EOF分解和回归分析研究了中亚地区春季DUCMASS的年际变化及其与多种气象因素的共变性。通过这些方法，本研究确定了中亚地区DUCMASS年际变化的主要模式，并阐明了这些模式与多种关键气象驱动因素之间的显著协调关系，从而加深了对此现象的理解。
结论
本研究的主要结论如下：
(1) 中亚地区的春季DUCMASS表现出显著的年际变化，平均变异系数为18.5%，年际方差贡献率为43.7%。第一模式（EOF1）对应于塔里木盆地的单极模式，而第二模式（EOF2）代表塔里木盆地-里海的双极模式。EOF1和EOF2分别解释了DUCMASS年际方差的40.8%和23.1%。
(2) 在
作者贡献声明
张海亮：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，软件，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念化。何晴：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。艾海提·阿丽亚尔：可视化，验证，软件，正式分析，数据管理。李永康：软件，资源，调查，正式分析，数据管理。曾康：可视化
资助
本研究得到了新疆维吾尔自治区气象服务指导项目（YD2025001）、国家自然科学基金（项目编号42030612）、新疆维吾尔自治区科技计划（2023E01011）、新疆科技创新团队（天山创新团队）项目（2022TSYCTD0007）、第三次新疆科学考察与研究计划（2021xjkk030501）以及科学技术的联合支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
