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【深度科普】漫天黄沙究竟是个啥?关于沙尘暴,这些知识一定要知道!

来源:中国数字科技馆
  2021年3月15日,中央气象台发布沙尘暴黄色预警,这次沙尘天气过程影响到了我国的西北及华北地区等地。据中国气象局国家卫星气象中心最新卫星监测显示,受锋面气旋云系后部大风影响,甘肃中西部、内蒙古、宁夏北部、陕西北部、山西北部、河北北部、北京、天津、黑龙江西部、吉林西部、辽宁西部等地先后出现大范围沙尘暴、扬沙和浮尘天气,其中内蒙古部分地区出现特强沙尘暴。上述地区的空气质量和能见度下降,并对交通造成一定的不利影响。根据北京市生态环境监测中心监测数据,15日9时,北京城六区PM10浓度超过8000微克/立方米,大部分地区能见度300至800米。
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
  这次强沙尘暴是近十年来最强的一次沙尘暴天气过程,强度之强、污染之严重顿时引发了社会的轰动,它对交通、环境、社会经济,尤其是人体健康造成了极其不利的影响,一夜之间,沙尘暴的照片席卷媒体和朋友圈,受到了公众们的广泛关注。
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
  漫天黄沙中,我们不禁在思考,这沙尘暴是怎么回事?我国的沙尘暴有什么特点?时隔多年,为什么沙尘暴卷土重来?针对这些问题,我们特地邀请了中国气象局国家气候中心副研究员杨明珠老师,为我们进行了相关科普。
  一、我国沙尘暴现状和特点
  沙尘天气是风将地面尘土、沙粒卷入空中,使空气浑浊的一种天气现象。根据中华人民共和国国家标准《沙尘暴天气等级》(GB/T 20480-2017),沙尘天气包括浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴天气5个强度等级,沙尘暴是指风将地面沙粒和尘土吹起使空气很浑浊,水平能见度小于1公里的沙尘天气。而强沙尘暴和特强沙尘暴天气,水平能见度分别小于500米和50米。沙尘暴天气是影响中国北方地区的主要灾害性天气之一,特别是强沙尘暴能破坏人类的生存环境,危害人们的健康。
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
  世界上有四大沙尘暴多发区,分别是中亚、北美、中非和澳大利亚。我国沙尘暴主要发生在北方区域,属于中亚沙尘暴区。
  从2000年以来的我国沙尘天气统计数据看,春季的沙尘过程数占了全年沙尘天气的79.8%。因此我国的沙尘暴天气气候灾害主要发生在春季。
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
2000年以来我国北方沙尘天气过程次数序列
  根据我国北方荒漠化土地的分布特点,沙尘暴最为频繁的区域是塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠及周边区域。此外,毛乌素沙地、巴丹吉林沙漠、库布齐沙漠、乌兰布和沙漠及周边区域也是我国沙尘暴频发的区域。一般来说,西北地区沙尘暴发生的频率高于东北地区。
  根据多年的观测数据,我国沙尘暴有如下特点:
  第一,区域性特征十分明显:我国春季沙尘天气日数分布显示出北多南少、西多东少的特点。沙尘暴主要发生在北方地区,长江以南地区极少发生沙尘暴。
  新疆南部地区、中部、内蒙古西部地区等地是我国沙尘日数最高的地区,大部分超过15天,部分地区甚至超过30天。而华北地区、东北地区的沙尘日数偏少,为5~10天。而长江以南地区,沙尘日数接近0天。
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
  第二,全国沙尘日数总体减少,发生范围有向北收缩趋势。
  图3显示了新疆地区、西北地区、华北地区了1961年到2016年区春季沙尘日数气候平均值。其中新疆区最多,平均为19.2天,其次是西北区,平均为11.2天,华北区为5.5天。并且三个地区的沙尘日数总体呈现下降趋势,但一些年份沙尘日数变化有起伏。
