行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

總計畫暨子計畫一：大陸沙塵暴之氣候變遷因素探討與對台

灣之空氣品質影響分析(II)

計畫類別：整合型計畫

計畫編號：NSC92-2621-Z-002-026-

執行期間：92年08月01日至93年08月31日

執行單位：國立臺灣大學大氣科學系暨研究所

計畫主持人：柳中明

報告類型：完整報告

處理方式：本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93年11月4日

1

異常自然現象之解析及其環境衝擊評估與因應策略研究─ 總計畫暨子計畫一：大陸沙塵暴之氣候變遷因素

探討與對台灣之空氣品質影響分析(II) 執行單位：國立台灣大學大氣科學系 計畫編號：NSC 92-2621-Z-002-026- 計畫主持人：柳中明 協同主持人：錢正安 連絡方式：台北市羅斯福路四段一號國立台灣大學大氣科學系

E-mail: liucm@ncu.edu.tw

摘 要

本研究乃沿續前一年研究計畫的工作，主要利用空氣胞倒退路徑追蹤，探討影

響亞洲沙塵暴的大氣運動與機制。同時，藉由1976年前後沙塵暴發生頻次的明顯差

異，來探討大尺度氣象場的變化趨勢。所得結論為蒙古氣旋的長期變化，乃受西伯

利亞氣團暖化影響，而趨向不利於中蒙沙塵暴頻繁發生的態勢。全球暖化應有利於

抑制蒙古氣旋的減弱，但不利於亞洲沙塵暴發生頻次的增加。至於南北向與東西向

氣溫梯度的改變，似並非造成1976年前後大尺度氣象場變化的主因。猜測或許可與

北半球低頻擾動間找到關聯。 關鍵詞：沙塵暴、趨勢、動力因素。 一、引言

錢等(2002a)分析 1952-2001 年間共

292 例中國北方強和特強沙塵暴的頻數

分佈，結果顯示頻數在 20 次以上的中心

僅有 5 大片：即以民勤為中心的河西走

廊區；以和田為中心的南疆盆地南緣

區；以拐子湖為中心的內蒙古阿拉善高

原區；以內蒙古杭錦旗伊克烏素鎮為中

心的鄂爾多斯高原區；以及以朱日和為

中心的渾善達克沙地區。它們就是中國

北方最主要的沙塵暴多發區。若把弱沙

塵暴也統計在內，李等（2002）指出：

1964-1998 年間中國北方 185 站多年平

均的年沙塵暴日數分佈圖中，主要頻數

中心及高頻數軸線帶的分佈，與錢等

(2002a) 分析 1952-2001 年間強和特強

沙塵暴的特徵結果相一致。所以，錢等

(2002a、b)強調分析強和特強沙塵暴的特

徵就能代表包括弱沙塵暴的整體氣候分

佈特徵，且更簡潔。 Liu et al. (2004) 延續上述想法，選

擇春季強與特強沙塵暴個案，其中，1976與 1979 年各發生 10 次，1959、1969、1983 年各發生 8 次，均為多發年；此外，

1997 年無案例，1962、1967、1970、1989、1994、1996 年各僅發生 1 次，均

為少發年。再使用 NCEP 再分析資料，

比較分析強與特強沙塵暴多發年與少發

年春季時之綜觀氣象環流特徵差異。結

果發現：多發年時，冷心槽易於西伯利

2

亞上空出現與停滯，850hPa 則伴隨北方

氣旋生成與大範圍的上升氣流，其中以

蒙古氣旋的強盛最為重要。冷乾極地氣

團主要經蒙古西側進入中國大陸，分別

取新疆南疆的西陸或新疆、蒙古交界的

西北路，最大東向風速距平就出現在前

述五大沙源區。強盛上升氣流與水平風

速為沙源區頻繁出現沙塵暴的重要因

子。反之，少發年春季綜觀氣象環流特

徵完全相反，由低層到高層，有利於下

沉氣流與脊線出現的重力高度場，使得

西伯利亞大陸氣團暖化，同時有效地抑

