为什么近二十年沙尘暴减弱了？

　　沙尘暴是我国主要的自然灾害之一，对国民生产生活和身体健康都有重要影响。近几十年来，我国北方沙尘暴活动整体上呈减弱的趋势。特别是经历了本世纪初沙尘暴活动较为活跃的时期后，近20年来沙尘暴活动持续减弱。那么，这背后的原因究竟是什么？
　　日前，中国科学院大气物理研究所吴成来副研究员联合国内外研究人员，通过详细的资料分析和准确的模型计算，发现地表风速减弱、植被增加、土壤变湿是造成我国北方近20年沙尘暴活动减弱的原因，总体上看，气象要素变化是近20年沙尘暴持续减弱的主要驱动因子。本报约请吴成来副研究员对此做详细介绍。
　　近二十年沙尘暴活动持续减弱
　　根据中国气象局的定义，沙尘暴是指强风将地面尘沙吹起使空气很混浊，水平能见度小于1公里的天气现象。我国北方是沙尘暴多发的地区之一，沙尘暴的发生与我国所处的特殊地理气候环境密切相关。我国北方和上游的蒙古国地区分布着广袤的沙漠和沙地，气候干旱少雨，植被稀少，每逢强风天气易发生沙尘暴。特别是每年的春季，西伯利亚强冷空气入侵我国北方时，在冷空气前端的冷暖气流交汇处，风速极大，尘土被卷入空气中，进而随气流输送到下游，造成我国上空大范围区域受到沙尘的覆盖。
　　本世纪初，几场不期而至的沙尘暴给人们敲响了警钟。2000年4月18日至21日，内蒙古中西部、甘肃河西发生沙尘暴，部分地区发生强沙尘暴（能见度小于500米）。2001年4月初的连续两次强沙尘暴给我国北方带来了巨大影响。2001年全年总共有22次沙尘天气过程，是新世纪以来我国沙尘天气频次最高的一年。2002年3月18日至22日的强沙尘暴天气过程影响了我国长江以北的大部分地区，北京城区的最低能见度只有200米左右。
　　经历了本世纪初的几场强沙尘暴，此后沙尘暴活动慢慢减弱。虽然2006年、2010年均有强沙尘暴，一度引起公众的极大关注，但在2010年以后，强的沙尘暴天气已经明显减少，以人为污染物影响为主的雾霾天气逐渐占据了人们的视野，成为大气污染的首要问题。本世纪以来，我国北方气象站点平均的沙尘暴天数从2001年的3。5天减少到了2017年的0。2天左右，减弱明显。虽然近几年沙尘暴有所增强，如2021年我国北方发生了2次强沙尘暴，但全年的沙尘暴天数仍明显小于2000年至2002年的水平，近二十年来沙尘暴活动仍为明显的减弱趋势。
　　由于沙尘暴的发生受到风速、降水、植被覆盖、土壤干湿状况等多要素的综合影响，接下来我们将从这些要素出发，揭示沙尘暴活动减弱这一现象背后的原因。
　　地表风速普遍减弱
　　沙尘暴过程中风速很强，往往伴随着尘土飞扬，甚至飞沙走石。从物理上来看，风速对沙尘暴的影响主要体现在两方面。一是，强风导致尘土卷起，风力越强，卷起的尘土越多。二是，强风对沙尘的输送作用显著，风力越强，输送越强，对下游的影响越大。因此，风力越强，则沙尘暴越强。由于空气运动的能量正比于风速的立方，风速的增加会导致起沙量急剧增加。
　　近二十年来，我国北方和蒙古国南部的大部分地区风速呈减弱的趋势，特别是沙尘暴最强的春季，减弱最为明显。东亚主要沙尘源区的春季平均风速从2001年至2002年的5。1米秒减弱到了2016年至2017年的4。8米秒，平均减弱趋势为每10年0。17米秒，16年间减弱了5。分析还发现，风速的减弱特征主要体现在强风（大于10米秒）的出现频次有明显的减弱。由于强风对起沙量的贡献最为显著，强风频次的减少会导致起沙量明显减小，很大程度上造成了沙尘暴强度的减弱。
　　中国地表变绿显著
　　植被的存在能起到防风固沙的作用。一方面，植被覆盖直接减少裸露土壤的面积，从而减少能够起沙的裸土范围。另一方面，植被作为最主要的地表粗糙元，会吸收大气下传的能量，从而减少作用于地表的拖曳力，从而提高地表的抗风蚀能力。
　　近年来，越来越多的观测事实表明，中国植被覆被显著增加，地表变绿显著。根据美国宇航局卫星观测显示出，2000年至2017年间，全球绿化面积增加了4，其中25来自于中国。虽然中国的植被面积只占全球的6。6，但中国的大部分地区植被都显著增加，有效地降低了裸土的面积。
