新疆沙塵暴研究進展

買買提艾力·買買提依明，霍 文，楊興華，王敏仲，楊 帆，劉 艷，孟 露，潘紅林，李紅軍，金莉莉，何 清

（中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國家野外科學觀測研究站/新疆沙漠氣象與沙塵暴重點實驗室/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學實驗基地/中國氣象局樹木年輪理化重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830002）

沙塵暴是全球干旱—半干旱區常見的災害性天氣之一，它對區域乃至全球尺度的氣候、生態、人居環境、社會經濟及人類健康等諸多方面均有重要影響，是全球變化研究中的熱點問題。沙塵暴是指強風把地面大量沙塵卷入空中、使得空氣非常渾濁、水平能見度低于1 km的災害性天氣，有著巨大破壞力，是特定氣象條件和特殊的地質地理條件下的產物，是發生在干旱、半干旱地區、荒漠化地區和農牧交錯帶特有的一種災害性天氣[1-5]。沙塵暴也是流動的巨大污染源，其攜帶的沙塵氣溶膠被送入高空向下游移動，進而影響全球氣候[6-10]。同時沙塵暴既是加速土地荒漠化的重要過程，又是土地荒漠化發展到一定程度的具體體現，是風蝕荒漠化中的一種天氣現象，對沙塵暴進行全面、系統、深入的研究，有助于搞清荒漠化過程中的動力學機制[11-14]。

沙漠通過其獨特的天氣或氣候對非沙漠地區及全球產生了十分顯著的影響，且沙漠化程度有進一步加劇的趨勢。全球四大沙塵暴多發區為：中亞5國及中國西北部、澳大利亞中西部、美國中西部和非洲撒哈拉沙漠[15]。中國西北地區是我國沙塵暴發生頻次最多，強度最大的地區，其中新疆境內有中國第一大流動沙漠（塔克拉瑪干沙漠）和第一大固定/半固定沙漠（古爾班通古特沙漠），兩者沙丘類型齊全，下墊面結構復雜，同時塔克拉瑪干沙漠是亞洲主要的沙塵源區之一，且是我國天氣上游關鍵區，由于其沙塵可進行遠距離傳輸，直接影響著全球的大氣環境與氣候變化[16-19]。因此，新疆是開展沙塵暴研究的天然試驗場，具有顯著的區域代表性，可為全球大氣環境及氣候變化研究提供重要的科學依據。

近年來，國內外學者針對沙塵暴的沙源分布及移動路徑、活動時間、影響因子、沙塵的物理化學性質及起沙機制、沙塵暴的大氣輻射特性及衛星遙感監測手段、數值模擬和防治與預防等方面做了大量研究[20-30]，發現沙塵的起沙機制和傳輸問題仍然是學者爭論的熱點話題，沙塵氣溶膠對氣候變化的影響還是一個不確定的因子，沙塵暴的精細化觀測仍然是一個亟待解決的問題[5，25-26]。

1 沙塵暴時空變化研究進展

1.1 新疆沙塵暴氣候背景及長期變化趨勢

西西伯利亞冷高壓爆發性南下并強烈發展是造成塔里木盆地沙塵暴天氣的根本原因和重要影響系統，期間，上下層強烈的氣壓梯度力促使冷空氣加速運動，為沙塵暴創造了必要的動力條件[31-32]。盆地前期的干暖形勢為沙塵暴的產生提供了有利的熱力條件。沙塵暴區上空螺旋度垂直分布低層為正值、高層為負值，構成了低空強輻合、高空強輻散的深厚上升運動區，這種螺旋度垂直分布與沙塵暴的發生發展有一定的對應關系，可作為沙塵暴預報的一個參考依據[33]。

春季塔里木盆地沙塵暴頻次與大氣環流、冬季北大西洋濤動指數及高原環流均有明顯關系。在年際、年代際尺度上，春季500 hPa位勢高度場上蒙古國西部氣旋和東歐平原反氣旋增強的環流形勢配置是塔里木盆地沙塵暴多值年的典型背景[33]。

新疆1961—2008年沙塵暴變化趨勢明顯地減少[34]，沙塵暴年日數低于47 a平均值的有21 a，且都集中于1987—2007年，占總年份的44.7%，最少年份發生在2003年，為2.7次，最多年份是1965年，為9.5次。其變化分為3個階段，在20世紀60和70年代處于多發時期，60年代負趨勢較小，70年代轉為弱的正趨勢；80年代處于減少階段，有強烈的減少趨勢；90年代以來處于少發時期，減少趨勢很弱，但都是持續性減少，21世紀以來的趨勢趨緩[35]。

1.2 新疆沙塵暴分布

新疆沙塵暴呈南多北少，西多東少，盆地多，高山少的分布特征，高值區主要分布于塔克拉瑪干沙漠以南和田、策勒、民豐一線[35]。南疆沙塵暴呈南多北少特征，主要發生在和田和巴州地區的南部，南疆各地年平均沙塵暴日數在0～32 d，1961—2001年呈減少趨勢，年代際減少為2.3 d/10 a。北疆沙塵暴主要發生在春季，呈準噶爾盆地中間和北部多、四周少的特征，北疆各地春季平均沙塵暴日數在0～3 d[36]。

