天天實(shí)時(shí)：中國(guó)頻繁沙塵暴的地理原理，比你想的更深刻

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NO.2445- 沙塵暴的地理原理

作者：風(fēng)云夢(mèng)遠(yuǎn)

校稿：辜漢膺 / 編輯：果栗乘

今年以來，我國(guó)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(shí)，也是近 10 年中最多的，在本世紀(jì)以來僅少于 2001 年（12 次）、2002 年（10 次）和 2004 年（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(shí)間偏早32 天；3 月以來我國(guó)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。

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今年沙塵天氣為什么如此活躍？

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沙塵天氣的形成條件

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

通常而言，當(dāng)大量沙塵導(dǎo)致的水平能見度低于 1 千米，且風(fēng)速達(dá)到6 級(jí)或以上時(shí)，即可稱為沙塵暴；而水平能見度仍有1 千米以上、相對(duì)較弱的大風(fēng)沙塵天氣，則稱為揚(yáng)沙；風(fēng)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(jí)▼

要形成沙塵暴需要滿足三個(gè)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(jié)構(gòu)（或上升條件）。

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干燥松散的沙狀物質(zhì)，是沙塵暴的物質(zhì)基礎(chǔ)。影響我國(guó)沙塵天氣的沙源，來自我國(guó)和周邊國(guó)家地區(qū)的大片沙漠——包括我國(guó)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(dòng)力條件，扶搖直上。

起沙條件是需要足夠強(qiáng)的大風(fēng)。而影響我國(guó)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(yīng)的西伯利亞高壓）。在秋冬春三季，常出現(xiàn)強(qiáng)烈的冷高壓攜帶冷空氣南下的天氣過程；此時(shí)，冷高壓外圍的強(qiáng)風(fēng)區(qū)就成為了黃沙飛揚(yáng)的關(guān)鍵。

大風(fēng)席卷著黃沙呼嘯而來

（4 月 19 日 地面氣壓 圖：中央氣象臺(tái)）▼

（圖：中央氣象臺(tái)）▼

當(dāng)然，如果遇到一個(gè)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(huì)激起強(qiáng)風(fēng)，如果氣旋和冷高壓相配合，其間更大的氣壓梯度會(huì)造成更狂暴的風(fēng)（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(fēng)和沙交織的 " 混合體 "，根本無(wú)法 " 纏纏綿綿繞天涯 "，一旦地面風(fēng)稍微減小，很快就會(huì)因?yàn)橘N近地表的摩擦而墜地沉降。要造成蔽日千里的強(qiáng)沙塵天氣，還需要第三個(gè)條件：不穩(wěn)定的大氣層結(jié)構(gòu)（或上升運(yùn)動(dòng)條件）。

簡(jiǎn)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(fēng)速更大且受地面摩擦影響較小，所以進(jìn)入高空的沙塵足夠飛揚(yáng)千萬(wàn)里。

當(dāng)然，除了這種熱力條件，也可以直接由天氣系統(tǒng)提供強(qiáng)烈動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(shí)段——當(dāng)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(jié)，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(fēng)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(wú)法形成上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)與上升運(yùn)動(dòng)；冬季雖然常有冷空氣活躍，但地表凍結(jié)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(cè)里也體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

沙塵暴已經(jīng)成為北方春季的標(biāo)配了▼

沙塵暴不需要簽證

我們可以將上述要點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)用在今年 4 月 9 日到 14 日的強(qiáng)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(dòng)力來源，是一個(gè)顯著發(fā)展的蒙古氣旋——它由高空西風(fēng)帶內(nèi)的一個(gè)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(tái)）▼

當(dāng)時(shí)的氣象條件，很適合這個(gè)蒙古氣旋的發(fā)展：首先是前期蒙古高原當(dāng)?shù)睾透呖諝鉁仄撸眰?cè)西伯利亞氣溫又明顯偏低，極大的溫度梯度間蘊(yùn)藏著促進(jìn)氣旋發(fā)展的有效位能。

可以看到這個(gè)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(huì)促進(jìn)氣旋發(fā)展增強(qiáng)。

這個(gè)蒙古氣旋在發(fā)展過程中環(huán)流不斷擴(kuò)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(qiáng)

順帶把沙塵裹挾到了東北地區(qū)▼

但隨后，該蒙古氣旋移動(dòng)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(yùn)動(dòng)與西側(cè)強(qiáng)烈偏北風(fēng)得以長(zhǎng)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(jī)會(huì)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(jìn)一步增強(qiáng)。

圖中飛揚(yáng)的氣旋與白色螺旋云系

正是造成強(qiáng)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(fēng)進(jìn)入我國(guó)內(nèi)蒙古高原以至華北平原區(qū)，并最終由強(qiáng)烈發(fā)展的蒙古氣旋提供了關(guān)鍵的不穩(wěn)定層結(jié)與上升運(yùn)動(dòng)條件（并導(dǎo)致了中低空顯著的鋒區(qū)和大風(fēng)區(qū)），讓沙塵飛越河山萬(wàn)里。

