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NO.2445-沙尘暴的地理原理
作者：风云梦远
 校稿：辜汉膺 / 编辑：果栗乘
今年以来，我国共出现了9次沙尘天气过程，较常年同期（6次）偏多3次的同时，也是近10年中最多的，在本世纪以来仅少于2001年（12次）、2002年（10次）和2004年（10次）。
今年目前的沙尘天气次数
已经比有些年份全年都多了▼
其中，今年首次沙尘天气过程出现在1月12日，较常年首次过程发生时间偏早32天；3月以来我国集中出现了6次沙尘天气过程，较常年同期（5次）偏多1次。
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今年沙尘天气为什么如此活跃？
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沙尘天气的形成条件
沙尘暴是一种强沙尘天气，即强烈大风将地面沙粒、尘土席卷入空中，导致空气混浊与能见度显著下降的天气现象。
通常而言，当大量沙尘导致的水平能见度低于1千米，且风速达到6级或以上时，即可称为沙尘暴；而水平能见度仍有1千米以上、相对较弱的大风沙尘天气，则称为扬沙；风速较弱（低于3米/秒）、沙尘悬浮的沙尘天气，则称为浮尘。这三类天气现象可以统称为沙尘天气。
沙尘暴等级▼
要形成沙尘暴需要满足三个条件：干燥松散的沙状物质作为沙源，将沙尘从大地带离的起沙条件，以及能让沙尘扶摇直上的不稳定大气层结构（或上升条件）。
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干燥松散的沙状物质，是沙尘暴的物质基础。影响我国沙尘天气的沙源，来自我国和周边国家地区的大片沙漠——包括我国境内的塔克拉玛干沙漠、巴丹吉林沙漠等一众沙漠，以及蒙古的戈壁沙漠与中亚的大片荒原。
沙尘暴的“弹药”可以说十分充足了▼
这些庞大的荒漠区有大量干燥沙尘，只待后续的动力条件，扶摇直上。 
起沙条件是需要足够强的大风。而影响我国沙尘天气的沙源，地处亚洲中纬度内陆地区，邻近西伯利亚冷空气源地（与相应的西伯利亚高压）。在秋冬春三季，常出现强烈的冷高压携带冷空气南下的天气过程；此时，冷高压外围的强风区就成为了黄沙飞扬的关键。
大风席卷着黄沙呼啸而来
（4月19日 地面气压 图：中央气象台）▼
（图：中央气象台）▼
当然，如果遇到一个高空槽东移，槽前区域诱发的气旋发展到一定程度也会激起强风，如果气旋和冷高压相配合，其间更大的气压梯度会造成更狂暴的风（出现在气旋西侧），这种情形往往容易造成更猛烈的起沙。
如果只有这两步，我们只能得到风和沙交织的“混合体”，根本无法“缠缠绵绵绕天涯”，一旦地面风稍微减小，很快就会因为贴近地表的摩擦而坠地沉降。要造成蔽日千里的强沙尘天气，还需要第三个条件：不稳定的大气层结构（或上升运动条件）。
简单来说，它需要大气层在垂直方向是上部冷下部暖，这样下方的空气较轻，容易扶摇而上；高空风速更大且受地面摩擦影响较小，所以进入高空的沙尘足够飞扬千万里。
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当然，除了这种热力条件，也可以直接由天气系统提供强烈动力条件——比如上一段提到的气旋，本身就能带起大范围的向气旋中心的辐合与上升运动，能造成类似效果。
所以，根据上述条件分析，春季是沙尘天气最为频发的时段——当大漠冬季的薄雪消释，沙土的固定能力最弱，也最容易起沙；春季沙漠地表很快升温并加热近地面大气，容易引发上冷下暖的不稳定的层结，容易让大量沙尘上升。
沙尘暴的发生，有着多重的原因
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到了夏季，随着冷空气撤退，缺少大风条件；而秋季虽然是冷暖空气激烈交锋期，但地面迅速冷却，无法形成上冷下暖的不稳定层结与上升运动；冬季虽然常有冷空气活跃，但地表冻结不容易起沙。