2 起沙輸送機制研究進展

研究人員率先在西北三大沙漠開展標準化起沙觀測試驗，揭示了新事實，辨明了起沙機理，豐富了沙漠氣象學和風沙物理學基礎理論[37-48]?；谖覈鞅比笊衬ㄋ死敻缮衬?、古爾班通古特沙漠和巴丹吉林沙漠）空白區、關鍵區的標準化起沙觀測試驗，揭示了三大沙漠起沙演變規律，填補該項研究空白[37-38，40-41]；發現起沙間歇性特質，為沙塵暴起沙研究提供重要補充；獲取了新的臨界起沙摩擦速度等關鍵起沙參數[40，42-43]，為起沙的界定提供精準判據，提升沙塵水平通量的模擬效果[45-47]；利用新手段解析了塵卷風結構，并定量估算其對區域沙塵氣溶膠的貢獻[42-43，48]；進一步探討了土壤、大氣條件對起沙的影響作用，辨明了起沙機理。

楊興華等[38-44]創建了新疆首個本地化起沙參數化方案，部分同化于沙塵暴模式，提升預報精度?；谒死敻缮衬鹕晨茖W試驗和對起沙機理的認識，開展了臨界起沙摩擦速度u*t及相關修正參數、沙塵水平通量Q、垂直通量F等關鍵起沙參數的精細化研究，構建并改進了新的參數化方案；開展了包括空氣密度ρ、地表粗糙長度z0、光滑地表粗糙長度z0s和土壤粒徑分布在內的本地化改進敏感試驗[33-34]；同時將本地化的部分起沙參數化方案及土壤粒徑等參數同化于新疆沙塵暴數值預報模式，提升了該模式對新疆區域沙塵暴天氣的預報精度。

3 沙塵監測技術研究進展

3.1 基于風廓線雷達的沙塵暴監測技術

因缺乏沙塵暴過程高時空分辨率觀測資料，使得對沙塵暴內部的動熱力結構、垂直廊線、沙塵輸送高度和厚度、大氣含沙量及沙塵數濃度等問題無法較好地認識[47-48]。研究人員率先開展了風廓線雷達和毫米波雷達探測沙塵暴的科學試驗[49-53]，利用風廓線雷達深入開展了對沙塵暴的探測試驗研究，計算歸納了沙塵暴的回波強度量值范圍，發現沙塵暴天氣現象在雷達回波強度圖上有著清晰的印痕，可判識沙塵輸送的高度和厚度，定量反演了沙塵暴期間高空沙塵粒子數濃度和質量濃度，建立了基于風廓線雷達的沙塵暴監測技術新方法，為沙塵暴定量監測提供了新的參考技術手段。

3.2 基于衛星遙感的沙塵暴監測

借助衛星遙感技術，發現CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）的氣溫和氣壓產品在塔克拉瑪干沙漠腹地具有較好的適用性。塔克拉瑪干沙漠和撒哈拉沙漠在春夏季是全球沙塵主要源區，春季塔克拉瑪干沙漠沙塵事件更為活躍，而撒哈拉沙漠夏季更為活躍[54-56]（圖1）。

圖1 CALIPSO三級氣溶膠產品季節分布特征[54]

3.3 新監測技術研發

研究人員[45，57-59]總結了大量的風蝕起沙觀測儀器優缺點，相繼研發了三代全自動高精度集沙儀，圖2為第二代全自動集沙儀。同時，研發了沙漠大氣與土壤CO2測量儀及光路設備自帶清洗儀；率先利用毫米波雷達和太赫茲雷達開展了沙塵暴探測試驗。新監測技術的研發[57]，推動了沙漠氣象特種監測儀器的發展，增加了沙漠氣象監測手段，豐富了沙漠氣象研究內涵，提升了數據質量，并有效降低了勞動力成本。

圖2 第二代全自動集沙儀

4 沙漠大氣邊界層與陸面過程研究進展

4.1 沙漠大氣邊界層

2018年在塔克拉瑪干沙漠腹地塔中組織實施了GPS探空科學試驗，深入分析了沙漠夏季大氣邊界層動熱力結構及其厚度演變特征、沙漠邊界層高度與陸面參數的關系，探索了晴空熱對流運動規律，揭示了沙漠對流邊界層形成機制以及深厚邊界層過程對區域環流的反饋和影響效應，推動了沙漠邊界層氣象學的發展，也為該區域數值模式陸面及邊界層參數化提供了參考和科學依據。通過研究，發現沙漠夏季晴空高溫背景下對流邊界層最大厚度可超過5 000 m，進一步證實了中國西北干旱區夏季晴空存在超常厚度的大氣邊界層現象[50-51，60-62]。