　　同样利用卫星数据，我们发现，在东亚主要沙尘源区，年平均叶面积指数（指单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数）从2001年的0。38增加到了2017年的0。48，增加了26，包括我国毛乌素、浑善达克、科尔沁和呼伦贝尔四大沙地上植被覆盖均增加明显。另外，在沙漠和沙地的下游地区，包括华北、华中及以南地区，植被覆盖也有明显的增加，极大地减少了沙尘暴移动过程中沿途沙源和本地沙源的贡献。
　　我国北方土壤总体变湿
　　土壤水分对沙尘暴最直接的影响是增加土壤粒子的粘合力，从而提高土壤的抗风蚀能力，其间接效应还通过促进植被生长对风沙活动起到抑制作用。刻画土壤干湿程度的变量是土壤湿度。由于表层土壤湿度的变化易受近地面气温、湿度和地表降水的影响，因而表层土壤湿度对大气状况的变化是极为敏感的。
　　最近很多学者注意到了我国西北气候存在暖湿化的趋势。我们的分析也发现，近二十年，除了我国西北，我国内蒙古、华北、东北以及蒙古国的大部分地区土壤湿度都有增加的趋势。据估算，2001年至2017年间，沙尘源区的土壤湿度在16年间普遍增加了5至30。总体上看，主要沙尘源区上的平均土壤湿度增加了近12。
　　不同因子贡献的定量估计
　　由于风速、植被覆盖、土壤湿度对沙尘暴影响的程度不同，要分析究竟哪个因子起主导作用，就需要定量估算各个因子的贡献。为此，我们利用了团队自主开发的起沙模型。该模型基于经典的风蚀起沙物理学理论，根据地表上沙尘粒子的运动过程推导得到。
　　上述起沙模型是国家十二五重大科技基础设施地球系统数值模拟装置的一个部分。在本研究中，通过输入2001年至2017年历史的逐小时风力条件（即风速）以及地表条件（植被覆盖、土壤湿度），我们可以估算出2001年至2017年东亚地表起沙通量（该试验称为基准试验）。为了分析某个特定要素的影响作用，如风速的作用，我们设计了敏感性试验：假定其他要素都固定为2001年的水平，而只有该特定要素具有历史变化特征，同样对2001年至2017年进行模拟。通过对比敏感性试验和基准试验的结果，可以区分出风速、植被覆盖、土壤湿度等不同要素对2001年至2017年东亚起沙量的影响。
　　结果表明，我们开发的起沙模型很好地模拟出了2001年至2017年东亚沙尘暴频次的年际变化和减弱趋势，模拟的起沙通量与观测的沙尘天数具有很好的相关关系，相关系数达0。75。从变化的原因来看，沙尘源区上地表风速减弱、植被覆盖增加、土壤变湿均起到了重要作用，分别贡献46、30、24。可见，风速减弱起主导作用，而植被覆盖增加和土壤变湿也有关键作用。
　　气象要素变化是导致沙尘活动减弱的主要原因
　　风速、植被覆盖、土壤湿度作为地球气候环境的重要组成，受到整个气候系统演变的影响。总体上看，气象要素变化是近二十年来沙尘活动减弱的主要原因。
　　研究表明，全球气温升高使得高低纬度间的温度梯度减弱，从而导致风速减弱。同时，已有研究表明，全球温度升高有利于植被成长，特别是在土壤湿度也增加的情况，可能是造成植被增加的重要原因。另外，全球变暖可能会使得东亚雨带北移，从而使得我国北方变湿。因此，全球变暖可能是造成近二十年来东亚沙尘活动减弱的主要幕后推手。
　　需要注意的是，由于气候系统年代际变化的周期性，将来也可能会导致风速、土壤湿度等因素的变化趋势发生扭转，从而使得沙尘暴活动增强。特别是最近几年我国北方沙尘暴有所增强，如2021年我国北方就受到2次强沙尘暴过程的侵袭，影响极大。因此，综合来看，尽管未来全球变暖可能会导致沙尘暴活动继续减弱，但考虑气候系统的年代际周期变化特征，未来沙尘暴减弱趋势也有可能发生扭转。这种扭转是否会发生，什么时候发生，目前并没有研究结论，还需要我们持续关注和深入分析。未来我们将利用地球系统数值模拟装置对沙尘暴变化趋势进行预测。