觸發2023年春季中國北方沙塵暴的沙源累積和天氣擾動機制

摘要 2023年3—4月，我國共出現10次沙塵天氣過程，其中3月19—24日和4月9—13日的沙塵過程分別達到強沙塵暴和沙塵暴等級，給人群健康、生態環境和交通運輸帶來了嚴重不利影響。后冬至前春的歐亞大氣環流異常呈緯向帶狀分布，導致沙源地的地表氣溫以及土壤溫度持續偏暖、降水整體偏少、蒸散發效應顯著。疏松的沙源為春季沙塵天氣提供了豐富的物質基礎。觸發3月19—24日和4月9—13日沙塵暴過程的天氣擾動系統都是蒙古氣旋，但兩次蒙古氣旋及其與后部冷高壓的配置存在差異，這也直接造成兩次沙塵暴過程在強度、路徑和持續時間上的差別。此外，本文也從氣候累積效應和天氣擾動機制兩個方面分析了沙塵事件的研究重點，并側重討論了開展沙塵次季節-季節以及年代際預測的必要性和關鍵點。

關鍵詞沙塵暴;沙源地;蒙古氣旋;PM10;極端氣候

沙塵暴是一種常見的春季極端天氣氣候事件，給我國北方地區的國民經濟和人民生命財產帶來了嚴重的損失和極大的危害（Yin et al.，2023a）。沙塵暴發生時，狂風裹挾著沙石，所過之處沙石和浮塵彌漫，PM10濃度顯著升高（Krasnov et al.，2016）。例如，2021年3月15日的華北超級沙塵暴就導致烏蘭察布市PM10濃度“爆表”（gt;9 985 μg·m-3），北京市PM10濃度也超過7 000 μg·m-3（Yin et al.，2022）。PM10屬于可吸入顆粒物，并且可能含有各種有毒化學物質和病菌等，容易引起呼吸系統和眼科疾病（Tobias et al.，2019）。同時，沙塵暴會造成能見度顯著降低（Gui et al.，2022），導致飛機不能正常起落、高鐵和汽車停運等。此外，沙塵暴頻發意味著沙源地土壤損蝕，也會導致沙塵路徑上的農業和畜牧產能下降（Ahmadzai et al.，2023）。

影響我國的沙塵源地主要為北方干旱和半干旱地區的沙地、沙漠以及干涸湖床（霍文等，2019）。比如，塔克拉瑪干和蒙古戈壁沙漠的沙石經由地面強風擾動卷入空中，可經由西風急流長距離傳輸到中國東部（Huang et al.，2008）。近年來沙源地正在發生顯著變化，沙源地的植被覆蓋、土壤濕度和疏松程度等都直接影響觸發沙塵暴的物質條件（Tai et al.，2021）。上述要素貢獻了2010—2017年間東亞沙塵活動減少這一現象的54％（Wu et al.，2022）。值得注意的是，沙源的形成需要前期氣候累積效應，這也為沙塵活動提供了一定的氣候可預測性（Ji and Fan，2019）。2020／2021年前冬，蒙古國周邊沙源地的氣溫和土壤溫度持續偏低（1979年以來最低），而后冬氣溫和土壤溫度持續偏高（1979年以來最高），快速的土壤墑情轉換導致春季土質極為疏松（Yin et al.，2023b）。同時，整個冬季沙源地降水偏少，土壤干化，導致植被覆蓋很差。有利的氣候效應累積到2021年春季，給沙塵暴提供了極為有利的沙源條件（Yin et al.，2022）。

