世界報道:這么多沙塵暴，到底從哪來的？| 地球知識局

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NO.2445-沙塵暴的地理原理

【資料圖】

作者：風云夢遠

校稿：辜漢膺 / 編輯：果栗乘

今年以來，我國共出現(xiàn)了9次沙塵天氣過程，較常年同期（6次）偏多3次的同時，也是近10年中最多的，在本世紀以來僅少于2001年同期（12次）、2002年同期（10次）和2004年同期（10次）。

今年目前的沙塵天氣次數(shù)

已經(jīng)比有些年份全年都多了▼

其中，今年首次沙塵天氣過程出現(xiàn)在1月12日，較常年首次過程發(fā)生時間偏早32天；3月以來我國集中出現(xiàn)了6次沙塵天氣過程，較常年同期（5次）偏多1次。

今年沙塵天氣為什么如此活躍？

沙塵暴是一種強沙塵天氣，即強烈大風將地面沙粒、塵土席卷入空中，導致空氣混濁與能見度顯著下降的天氣現(xiàn)象。

通常而言，當大量沙塵導致的水平能見度低于1千米，且風速達到6級或以上時，即可稱為沙塵暴；而水平能見度仍有1千米以上、相對較弱的大風沙塵天氣，則稱為揚沙；風速較弱（低于3米/秒）、沙塵懸浮的沙塵天氣，則稱為浮塵。這三類天氣現(xiàn)象可以統(tǒng)稱為沙塵天氣。

沙塵暴等級▼

要形成沙塵暴需要滿足三個條件：干燥松散的沙狀物質(zhì)作為沙源，將沙塵從大地帶離的起沙條件，以及能讓沙塵扶搖直上的不穩(wěn)定大氣層結構（或上升條件）。

干燥松散的沙狀物質(zhì)，是沙塵暴的物質(zhì)基礎。影響我國沙塵天氣的沙源，來自我國和周邊國家地區(qū)的大片沙漠——包括我國境內(nèi)的塔克拉瑪干沙漠、巴丹吉林沙漠等一眾沙漠，以及蒙古的戈壁沙漠與中亞的大片荒原。

沙塵暴的“彈藥”可以說十分充足了▼

這些龐大的荒漠區(qū)有大量干燥沙塵，只待后續(xù)的動力條件，扶搖直上。

起沙條件是需要足夠強的大風。而影響我國沙塵天氣的沙源，地處亞洲中緯度內(nèi)陸地區(qū)，鄰近西伯利亞冷空氣源地（與相應的西伯利亞高壓）。在秋冬春三季，常出現(xiàn)強烈的冷高壓攜帶冷空氣南下的天氣過程；此時，冷高壓外圍的強風區(qū)就成為了黃沙飛揚的關鍵。

大風席卷著黃沙呼嘯而來

（4月19日 地面氣壓 圖：中央氣象臺）▼

（圖：中央氣象臺）▼

當然，如果遇到一個高空槽東移，槽前區(qū)域誘發(fā)的氣旋發(fā)展到一定程度也會激起強風，如果氣旋和冷高壓相配合，其間更大的氣壓梯度會造成更狂暴的風（出現(xiàn)在氣旋西側(cè)），這種情形往往容易造成更猛烈的起沙。

如果只有這兩步，我們只能得到風和沙交織的“混合體”，根本無法“纏纏綿綿繞天涯”，一旦地面風稍微減小，很快就會因為貼近地表的摩擦而墜地沉降。要造成蔽日千里的強沙塵天氣，還需要第三個條件：不穩(wěn)定的大氣層結構（或上升運動條件）。

簡單來說，它需要大氣層在垂直方向是上部冷下部暖，這樣下方的空氣較輕，容易扶搖而上；高空風速更大且受地面摩擦影響較小，所以進入高空的沙塵足夠飛揚千萬里。

當然，除了這種熱力條件，也可以直接由天氣系統(tǒng)提供強烈動力條件——比如上一段提到的氣旋，本身就能帶起大范圍的向氣旋中心的輻合與上升運動，能造成類似效果。

所以，根據(jù)上述條件分析，春季是沙塵天氣最為頻發(fā)的時段——當大漠冬季的薄雪消釋，沙土的固定能力最弱，也最容易起沙；春季沙漠地表很快升溫并加熱近地面大氣，容易引發(fā)上冷下暖的不穩(wěn)定的層結，容易讓大量沙塵上升。

沙塵暴的發(fā)生，有著多重的原因▼

到了夏季，隨著冷空氣撤退，缺少大風條件；而秋季雖然是冷暖空氣激烈交鋒期，但地面迅速冷卻，無法形成上冷下暖的不穩(wěn)定層結與上升運動；冬季雖然常有冷空氣活躍，但地表凍結不容易起沙。

