探尋沙塵暴背后的真相

王輝

2022年2月13日，北京冬奧會正如火如荼地舉行，一場大雪如期而至，給北京帶來了別樣的景色。對中國科學院大氣物理研究所副研究員吳成來來說，卻有一絲緊迫感，春天的腳步已臨近，意味著我國每年的沙塵季節(jié)也要到來了。2021年春季，北京曾遭受了4次沙塵暴侵襲，其中最強的一次沙塵暴發(fā)生在3月15日，可吸入顆粒物（PM10）濃度最高達9000微克每立方米以上，遠超重度污染的PM10濃度（400微克每立方米以上），引發(fā)了政府和社會的高度關注。未來更長時間內(nèi)北京的沙塵暴活動將如何變化？能否從大自然中提前找到一點信號，提前預判？要想預知未來，必須了解過去。過去幾年，吳成來的研究工作就是圍繞認識我國北方沙塵暴的演變規(guī)律及其背后的原因展開的。

成長之路：

從好奇心到上下求索

1985年，吳成來出生在福建一個小村落。自幼在山野田林間玩耍的他，對大自然充滿了無數(shù)的好奇心。19歲那年，他以優(yōu)異的成績考上了南京大學大氣科學系。在老師的引領下，吳成來系統(tǒng)學習了大氣科學的基本理論和大氣各種現(xiàn)象的演變規(guī)律。但隨著學習的深入，他發(fā)現(xiàn)自己還有很多疑問沒有解開。“雖然大學時并沒有規(guī)劃好職業(yè)方向，但我深知這是由于我對世界的了解還遠遠不夠。”吳成來坦言。

2007年夏，一次偶然的機會使吳成來參加了南京大學組織的大地學聯(lián)合實習考察，前往新疆實地了解地質(zhì)、地理和氣候特征。對出生在東南沿海的他來說，這無疑是一次開闊視野的機會：第一次看到沙漠、戈壁、高原湖泊，見識我國西北干燥的氣候和獨特的風沙地貌。“當時我們坐火車經(jīng)過了茫茫戈壁，一路考察的地方有吐魯番、烏魯木齊、喀什，使我對我國西北復雜的地理環(huán)境和氣候有了實地的體會，同時帶來了很多思考。”想起那次科考，吳成來記憶猶新。盡管只是一次簡單的科考，但卻在吳成來的心中種下了一顆種子。也許是命運的安排，吳成來后來被保送到中國科學院大氣物理研究所就讀研究生，導師林朝暉研究員提供的研究課題正是要研究地球系統(tǒng)中沙塵循環(huán)的演變規(guī)律，重點關注沙塵暴密切相關的地表狀態(tài)及起沙過程。不過跟之前的野外考察不一樣，他采用的是數(shù)值模擬的方法，希望能發(fā)展出一個物理模型，來再現(xiàn)地球上的風沙過程。“這個模型最大的用途是用來理解過去的變化規(guī)律，并預知未來。當然觀測資料也是關鍵的，可以用來驗證模型，另外觀測得到的事實和物理機制也是我們發(fā)展模型的基礎。”吳成來談起他的研究領域時解釋道。

此后，吳成來一直致力于發(fā)展一個能夠準確再現(xiàn)沙塵起沙、輸送和沉降的模型，認識沙塵暴過去演變的規(guī)律及其機制，并預判未來可能的變化趨勢。這期間，在導師的鼓勵和推薦下，他還前往德國科隆大學地球物理與氣象研究所短期交流學習，得到邵亞平教授的指導。博士畢業(yè)后，他前往美國懷俄明大學大氣科學系進行博士后研究，跟隨劉小紅教授進行合作研究。2018年年初他回到國內(nèi)，回到了林老師的實驗室繼續(xù)相關領域的研究。經(jīng)過多年的學習和摸索，吳成來越來越認識到沙塵暴研究的重要性和緊迫性。

“盡管目前對沙塵暴的監(jiān)測、模擬及預報已經(jīng)建立了一套較完整的方法，但中間還有很多過程不是很清楚，真正預報起來，準確度還不夠，不能滿足國家的需求。其實，沙塵暴跟土壤顆粒特性、干濕特征、植被分布、近地面風場和大氣環(huán)流都有關系，只有綜合考慮了這些要素，才能較好地模擬和預測沙塵暴活動。”談起自己的工作，吳成來解釋道。

使命驅動：

從實踐中來，再回到實踐中去

“2021年3月15日，我國北方出現(xiàn)大范圍沙塵暴天氣，氣象部門連續(xù)發(fā)布預警，特別是北京市被黃沙籠罩，網(wǎng)上有人貼出照片，不禁感嘆，地球恍若火星。”中外媒體爭相報道，很多人發(fā)出了對氣候環(huán)境變化的擔憂，更有人開始質(zhì)問沙塵暴發(fā)生的原因。