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
中国北方沙尘日数
  沙尘日数总体下降的原因可以从两方面分析:一方面,
  在全球气候变暖的背景,包括蒙古气旋在内的欧亚中高纬度环流系统明显减弱,发生频次变少;另一方面,我国多年的沙化治理取得明显效果,沙尘源区下垫面的生态环境有明显改善,有效减少了沙尘源地面积,对防风固沙有明显的效果。
  二、我国沙尘暴的产生原因
  沙尘暴的形成和发生需要两个要素:地表物理特征(下垫面状况)、大气动力条件的变化是影响沙尘天气发生的重要因素,即沙尘源、不稳定的大气环流和强风是造成沙尘天气的必要条件。
  第一,从下垫面条件来看,沙尘源是沙尘暴的物质基础,地表物理特征的变化对起沙量的大小具有重要影响。
  下垫面是大气与其下界的固态地面或液态水面的分界面,也可以说是地球表面的特征,如海陆分布、地形起伏、地表粗糙度等。下垫面条件对气候有十分显著的影响。
  一方面,下垫面本身的气候类型对沙尘暴有重要影响。根据降雨量,我国西部地区主要为干旱地区、半干旱地区。这些地区的地表覆盖类型以沙漠、半沙漠为主,生态环境比较脆弱,降水量的多少直接影响地表植被的覆盖密度,也会引起沙土润湿度、积雪覆盖面积。因此,我国的沙尘暴源地可分为境内源区和境外源区:境内源区包括内蒙古东部的浑善达克沙地,中西部阿拉善盟中蒙边境地区、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙地等,以及新疆南疆的塔克拉玛干沙漠和北疆的库尔班通古特沙漠。境外源区蒙古国东南部戈壁荒漠区、包括哈萨克斯坦东南部荒漠区。
  不同区域的沙尘天气,其主要沙源区是不同的。下垫面具备一定植被储量时,生长季的降水量会影响下垫面抑沙条件。对于华北区来说,内蒙古中东部到蒙古国南部为显著的负相关区,该区域正是华北沙尘天气的主要沙源地之一,也就是说,当前期夏季上述沙源区降水偏多/少时,来年春季下垫面植被抑制起沙的条件偏好/偏差,华北区沙尘倾向于偏少/多。而影响西北区沙尘天气多寡的负相关区位于内蒙古中西部和西北地区北部,新疆区则面积很小,主要位于北疆的库尔班通古特沙漠,塔克拉玛干沙漠区域的降水多寡没有明显的影响。
  第二,从大气动力条件来看,强风是沙尘暴产生的主要动力。
  强风的形成与大气环流有关。大气环流是指具有世界规模的、大范围的大气运行现象。大气环流活动是起沙和沙尘输送的重要动力条件。同时,不稳定的热力条件有利于风力加大、强对流发展,从而夹带更多的沙尘,并卷扬得更高。
  对我国来说,乌拉尔山高压脊、西伯利亚-蒙古气旋等环流系统活动造成的冷锋后大风是沙尘天气的发生主要原因。其中,西伯利亚-蒙古气旋,也称蒙古低压,是在蒙古境内发生或发展起来的气旋。它与今年卷土重来的沙尘暴发生有着密切的关系。
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
不同阶段华北区春季沙尘日数与风场的关系
  该图比较了1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年3个不同气候阶段沙尘日数与对流层低层高度场和风场的关系。从图中可以看出,在蒙古国上空有一个气旋式环流中心(黑色箭头代表风场矢量)。这表明大气环流与沙尘天气日数的关系在不同的气候阶段具有明显的差异。
  以华北地区为例,1961—1990年,在蒙古国上空存在一个范围较小的气旋式环流,表明蒙古气旋活动对于华北区沙尘天气的作用有重要影响;在1971—2000年这一阶段大气环流对华北沙尘日数的影响最为显著;1981—2010年,气旋式环流相关区较之前两个时期出现明显东移。这些数据表明这个阶段华北区沙尘天气的发生与蒙古气旋活动及其带来的冷锋后大风具有密切联系。
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
  三、时隔多年,沙尘暴为什么会卷土重来?