因此，夏秋冬三季沙塵天氣都較為稀少，在歷年觀測里也體現(xiàn)了這一點。

沙塵暴已經(jīng)成為北方春季的標配了▼

我們可以將上述要點，實際運用在今年4月9日到14日的強沙塵天氣分析中。

4月9日到14日的沙塵天氣示意▼

其中，最直接的起沙動力來源，是一個顯著發(fā)展的蒙古氣旋——它由高空西風帶內(nèi)的一個短波槽在低空誘發(fā)形成。

（4月9日 地面氣壓 圖：中央氣象臺）▼

當時的氣象條件，很適合這個蒙古氣旋的發(fā)展：首先是前期蒙古高原當?shù)睾透呖諝鉁仄?，而北?cè)西伯利亞氣溫又明顯偏低，極大的溫度梯度間蘊藏著促進氣旋發(fā)展的有效位能。

可以看到這個小氣旋在高低氣溫的交界處形成▼

而在地形上，氣旋在東移過程中總體處在下坡狀態(tài)，根據(jù)局地位渦守恒原理，這也會促進氣旋發(fā)展增強。

這個蒙古氣旋在發(fā)展過程中環(huán)流不斷擴大。由于路徑偏北，其最初攜帶的沙墻路徑也較為偏北，在4月10日主要影響東北地區(qū)。

僅過一天，就吹到了東北地區(qū)▼

蒙古氣旋不斷加強

順帶把沙塵裹挾到了東北地區(qū)▼

但隨后，該蒙古氣旋移動速度顯著放緩，直至4月11日清晨仍然在其大規(guī)模抬升運動與西側(cè)強烈偏北風得以長期維持，從4月10日夜間起將沙塵傾瀉向南側(cè)的華北平原，以至于掠過中原，并最終漂泊渡江。

奔波一日后休整一日

一有機會馬上過中原下江南▼

從氣象衛(wèi)星在4月8日夜間和10日深夜的反演圖也可以看到，4月8日夜間沙塵主要在蒙古西南部起源并橫掃中蒙交界的戈壁沙漠，得到大量沙源物質(zhì)后，進一步增強。

圖中飛揚的氣旋與白色螺旋云系

正是造成強沙塵天氣的蒙古氣旋

氣旋中心南側(cè)的亮黃色即沙塵

（圖：CIRA）▼

沙塵隨著風進入我國內(nèi)蒙古高原以至華北平原區(qū)，并最終由強烈發(fā)展的蒙古氣旋提供了關鍵的不穩(wěn)定層結與上升運動條件（并導致了中低空顯著的鋒區(qū)和大風區(qū)），讓沙塵飛越河山萬里。

總體來看，蒙古國是本次大部分沙塵的源地，小部分可能來自我國內(nèi)蒙古西部巴丹吉林沙漠，這次沙塵暴也給蒙古國造成了明顯影響。這樣的極端天氣從來沒有國界，我們需要共同應對。

同一個地球同一個家園

面對極端天氣變化沒有你我之分

（圖：NASA）▼

今春沙塵暴為何如此頻繁？

上述分析是對于單次事件的短期天氣過程條件分析。而如果要分析今年春季沙塵總體偏多的成因，則需要分析更長期的氣候因子和造成的環(huán)流響應。

北京三月以來已發(fā)生3次強沙塵天氣過程

這沙塵到底能吹完嗎？

（同一地點拍攝對比）▼

我們?nèi)?月16日-4月15日這個沙塵集中的時段進行分析。

首先以下圖填色所代表的對流層中層（500hPa等壓面）的位勢高度偏離常年同期均值的距平看，亞歐大陸高緯度地區(qū)高度場異常出現(xiàn)了較明顯的“+-+”結構，即在東歐平原到烏拉爾山，和北太平洋地區(qū)都出現(xiàn)了顯著異常的高壓，而中間的西伯利亞北冰洋沿岸和貝加爾湖西南側(cè)的蒙古高原則是異常低壓。

由對流層中層與地面間環(huán)流系統(tǒng)的對應關系可知，在蒙古高原的高空異常低渦的正下方和東側(cè)，地面就會有異常低壓發(fā)展（圖中等值線為海平面氣壓距平）。

這一長期的低壓如同背景板一般，會促進同為低壓系統(tǒng)的蒙古氣旋偏強，有利于起沙偏強。

同時，它也會促進其東南側(cè)的西南風增強，將更低緯度的暖空氣輸送向蒙古高原等地，導致當?shù)仫@著偏暖——今年早春，蒙古國大部與我國內(nèi)蒙古西部都出現(xiàn)了異常的氣溫偏高，這導致大漠里本就輕薄的積雪與季節(jié)性凍土層更早地融化。

冷空氣比往年更早向北退去

大漠里的沙塵也更早地從土地中“蘇醒”了

（圖：國家氣候中心）▼

在3月18日積雪監(jiān)測圖上，可以看到蒙古高原南部戈壁已無積雪覆蓋，相較近年提早融化。在稀疏的植被還沒生長的季節(jié)，裸露且異常干燥的沙土很容易成為起沙的沙源。

