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

日前，中國科學(xué)院大氣物理研究所吳成來副研究員聯(lián)合國內(nèi)外研究人員，通過詳細的資料分析和準(zhǔn)確的模型計算，發(fā)現(xiàn)地表風(fēng)速減弱、植被增加、土壤變濕是造成我國北方近20年沙塵暴活動減弱的原因，總體上看，氣象要素變化是主要驅(qū)動因子。本報約請吳成來副研究員對此做詳細介紹。

(相關(guān)資料圖)

1.近二十年沙塵暴活動持續(xù)減弱

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

本世紀(jì)初，幾場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)生強沙塵暴（能見度小于500米）。2001年4月初的連續(xù)兩次強沙塵暴給我國北方帶來了巨大影響。2001年全年共有22次沙塵天氣過程，是新世紀(jì)以來我國沙塵天氣頻次最高的一年。2002年3月18日至22日的強沙塵暴天氣過程影響了我國長江以北的大部分地區(qū)，北京城區(qū)的最低能見度只有200米左右。

經(jīng)歷了本世紀(jì)初的幾場強沙塵暴，此后沙塵暴活動慢慢減弱。雖然2006年、2010年均有強沙塵暴，一度引起公眾的極大關(guān)注，但在2010年以后，強沙塵暴天氣已經(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題。本世紀(jì)以來，我國北方氣象站點平均的沙塵暴天數(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，如2021年我國北方發(fā)生了2次強沙塵暴，但全年的沙塵暴天數(shù)仍明顯少于2000年至2002年的水平，近二十年來沙塵暴活動仍為明顯的減弱趨勢。

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，接下來我們將從這些要素出發(fā)，揭示沙塵暴活動減弱這一現(xiàn)象背后的原因。

2.地表風(fēng)速普遍減弱

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

近二十年來，我國北方和蒙古國南部的大部分地區(qū)風(fēng)速呈減弱的趨勢，特別是沙塵暴最強的春季，減弱最為明顯。東亞主要沙塵源區(qū)的春季平均風(fēng)速從2001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)在強風(fēng)（大于10米/秒）的出現(xiàn)頻次有明顯的減弱。由于強風(fēng)對起沙量的貢獻最為顯著，強風(fēng)頻次的減少會導(dǎo)致起沙量明顯減小，很大程度上造成了沙塵暴強度的減弱。

3.中國地表“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，越來越多的觀測事實表明，中國植被覆蓋顯著增加，地表“變綠”顯著。根據(jù)美國宇航局衛(wèi)星觀測顯示，2000年至2017年間，全球綠化面積增加了4%，其中25%來自于中國。雖然中國的植被面積只占全球的6.6%，但中國的大部分地區(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%，包括我國毛烏素、渾善達克、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過程中沿途沙源和本地沙源的貢獻。

4.我國北方土壤總體變濕

土壤水分對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)還通過促進植被生長對風(fēng)沙活動起到抑制作用?？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)者注意到了我國西北氣候存在暖濕化的趨勢。我們的分析也發(fā)現(xiàn)，近二十年，除了我國西北，我國內(nèi)蒙古、華北、東北以及蒙古國的大部分地區(qū)土壤濕度都有增加的趨勢。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.不同因子貢獻的定量估計

由于風(fēng)速、植被覆蓋、土壤濕度對沙塵暴影響的程度不同，要分析究竟哪個因子起主導(dǎo)作用，就需要定量估算各個因子的貢獻。為此，我們利用了團隊自主開發(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動過程推導(dǎo)得到。

上述起沙模型是國家“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”的一個部分。在本研究中，通過輸入2001年至2017年歷史的逐小時風(fēng)力條件（即風(fēng)速）以及地表條件（植被覆蓋、土壤濕度），我們可以估算出2001年至2017年東亞地表起沙通量（該試驗稱為“基準(zhǔn)試驗”）。為了分析某個特定要素的影響作用，如風(fēng)速的作用，我們設(shè)計了“敏感性試驗”：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2001年至2017年進行模擬。通過對比敏感性試驗和基準(zhǔn)試驗的結(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2001年至2017年東亞起沙量的影響。

結(jié)果表明，我們開發(fā)的起沙模型很好地模擬出了2001年至2017年東亞沙塵暴頻次的年際變化和減弱趨勢，模擬的起沙通量與觀測的沙塵天數(shù)具有很好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達0.75。從變化的原因來看，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46%、30%、24%?？梢?，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，受到整個氣候系統(tǒng)演變的影響?？傮w上看，氣象要素變化是近二十年來沙塵活動減弱的主要原因。

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，已有研究表明，全球溫度升高有利于植被成長，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)致我國北方變濕。因此，全球變暖可能是造成近二十年來東亞沙塵活動減弱的主要“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，將來也可能會導(dǎo)致風(fēng)速、土壤濕度等因素的變化趨勢發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而使得沙塵暴活動增強。特別是最近幾年我國北方沙塵暴有所增強，如2021年我國北方就受到2次強沙塵暴過程的侵襲，影響極大。因此，綜合來看，盡管未來全球變暖可能會導(dǎo)致沙塵暴活動繼續(xù)減弱，但考慮氣候系統(tǒng)的年代際周期變化特征，未來沙塵暴減弱趨勢也有可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)。這種扭轉(zhuǎn)是否會發(fā)生，什么時候發(fā)生，目前并沒有研究結(jié)論，還需要我們持續(xù)關(guān)注和深入分析。未來我們將利用地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置對沙塵暴變化趨勢進行預(yù)測。(吳成來)

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