沙塵天氣的強度受到沙源情況和天氣擾動強度的共同影響（葉篤正等，2000）。起沙、傳輸和沉降等過程均與天氣尺度的大氣擾動密切相關（Gong et al.，2006;Wang and Fang，2006）。與沙塵天氣密切聯系的天氣系統類型包括蒙古氣旋與冷鋒混合型、純干冷鋒型和蒙古冷高壓型等（劉景濤等，2004）。對于影響華北和東北等地的沙塵，蒙古氣旋及其后部冷高壓是關注的重點，二者之間的配置決定了兩個系統之間的斜壓強度，從而影響起沙、輸送過程（Zhao and Zhao，2006;Li et al.，2022）。蒙古氣旋可以帶來強陣風和不穩定熱力條件，進而擾動疏松地表，并通過上升運動將地面沙塵卷入1 000 m以上的高空（Uno et al.，2008）。同時，蒙古氣旋與其后方高壓系統之間的強氣壓梯度會導致強勁的偏北大風，將空中懸浮的沙塵向下游傳輸。蒙古氣旋的移動速度和方向是沙塵傳輸路徑的主控因子，也是沙塵天氣預報的重點（Takemi and Seino，2005）。在沙塵傳輸過程中，西風角動量下傳可以顯著加速沙塵粒子的沉降，并增強近地面大風，在距離沙源地幾百、甚至數千公里的地方形成一次沙塵天氣（彭舒齡等，2019）。沙塵天氣一般持續時間比較短，但當蒙古氣旋移速緩慢時也會導致沙塵天氣的維持（姜學恭和沈建國，2006）。在沙塵天氣過程后期，偏南風的出現也有可能引起沙塵回流（徐文帥等，2014）。

沙塵活動的長期變化非常復雜，既包括年際、年代際分量，也受到全球變暖的顯著影響（康杜娟和王會軍，2005;Zhu et al.，2008）。1966—1979年和2000—2014年，我國北方春季沙塵頻次偏多，但1980—1990年的沙塵頻次顯著降低（Fan et al.，2018）。2010—2017年，東亞沙塵活動減少，但強沙塵暴仍時有發生。消失十幾年的超級沙塵暴在2021年重現華北，引發人們關于“我國沙塵是否進入了新的活躍期”的思考，但隨后沙塵活動在2022年春季又有所減弱（https：／／www.cma.gov.cn／zfxxgk／gknr／qxbg／202303／t20230324_5396394）。2023年春季，我國發生了多次大范圍強沙塵天氣過程（圖1），再次加深了社會各界的困惑和擔憂。因此，本文將解析觸發2023年春季中國北方沙塵暴的沙源累積和天氣擾動機制，旨在及時解答政府部門和公眾高度關注的科學問題，也有利于深化對沙塵暴這一極端事件及其機制的科學認識。

1 數據與方法

2023年3月1日至4月30日逐小時PM10濃度數據來自中國環境監測總站，可通過https：／／quotsoft.net／air／公開下載。退偏振比由北京南郊觀象臺激光雷達觀測，該數據可以表征沙塵的垂直分布情況。1980—2023年的逐小時氣象數據來自歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的第五代大氣再分析數據集（ERA5;Hersbach et al.，2023），包括海平面氣壓、10 m陣風風速、降水、地表溫度和蒸發，以及多層位勢高度、相對濕度、溫度、經向和緯向風以及土壤溫度數據（空間分辨率為1°×1°）。K指數通過（T850-T500）+Td850-（T700-Td700）計算得出，其中T850、T700和T500分別為850、700和500 hPa的溫度，Td850和Td700分別為850和700 hPa露點溫度，并通過850和700 hPa溫度與相對濕度計算得出。2023年歸一化植被指數（NDVI）來自美國國家海洋大氣局（NOAA）國家環境信息中心，空間分辨率為0.1°×0.1°（Vermote，2019）。2020年全球地表覆蓋數據來自GlobeLand30（Jun et al.，2014），數據空間分辨率為30 m。

本文采用HYSPLIT模型（https：／／www.ready.noaa.gov／index.php）追蹤了2023年3月22日北京和哈爾濱以及4月10日和11日北京和南京發生的沙塵天氣后向軌跡。該模型使用移動的參考系來進行對流和擴散計算，使用的是拉格朗日方法的一種混合方法（Stein et al.，2015）。蒙古氣旋強度及路徑是根據氣旋的天氣學定義計算得來（壽紹文，2002）。蒙古氣旋定義為：在90°～160°E、40°～60°N區域內，氣旋中心海平面氣壓不高于1 010 hPa并且低于其周圍8個格點的海平面氣壓值，且以氣旋中心為圓心的5×5個網格范圍內平均氣壓梯度大于等于0.55 hPa／（100 km）。蒙古氣旋強度定義為蒙古氣旋中心最低氣壓值，氣旋移動路徑定義為氣旋中心最低氣壓位置的變化路徑。