吳成來介紹，沙塵暴是我國北方常見的災害天氣，多發(fā)于春季，氣象、環(huán)保、林業(yè)等部門都非常關注。像2021年這樣的強度，歷史上也曾有發(fā)生，單在2000—2002年間，我國北方就發(fā)生了多次強沙塵暴，更早之前，20世紀60—70年代，北方沙塵暴活動非常頻繁，比近20年頻繁得多。

“可以說，沙塵暴是一種自然現(xiàn)象，從歷史時期到現(xiàn)在都時有發(fā)生，但為什么從20世紀60—70年代以來不斷減弱，特別是近20年來的減弱非常明顯？去年發(fā)生的沙塵暴是否帶來了什么新的啟示，減弱趨勢已經(jīng)扭轉？”吳成來提出了疑問，同時也強調(diào)：“近年來，政府和公眾都非常關注氣候、環(huán)境變化問題。沙塵暴變化的原因不僅困擾著公眾，也直接影響著政策決策的制定。研究這些問題，是我的使命所在。”帶著這些疑問，他進行了大量的觀測數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬。

吳成來首先收集了豐富的地面和衛(wèi)星等觀測資料，分析一些與沙塵活動密切相關的因子的變化特征，包括風速、土壤濕度、植被覆蓋等因素。他發(fā)現(xiàn)，過去幾十年來，風速存在明顯的減弱，土壤濕度、植被覆蓋變化的區(qū)域差別較大，但總體上土壤變濕、植被變綠對沙塵暴減弱都有貢獻。同時也遇到了難題，就是這些因子變化各自的貢獻。這主要是因為氣候與地表環(huán)境的變化本來是相互作用的，這些因子間有錯綜復雜的關系。

沙塵暴變化的原因眾說紛紜，但目前還沒有一個令人信服的結論，這給沙塵暴未來變化的預估和應對帶來了很大困難。“特別是因為歷史上曾經(jīng)存在沙塵暴活動很強的時期，如果不搞清楚目前減弱的原因，我們根本無法預知未來這種變化趨勢是否會發(fā)生扭轉，什么時候發(fā)生扭轉。”盡管是一個艱巨的任務，吳成來堅信能做得更多、更好。于是，他從風沙物理學理論和以往模型出發(fā)，發(fā)展了一個能較好考慮風速、土壤顆粒、干濕特性、植被覆蓋和積雪等多要素影響的風蝕動力學起沙模型。對地學工作者，模型是不可或缺的工具。由于地學的問題往往涉及的區(qū)域范圍大、時間跨度長，在現(xiàn)場做實驗是非常困難的，特別是對于大氣運動相關的問題。“我的模型就像一個小型的實驗室，通過調(diào)整里面的參數(shù)，改變一些關注的條件，可以區(qū)分出不同要素的影響，有助于我們更好地理解大自然的過程。”吳成來解釋道。

經(jīng)過多年的分析和計算，吳成來及其團隊已經(jīng)能初步區(qū)分出來風速、植被和土壤濕度對風沙活動的影響，但其中也存在須進一步解決的問題。“比如，模型的準確度就還有很大改進空間。其次，模型需要數(shù)據(jù)驅動，但這些數(shù)據(jù)本身能否反映真實世界的變化卻并不清楚，而且這些數(shù)據(jù)本身的變化也是彼此關聯(lián)的，很難說誰主導了某個過程。”吳成來坦言。

另外，研究沙塵暴的變化，還不能忽略人類活動的影響。歷史上，一般是人類活動如放牧、樹木砍伐、農(nóng)業(yè)開墾等加劇了風沙活動，但近幾十年來，我國啟動了一系列生態(tài)恢復工程，包括三北防護林、京津冀風沙源治理工程等。“這些工程發(fā)揮了很多積極的作用，但貢獻多少還不得而知。如果不能區(qū)分這些工程帶來的作用和氣候環(huán)境自身演變的影響，我們對我國北方沙塵活動的直接預估結果都是不可靠的。”吳成來補充道。

未來發(fā)展：

深入鉆研與知識集成

在可預知的未來，沙塵暴勢必不會消失，還將不斷發(fā)生。探清沙塵暴變化蘊含著怎樣的真相，吳成來還有很多的研究工作要做。展望未來，他充滿希望，也提出了自己的規(guī)劃：“風沙物理學是一個多學科交叉、多時空尺度相互作用的問題，希望自己將來能在地表參數(shù)和風力的變化及兩者的相互作用上獲取更多的認識，這是起沙過程中最復雜的問題。另外，目前的地面和衛(wèi)星觀測手段也越來越豐富，天氣預報和氣候預測也有長足的進步，通過集成多種觀測信息以及氣象預測的理論和知識將可以大大提升對沙塵暴演變的認識與預報。”

（責編：關弋）