制蒙古氣旋與北方氣旋的出現；配合反

氣旋特徵的氣流距平場，在沙源區如新

疆南疆、北疆、甘肅、內蒙西側等地出

現西向正距平風；這些不僅抑制住北方

極地氣團由大陸西路或西北路進入大陸

西北沙漠，更抑制住沙塵暴多發區的沙

塵啟動。不過，蒙古東側呈現南向的正

距平風速區，顯示沙塵暴仍可能在蒙古

東側到內蒙東側沙地啟動。

本研究持續上年度的工作，但重點

放在長期變動趨勢探討，以期了解氣候

變遷影響大陸沙塵暴發生頻次的情形。 二、沙源區空氣胞倒退路徑研究

圖1顯示大陸強沙塵暴主要發生的

五個中心：和田（Hetian）、拐子湖

（Quaizihu）、民勤（Minquin）、伊克烏

素(Yikwusu)、朱日和（Zhurihe）。本節

主要選擇1952~2003年春季期間，在此五

大源區發生特強與強沙塵暴的個案日的

午時，進行連續三日的空氣胞倒退路徑

分 析 。 所 使 用 的 氣 象 資 料 為 ：

NCEP-NCAR 再分析資料，所使用的空

氣 胞 路 徑 倒 推 模 式 為

NOAA-ARL-HYSPLIT。此外，尚增加

內 蒙 古 東 側 的 東 烏 珠 穆 沁 旗

（Dongwuzhumuqinqi）的空氣胞倒推追

蹤，該地雖非沙塵暴的主要中心，但依

Liu et al. (2004)研究，中蒙東區的沙塵暴

發生狀況實不容忽視，所以本報告選其

為中蒙東側的代表點。

圖 2 說明自和田（Hetian）、拐子湖

（Quaizihu）、民勤（Minquin）、伊克烏

素(Yikwusu)、朱日和（Zhurihe）與東烏

珠穆沁旗（Dongwuzhumuqinqi）倒退三

日的空氣胞路徑圖（緯度－經度圖）。圖

3 則為高度－經度圖。大致上均呈現相

似特徵：就是空氣胞源自西側與西北

側，且是快速地自離地三公里以上高度

下降。這些特徵基本上乃符合綜觀尺度

西伯利亞冷氣團迅速進入大陸北方沙源

區，而使得沙塵在短時間內快速揚起，

導致沙塵暴的出現。 本研究再將這些沙源區區分為三

塊，分別為西側、中央區與東側。在 281個春季特強與強沙塵暴個案日中，該三

區各分別出現 73 日、215 日、93 日，顯

然中央區出現約 76.5%的個案日，佔最

重要的份量。而若分析逐年變化趨勢，

則三區個案與總個案間的相關係數，分

別為：0.17、0.89 與 0.69。顯然，亞洲

沙塵暴出現頻次的長期趨勢變化，主要

以中央區的變動影響最大，東側次之，

而西側的氣象影響因子應是大不相同，

所以相關性低。所以，本文以下有關沙

塵暴趨勢探討，就是以中央區（或稱之

為靠近民勤（near Minquin））作為代表。

由於沙塵暴發生時，空氣胞主要源

自沙源區西側，所以本文取民勤附近

2.5o x 2.5o 的垂直空氣柱為中心氣柱

（central column），同時比較空氣胞在數

日前源自中心氣柱與西側氣柱（western column）的情形。主要是於每年春季的

每一日午時均進行空氣胞倒退。圖 4 顯

示在 1952~2002 年春季發生之特強與

3

強沙塵暴日，進行空氣胞倒退路徑推

估，空氣胞於倒退半日（-0.5d ay）、一

日（-1 day）、一日半（-1.5day）與二日

（-2days）後，停留在民勤中心氣柱與

西側氣柱（western column）內個案，佔

該年春季每日均倒推的個案數的比例

（％）的逐年變化圖。各圖的上方，同

時繪出以民勤為中心的中蒙中部逐年春

季特強與強沙塵暴日數變化圖。此外，

c.c 為各圖中特強與強沙塵暴日與各比

例值間之相關係數。大致上，源自中心

氣柱的個案比例會隨倒退日數增加而減

少，反之則西側氣柱中個案比例會隨倒