2 2023年春季沙塵特征

2023年3—4月，我國共出現10次沙塵天氣過程，頻次是近10年同期最高的（圖1）。其中，3月我國集中發生沙塵天氣過程4次，3月19—24日的過程達到強沙塵暴等級，影響范圍超過480萬平方公里;4月發生了6次沙塵天氣過程，4月9—13日的沙塵暴影響面積超過450萬平方公里。相對于2021年3月14—17日的超級沙塵暴，2023年的兩次沙塵暴強度稍弱，但持續時間更長、影響范圍更大，給人民生活、交通運輸和生態環境帶來了嚴重的威脅。

3月19—24日，強沙塵暴過程的傳輸高度在1 500～2 000 m（圖2a），經烏蘭察布市（22日00—12時，北京時，下同;PM10gt;500 μg·m-3），影響北京（22日03—18時）和哈爾濱（22日10—23時，圖3a），向南最遠推進到長三角地區（23日18時—24日0時，圖略）。

此次強沙塵暴的傳輸路徑偏北，從華北到東北大片地區的PM10質量濃度超過1 000 μg·m-3，部分站點PM10質量濃度超過3 000 μg·m-3（圖4a）。尤其是給我國東北地區帶去了大量的沙塵氣溶膠，導致哈爾濱的PM10質量濃度超過3 600 μg·m-3（圖1）。同時，北京和南京的PM10質量濃度也分別達到了2 180和680 μg·m-3以上，能見度急劇下降。

雖然，4月10日烏蘭察布的PM10質量濃度比3月20日高，超過7 000 μg·m-3，但沙塵粒子在向下游傳播后導致的沙塵暴強度卻弱于3月19—24日的天氣過程（圖1）。4月09—13日，沙塵粒子的傳輸高度在3 000 m左右（圖2b），經北京（10日20時—11日12時）向南傳輸影響南京（11日17時—12日06時，圖4b）、杭州（12日00—09時）和福州（13日00時左右），并于12日下午回流到北京（圖略）。此次沙塵暴過程對北京的影響累計持續了70多小時，給首都生產生活帶來了嚴重不利影響。沙塵經過超長距離的傳輸向南經南京（PM10=1 658 μg·m-3），到達福州（PM10=440 μg·m-3）。同時，4月10—12日期間哈爾濱的PM10質量濃度也持續超過500 μg·m-3，表明此次沙塵暴對東北地區依然有強烈且持續的影響（圖1、圖3b）。

3 沙源條件

從衛星觀測和HYSPLIT后向軌跡追蹤都可以發現蒙古國周邊裸露的戈壁沙漠是2023年兩次沙塵暴過程的主要沙源地（圖3）。雖然戈壁沙漠及周邊沙地常年存在，但沙源地的植被覆蓋、土壤濕度和沙土疏松程度等存在顯著的年際變化，直接影響到起沙的難易程度和效率（Zou and Zhai，2004）。前期沙源地持續的高溫和干旱氣候有利于沙源的形成（Yin et al.，2022）。當蒙古國周邊的沙地積累了大量干燥松散的沙狀物質后，一遇大風，沙塵就會隨風而起，極易產生沙塵或沙塵暴（如2021年春季）。

2023年2月至3月上旬蒙古國附近的地表氣溫持續偏暖，尤其是3月上旬持續偏暖8 ℃以上。雖然3月19—23日的大陸冷高壓給沙源地帶來了一次降溫，但并不能有效改變地表偏暖的狀態（圖5a）。持續偏暖的大氣加熱了地表以下30 cm的土壤溫度，引起土壤快速失墑，接近兩個月的累積效應導致春季的土質變得極為疏松。值得注意的是，2023年2—3月的大氣2 m氣溫和土壤溫度均是1980年以來的第二高，僅次于發生超級沙塵暴的2021年（圖5b）。2022年11月，沙源地的降水接近常年氣候態。從2022年12月至2023年3月，沙源地的降水都處于偏少狀態，且偏少程度隨時間而加重。2023年3月的降水已經較1980—2023年同期平均偏少接近50％（圖5d），并且達到了1980年以來歷史同期的最低值。同時，因為溫度持續偏暖，沙源地2—3月的水分蒸發持續偏強（圖5e）。

