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。