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

同一個(gè)地球同一個(gè)家園

面對(duì)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(duì)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(zhǎng)期的氣候因子和造成的環(huán)流響應(yīng)。

北京三月以來已發(fā)生 3 次強(qiáng)沙塵天氣過程

這沙塵到底能吹完嗎？

（同一地點(diǎn)拍攝對(duì)比）▼

我們?nèi)?3 月 16 日 -4 月 15 日這個(gè)沙塵集中的時(shí)段進(jìn)行分析。

首先以下圖填色所代表的對(duì)流層中層（500hPa 等壓面）的位勢(shì)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(chǎng)異常出現(xiàn)了較明顯的 "+-+" 結(jié)構(gòu)，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(duì)流層中層與地面間環(huán)流系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)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(huì)有異常低壓發(fā)展（圖中等值線為海平面氣壓距平）。

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

同時(shí)，它也會(huì)促進(jìn)其東南側(cè)的西南風(fēng)增強(qiáng)，將更低緯度的暖空氣輸送向蒙古高原等地，導(dǎo)致當(dāng)?shù)仫@著偏暖——今年早春，蒙古國(guó)大部與我國(guó)內(nèi)蒙古西部都出現(xiàn)了異常的氣溫偏高，這導(dǎo)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(guó)家氣候中心）▼

在 3 月 18 日積雪監(jiān)測(cè)圖上，可以看到蒙古高原南部戈壁已無(wú)積雪覆蓋，相較近年提早融化。在稀疏的植被還沒生長(zhǎng)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(chǔ)

（圖：國(guó)家氣候中心）▼

2023 年 3 月 18 日的積雪衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖

白色區(qū)域代表積雪

可以看到蒙古南部戈壁沙漠已無(wú)積雪覆蓋

（圖：美國(guó)冰雪中心衛(wèi)星反演）▼

這樣的環(huán)流異常形勢(shì)，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(gè)活動(dòng)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(dá)數(shù)月）、波長(zhǎng)更長(zhǎng)（數(shù)千千米）、變化緩慢的低頻過程，并通過激發(fā)的大氣長(zhǎng)波，從而影響到天際線外的遠(yuǎn)方。這種現(xiàn)象通常稱作 " 遙相關(guān) "。

最具代表性的遙相關(guān)是南方濤動(dòng)

大氣中的南方濤動(dòng)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(fēng)帶基本風(fēng)向可知，更多的低頻過程擾動(dòng)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(zhǎng)波擾動(dòng)的傳播和西風(fēng)帶內(nèi)上下游地區(qū)的關(guān)聯(lián)，我們制作了對(duì)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(gè)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(zhǎng)期異常系統(tǒng)是影響源地，雖然主流是繼續(xù)向南傳播進(jìn)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(jìn)一步向東南方向傳播，最終導(dǎo)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)著北大西洋濤動(dòng)（NAO）的負(fù)位相狀態(tài)——實(shí)際上從 3 月以來，NAO 就長(zhǎng)期以負(fù)位相狀態(tài)為主。

北大西洋濤動(dòng)也是一種遙相關(guān)

是北大西洋地區(qū)大氣最顯著的模態(tài)

（圖：NOAA）▼

進(jìn)一步造成 NAO 偏向負(fù)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(gè)重要的氣候影響因子。

它們都促進(jìn)了北大西洋高緯度地區(qū)海表與大氣的熱量交換，并讓當(dāng)?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(zhǎng)期大氣環(huán)流異常，影響到蒙古高原和我國(guó)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(dǎo)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(hù)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(hù)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(wú)常，在氣候變化下的當(dāng)今更是有顯著干暖趨勢(shì)，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(hù)林工程范圍與中國(guó)風(fēng)沙帶區(qū)域大致對(duì)應(yīng)

（左右滑動(dòng)- 三北防護(hù)林工程大致范圍）▼

在種植防護(hù)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(jìn)一步擴(kuò)張。

此外，防護(hù)林（草）雖然對(duì)于高達(dá)上千米的強(qiáng)沙塵暴作用很小，但面對(duì)沒有不穩(wěn)定層結(jié)支持，沙塵厚度較薄、風(fēng)速較弱普通起沙，完全可以大展身手——其實(shí)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(shí)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(hù)林抵御沙塵暴的效果顯著

（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

根據(jù)國(guó)家氣候中心的數(shù)據(jù)，自 1961 年以來，我國(guó)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(guān)，另一部分也驗(yàn)證了防護(hù)林草和其它生態(tài)保護(hù)、治理工程的巨大貢獻(xiàn)。

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