降水偏少與蒸發偏強產生的疊加效應顯著，導致地表基本無積雪覆蓋，致使土壤干化、開裂，阻礙了植被返青和生長（Jia et al.，2011）。沙源地冬春季持續偏暖和偏干的氣候條件造成2023年3月較差的植被覆蓋狀況，大部分區域的歸一化植被指數均低于0.1（圖5c），呈現出多巖石和沙子的貧瘠條件（John and David，2000）。因此，2022年冬春季的氣候累積效應使得原本就裸露的地表產生了大量干燥松散的沙礫，為沙塵暴的發生提供了極為有利的沙源條件。

沙源地的氣候條件顯著受到大尺度大氣環流的調控。2023年2—3月的大氣環流異常總體呈緯向分布，與2021年后冬的大氣環流分布相似。東亞極鋒急流增強、而副熱帶急流減弱（Luo and Zhang，2015），共同導致西伯利亞高壓和東亞大槽的減弱，中高緯大氣的經向度減弱（圖6a），也就意味著東亞冬季風偏弱，不利于冷空氣南下。北極地區的500 hPa位勢高度負距平呈帶狀分布，烏拉爾山高壓減弱;副熱帶至中緯度地區則為位勢高度正異常分布，冷空氣被限制在極地。蒙古國周邊受到從西北太平洋延伸至東亞地區的高壓控制（圖6a），不僅冷空氣難以到達，而且短波輻射加強，導致沙源地的地表氣溫以及土壤溫度持續偏暖（圖5a）。此外，對流層低層的高壓異常位于阿留申群島至日本島，呈東北-西南走向，不僅導致阿留申低壓偏弱，而且驅動太平洋的水汽通道遠離內陸地區。同時，來自北冰洋的冷空氣和水汽輸送也被中心位于巴倫支海-喀拉海的低壓異常所切斷，在蒙古國上空形成顯著的輻散區（圖6b），從而使得2023年冬春季降水顯著偏少（圖5d）。

4 天氣擾動機制

觸發3月19—24日強沙塵暴天氣過程的蒙古氣旋強度強，且與后部冷高壓配合形成了超過52 hPa的氣壓差。同時，沙源地上方高低空溫差達到30 ℃以上，不穩定抬升作用強勁。大風的卷揚作用以及大氣熱力不穩定抬升作用導致大量沙塵被卷向空中。3月22日00時，蒙古氣旋中心氣壓下降到988 hPa，其后方伴隨著強盛的冷高壓（1 035 hPa）。顯著的氣壓梯度及西風動量下傳造成烏蘭察布市出現7級的地面偏北陣風，PM10濃度超過6 600 μg·m-3（圖7a）。隨著蒙古氣旋進一步東移，強烈的偏北風裹挾著沙塵粒子向華北地區輸送（圖3a）。到達北京上空時，沙塵的傳輸高度在1 500～2 000 m。3月22日06時，在動量下傳的助力下，北京上空的穩定邊界層被打破（圖2a）。伴隨著20 m·s-1左右的偏北大風，沙塵沉降到地面，導致北京PM10濃度爆發性增長至2200 μg·m-3左右，較6 h之前增加了近10倍（圖7b）。隨著蒙古氣旋向東北方向移動，強沙塵暴于3月22日上午開始侵襲我國東北地區。3月22日16時，哈爾濱市的10 m陣風達15 m·s-1左右，PM10質量濃度達到3 650 μg·m-3（圖7c）。

雖然同樣由蒙古氣旋觸發，但4月9—13日沙塵暴過程與3月的強沙塵暴存在顯著不同。4月9—13日，蒙古氣旋的強度更強，在4月10日21時蒙古氣旋中心氣壓下降到983 hPa，接近2021年3月15日超級沙塵暴過程。但是，蒙古氣旋后部的冷高壓強度較弱（1 030 hPa左右），造成高低壓之間氣壓梯度和偏北風較前一次沙塵暴弱（圖8a）。超過30 ℃的高低空溫差表明不穩定抬升作用較強，結合地面大風擾動作用，可以有效起沙，并向下游傳輸（圖3b）。4月10日凌晨，沙塵氣團已經由蒙古氣旋傳輸到達北京上空。北京本地持續的上升運動導致沙塵氣溶膠一直懸浮在3 000 m左右的高空（圖2b）。

