新疆天山山脉以南地区沙尘天气的时空变化及其驱动机制：多源数据与机器学习的启示

《Atmospheric Research》：Spatiotemporal variations and driving mechanisms of dust weather South of the Tianshan Mountains, Xinjiang: Insights from multi-source data and machine learning

沙尘天气时空演变及驱动机制研究：基于新疆南部多源数据融合的机器学习方法，揭示了沙尘频率总体上升、类型敏感性差异及地表-大气耦合作用，构建了CatBoost-SHAP-DirectLiNGAM框架，为干旱区沙尘治理提供新方法。

　　

李浩娟|刘永强|秦燕

新疆大学地理与遥感科学学院，乌鲁木齐830017，中国

摘要

在全球气候变化的背景下，沙尘天气的时空演变及其驱动机制已成为干旱地区环境安全和风险治理的关键科学问题。新疆南部包括塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠等主要沙源区，是中国受影响最严重的地区之一。全面了解该地区沙尘天气的时空模式和驱动因素不仅有助于阐明其形成机制，也为有针对性的预防和管理策略提供科学依据。本研究基于2000年至2023年的地面观测和再分析/遥感数据，结合时空分析与机器学习方法，系统研究了新疆南部典型沙源-绿洲复合区的沙尘天气演变特征。具体而言，确定了关键的气象驱动因素，分析了它们在不同地表条件下的响应，并通过聚类分析对不同沙尘事件类型相关的气象机制进行了分类。主要发现如下：（1）沙尘天气频率总体呈上升趋势，2012年至2023年间多个站点显著增加，同时具有明显的季节性和空间异质性。（2）浮尘、吹尘和沙尘暴都受到风速、气压和温度的强烈影响；然而，它们对这些因素的敏感性存在显著差异。（3）气象驱动效应因地表条件而异，反映了典型的地表-大气相互作用机制。（4）聚类分析识别出四种不同的气象机制，即使在同一地点，沙尘事件之间的关联也存在明显差异。本研究加深了对干旱地区沙尘天气形成机制的理解，为新疆南部和中亚的环境治理和风险管理提供了科学支持。所提出的框架整合了多源数据与机器学习方法，为改进沙尘天气预警系统和促进可持续环境管理提供了方法论指导。

引言

沙尘天气是一种典型的大气环境危害，广泛发生在干旱和半干旱地区。它对生态系统稳定性、空气质量、交通安全和人类健康产生严重影响（Zhou等人，2023a；Zhou等人，2023b）。根据形成机制、强度和破坏效应，沙尘事件通常分为三种类型：浮尘、吹尘和沙尘暴（Jin等人，2024）。由于全球变暖和人类活动的加剧，沙尘事件的频率和强度表现出新的时空特征，增加了其环境影响和灾害风险（Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang等人，2024d；Wang等人，2024e）。中国西北部是全球主要的沙源区之一（Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang等人，2024d；Wang等人，2024e），其中新疆由于内陆干旱气候、复杂地形和活跃的风力过程而尤为脆弱（Liu等人，2011；Qian等人，2002；Shen等人，2020）。新疆南部包括塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠等主要沙源区，形成了典型的山-沙漠-绿洲耦合系统。该地区的沙尘活动受天气尺度大气环流、盆地尺度热力对比、强地表风以及与绿洲扩张和生态恢复相关的快速变化的地表条件的相互作用控制。这些相互作用过程产生了显著的空间异质性和沙尘发生的年际变化（Chen等人，2025a；Chen等人，2025b；Chen等人，2025c；Liu等人，2024；Tan等人，2022）。除了对当地生态和健康的影响外，新疆南部的沙尘事件还影响“一带一路”沿线的交通安全、区域经济发展和中国的碳中和战略（Meng等人，2022）。近年来，吹尘、浮尘和严重沙尘暴的发生频率增加，尤其是在冬春过渡期间，显著降低了能见度并扰乱了民用航空运营，凸显了理解特定类型沙尘驱动机制的紧迫性。

过去几十年，沙尘研究取得了实质性进展。研究从基于地面观测的统计描述发展到结合卫星产品、再分析数据和数值模拟的多源综合分析（Assiri等人，2025；Liu等人，2023；Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang等人，2024d；Wang等人，2024e；Zhang等人，2025a；Zhang等人，2025b）。MODIS、MISR和CALIPSO等卫星平台提供了气溶胶光学厚度（AOD）、沙尘覆盖率和垂直结构信息（Li等人，2022；Li等人，2025；Schumacher等人，2024），而再分析数据集（如ERA5、MERRA-2）实现了大范围的时空评估。沙尘气溶胶光学厚度（DAOD）已成为表征沙尘强度和传输变化的关键指标（Che等人，2022；Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang等人，2024d；Wang等人，2024e）。此外，植被指数（NDVI）、地表温度和土壤湿度也被纳入以评估地表-大气耦合过程（Pi等人，2017；Wang等人，2022；Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang等人，2024d；Wang等人，2024e）。WRF-Chem和GEOS-Chem等数值模型被广泛用于模拟沙尘生成和传输路径，提供了在不同气象情景下的沙尘形成机制和区域响应的更深入见解（Chen等人，2025a；Chen等人，2025b；Chen等人，2025c；Khan等人，2025；Yang和Fu，2025）。此外，多因素统计方法、观测分析和数值模拟以及机器学习技术越来越多地被应用于探索沙尘天气的驱动机制（Yang等人，2025）。这些进展共同为沙尘天气及其驱动因素的科学评估奠定了坚实基础（Wei等人，2025；Zhou等人，2025）。