退日數增加而增加。同時，這些個案比

例值逐年的變化，與中央區的逐年春季

特強與強沙塵暴日數變化間呈現相當強

的關聯度。顯示：西伯利亞冷氣團南侵

入中國北方沙源區的逐年變動情形，直

接影響到逐年的亞洲沙塵暴發生頻次。

圖 5 進一步探討以民勤為中心的中

蒙中部逐年春季特強與強沙塵暴日數之

變化趨勢，與在特強與強沙塵暴日進行

空氣胞倒退二日（-2days）後，停留在

民勤西側氣柱（western column）內個

案，佔該年春季每日均倒推的個案日的

比例（％）之逐年變化趨勢。顯然，可

以區分出 1976 年以前為沙塵日數增加

趨勢，1976 年以後為沙塵日數減少趨

勢。同時，1976~1977 年間的個案日巨

幅減少，也與來自西側的空氣胞比例快

速減少有關。 在 Liu et al. (2004)的研究中，強調

了內蒙古氣旋的重要性。簡言之，氣旋

強時冷氣團頻繁南下，沙塵暴日數也上

升。圖 5 中乃同時分析在（46.5oN, 105oE）上方之 850hPa 重力高度距平（GPH deviation），及在（40oN, 100oE）上方之

850hPa 緯 向 風 距 平 （ zonal wind deviation）等之逐年變化趨勢。顯然地，

雖然氣象因子的年際變動大，但是 1976年前內蒙氣旋強所以重力高度距平持續

下降，而於民勤附近的緯向風風速持續

上升；同時，1976 年後內蒙氣旋弱所以

重力高度距平持續上升，而於民勤附近

的緯向風風速則持續下降。基本上，各

變數間的相關度均相當好，同時

1976~1977 年的快速變動也均同步發

生。這些均支持：中蒙中央區沙塵暴日

數的長期變動趨勢，是受綜觀尺度氣象

場的長期變動所影響。 三、大範圍氣象場變動趨勢

本研究採用氣象場與中蒙中央區特

強與強沙塵日數的長期變化相關，來探

討大範圍氣象場的變動趨勢。如圖 6 繪

出民勤附近逐年春季發生特強與強沙塵

暴 的 個 案 數 與 1950~1976 年 及

1976~2003 年間春季 500hPa 氣溫場之相

關係數圖。此外，尚有與春季 850hPa氣溫場之相關係數圖，以及與重力高度

（Z）場間之相關係數圖。同時，圖 7繪出民勤附近逐年春季發生特強與強沙

塵暴的個案數，與 1950~1976 年及）

1976~2003 年間春季 850hPa 經向風（U）

場之相關係數圖。此外，尚有與春季

850hPa 緯向風（V）場之相關係數圖，

以及與春季可降水量（PW）場、春季

1000hPa 位溫（θ）場等之相關係數圖。 原則上，1976 年之前為亞洲沙塵暴

日數逐年增加，1976 年之後為逐年減

少。所以，若氣象參數的變動與沙塵日

的變動同步，則相關係數為正，反之為

負。譬如氣溫場在 1976 年之前呈現與沙

塵暴日同步的變化，則相關係數為正，

也就是表示當時氣溫持續上升；而若是

在 1976 年以後呈現與沙塵暴日相反的

變化，則雖然相關係數為負，卻仍然表

4

示氣溫持續上升。當然，若氣象參數與

沙塵日間相關度低，則相關係數約介於

±0.2 間，屬於不具明確上升或下降變動

的狀況。如此來觀察相關係數圖，主要

是要了解較大範圍地區的氣象參數變動

狀況。 大致上，分析圖 6 與圖 7 可發現：

1976 年之前西伯利亞冷氣團為持續冷

卻，爾後則呈現較緩和的暖化。冷卻與

暖化的中心區域不同，但卻是由低層往

高層同步發展。如此則前期呈現氣旋加

強趨勢，後期則為氣旋減弱，且不僅是

蒙古氣旋，尚包括黃河氣旋、淮北氣旋

等。此外，中蒙中央沙源區上空的緯向

風，其變動趨勢則呈現 1976 年前為增

加、後為減少的特徵，大致與沙塵暴的

