我國沙塵天氣特征及溯源分析

收稿日期：2023-11-27

基金項目：國家林業和草原局西北調查規劃院科技創新發展與研究項目“我國沙塵暴沙塵物質溯源研究”（xby-kjcx-2021-

01）；國家氣象中心氣象現代化建設專項課題“生態治理背景下的渾善達克沙地起沙氣象條件分析”（QXXDH202222）

第一作者：張碧輝（1983- ），男，博士，高級工程師，研究方向為沙塵天氣機理研究和預報評估技術。E-mail：zhangbh@cma.gov.cn

通信作者：花叢（1984- ），女，碩士，高級工程師，研究方向為沙塵天氣預報評估。E-mail：floweronly@163.com

摘要：文中基于長時間序列的氣象觀測數據和最新研究結論，分析了我國沙塵天氣的時空分布及傳輸特征，并結合近年來典型沙塵天氣過程介紹沙塵溯源方法。結果表明：我國沙塵天氣發生頻率由西北向東南方向減少，空間分布基本與沙化土地及荒漠化土地分布一致。2000年以來，沙塵天氣過程次數呈現顯著減少的趨勢。我國的沙塵天氣傳輸路徑主要包括偏西路徑、西北路徑、偏北路徑、新疆南疆盆地型和東北局地型，其中西北路徑型所占比例最高。多種沙塵溯源分析結果顯示，蒙古國是我國北方沙塵的重要源區之一；此外，蒙古國和我國北方地區的沙源地地表和起沙狀況的定量監測能力不足，沙塵來源解析評估技術能力仍有待提高，針對沙塵路徑區的治理措施研究有待深化。針對現存問題提出3點建議：1）加強國際合作，提升沙塵源區和傳輸路徑的實況監測能力；2）提升部門間科研合作力度，開展沙塵溯源分析技術聯合攻關；3）優先啟動沙塵路徑區治理項目，根據沙塵路徑區自然條件，有針對性地開展多樣化的沙塵路徑區沙化土地治理。

關鍵詞：沙塵天氣；時空分布；傳輸路徑；溯源分析

中圖分類號：X43 文獻標識碼：A 文章編號：2096-9546（2024）01-0020-06

DOI： 10.12344/lczcyj.2023.11.27.0005

張碧輝，李譚寶，徐冉，等.我國沙塵天氣特征及溯源分析［J］.林草政策研究，2024，4（1）：20-25.

Characteristics of Sand and Dust Weather in China and Its Traceability Analysis

Zhang Bihui1 Li Tanbao2 Xu Ran1 Wang Jikang1 Hua Cong1

（1.National Meteorological Center， Beijing 100081， China；

2.Northwest Surveying and Planning Institute， National Forestry and Grassland

Administration， Xi’an 710048， Shaanxi， China）

Abstract： Based on long-term meteorological observation data and the latest research， this paper analyzes the spatiotemporal distribution and transmission characteristics of sand and dust weather in China， and introduces dust traceability methods with an eye to typical dust weather processes in recent years. The results show that the frequency of sand and dust weather in China decreases from northwest to southeast， and the spatial distribution is basically consistent with the distribution of sandified land and desertified land. Since 2000， the frequency of sand and dust weather processes had shown a significant decrease. The transmission paths of sand and dust weather in China mainly include the westward path， northwest path， northward path， South9U+rJ9/qwlQG7msNNvshEmvfi+sDpQ+jOjJMB/TJlRk=ern Xinjiang Basin path， and the northeast local path， while the northwest path has the highest proportion. The results of multiple dust traceability analyses show that Mongolia is one of the major source areas of sand and dust in northern China. In addition， the capacity to quantitatively monitor the land surface at sand source areas and dust production situation is insufficient in Mongolia and North China， and the technical capacity to analyze and evaluate the source of sand and dust needs to be improved. In view of the current problems， suggestions are proposed： 1） Strengthening the international cooperation to improve the real-time monitoring of source area and the transmission path of sand and dust; 2） Improving the sectoral collaboration in science research for promoting the joint technical breakthrough actions for sand/dust traceability analysis; and 3） Priority would be given to start the sand and dust path area treatment project， and diversified sand and dust path area sandy land management is supposed to be carried out in a targeted manner according to the natural conditions.