然而，尽管取得了这些进展，在塔里木盆地等结构复杂的盆地中明确识别不同类型沙尘的因果驱动因素仍存在局限性（Fan等人，2025；Xu等人，2024）。该地区的大多数先前研究依赖于相关性分析或单一机器学习模型（如随机森林、XGBoost）来排名变量重要性（Chen等人，2025a；Chen等人，2025b；Chen等人，2025c；Xi等人，2026）。虽然这些方法提高了预测性能，但它们本质上基于相关性框架，无法区分直接的动力学驱动因素（如风应力）与间接的热力学或地表响应（Jiang等人，2026；Zhao等人，2018）。在塔里木盆地的半封闭环流系统中，天山山脉的地形阻塞与盆地尺度加热对比和快速变化的绿洲-沙漠边界相互作用，变量重要性排名可能会混淆多尺度信号并掩盖真实的因果路径（Zhou等人，2022）。相反，因果推断方法可以重建变量之间的结构关系，但很少与非线性预测模型结合使用，限制了它们在典型的山-沙漠过渡区强相互作用下的稳健性（Wang等人，2023；Zhou等人，2023a；Zhou等人，2023b）。因此，在塔里木盆地背景下仍存在方法论空白：一个能够同时实现高精度非线性预测、定量解释不同类型沙尘特征贡献和明确识别定向因果路径的集成框架（Gao等人，2025）。没有这种整合，就难以从机制上解释为什么浮尘、吹尘和沙尘暴在新疆南部对大气动力学和地表演变表现出不同的敏感性。

为了解决这一空白，本研究聚焦于天山山脉南部的沙源-绿洲过渡区，并开发了一个集成的CatBoost–SHAP–DirectLiNGAM框架。结合2000年至2023年的长期地面气象观测和再分析数据，分析了沙尘天气日的时空演变以及年际、季节和月度尺度上的DAOD变化。CatBoost在复杂的多因素相互作用下提高了非线性分类性能，SHAP定量评估了气象和地表变量的边际贡献和方向效应，DirectLiNGAM重建了定向无环因果网络，明确区分了主要驱动因素和次要响应路径。与之前在塔里木盆地应用的单方法相比（Jiang等人，2026；Xi等人，2026），我们的集成框架通过结合预测准确性和因果可解释性，提供了对沙尘类型差异的更明确的机制理解。它系统地区分了耦合的山-沙漠-绿洲系统中的直接和间接驱动机制，并能够比较评估浮尘、吹尘和沙尘暴之间的控制结构。通过结合与绿洲扩张相关的地表演变，该框架提供了特定区域的见解，增强了封闭干旱盆地沙尘预防和预警的科学支持。

研究区域

研究区域位于中国新疆南部，大致包括塔里木盆地及其周边地区，涵盖喀什、和田、阿克苏、巴音戈林蒙古自治州、吐鲁番和哈密的部分地区。该地区位于欧亚大陆的内陆，具有典型的温带干旱气候，降水量极低，蒸发量强。年降水量通常低于100毫米，而潜在蒸发量超过...

沙尘天气日的年际、季节和月度变化

图3a显示，2000年至2023年间，新疆南部50个站点的沙尘天气日总数总体呈上升趋势。在这三种类型中，浮尘所占比例最大且增长最快，其次是吹尘和沙尘暴，表明该地区的沙尘活动主要以浮尘为主。月度变化（图3b）表明，沙尘日从2月开始增加，在4月达到峰值...

沙尘天气的时空变化特征和趋势

尽管近年来中国北部某些地区的沙尘天气有所减少，但我们的研究发现，2000年至2023年间天山山脉南部地区呈现出“早期波动后期加剧”的模式，2012年后多个站点的沙尘频率显著增加。这与1991年至2021年间内蒙古报告的沙尘日减少情况形成对比（Dong等人，2023），在那里植被增加被认为抑制了沙尘活动...

结论

基于站点观测和遥感/再分析数据，本研究应用时空分析和机器学习方法，研究了2000年至2023年间中国新疆天山山脉南部地区的沙尘天气的时空变化和驱动因素。主要结论如下：

• (1)
  2000年至2023年间，天山山脉南部沙尘天气事件的总体频率...

CRediT作者贡献声明

李浩娟：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，软件，方法论，概念化。刘永强：撰写——审稿与编辑，研究，资金获取，概念化。秦燕：正式分析，概念化。

资助

本研究由科技部基础资源研究项目资助：新疆首批国内机场运营的沙尘天气监测、预报和预警模型及其应用研究，以及吐鲁番机场智能感知式结冰预警方法研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢编辑和审稿人的宝贵意见。