  今年的沙尘暴来自蒙古国,随着蒙古气旋的东移南下,我国中西部地区、华北地区和东北地区等地都会出现沙尘天气。
  沙尘主要位于蒙古国南部、我国内蒙古西部和中部偏北地区。此次沙尘区主要分布在蒙古国东部和南部、我国内蒙古西部和中部偏北地区等地,沙尘可视面积约为39.8万平方公里。
  那为什么这次的沙尘暴会这么严重呢?
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
(内蒙古阿拉善盟额济纳旗沙漠)
  首先,蒙古国和我国西北地区干燥、裸露的地表特征提供了有利的沙源条件。
  从气温上看,2021年春季以来蒙古国以及我国西北地区气温明显偏高,最近30天监测结果显示,气温普遍较常年偏高5℃~8℃。
  从降水上看,2020年入冬以来,蒙古国大部分地区和我国西北大部分地区降水量较常年同期偏少,尤其是近30天降水普遍偏少50%以上,多数地区累计降水量在10毫米以下甚至无降水,地表基本无积雪覆盖,地表条件非常有利于沙尘天气的发生。
  其次,蒙古气旋带来的大风为这次沙尘天气的发生提供了热力和动力条件。
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
  今年春季以来,受较强的蒙古气旋影响,从新疆北部到甘肃中西部、内蒙古大部、华北北部等地区先后出现6至8级大风。春季地表解冻,容易起沙。加上春季气旋天气的活跃,使得沙尘天气出现更加频繁。
  需要注意,这次沙尘暴威力巨大,主要是两种条件同时配合,并不是一种常态化的天气。
  四、现阶段沙尘暴研究的主要方向是什么?我们是如何预测未来沙尘暴的发生趋势的?
  由于沙尘暴是一种复杂的自然现象,能给生态环境和人类生产生活造成巨大的影响。所以科学家从天气学、气候学、地理学、景观生态学、统计学、遥感科学、数值模拟等不同领域方面出发,对沙尘天气的发生条件、沙尘源地、移动路径、传送机制、气候效应、发展趋势等等方面进行了大量的研究。
  但人类对沙尘暴的认知仍存在很大的局限性。这使得气候和短期天气预测的业务水平与服务需求仍有一定距离。因此,有几个方向的研究值得注意:
  首先,需要关注全球环境变化会对沙尘暴产生什么影响?会不会使得过去的研究不适用于现在和未来?
  近年来,全球变暖导致的气候变化,地球的大气环流系统发生了巨大的变化,人类活动影响也造成沙尘源区下垫面状况发生了改变。因此在未来,我们建立预测模型时,需要考虑气候背景和条件的变化,不断调整和完善模型。
  比如我国在生态文明方面有了重大成就,有效减少了我国境内的沙源区。但对于外来的、层次比较高的、强度很强的沙尘输送,三北防护林的作用是有限的。
  全球变暖和人类活动共同加剧了蒙古国荒漠化,会对我国的沙尘暴产生影响。这也提醒我们,人类是命运共同体,蒙古国环境恶化,对我国生态环境具有严重影响。
  其次,在未来的研究中,我们需要注意在沙尘暴总体偏少偏弱的背景下,局部地区在什么情况下会发生强沙尘?应如何做好预报、提前防范?