Keywords： sand and dust weather; spatiotemporal distribution; transmission path; traceability analysis

沙塵天氣是沙粒、塵土懸浮空中，使空氣混濁、能見度降低的天氣現象。依據沙塵天氣發生時的水平能見度和風力大小，從弱到強分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5個等級［1］。我國是世界上荒漠化面積最大的國家之一，在一定的氣象條件下易于形成致災性沙塵天氣，嚴重影響交通、農業、生態安全和經濟社會可持續發展。國務院于2022年4月印發《氣象高質量發展綱要（2022—2035）》，強調要筑牢氣象防災減災第一道防線，提高包括沙塵暴在內的氣象災害監測預報預警能力。2022年底，國務院審批同意實施《全國防沙治沙規劃（2021—2030年）》，指出要以保護生態和改善民生為目標，全力推進防沙治沙高質量發展。自1978年起，我國啟動了“三北”防護林工程等一系列生態保護建設工程，通過在干旱半干旱地區植樹造林來減輕風沙災害［2］。近年來，在生態治理取得顯著成效的背景下，部分年份仍呈現沙塵天氣廣發、頻發，極端性強的特征。2023年6月，習近平總書記在內蒙古自治區巴彥淖爾考察時強調，我國荒漠化防治和防沙治沙工作形勢依然嚴峻，應7ABfRffWdrq5DlM7ZSmiOA==重點加強同周邊國家的合作，共同應對沙塵災害天氣。2023年12月，《中共中央 國務院關于全面推進美麗中國建設的意見》指出，要聚焦影響北京等重點地區的沙源地及傳輸路徑，持續推進“三北”工程建設和京津風沙源治理。本文將結合近年來相關研究成果，介紹我國沙塵天氣時空分布、傳輸特征以及溯源分析結果，并針對沙塵天氣傳輸和溯源分析方面的現存問題提出建議，為科學開展防沙治沙工作、扎實推進山水林田湖草沙一體化保護和系統治理提供決策依據。

1 沙塵天氣時空分布特征

1.1 沙塵天氣的空間分布

在我國，沙塵天氣主要影響處于35°—49°N、74°—119°E的廣大北方地區，空間分布基本與沙化土地及荒漠化土地分布一致，屬于中亞沙塵暴區域的一部分。這些地區受荒漠化影響和危害比較嚴重，植被稀疏，在大風天氣影響下易形成沙塵天氣。沙塵天氣發生頻率由西北向東南方向減少，有2個年均沙塵天氣日數超過25天的沙塵多發區［3］：一個多發區位于新疆維吾爾自治區（新疆）東部及南疆盆地，其中南疆盆地部分站點年均沙塵天氣日數超過100天；另一個位于內蒙古自治區（內蒙古）西部巴丹吉林沙漠周邊地區，年均沙塵天氣日數一般不超過50天。我國沙塵暴的影響范圍與年平均降水量小于600 mm的范圍基本一致，西北、華北大部、青藏高原和東北平原地區是沙塵暴的主要影響區，塔里木盆地及其周圍地區、阿拉善高原和河西走廊東北部是沙塵暴的高頻區。我國主要有3個強沙塵暴中心，包括以甘肅民勤為中心的河西走廊及內蒙古阿拉善高原、以新疆和田為中心的南疆盆地南緣、以內蒙古朱日和為中心的內蒙古中部。

1.2 沙塵天氣的變化趨勢

沙塵天氣的發生頻率、強弱與下墊面狀況和氣象條件均有密切關系。從20世紀50年代至21世紀初，我國北方沙塵天氣總體呈下降趨勢，但不同年代呈現出一定的波動［4-6］。20世紀50—70年代沙塵天氣發生頻繁，20世紀80—90年代整體減少，變化原因主要包括生態環境及氣象條件2方面。

21世紀初，我國北方沙塵天氣進入新一輪活躍期［7］。2000—2002年，受拉尼娜事件影響，我國北方冬春季大風天氣頻繁出現，疊加降水偏少、氣溫偏高等因素，沙塵天氣呈現頻次高、發生時間提前、持續時間長、強度大、影響范圍廣等特征。2003年以來，沙塵天氣呈現先減少后增加的趨勢，總體少于2000年之前。

依據沙塵天氣的范圍和強度，可以確定區域性沙塵天氣過程等級。與沙塵天氣等級對應，沙塵天氣過程也分為浮塵、揚沙、沙塵暴、強沙塵暴和特強沙塵暴5個等級［3］。2000—2010年，我國平均每年出現沙塵天氣過程15.7次；2011—2014年，沙塵天氣過程偏少（每年發生7～10次），平均每年出現8.8次；2015—2022年，平均每年出現沙塵天氣過程的次數增加至12.4次［8］。2023年，我國共出現了17次沙塵天氣過程，為近10年以來最多。