直到4月10日夜間，較強的下沉運動才將沙塵粒子沉降到北京地面，導致PM10質量濃度急速攀升到2 000 μg·m-3以上。同時，4月10日21時，北京市的10 m陣風達到6級。同時，蒙古氣旋也將沙塵氣溶膠傳輸到東北地區，4月10—12日期間哈爾濱的PM10質量濃度持續偏高（圖8b）。北京和哈爾濱的10 m陣風和PM10質量濃度均較3月19—24日過程低，說明強冷高壓與蒙古氣旋的有效配置對沙塵天氣的強度有重要影響。

4月9—13日的蒙古氣旋冷鋒更加狹長，鋒后偏北風可以將沙塵氣溶膠輸送到更低的緯度（圖8c、d）。4月11日18時，南京市的PM10質量濃度達到本次過程的極值，超過1 600 μg·m-3，同時也是2023年3月以來南京市PM10質量濃度的最高值（圖1）。在弱冷空氣的作用下，沙塵粒子進一步向南漂移，于4月12日夜間到達福州市（最高PM10質量濃度為440 μg·m-3）。可以非常清楚地發現，4月12日夜間有一個反氣旋性環流位于東海且維持，其后部偏南風影響華南到華北大片區域（圖8d）。在偏南風的作用下，沙塵粒子開始向北回流，導致中國東部PM10質量濃度持續偏高。在北京1 000 m以下的空中，有一個新的沙塵層出現并持續超過50 h（圖2b）。4月13日凌晨，北京市PM10質量濃度回升到780 μg·m-3以上。鋒面氣旋和偏南風回流的綜合作用導致此次沙塵過程持續時間超長。以北京為例，3月強沙塵暴的影響時間為15 h左右，而4月沙塵暴過程的鋒面氣旋影響時間接近18 h，回流影響時間接近58 h（圖1）。超過70 h黃沙漫天的環境給居民的心理和生理健康造成了巨大危害。

5 結論與討論

2023年2—3月歐亞大陸上空的大氣環流異常呈緯向帶狀分布，西伯利亞高壓和東亞大槽偏弱，蒙古國周邊受高壓異常控制，導致沙源地的地表氣溫以及土壤溫度持續偏暖（1980年以來的第二高）。此外，對流層低層也缺乏向沙源地的水汽輸送，從而使得2023年冬春季的降水顯著偏少（1980年以來歷史同期最低）。冬春季持續偏暖和偏干的氣候條件造成2023年2—3月沙源地產生了大量干燥松散的沙礫，為沙塵暴的發生提供了極為有利的沙源條件。沙塵天氣的起沙、傳輸和沉降等過程均與天氣擾動密切相關。觸發3月19—24日和4月9—13日沙塵暴過程的天氣擾動系統都是蒙古氣旋，但兩次蒙古氣旋及其與后部冷高壓的配置存在差異，這也直接造成兩次沙塵暴過程在強度、路徑和持續時間上的差別。3月19—24日的沙塵過程達到強沙塵暴等級，造成北京和哈爾濱的PM10質量濃度先后超過2 000和3 600 μg·m-3;4月9—13日的沙塵暴不僅影響了東北和華北地區，還造成長江以南杭州和福州等城市的PM10質量濃度顯著升高。4月18—21日，中國北方也出現了強沙塵暴，但其影響范圍明顯偏西，本文未展開討論。