4.2 沙漠陸面過程

研究人員自2008年開始依托塔克拉瑪干沙漠野外氣象觀測試驗基地梯度探測系統、渦動相關探測系統和輻射探測系統開展了長期、持續的陸面過程觀測試驗，獲得了第一手的寶貴科學試驗資料。利用上述試驗資料，劉永強等[63-64]給出了塔克拉瑪干沙漠穩定度修正項函數參數化，并根據觀測資料給出了莫寧—奧布霍夫相似性函數差分形式的參數化。李火青等[65-66]利用傅里葉變換熱紅外光譜儀觀測塔克拉瑪干沙漠地表比輻射率得到的數據，及同時期的 MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectrometer）數據，對新疆沙漠地表比輻射率進行估算，得到了基于GLASS（Global Land Surface Satellite）和MODIS的適用于新疆沙漠的寬波段比輻射率方程，為陸面過程的研究與模擬提供了支持。

通過精細的對比觀測試驗，系統地給出了沙漠腹地人工綠地與自然沙地的氣象特征參數差異。金莉莉等[67-71]利用CoLM（The Common Land Model）陸面模式，評估了陸面模式對不同下墊面不同特征參數的模擬效果，從而不斷地檢驗和提升該模式對研究區域的模擬能力[63-64，68]。這可為沙漠區域的人工綠地可持續發展提供科學理論和數據支持，為研究沙漠綠洲區地氣間的相互作用及影響機制提供重要參考。

4.3 沙塵暴數值預報模式優化及數值模擬研究

塔克拉瑪干沙漠三面環山，北為天山山脈，西為帕米爾高原，南為昆侖山脈、阿爾金山，并與青藏高原相接，東側地勢開闊。其地形、氣象條件復雜，觀測站布點困難，模式模擬研究則從一定程度上解決了這一問題。近年來，中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所以曙光高性能計算集群系統為依托，研發了新疆區域高分辨率沙塵數值預報模式系統V1.0（DUST-XJV1.0），并于2018年正式投入業務應用，可提供新疆9 km沙塵含量、沙塵等級以及能見度等產品，在南疆沙塵暴預報預警中起到積極作用。

孟露等[72-73]利用WRF-Chem（v3.8.1）模式，結合GOCART起沙方案、ACM2邊界層方案，模擬塔里木盆地典型的春季沙塵暴過程。確定盆地冷空氣入侵路徑：西進、翻山、東灌。較強的東灌沙塵帶驅動兩股弱沙塵帶向盆地西南部輸送，地表沙塵氣溶膠分布受青藏高原地形影響。從地表—高空、經向—緯向首次刻畫了塔克拉瑪干沙漠典型春季沙塵暴天氣過程沙塵氣溶膠三維傳輸結構（圖3）；確定了塔克拉瑪干沙漠沙塵氣溶膠輸送高度、量級與跨盆地輸出的主要路徑；厘清了塔克拉瑪干沙漠沙塵氣溶膠的收支關系，揭示了浮塵滯空形成機制。

圖3 塔里木盆地沙塵氣溶膠的三維結構[59]

5 展望

全球氣候變化背景下，極端沙塵暴天氣頻發，對沙塵暴天氣，特別是極端（強、特強）沙塵暴天氣的發生、發展機制亟待研究。在此基礎上，改進數值模式，推動區域沙塵暴模式研發，提升數值預報模式模擬能力，提高預報預警技術。圍繞國家戰略和新疆防災減災需求，進一步開展沙漠沙塵暴和荒漠化環境探測新技術研發，探索特種監測儀器研制與集成應用，豐富監測手段，構建天基—空基—地基的精細化監測。同時開展沙塵天氣產生的沙塵氣溶膠對氣候、環境的影響評估研究，建立沙漠氣象環境試驗方法及規范標準，推動探測技術在沙漠生態氣象領域應用示范，為生態文明建設提供技術支撐。

塔里木盆地夏季持續出現沙塵氣溶膠在3～5 km高度滯空的獨特現象，需系統地剖析青藏高原與塔里木盆地的動力、熱力相互作用下盆地邊界層的演化規律，及對沙塵氣溶膠傳輸和“滯空”變化的影響機理；進一步在新疆沙漠及其周邊開展陸氣相互作用觀測試驗，研究極端干旱條件沙漠及其周邊非均勻下墊面邊界層結構及其水、熱、沙塵物質的交換，探究沙漠邊界層對區域環流和局地天氣過程的影響機制；開展邊界層與陸面過程特征參數及參數化方案研究，改進陸面過程模式，提高數值預報模式模擬能力，從而系統性地理解沙漠陸—氣相互作用對區域天氣氣候的影響[74-75]。在此基礎上，開展沙漠及周邊沙塵暴和荒漠化過程的演變規律和發生機理研究，建立沙塵暴天氣和荒漠化監測、預報指標與預警系統；構建沙塵災害影響指標體系，評估沙塵災害對特色農業、交通運輸、生態與人居環境的影響，提升氣象保障服務能力。