沙塵暴是我國(guó)主要的自然災(zāi)害之一，對(duì)國(guó)民生產(chǎn)生活和身體健康都有重要影響。近幾十年來(lái)，我國(guó)北方沙塵暴活動(dòng)整體上呈減弱的趨勢(shì)，特別是經(jīng)歷了本世紀(jì)初沙塵暴活動(dòng)較為活躍的時(shí)期后，近20年來(lái)沙塵暴活動(dòng)持續(xù)減弱。那么，這背后的原因究竟是什么？

日前，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所吳成來(lái)副研究員聯(lián)合國(guó)內(nèi)外研究人員，通過(guò)詳細(xì)的資料分析和準(zhǔn)確的模型計(jì)算，發(fā)現(xiàn)地表風(fēng)速減弱、植被增加、土壤變濕是造成我國(guó)北方近20年沙塵暴活動(dòng)減弱的原因，總體上看，氣象要素變化是主要驅(qū)動(dòng)因子。本報(bào)約請(qǐng)吳成來(lái)副研究員對(duì)此做詳細(xì)介紹。

(相關(guān)資料圖)

1.近二十年沙塵暴活動(dòng)持續(xù)減弱

根據(jù)中國(guó)氣象局的定義，沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)將地面塵沙吹起使空氣很混濁，水平能見(jiàn)度小于1公里的天氣現(xiàn)象。我國(guó)北方是沙塵暴多發(fā)的地區(qū)之一，沙塵暴的發(fā)生與我國(guó)所處的特殊地理氣候環(huán)境密切相關(guān)。我國(guó)北方和上游的蒙古國(guó)地區(qū)分布著廣袤的沙漠和沙地，氣候干旱少雨，植被稀少，每逢強(qiáng)風(fēng)天氣易發(fā)生沙塵暴。特別是每年的春季，西伯利亞強(qiáng)冷空氣入侵我國(guó)北方時(shí)，在冷空氣前端的冷暖氣流交匯處，風(fēng)速極大，塵土被卷入空氣中，進(jìn)而隨氣流輸送到下游，造成我國(guó)上空大范圍區(qū)域受到沙塵的覆蓋。

本世紀(jì)初，幾場(chǎng)不期而至的沙塵暴給人們敲響了警鐘。2000年4月18日至21日，內(nèi)蒙古中西部、甘肅河西發(fā)生沙塵暴，部分地區(qū)發(fā)生強(qiáng)沙塵暴（能見(jiàn)度小于500米）。2001年4月初的連續(xù)兩次強(qiáng)沙塵暴給我國(guó)北方帶來(lái)了巨大影響。2001年全年共有22次沙塵天氣過(guò)程，是新世紀(jì)以來(lái)我國(guó)沙塵天氣頻次最高的一年。2002年3月18日至22日的強(qiáng)沙塵暴天氣過(guò)程影響了我國(guó)長(zhǎng)江以北的大部分地區(qū)，北京城區(qū)的最低能見(jiàn)度只有200米左右。

經(jīng)歷了本世紀(jì)初的幾場(chǎng)強(qiáng)沙塵暴，此后沙塵暴活動(dòng)慢慢減弱。雖然2006年、2010年均有強(qiáng)沙塵暴，一度引起公眾的極大關(guān)注，但在2010年以后，強(qiáng)沙塵暴天氣已經(jīng)明顯減少，以人為污染物影響為主的霧霾天氣逐漸占據(jù)了人們的視野，成為大氣污染的首要問(wèn)題。本世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)北方氣象站點(diǎn)平均的沙塵暴天數(shù)從2001年的3.5天減少到了2017年的0.2天左右，減弱明顯。雖然近幾年沙塵暴又有所增強(qiáng)，如2021年我國(guó)北方發(fā)生了2次強(qiáng)沙塵暴，但全年的沙塵暴天數(shù)仍明顯少于2000年至2002年的水平，近二十年來(lái)沙塵暴活動(dòng)仍為明顯的減弱趨勢(shì)。

由于沙塵暴的發(fā)生受到風(fēng)速、降水、植被覆蓋、土壤干濕狀況等多要素的綜合影響，接下來(lái)我們將從這些要素出發(fā)，揭示沙塵暴活動(dòng)減弱這一現(xiàn)象背后的原因。