發生機率同步。值得注意的是：沿 45oN的南北經向風的變動，在 1976 年之前呈

現蒙古西側冷氣團南向的風速逐年上

升，蒙古東側的變性空氣北向的風速亦

為逐年上升，1976 年之後則相反，而且

由中蒙向東到日本均呈現南下風速增加

的情形。再者，北方基本上屬於乾旱氣

候，但在 1976 年之前為空氣柱中的可降

水量普遍減少，但在 1976 年之後則呈現

增加趨勢。進一步觀察能保守住氣團特

性的 1000hPa 位溫場，在 1976 年前，位

溫在中國國境外的西側與西北側呈現下

降趨勢，顯示大範圍西伯利亞氣團冷

卻、乾燥與南進的態勢。在 1976 年之

後，該態勢僅在中國西側持續，但是包

括蒙古與其北方，多呈現位溫增加趨

勢，顯示北方西伯利亞冷氣團在增暖、

潮濕與緩進的態勢。原則上，若果全球

暖化趨勢持續，則蒙古北方空氣之位溫

持續增加的趨勢，會因增溫最強在高緯

度地區而持續之，當然這就不利於亞洲

沙塵暴發生頻次的增加。 四、結論

本研究與 Liu et al. (2004)的差別

是：後者探討影響沙塵暴發生頻次的季

節性氣象環境差異，前者則探討亞洲沙

塵暴長期變動的趨勢與氣象場的同步變

化情形。所得結論為蒙古氣旋的長期變

化，乃受西伯利亞氣團暖化影響，而趨

向不利於中蒙沙塵暴頻繁發生的態勢。

但是，為何會如此呢？Qial et al. (2002)提出中國東西側氣溫增溫速率不同的因

素。圖 8 特別繪出沿 60oN 與沿 40oN 之

春季 850hPa 氣溫距平場（∆T）的年-經度圖，以及 60oN 與 40oN 間之氣溫梯度

場的年-經度圖。同時繪出沿 90oE 與

120oE 之 850hPa 氣溫距平場及二者間之

氣溫梯度場的緯度-年圖。主要期望觀察

南北向與東西向氣溫梯度，是否出現

1976 年前後明顯差異的狀況。結果可觀

察到：溫度場在 1976 年前後，於

70~110oE 間，呈現先冷卻後暖化的情

形。所以，南北向的氣溫梯度，在 1976年前屬於梯度向南（低溫指向高溫），

1976 年之後呈現梯度向北。但在東西向

方面，則年際變動太大，氣壓梯度並無

明確變化趨勢。 本研究另探討北半球高緯度低頻振

盪（low-frequency oscillation）與沙塵暴

發生趨勢的相關，目前仍在進行中，原

則上相信大尺度環流運動的長期變動是

影響東亞大氣場變化的主因，也因此間

接影響亞洲沙塵暴發生的趨勢。

致謝

本研究是在國科會研究計畫NSC 92-2621-Z-002-026- 支持下完成，研究

過程中，要特別感謝中國科學院寒區與

旱區環境工程研究所的協助。

參考文獻

5

錢正安、宋敏紅、李萬元，2002a：近50

年來中國北方沙塵暴的分佈和變

化趨勢分析。中國沙漠，21 卷2 期，106-111。

錢正安、蔡英、柳中明、劉景濤、李棟

樑、宋敏紅，2002b：中國北方沙

塵暴研究若干問題的進展。地球物

理學報，中國。（印刷中） C. M. Liu, Z.-A. Qian, M.-J. Wu, M.-H.

Sung and J.-T. Liu: Composite circulation features and differences between more and less MDS Springs in China-Mongolia area. (Submitted to TAO)

Qian, W., L. Quan and S. Shi, 2002:Variations of the dust storm in China and its climatic control. J. Climate, 15, 1216-1229.