2000—2023年，沙塵暴天氣過程次數呈現顯著減少的趨勢。除2003、2009、2013、2017、2022年外，其他年份均會出現1～2次強沙塵暴天氣過程。2001、2002和2006年沙塵天氣頻率高、強度大，強沙塵暴天氣過程多達4～5次。

2 沙塵天氣傳輸特征

2.1 沙塵天氣路徑分型

沙塵粒子的轉運軌跡與造成沙塵天氣的冷空氣移動密切相關［9-11］。根據多年數據統計，我國沙塵天氣有5種典型路徑［3］：偏西路徑、西北路徑、偏北路徑、新疆南疆盆地型和東北局地型［12］。偏西路徑的沙塵天氣起源于蒙古國、我國內蒙古西部或新疆南部，受偏西氣流引導，沙塵主體向偏東方向移動，主要影響我國西北、華北，有時會影響到東北地區西部和南部。西北路徑沙塵天氣一般起源于蒙古國或我國內蒙古西部，受西北氣流引導，沙塵主體自西北向東南方向移動，或先向東南方向移動，而后隨氣旋收縮北上轉向東北方向移動，主要影響我國西北和華北，甚至會影響到黃淮、江淮等地。偏北路徑沙塵天氣起源于蒙古國或我國東北地區西部，受偏北氣流引導，沙塵主體自北向南移動，主要影響我國東北地區南部和華北大部，有時會影響到黃淮等地。南疆盆地型沙塵天氣起源于新疆南部，并主要影響該地區。東北局地型沙塵天氣影響面積較小，沙塵主體沒有明顯的移動，主要發生在沙塵源區及附近區域。其中，影響華北地區的沙塵天氣移動路徑以偏西、偏北和西北路徑型為主。

2.2 沙塵天氣傳輸特征

2000—2022年，我國共出現307次大范圍沙塵天氣過程［12］。其中，揚沙天氣過程占比57.7%，沙塵暴天氣過程占比30.9%，其余11.4%為強沙塵暴天氣過程。通過分析發現，5種典型沙塵傳輸路徑中，西北路徑型所占比例最高，可達38.1%；其次為偏西路徑型和偏北路徑型，分別占到33.9%和15.0%；東北局地型出現頻次較少，為8.5%；南疆盆地型占比最低，僅為4.5%。

從不同強度沙塵天氣傳輸特征來看，對于揚沙天氣過程，其傳輸特征與所有沙塵天氣過程的傳輸特征較為一致。這主要是因為揚沙是影響我國北方地區的最主要沙塵天氣類型，尤其是自2015年起揚沙天氣過程數量較之前顯著增長，連續7年占比均超過了60%，從而導致二者的路徑特征較為相似。沙塵暴天氣過程多通過西北路徑（44.2%）和偏西路徑（36.8%）傳輸；偏北路徑型（9.5%）和南疆盆地型（6.3%）的出現比例均不足10%；東北局地型沙塵暴占比最低，僅為3.2%。對強沙塵暴事件，西北路徑和偏西路徑的貢獻比例相當，分別為42.8%和40.0%，遠高于其他傳輸路徑；偏北路徑的占比相比其在沙塵暴天氣過程中的占比略有增加，上升至11.4%；而新疆南疆盆地和東北局地發生的小尺度區域性強沙塵暴過程僅各占2.9%。

2.3 影響華北地區的沙塵天氣傳輸特征

2010—2022年，在影響華北地區的春季沙塵天氣過程中，西北路徑出現次數最多（20次，占比為37.1%），偏西路徑次之（18次，占比為33.3%），偏北路徑最少（16次，占比為29.6%）。將研究期以大致4年為周期劃分為3個階段（P1：2010—2013年；P2：2014—2017年；P3：2018—2022年），分析傳輸路徑的變化規律。結果表明，西北路徑在P1階段占主導（56.3%），隨后呈現“先降后升”的變化趨勢，由P2階段的9.1%增加至P3階段的37.1%。偏西路徑的變化趨勢與西北路徑較為一致，由P1階段的31.3%降至P2階段的18.2%，隨后增加到P3階段的40.7%。偏北路徑在P1階段占比僅為12.4%，在P2階段迅速增加至72.7%，P3階段減少至22.2%。由此可見，影響華北地區的沙塵天氣傳輸特征表現為，2010—2013年以西北路徑為主，2014—2017年表現為顯著的偏北路徑輸送特征，2018—2022年則以偏西路徑為主。