因此，夏秋冬三季沙尘天气都较为稀少，在历年观测里也体现了这一点。
沙尘暴已经成为北方春季的标配了▼
沙尘暴不需要签证
我们可以将上述要点，实际运用在今年4月9日到14日的强沙尘天气分析中。
4月9日到14日的沙尘天气示意▼
其中，最直接的起沙动力来源，是一个显著发展的蒙古气旋——它由高空西风带内的一个短波槽在低空诱发形成。
（4月9日 地面气压 图：中央气象台）▼
当时的气象条件，很适合这个蒙古气旋的发展：首先是前期蒙古高原当地和高空气温偏高，而北侧西伯利亚气温又明显偏低，极大的温度梯度间蕴藏着促进气旋发展的有效位能。
可以看到这个小气旋在高低气温的交界处形成▼
而在地形上，气旋在东移过程中总体处在下坡状态，根据局地位涡守恒原理，这也会促进气旋发展增强。
这个蒙古气旋在发展过程中环流不断扩大。由于路径偏北，其最初携带的沙墙路径也较为偏北，在4月10日主要影响东北地区。
仅过一天，就吹到了东北地区▼
蒙古气旋不断加强
顺带把沙尘裹挟到了东北地区▼
但随后，该蒙古气旋移动速度显著放缓，直至4月11日清晨仍然在其大规模抬升运动与西侧强烈偏北风得以长期维持，从4月10日夜间起将沙尘倾泻向南侧的华北平原，以至于掠过中原，并最终漂泊渡江。
奔波一日后休整一日
一有机会马上过中原下江南▼
从气象卫星在4月8日夜间和10日深夜的反演图也可以看到，4月8日夜间沙尘主要在蒙古西南部起源并横扫中蒙交界的戈壁沙漠，得到大量沙源物质后，进一步增强。
图中飞扬的气旋与白色螺旋云系
正是造成强沙尘天气的蒙古气旋
气旋中心南侧的亮黄色即沙尘
（图：CIRA）▼
沙尘随着风进入我国内蒙古高原以至华北平原区，并最终由强烈发展的蒙古气旋提供了关键的不稳定层结与上升运动条件（并导致了中低空显著的锋区和大风区），让沙尘飞越河山万里。
总体来看，蒙古国是本次大部分沙尘的源地，小部分可能来自我国内蒙古西部巴丹吉林沙漠，这次沙尘暴也给蒙古国造成了明显影响。这样的极端天气从来没有国界，我们需要共同应对。
同一个地球同一个家园
面对极端天气变化没有你我之分
（图：NASA）▼
今春沙尘暴为何如此频繁？

上述分析是对于单次事件的短期天气过程条件分析。而如果要分析今年春季沙尘总体偏多的成因，则需要分析更长期的气候因子和造成的环流响应。
北京三月以来已发生3次强沙尘天气过程
这沙尘到底能吹完吗？
（同一地点拍摄对比）▼
我们取3月16日-4月15日这个沙尘集中的时段进行分析。
首先以下图填色所代表的对流层中层（500hPa等压面）的位势高度偏离常年同期均值的距平看，亚欧大陆高纬度地区高度场异常出现了较明显的“+-+”结构，即在东欧平原到乌拉尔山，和北太平洋地区都出现了显著异常的高压，而中间的西伯利亚北冰洋沿岸和贝加尔湖西南侧的蒙古高原则是异常低压。
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由对流层中层与地面间环流系统的对应关系可知，在蒙古高原的高空异常低涡的正下方和东侧，地面就会有异常低压发展（图中等值线为海平面气压距平）。
这一长期的低压如同背景板一般，会促进同为低压系统的蒙古气旋偏强，有利于起沙偏强。
同时，它也会促进其东南侧的西南风增强，将更低纬度的暖空气输送向蒙古高原等地，导致当地显著偏暖——今年早春，蒙古国大部与我国内蒙古西部都出现了异常的气温偏高，这导致大漠里本就轻薄的积雪与季节性冻土层更早地融化。
冷空气比往年更早向北退去
大漠里的沙尘也更早地从土地中“苏醒”了
（图：国家气候中心）▼
在3月18日积雪监测图上，可以看到蒙古高原南部戈壁已无积雪覆盖，相较近年提早融化。在稀疏的植被还没生长的季节，裸露且异常干燥的沙土很容易成为起沙的沙源。
今年2月15日-3月16日全球平均气温距平图
为积雪和季节冻土快速消融和起沙奠定基础
（图：国家气候中心）▼
2023年3月18日的积雪卫星监测图
白色区域代表积雪