A study of climate change factors associated with mainland dust storm

and its effect on local air quality（II）

Chung-Ming Liu1, Zheng-An Qian2

1Global Change Research Center, National Taiwan University, Taipei 2Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese

Academy of Science, Lanzhou

Abstract

Asian dust storms occur mainly in China and Mongolia and are centered near Minquin, in the Gansu Corridor; Hetian, at the southern edge of South Xingjiang Basin; Guaizihu, at the west Inner Mongolia; Yikwusu and Zhurihe, in the middle Inner Mongolia. In this paper, we have performed backward air parcel tracing from these five centers on each major dust-storm (MDS) occurring days, and found that in most events air parcels are coming from the western side of each center while descending rapidly from upper troposphere, which is typically associated with a southeastward advancing of an intensified Siberia cold air mass. Furthermore, we have traced air parcels for each spring during 1950 ~ 2003 from these centers and noted that in springs of more MDS more than 90% of air parcels are from the western side of Minquin two days earlier, while in springs of less MDS the probability is down to 50%. The fact is more than 30% of air parcels stayed in the vertical column over Minquin in springs of less MDS for two days, while it is less than 10% in springs of more MDS. By checking carefully the trend variation, we found that before 1976, increasing trends of both the MDS days and the probability of air parcels coming from the western side of Minquin two days earlier exist, while it is reversed after 1976. Even though the fluctuation is getting larger after 1995, but so far the decreasing trend continues. The dynamic factors that can possibly cause this evolution have been analyzed and found that the geopotential height over Mongolia also have a dramatic change around 1976 and is in general negatively correlated with the change of MDS days. Key words: Dust storm, trend, dynamic factor.

圖 1：大陸強沙塵暴主要發生的五個中心：和田（Hetian）、拐子湖

（Quaizihu）、民勤（Minquin）、伊克烏素(Yikwusu)、朱日和

（Zhurihe）。內蒙古東側的東烏珠穆沁旗（Dongwuzhumuqinqi）雖非沙塵暴的主要中心，但本文選其為中蒙東側的代表點。

圖中各點以其英文地名之第一個字母註明之。

HQ

MY

Z

D

圖 2：自和田（Hetian）、拐子湖（Quaizihu）、民勤（Minquin）、伊克烏素(Yikwusu)、朱日和（Zhurihe）與東烏珠穆

沁旗（Dongwuzhumuqinqi）倒退三日的空氣胞路徑圖（緯度－經度圖）。所選擇的個案日為 1952~2002 年春

季發生之特強與強沙塵暴日。

圖 3：自和田（Hetian）、拐子湖（Quaizihu）、民勤（Minquin）、伊克烏素(Yikwusu)、

朱日和（Zhurihe）與東烏珠穆沁旗（Dongwuzhumuqinqi）倒退三日的空氣

胞路徑圖（高度－經度圖）。所選擇的個案日為 1952~2002 年春季發生之特

強與強沙塵暴日。

圖 4：在 1952~2002 年春季發生之特強與強沙塵暴日，進行空氣胞倒退路徑推估。

空氣胞於倒退半日（-0.5d ay）、一日（-1 day）、一日半（-1.5day）與二日

（-2days）後，停留在民勤（a）中心氣柱（central column）與(b) 西側氣柱

（western column）內個案，佔該年春季每日均倒推的個案日的比例（％）

的逐年變化圖。各圖的上方，同時繪出以民勤為中心的中蒙中央區逐年春

季特強與強沙塵暴日數變化圖。此外，c.c 為各圖中特強與強沙塵暴日與各

比例值間之相關係數。

0

20

40

60

80

100

120

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5051015

-0.5day -1day -1.5day -2day # of MDS 數列6

Minquin

%

#

western area 0.61 0.60 0.56 0.57 C.C.

0

20

40

60

80

100

120

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5051015

-0.5day -1day -1.5day -2day # of MDS 數列6

Minquin

%

#

central column -0.61 -0.60 -0.56 -0.57 C.C.