2.地表風(fēng)速普遍減弱

沙塵暴過(guò)程中風(fēng)速很強(qiáng)，往往伴隨著“塵土飛揚(yáng)”，甚至“飛沙走石”。從物理上來(lái)看，風(fēng)速對(duì)沙塵暴的影響主要體現(xiàn)在兩方面。一是強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致塵土卷起，風(fēng)力越強(qiáng)，卷起的塵土越多；二是強(qiáng)風(fēng)對(duì)沙塵的輸送作用顯著，風(fēng)力越強(qiáng)，輸送越強(qiáng)，對(duì)下游的影響越大。因此，風(fēng)力越強(qiáng)，則沙塵暴越強(qiáng)。由于空氣運(yùn)動(dòng)的能量正比于風(fēng)速的立方，風(fēng)速的增加會(huì)導(dǎo)致起沙量急劇增加。

近二十年來(lái)，我國(guó)北方和蒙古國(guó)南部的大部分地區(qū)風(fēng)速呈減弱的趨勢(shì)，特別是沙塵暴最強(qiáng)的春季，減弱最為明顯。東亞主要沙塵源區(qū)的春季平均風(fēng)速?gòu)?001年至2002年的5.1米/秒減弱到了2016年至2017年的4.8米/秒，平均減弱趨勢(shì)為每10年0.17米/秒，16年間減弱了5%。分析還發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速的減弱特征主要體現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)（大于10米/秒）的出現(xiàn)頻次有明顯的減弱。由于強(qiáng)風(fēng)對(duì)起沙量的貢獻(xiàn)最為顯著，強(qiáng)風(fēng)頻次的減少會(huì)導(dǎo)致起沙量明顯減小，很大程度上造成了沙塵暴強(qiáng)度的減弱。

3.中國(guó)地表“變綠”顯著

植被的存在能起到防風(fēng)固沙的作用。一方面，植被覆蓋直接減少裸露土壤的面積，從而減少能夠起沙的裸土范圍；另一方面，植被作為最主要的地表粗糙元，會(huì)吸收大氣下傳的能量，從而減少作用于地表的拖曳力，提高地表的抗風(fēng)蝕能力。

近年來(lái)，越來(lái)越多的觀測(cè)事實(shí)表明，中國(guó)植被覆蓋顯著增加，地表“變綠”顯著。根據(jù)美國(guó)宇航局衛(wèi)星觀測(cè)顯示，2000年至2017年間，全球綠化面積增加了4%，其中25%來(lái)自于中國(guó)。雖然中國(guó)的植被面積只占全球的6.6%，但中國(guó)的大部分地區(qū)植被都顯著增加，有效地降低了裸土的面積。

同樣利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，在東亞主要沙塵源區(qū)，年平均葉面積指數(shù)（指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù)）從2001年的0.38增加到了2017年的0.48，增加了26%，包括我國(guó)毛烏素、渾善達(dá)克、科爾沁和呼倫貝爾四大沙地上植被覆蓋均增加明顯。另外，在沙漠和沙地的下游地區(qū)，包括華北、華中及以南地區(qū)，植被覆蓋也有明顯的增加，極大地減少了沙塵暴移動(dòng)過(guò)程中沿途沙源和本地沙源的貢獻(xiàn)。

4.我國(guó)北方土壤總體變濕

土壤水分對(duì)沙塵暴最直接的影響是增加土壤粒子的黏合力，從而提高土壤的抗風(fēng)蝕能力，其間接效應(yīng)還通過(guò)促進(jìn)植被生長(zhǎng)對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)起到抑制作用?？坍嬐寥栏蓾癯潭鹊淖兞渴峭寥罎穸?。由于表層土壤濕度的變化易受近地面氣溫、濕度和地表降水的影響，因而表層土壤濕度對(duì)大氣狀況的變化是極為敏感的。

最近很多學(xué)者注意到了我國(guó)西北氣候存在暖濕化的趨勢(shì)。我們的分析也發(fā)現(xiàn)，近二十年，除了我國(guó)西北，我國(guó)內(nèi)蒙古、華北、東北以及蒙古國(guó)的大部分地區(qū)土壤濕度都有增加的趨勢(shì)。據(jù)估算，2001年至2017年，沙塵源區(qū)的土壤濕度在16年間普遍增加了5%至30%。總體上看，主要沙塵源區(qū)上的平均土壤濕度增加了近12%。