可以看到蒙古南部戈壁沙漠已无积雪覆盖
（图：美国冰雪中心卫星反演）▼
这样的环流异常形势，又有怎样的起源呢？
通常而言，北半球中高纬度大气在冬春季总体有北太平洋、北大西洋两个活动中心，不仅有持续数日的天气尺度过程，也影响着持续更久（达数月）、波长更长（数千千米）、变化缓慢的低频过程，并通过激发的大气长波，从而影响到天际线外的远方。这种现象通常称作“遥相关”。
最具代表性的遥相关是南方涛动
大气中的南方涛动现象体现在海洋中
就是我们熟悉的厄尔尼诺现象
（图：NOAA Climate.gov）▼
由高空西风带基本风向可知，更多的低频过程扰动源，是从北大西洋一带启程，并沿着欧亚大陆的急流传播影响到亚洲东部的。
为了寻找最直接的长波扰动的传播和西风带内上下游地区的关联，我们制作了对流层高层（300hPa等压面，约9000米高空）的流函数异常与箭头代表的波作用通量传播。
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可以看到，北大西洋地区出现了南北方向的三个异常中心，包括高纬度格陵兰-挪威海的高压、格陵兰与冰岛南侧的低压与直布罗陀海峡西侧的高压。
而箭头的波作用通量传播表明，北大西洋这些长期异常系统是影响源地，虽然主流是继续向南传播进入非洲，但有少部分波作用通量在地中海向东北指向东欧-乌拉尔山的异常高压，并进一步向东南方向传播，最终导致了蒙古高原的异常低压中心形成。
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这就意味着，北大西洋区域的较长期环流异常，是今年沙尘频发的最重要原因之一。而这样的环流异常也正对应着北大西洋涛动（NAO）的负位相状态——实际上从3月以来，NAO就长期以负位相状态为主。
北大西洋涛动也是一种遥相关
是北大西洋地区大气最显著的模态
（图：NOAA）▼
进一步造成NAO偏向负位相的原因很多，但今年北大西洋高纬度海域海温与邻近大西洋区域（如挪威海、巴伦支海等）的北极海冰持续偏少，是两个重要的气候影响因子。
它们都促进了北大西洋高纬度地区海表与大气的热量交换，并让当地大气获得更多热量并抬升形成异常高压，最终通过影响北大西洋的长期大气环流异常，影响到蒙古高原和我国北方。而这是造成今年春季沙尘频发的重要直接原因。
北极海冰的减少
最终直接导致了蒙古的沙尘频发
全球气候变化整体性的威力不容小觑
（图：National Snow and Ice Data Center）▼
最后，防护林（草）在防范沙尘方面真的作用甚微吗？答案显然是否定的。
首先，防护林（草）种植的地区正是沙漠周边的干旱半干旱区域。虽然这里不是核心的起沙区域，但逐年间的气候差异较大、变化无常，在气候变化下的当今更是有显著干暖趋势，生态脆弱的地区很容易发生荒漠化与表土沙化等过程。
三北防护林工程范围与中国风沙带区域大致对应
（左右滑动-三北防护林工程大致范围）▼
在种植防护林（草）后，植被根系有效地固定了这一带的土壤，让起沙过程被大幅削弱，有效抑制了起沙区域的进一步扩张。
此外，防护林（草）虽然对于高达上千米的强沙尘暴作用很小，但面对没有不稳定层结支持，沙尘厚度较薄、风速较弱普通起沙，完全可以大展身手——其实这类普通过程才是占起沙中的多数，几乎在秋冬春三季的每次冷空气侵袭时都能见到。
防不了高的咱防矮的
而且四十多年以来的历史证明
三北防护林抵御沙尘暴的效果显著
（图：图虫创意）▼
根据国家气候中心的数据，自1961年以来，我国的沙尘日数明显下降，这里面一部分和自然气候变化造成的冷空气源减弱有关，另一部分也验证了防护林草和其它生态保护、治理工程的巨大贡献。
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封面：shutterstock
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