本文來自微信公眾號(hào)：地球知識(shí)局 （ID：diqiuzhishiju），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？
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)。影響我國沙塵天氣的沙源，來自我國和周邊國家地區(qū)的大片沙漠 —— 包括我國境內(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)）▼
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)千萬里。
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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?，而北?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)），讓沙塵飛越河山萬里。
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內(nèi)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(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。
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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，蒙古國大部與我國內(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(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積雪覆蓋
（圖：美國冰雪中心衛(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）、波長更長（數(shù)千千米）、變化緩慢的低頻過程，并通過激發(fā)的大氣長波，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。
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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。
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這就意味著，北大西洋區(qū)域的較長期環(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期大氣環(huán)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(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)林工程范圍與中國風(fēng)沙帶區(qū)域大致對(duì)應(yīng)
（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
根據(jù)國家氣候中心的數(shù)據(jù)，自 1961 年以來，我國的沙塵日數(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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