5.不同因子貢獻(xiàn)的定量估計(jì)

由于風(fēng)速、植被覆蓋、土壤濕度對(duì)沙塵暴影響的程度不同，要分析究竟哪個(gè)因子起主導(dǎo)作用，就需要定量估算各個(gè)因子的貢獻(xiàn)。為此，我們利用了團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的起沙模型。該模型基于經(jīng)典的風(fēng)蝕起沙物理學(xué)理論，根據(jù)地表上沙塵粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程推導(dǎo)得到。

上述起沙模型是國(guó)家“十二五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”的一個(gè)部分。在本研究中，通過(guò)輸入2001年至2017年歷史的逐小時(shí)風(fēng)力條件（即風(fēng)速）以及地表?xiàng)l件（植被覆蓋、土壤濕度），我們可以估算出2001年至2017年?yáng)|亞地表起沙通量（該試驗(yàn)稱為“基準(zhǔn)試驗(yàn)”）。為了分析某個(gè)特定要素的影響作用，如風(fēng)速的作用，我們?cè)O(shè)計(jì)了“敏感性試驗(yàn)”：假定其他要素都固定為2001年的水平，而只有該特定要素具有歷史變化特征，同樣對(duì)2001年至2017年進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)比敏感性試驗(yàn)和基準(zhǔn)試驗(yàn)的結(jié)果，可以區(qū)分出風(fēng)速、植被覆蓋、土壤濕度等不同要素對(duì)2001年至2017年?yáng)|亞起沙量的影響。

結(jié)果表明，我們開(kāi)發(fā)的起沙模型很好地模擬出了2001年至2017年?yáng)|亞沙塵暴頻次的年際變化和減弱趨勢(shì)，模擬的起沙通量與觀測(cè)的沙塵天數(shù)具有很好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.75。從變化的原因來(lái)看，沙塵源區(qū)上地表風(fēng)速減弱、植被覆蓋增加、土壤變濕均起到了重要作用，分別貢獻(xiàn)46%、30%、24%?？梢?jiàn)，風(fēng)速減弱起主導(dǎo)作用，而植被覆蓋增加和土壤變濕也有關(guān)鍵作用。

6.氣象要素變化是導(dǎo)致沙塵活動(dòng)減弱的主要原因

風(fēng)速、植被覆蓋、土壤濕度作為地球氣候環(huán)境的重要組成，受到整個(gè)氣候系統(tǒng)演變的影響。總體上看，氣象要素變化是近二十年來(lái)沙塵活動(dòng)減弱的主要原因。

研究表明，全球氣溫升高使得高-低緯度間的溫度梯度減弱，從而導(dǎo)致風(fēng)速減弱。同時(shí)，已有研究表明，全球溫度升高有利于植被成長(zhǎng)，特別是在土壤濕度也增加的情況下，可能是造成植被增加的重要原因。另外，全球變暖可能使得東亞雨帶北移，從而導(dǎo)致我國(guó)北方變濕。因此，全球變暖可能是造成近二十年來(lái)東亞沙塵活動(dòng)減弱的主要“幕后推手”。

需要注意的是，由于氣候系統(tǒng)年代際變化的周期性，將來(lái)也可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)速、土壤濕度等因素的變化趨勢(shì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而使得沙塵暴活動(dòng)增強(qiáng)。特別是最近幾年我國(guó)北方沙塵暴有所增強(qiáng)，如2021年我國(guó)北方就受到2次強(qiáng)沙塵暴過(guò)程的侵襲，影響極大。因此，綜合來(lái)看，盡管未來(lái)全球變暖可能會(huì)導(dǎo)致沙塵暴活動(dòng)繼續(xù)減弱，但考慮氣候系統(tǒng)的年代際周期變化特征，未來(lái)沙塵暴減弱趨勢(shì)也有可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)。這種扭轉(zhuǎn)是否會(huì)發(fā)生，什么時(shí)候發(fā)生，目前并沒(méi)有研究結(jié)論，還需要我們持續(xù)關(guān)注和深入分析。未來(lái)我們將利用地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置對(duì)沙塵暴變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。(吳成來(lái))

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