  虽然我国沙尘天气的发生呈明显的减少趋势,但在某些年份局地强沙尘暴和特强沙尘暴发生日数有增多的现象,并且仍有大范围强沙尘暴发生并造成严重影响及巨大损失,如2017年5月3-7日,新疆南疆盆地、甘肃中西部、宁夏、内蒙古、陕西北部、山西中北部、河北北部、北京、吉林西部、黑龙江西南部、山东、江苏、湖北、湖南北部等出现扬沙浮尘天气,14省、直辖市、自治区受沙尘天气影响,其中内蒙古部分地区有沙尘暴,局地出现强沙尘暴。今年3月中旬这次强沙尘暴,新疆东部和南疆、甘肃大部、青海东北部及柴达木盆地、内蒙古大部、宁夏、陕西、山西、北京、天津、河北、黑龙江中西部、吉林中西部、辽宁中部、山东、河南、江苏中北部、安徽中北部、湖北西部等地出现大范围扬沙浮尘天气,18省、直辖市、自治区受沙尘天气影响,其中,内蒙古中西部、甘肃西部、宁夏、陕西北部、山西北部、河北北部、北京、天津等地出现了沙尘暴,内蒙古中西部、宁夏、陕西北部、山西北部、河北北部、北京等地部分地区还出现了强沙尘暴。
  本次强沙尘暴的预报,对沙尘的发生时间把握得很好,但对于强度的估计明显有些不足。
  对于气候预测来说,春季沙尘天气发生的频次是气候预测工作的主要关注点。而如何将下垫面状况的变化和影响春季环流的前期因子有机地结合起来,是提高气候预测准确率的关键,多因子预测模型在业务中的应用,也的确大幅度提高了预测准确率。然而对于沙尘强度的估计,无论是天气预报还是气候预测,目前的研究水平和技术手段距离政府与公众的实际需求仍存在很大差距。这也是未来需要加强的研究方向。
  第三,还需要加强对混合型污染的研究。比如雾霾和沙尘暴同时或相继发生的混合型污染事件会对交通、环境、社会经济、人体健康造成什么影响呢?
  京津冀地区是我国重要的政治、经济和文化中心,近年来随着区域经济快速发展,城市化和工业化进程的加快等造成的区域空气污染问题日趋凸显,严重影响了当地居民生活质量。研究显示,京津冀大气污染季节上呈现出秋冬高、春夏低的特点(刘海猛,方创琳,黄解军,等,2018年,京津冀城市群大气污染的时空特征与影响因素解析,地理学报,73(1): 177-191. DOI: 10.11821/dlxb201801015)。然而这次沙尘发生之前,京津冀地区遭受了连续十多天的雾霾天气。人们也深切感受到,这种雾霾和沙尘暴同时或相继发生的混合型污染事件造成的空气污染,往往让人体更加感到不适。在什么情况下或气候背景下,更容易发生混合型污染事件?其对交通、环境、社会经济、人体健康造成多严重的不利影响?这也需要进一步分析和研究。
  五、全球变暖对沙尘暴有什么影响?
  首先,从气候角度看,在全球变暖背景下,欧亚中高纬度冷空气活动减弱,沙尘暴起沙的动力条件逐渐减弱。
  在过去20年来,受全球气候变暖影响,春季欧亚中高纬度地区的大气环流以纬向型为主,冷空气势力明显减弱,我国北方地区春季沙尘天气进入偏少阶段,沙尘天气日数和过程次数一般少于常年同期。在天气尺度来看,欧亚中高纬度环流阶段性的剧烈调整,也会出现有利于沙尘输送的动力条件。因此,出现极端沙尘暴的天气因素依然存在。
  但由于气候变暖,导致极端气候事件的发生频率提高。在蒙古国,由于气候变化发生的极端高温事件,使得土壤水分严重蒸发。2020年在《科学》(Science)杂志上发表的研究论文,通过对蒙古国近26年来的温度和土壤湿度记录的调查,发现这一区域在近20年来出现了前所未有的极端高温、干燥天气频发的倾向(Zhang et al. 2020, Science 370, 1095–1099)。气候变暖干化造成蒙古国地区干旱频发,导致下垫面植被的生长条件恶化,越来越多的草原变为戈壁沙漠,而戈壁地区越来越高的温差让荒漠化加剧。此外,另外过度放牧和过度采矿等人类活动,对于破坏蒙古国生态系统平衡起到重要的作用。未来气候进一步变暖的背景下,荒漠化很可能进一步加剧,将会导致沙尘暴增加。
  六、我国未来防沙治沙需要注意什么?