全球變暖的背景下，極端天氣氣候事件表現出持續性、群發性、復合性和破紀錄等新特點（Yin et al.，2023a）。沙塵暴也是一種常發于春季的極端事件，最近幾年沙塵的年際差異明顯變大，如2021年春季華北發生了超級沙塵暴，2022年的沙塵天氣明顯減弱，但2023年的沙塵又變得很強。因此，有必要針對沙塵相關的天氣氣候機制開展研究。氣候尺度研究的關鍵點包括前期的多尺度海-陸-氣相互作用、北極海冰以及青藏高原等地球系統內部因子對沙源條件和蒙古氣旋頻次的協同影響、相對貢獻及其途徑和過程。天氣尺度研究則應聚焦于一周以內的蒙古氣旋和上下游配置，及其起沙、傳輸和沉降等動力過程，也應包括沙塵發生時天氣-化學雙向反饋、空氣質量和健康生態影響等（圖9）。在沙塵的天氣預報中，CMA-CUACE／Dust等沙塵暴數值預報業務系統可以提前一周預報東亞區域的沙塵濃度分布、傳輸路徑等，并向決策部門和社會公眾提供服務（http：／／www.asdf-bj.net／）。但是，提前1～3個月的沙塵氣候預測依然是國際難題（Ji and Fan，2019;董瑩等，2021;Wang et al.，2022）。目前，關于沙塵的氣候研究大多數關注其頻次的變化，氣候機制的解釋也側重于對蒙古氣旋頻次的影響。當前對于沙源條件的變化機制和人類活動影響的研究還不夠，這在一定程度上制約了沙塵事件的次季節-季節預測水平。因此，構建綜合考慮沙源條件和蒙古氣旋變化的氣候預測模型是值得關注的科學問題，也緊扣國家防災減災的重大需求。此外，2021年和2023年的嚴重沙塵暴也提出了一個科學問題，也就是“沙塵事件是否進入了新的活躍期”。對這個問題的回答，需要開展沙塵變化的年代際機制和預測研究，也在一定程度上涉及沙塵趨勢的未來變化預估等。

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·ARTICLE·

Mechanisms of dust source accumulation and synoptic disturbance triggering the 2023 spring sandstorm in northern China

YIN Zhicong1，HUO Qianyi1，MA Xiaoqing1，ZHANG Yijia1，MA Xiaohui2，WANG Huijun1

1Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters／Key Laboratory of Meteorological Disasters，Ministry of Education／School of Atmospheric Sciences，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China;2Beijing Weather Forecast Center，Beijing 100089，China

Abstract From March to April in 2023，10 dust weather processes occurred in China.The processes from 19 to 24 March and from 9 to 13 April reached the level of strong sandstorm and sandstorm respectively，bringing adverse impacts on population health，ecological environment and transportation.The anomalous Eurasian atmospheric circulations showed a zonal distribution from the late winter to early spring，the Siberian high and the East Asian trough were weak，and the area around Mongolia was controlled by the high pressure anomaly，which resulted in the continuous warm surface air temperature and soil temperature in the dust source area （the second highest since 1980）.In addition，the lower troposphere also lacked water vapor transporting to the sand source，resulting in significantly less precipitation in the winter and spring of 2023 （the lowest in history since 1980）.The continuous warm and dry climate conditions in winter and spring resulted in a large number of dry and loose gravel in the dust source area from February to March in 2023，which provided extremely favorable dust source conditions for the occurrence of sandstorms.The synoptic disturbance systems that triggered the sandstorms in March 19—24 and April 9—13 were both Mongolian cyclones.However，the two Mongolian cyclones and their configuration with the rear cold high were different，which directly caused the differences in the intensity，path and duration of the two sandstorms.From 19 to 24 March，the dust process reached the level of strong sandstorm，causing PM10concentrations in Beijing and Harbin to exceed 2 000 and 3 600 μg·m-3 respectively.The sandstorm from 9 to 13 April not only affected Northeast and North China，but also caused a significant increase in PM10 concentration in cities south of the Yangtze River，such as Hangzhou and Fuzhou.Moreover，the research emphases of dust events from the aspects of climate cumulative effect and synoptic disturbance mechanism are analyzed，and the necessity and key points of conducting subseasonal-seasonal and interdecadal prediction of dust events are discussed.Furthermore，severe sandstorms in 2021 and 2023 also raise the scientific question，“Have dust events entered a new period of activity？”.To answer this question，it is necessary to study the interdecadal mechanism and prediction of dust change，and also to predict the future change of dust event trend to a certain extent.

Keywords sandstorm;dust source area;Mongolian cyclone;PM10;extreme climate

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20230501007

（責任編輯：張福穎）