(a)

(b)

圖 5：以民勤為中心的中蒙中部逐年春季特強與強沙塵暴日，與（a）在特強與強沙塵暴

日進行空氣胞倒退二日（-2days）後，停留在民勤西側氣柱（western column）內

個案，佔該年春季每日均倒推的個案日的比例（％），（b）在（46.5oN, 105oE）上

方之 850hPa 重力高度距平（GPH deviation），及（c）在（40oN, 100oE）上方之 850hPa緯向風距平（zonal wind deviation）等之逐年變化圖。在圖中同時繪出各變數（y）於 1950~1976 年與 1976~2003 年間之線性迴歸線及其迴歸係數，x 為距 1952 年之

年數。此外，c.c 為各圖中二變數間之相關係數。

-4

-2

0

2

4

6

8

10

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

zona

l win

d de

viat

ion

(m/s

)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

# of

MD

S da

ys .

at (40oN, 100oE) near Minquin

y = 0.30 x + 1.24 y = -0.14 x + 5.7

y = 0.14 x - 0.96

y = -0.03 x - 0.53

c.c.: 0.61c.c.: 0.64

-80

-40

0

40

80

120

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

GPH

dev

iatio

n (m

)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

# of

MD

S da

ys .

at (46.5oN, 105oE) near Minquin

y = 0.30 x + 1.24 y = -0.14 x + 5.7

y = -0.84 x - 6.1

y = 0.43 x + 12.7

c.c.: -0.54c.c.: -0.63

60

70

80

90

100

110

120

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010-30-25-20-15-10-5051015

-2day # of MDSMinquin backward

western area

%

#y = 0.30 x + 1.24

y = 0.25 x + 82 (%)

y = -0.14 x + 5.7

y = -0.22 x + 82 (%)

(a)

(b)

(c)

(a) T, 500hPa, spring, 1950-1976 (b) T, 500hPa, spring, 1976-2003

(c) T, 850hPa, spring, 1950-1976 (d) T, 850hPa, spring, 1976-2003

(e) Z, 500hPa, spring, 1950-1976 (f) Z, 500hPa, spring, 1976-2003

(g) Z, 850hPa, spring, 1950-1976 (h) Z, 850hPa, spring, 1976-2003

圖 6：民勤附近逐年春季發生特強與強沙塵暴的個案數，與（a）1950~1976 年及

（b）1976~2003 年間春季 500hPa 氣溫場之相關係數圖。（c）與（d）類似

（a）與（b），但為與春季 850hPa 氣溫場之相關係數圖。（e）~（h）則類

似（a）~（d），但為與重力高度（Z）場間之相關。

(a) U, 850hPa, spring, 1950-1976 (b) U, 850hPa, spring, 1976-2003

(c) V, 850hPa, spring, 1950-1976 (d) V, 850hPa, spring, 1976-2003

(e) PW, 850hPa, spring, 1950-1976 (f) PW, 850hPa, spring, 1976-2003

(g) θ at 1000hPa, spring, 1950-1976 (h) θ at 1000hPa,, spring, 1976-2003

圖 7：民勤附近逐年春季發生特強與強沙塵暴的個案數，與（a）1950~1976 年及（b）1976~2003 年間春季 850hPa 經向風（U）場之相關係數圖。（c）與（d）類似（a）與（b），但為與春季 850hPa 緯向風（V）場之相關係數圖。（e）與（f）類似（a）與（b），但為與春季可降水量（PW）場之相關係數圖。（g）與（h）類似（a）與

（b），但為與春季 1000hPa 位溫（θ）場之相關係數圖。

(a) ∆T, spring, along 60oN (b) ∆T, spring, along 40oN (c) gradient T, spring, between 60oN and 40oN

(d) ∆T, spring, along 90oE (e) ∆T, spring, along 120oE (f) gradient T, spring, between 90oE and 120oE

圖 8：（a）沿 60oN 與（b）沿 40oN 之春季 850hPa 氣溫距平場（∆T）的年-經度圖。(c) 圖為（a）圖減去（b）圖的結果，即

是 60oN 與 40oN 間之氣溫梯度場的年-經度圖。（d）~（f）類似（a）~（c），但分別是沿 90oE 與 120oE 之 850hPa 氣溫距平

場及二者間之氣溫梯度場的緯度-年圖。圖中所標示的 m 與 l，分別代表沙塵暴多發與少發年。