  我国和蒙古国都是荒漠化比较严重的国家。气候变化对荒漠化已产生了不同程度的影响。然而人类对于环境是治理还是破坏,所采取的不同方式,对于荒漠化程度的演变,起到了至关重要的作用。
  以往的研究证明,人类文明的兴衰,与气候密切相关。去年,Nature Communications的一项研究表示两千年前人类活动就已成为影响亚洲沙尘暴的主要因素。而人类活动对于气候变化具有重要的影响,比如玛雅文明的崩溃、印度河文明的衰退以及中国的王朝更替,都提醒我们关注气候变化。了解过去,能帮助我们更好的面对现状,展望未来。
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
  过去几年,我们环境治理取得了显著成效。第五次荒漠化普查工作也显示出,2014年与2009年相比,5年间荒漠化土地面积和沙化土地面积年均分别减少了24.24万公顷和19.80公顷,并且3、4、5连续三个监测期实现“双缩减”。党的十八大作出“大力推进生态文明建设”的战略决策以后,采取一系列更加有效的措施,“十三五”期间,全国累计完成防沙治沙任务1097.8万公顷,京津风沙源治理工程累计完成营造林任务109.7万公顷。我国荒漠化和沙化状况呈现整体遏制、持续缩减、功能增强、效果明显的良好态势。
  回顾我国沙化治理的历史,可分为四个阶段: 
  第一阶段(1961年—1980年),这一时期我国境内沙尘暴源地的地表基本为裸露地表,并且在1960年末至1970年沙尘暴最多;
  第二阶段(1981年—2000年),1978年我国开始启动三北防护林,之后进入持续投入建设的阶段。随着三北防护林的建立,1980年后沙尘天气开始减少,1990年后大幅度减少。
  第三阶段(2001年—2010年),这一时期国家投入沙化治理建设的力度很大。但需要注意,在2000年初,各区沙尘天气都出现多发的现象,尤其是华北区在2000年—2002年、2006年均异常增多,表明在偏少背景下,对于特定的年份,沙尘暴灾害性天气仍有突发的可能性。
  第四阶段(2011年至今),这段时间沙化治理卓见成效,十三五”期间,全国累计完成防沙治沙任务1097.8万公顷,京津风沙源治理工程累计完成营造林任务109.7万公顷。2011年以后沙尘天气明显减少。我国在沙化治理方面取得了卓越成效。
沙尘暴;沙尘暴现状;沙尘暴产生的原因
  我国植树造林、防沙治沙工作有效减少了沙尘源地面积,对防风固沙有积极、正面的作用和效果不容置疑。通过植树造林,植被根系的固沙、蓄水功能,可抑制、改善起沙条件,也可减小局地风场的扬沙。三北防护林建设工程,在抑制本地起沙和削弱低层外来送沙方面的显著效果,实际上已经在消减沙尘天气过程中发挥了十分重要作用。 
  但也需要注意,对于外来的、层次比较高的、强度很强的沙尘输送,三北防护林的作用是有限的。比如这次沙尘暴过程也提醒人们,沙尘暴天气是超越国界的重污染天气现象,蒙古国环境恶化,对我国生态环境具有严重影响。在未来的防沙治沙工作中,跨国合作十分重要。
  中国和蒙古国长久以来一直在防沙治沙方面有紧密合作:2002年,中国、日本、韩国、蒙古国四国一起对蒙古东南部荒漠-草原区展开调研,实现“中日韩+蒙”东北亚沙尘暴防联控合作模式;2011年、2013年,联合国亚太经社会组织举办“蒙古国防沙治沙技术研修班”和“蒙古国荒漠化防治培训班”;2016年,中国、俄罗斯、蒙古国签署了《建设中蒙俄经济走廊规划纲要》。
  中国和蒙古国的合作,就是未来跨国治沙的典范。为了更好地治沙防尘,我国需要与周边邻国建立信息共享平台,并协同开展生物多样性、自然保护区、湿地保护、森林防火及荒漠化领域的调查,共同建设绿色生态文明,保护地球生态系统。
  (作者:和卓琳)
  科学性把关:中国气象局国家气候中心副研究员杨明珠
本文来自:中国数字科技馆
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