今年2月15日-3月16日全球平均氣溫距平圖

為積雪和季節(jié)凍土快速消融和起沙奠定基礎

（圖：國家氣候中心）▼

2023年3月18日的積雪衛(wèi)星監(jiān)測圖

白色區(qū)域代表積雪

可以看到蒙古南部戈壁沙漠已無積雪覆蓋

（圖：美國冰雪中心衛(wèi)星反演）▼

這樣的環(huán)流異常形勢，又有怎樣的起源呢？

通常而言，北半球中高緯度大氣在冬春季總體有北太平洋、北大西洋兩個活動中心，不僅有持續(xù)數(shù)日的天氣尺度過程，也影響著持續(xù)更久（達數(shù)月）、波長更長（數(shù)千千米）、變化緩慢的低頻過程，并通過激發(fā)的大氣長波，從而影響到天際線外的遠方。這種現(xiàn)象通常稱作“遙相關”。

最具代表性的遙相關是南方濤動

大氣中的南方濤動現(xiàn)象體現(xiàn)在海洋中

就是我們熟悉的厄爾尼諾現(xiàn)象

（圖：NOAA Climate.gov）▼

由高空西風帶基本風向可知，更多的低頻過程擾動源，是從北大西洋一帶啟程，并沿著歐亞大陸的急流傳播影響到亞洲東部的。

為了尋找最直接的長波擾動的傳播和西風帶內(nèi)上下游地區(qū)的關聯(lián)，我們制作了對流層高層（300hPa等壓面，約9000米高空）的流函數(shù)異常與箭頭代表的波作用通量傳播。

可以看到，北大西洋地區(qū)出現(xiàn)了南北方向的三個異常中心，包括高緯度格陵蘭-挪威海的高壓、格陵蘭與冰島南側(cè)的低壓與直布羅陀海峽西側(cè)的高壓。

而箭頭的波作用通量傳播表明，北大西洋這些長期異常系統(tǒng)是影響源地，雖然主流是繼續(xù)向南傳播進入非洲，但有少部分波作用通量在地中海向東北指向東歐-烏拉爾山的異常高壓，并進一步向東南方向傳播，最終導致了蒙古高原的異常低壓中心形成。

這就意味著，北大西洋區(qū)域的較長期環(huán)流異常，是今年沙塵頻發(fā)的最重要原因之一。而這樣的環(huán)流異常也正對應著北大西洋濤動（NAO）的負位相狀態(tài)——實際上從3月以來，NAO就長期以負位相狀態(tài)為主。

北大西洋濤動也是一種遙相關

是北大西洋地區(qū)大氣最顯著的模態(tài)

（圖：NOAA）▼

進一步造成NAO偏向負位相的原因很多，但今年北大西洋高緯度海域海溫與鄰近大西洋區(qū)域（如挪威海、巴倫支海等）的北極海冰持續(xù)偏少，是兩個重要的氣候影響因子。

它們都促進了北大西洋高緯度地區(qū)海表與大氣的熱量交換，并讓當?shù)卮髿猥@得更多熱量并抬升形成異常高壓，最終通過影響北大西洋的長期大氣環(huán)流異常，影響到蒙古高原和我國北方。而這是造成今年春季沙塵頻發(fā)的重要直接原因。

北極海冰的減少

最終直接導致了蒙古的沙塵頻發(fā)

全球氣候變化整體性的威力不容小覷

（圖：National Snow and Ice Data Center）▼

最后，防護林（草）在防范沙塵方面真的作用甚微嗎？答案顯然是否定的。

首先，防護林（草）種植的地區(qū)正是沙漠周邊的干旱半干旱區(qū)域。雖然這里不是核心的起沙區(qū)域，但逐年間的氣候差異較大、變化無常，在氣候變化下的當今更是有顯著干暖趨勢，生態(tài)脆弱的地區(qū)很容易發(fā)生荒漠化與表土沙化等過程。

三北防護林工程范圍與中國風沙帶區(qū)域大致對應

（三北防護林工程大致范圍）▼

在種植防護林（草）后，植被根系有效地固定了這一帶的土壤，讓起沙過程被大幅削弱，有效抑制了起沙區(qū)域的進一步擴張。

此外，防護林（草）雖然對于高達上千米的強沙塵暴作用很小，但面對沒有不穩(wěn)定層結支持，沙塵厚度較薄、風速較弱普通起沙，完全可以大展身手——其實這類普通過程才是占起沙中的多數(shù)，幾乎在秋冬春三季的每次冷空氣侵襲時都能見到。

防不了高的咱防矮的

而且四十多年以來的歷史證明

三北防護林抵御沙塵暴的效果顯著

（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

根據(jù)國家氣候中心的數(shù)據(jù)，自1961年以來，我國的沙塵日數(shù)明顯下降，這里面一部分和自然氣候變化造成的冷空氣源減弱有關，另一部分也驗證了防護林草和其它生態(tài)保護、治理工程的巨大貢獻。

*本文內(nèi)容為作者提供，不代表地球知識局立場

封面：shutterstock

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