今天小編分享的科學經驗：中國頻繁沙塵暴的地理原理，比你想的更深刻，歡迎閱讀。
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NO.2445- 沙塵暴的地理原理
作者：風雲夢遠
校稿：辜漢膺 / 編輯：果栗乘
今年以來，我國共出現了 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（12 次）、2002 年（10 次）和 2004 年（10 次）。
今年目前的沙塵天氣次數
已經比有些年份全年都多了▼
其中，今年首次沙塵天氣過程出現在 1 月 12 日，較常年首次過程發生時間偏早32 天；3 月以來我國集中出現了 6 次沙塵天氣過程，較常年同期（5 次）偏多 1次。
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今年沙塵天氣為什麼如此活躍？
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沙塵天氣的形成條件
沙塵暴是一種強沙塵天氣，即強烈大風将地面沙粒、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。這三類天氣現象可以統稱為沙塵天氣。
沙塵暴等級▼
要形成沙塵暴需要滿足三個條件：幹燥松散的沙狀物質作為沙源，将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定大氣層結構（或上升條件）。
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幹燥松散的沙狀物質，是沙塵暴的物質基礎。影響我國沙塵天氣的沙源，來自我國和周邊國家地區的大片沙漠——包括我國境内的塔克拉瑪幹沙漠、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▼
這些龐大的荒漠區有大量幹燥沙塵，只待後續的動力條件，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，地處亞洲中緯度内陸地區，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就成為了黃沙飛揚的關鍵。
大風席卷着黃沙呼嘯而來
（4 月 19 日 地面氣壓 圖：中央氣象台）▼
（圖：中央氣象台）▼
當然，如果遇到一個高空槽東移，槽前區網域誘發的氣旋發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（出現在氣旋西側），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。要造成蔽日千裡的強沙塵天氣，還需要第三個條件：不穩定的大氣層結構（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裡。
當然，除了這種熱力條件，也可以直接由天氣系統提供強烈動力條件——比如上一段提到的氣旋，本身就能帶起大範圍的向氣旋中心的輻合與上升運動，能造成類似效果。
所以，根據上述條件分析，春季是沙塵天氣最為頻發的時段——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，容易引發上冷下暖的不穩定的層結，容易讓大量沙塵上升。
沙塵暴的發生，有着多重的原因▼
到了夏季，随着冷空氣撤退，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，在歷年觀測裡也體現了這一點。
沙塵暴已經成為北方春季的标配了▼
沙塵暴不需要籤證
我們可以将上述要點，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，是一個顯著發展的蒙古氣旋——它由高空西風帶内的一個短波槽在低空誘發形成。
（4 月 9 日 地面氣壓 圖：中央氣象台）▼
當時的氣象條件，很适合這個蒙古氣旋的發展：首先是前期蒙古高原當地和高空氣溫偏高，而北側西伯利亞氣溫又明顯偏低，極大的溫度梯度間蘊藏着促進氣旋發展的有效位能。
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态，根據局地位渦守恒原理，這也會促進氣旋發展增強。
這個蒙古氣旋在發展過程中環流不斷擴大。由于路徑偏北，其最初攜帶的沙牆路徑也較為偏北，在 4 月 10 日主要影響東北地區。
僅過一天，就吹到了東北地區▼
蒙古氣旋不斷加強
順帶把沙塵裹挾到了東北地區▼
但随後，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模抬升運動與西側強烈偏北風得以長期維持，從 4 月 10 日夜間起将沙塵傾瀉向南側的華北平原，以至于掠過中原，并最終漂泊渡江。
奔波一日後休整一日
一有機會馬上過中原下江南▼
從氣象衛星在 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，得到大量沙源物質後，進一步增強。
圖中飛揚的氣旋與白色螺旋雲系
正是造成強沙塵天氣的蒙古氣旋
氣旋中心南側的亮黃色即沙塵
（圖：CIRA）▼
沙塵随着風進入我國内蒙古高原以至華北平原區，并最終由強烈發展的蒙古氣旋提供了關鍵的不穩定層結與上升運動條件（并導致了中低空顯著的鋒區和大風區），讓沙塵飛越河山萬裡。
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内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流響應。
北京三月以來已發生 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）▼
我們取 3 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高度場異常出現了較明顯的 "+-+" 結構，即在東歐平原到烏拉爾山，和北太平洋地區都出現了顯著異常的高壓，而中間的西伯利亞北冰洋沿岸和貝加爾湖西南側的蒙古高原則是異常低壓。
由對流層中層與地面間環流系統的對應關系可知，在蒙古高原的高空異常低渦的正下方和東側，地面就會有異常低壓發展（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的西南風增強，将更低緯度的暖空氣輸送向蒙古高原等地，導致當地顯著偏暖——今年早春，蒙古國大部與我國内蒙古西部都出現了異常的氣溫偏高，這導致大漠裡本就輕薄的積雪與季節性凍土層更早地融化。
冷空氣比往年更早向北退去
大漠裡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，裸露且異常幹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 日的積雪衛星監測圖
白色區網域代表積雪
可以看到蒙古南部戈壁沙漠已無積雪覆蓋
（圖：美國冰雪中心衛星反演）▼
這樣的環流異常形勢，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，不僅有持續數日的天氣尺度過程，也影響着持續更久（達數月）、波長更長（數千千米）、變化緩慢的低頻過程，并通過激發的大氣長波，從而影響到天際線外的遠方。這種現象通常稱作 " 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象體現在海洋中
就是我們熟悉的厄爾尼諾現象
（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，并沿着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内上下遊地區的關聯，我們制作了對流層高層（300hPa 等壓面，約 9000 米高空）的流函數異常與箭頭代表的波作用通量傳播。
可以看到，北大西洋地區出現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、格陵蘭與冰島南側的低壓與直布羅陀海峽西側的高壓。
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是影響源地，雖然主流是繼續向南傳播進入非洲，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。
這就意味着，北大西洋區網域的較長期環流異常，是今年沙塵頻發的最重要原因之一。而這樣的環流異常也正對應着北大西洋濤動（NAO）的負位相狀态——實際上從 3 月以來，NAO 就長期以負位相狀态為主。
北大西洋濤動也是一種遙相關
是北大西洋地區大氣最顯著的模态
（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網域海溫與鄰近大西洋區網域（如挪威海、巴倫支海等）的北極海冰持續偏少，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海表與大氣的熱量交換，并讓當地大氣獲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
全球氣候變化整體性的威力不容小觑
（圖：National Snow and Ice Data Center）▼
最後，防護林（草）在防範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）種植的地區正是沙漠周邊的幹旱半幹旱區網域。雖然這裡不是核心的起沙區網域，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幹暖趨勢，生态脆弱的地區很容易發生荒漠化與表土沙化等過程。
三北防護林工程範圍與中國風沙帶區網域大致對應
（左右滑動- 三北防護林工程大致範圍）▼
在種植防護林（草）後，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，有效抑制了起沙區網域的進一步擴張。
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，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：圖蟲創意）▼
根據國家氣候中心的數據，自 1961 年以來，我國的沙塵日數明顯下降，這裡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态保護、治理工程的巨大貢獻。
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