2010—2022年，在華北地區出現的沙塵天氣過程中，揚沙天氣過程占比68.1%，沙塵暴天氣過程占比20.3%，強沙塵暴天氣過程占比11.6%。沙塵暴天氣過程多通過西北路徑和偏西路徑傳輸。其中，西北路徑占比達到57.2%；偏西路徑占比為35.7%；偏北路徑占比最低，僅為7.1%。對強沙塵暴天氣，西北路徑和偏西路徑的比例相當，均為37.5%；偏北路徑占比達25.0%。

3 沙塵溯源分析

3.1 沙塵溯源方法

沙塵溯源是一個受到普遍關注的科學問題，對沙塵天氣預報預警、防沙治沙都有重要參考價值，甚至在古氣候學研究［13］方面也有十分重要的意義。目前，沙塵溯源的方法主要分為3類：一是基于觀測的地球化學分析方法，二是基于衛星遙感的沙塵路徑監測，三是基于數值模式的溯源分析。

基于觀測的地球化學分析方法［14-15］，是利用不同沙塵源區沙塵粒子的不同理化性質對沙塵進行溯源。目前，針對沙塵粒子理化性質的分析主要采用4種方法：1）根據不同地區的重礦特征進行溯源分析。但是一些研究［14］指出中國大部分沙源地不具備特有的重礦特征，因此利用該方法無法實現精確溯源。2）根據不同沙源地存在的不同元素組合的富集系數對沙塵樣品進行溯源分析。3）根據不同沙源地存在的不同稀土元素特征進行溯源分析。4）根據沙漠區域一些元素的同位素特征差異進行溯源分析。以上4種方法均存在不同的局限性，研究中往往采用多種方法配合，以實現精確的溯源分析。

基于衛星遙感的沙塵路徑監測，是利用衛星遙感影像全流程監測沙塵天氣過程，以判斷沙塵主要傳輸路徑。目前，MODIS、CALIPSO、風云系列等衛星遙感產品都被用于研究沙塵天氣的來源和傳輸［16-17］。另外，在利用衛星監測時配合使用后向軌跡分析［18］等方法，可以較為直觀地分析沙塵傳輸路徑。然而，沙塵天氣復雜多變，在一次過程中同時存在著沉降和起沙活動。因此，依靠衛星遙感雖然可以對沙塵的傳輸路徑起到有效的監測，但難以對沙塵天氣過程進行精確的溯源分析。

基于數值模式的沙塵溯源分析［19］，是基于沙塵數值模式對不同沙塵源區起沙、傳輸和沉降過程進行全流程示蹤，以對沙塵傳輸過程進行定量化分析。全流程示蹤方法是在數值模式中對不同沙源地的起沙加入標記變量，被標記的沙塵粒子變量在數值模式中與沙塵粒子同時進行傳輸、擴散和沉降，從而對沙源地所有沙塵粒子進行全流程的跟蹤。該方法依賴于沙塵數值模式的模擬效果，在沙塵數值模式模擬效果較好的情況下，基于沙塵源示蹤的方法可以進行精準溯源。沙塵數值模式的關鍵在于起沙方案參數化［20］，一般包含3個重要參數：臨界起沙摩擦速度、水平躍移沙塵通量和垂直起沙通量。

3.2 典型沙塵天氣過程溯源案例

3.2.1 強沙塵暴天氣過程

2021年3月13—18日，近10年最強的強沙塵暴天氣過程影響我國西北、華北、東北地區以及黃淮、江淮等地。沙塵影響面積超過450萬km2，多地PM10爆表，北京局地PM10峰值濃度超過9 000 μg/m3。針對這次過程，基于數值模式的沙塵溯源分析結果表明，對于北京的沙塵來源，蒙古國的貢獻占比可達80%，我國內蒙古中部沙源地的貢獻占比低于20%；對我國中東部大部分區域，蒙古國的沙塵濃度貢獻均超過70%。因此，蒙古國的地表狀況是本次沙塵天氣過程形成的關鍵。浙江大學團隊［14］利用高時間分辨率的遙感數據、實時氣象數據，并結合所獲珍貴樣品的微量/稀土元素組成、鍶—釹（Sr-Nd）同位素比值等數據，對這次沙塵天氣過程進行了系統分析。結果發現，大多數樣品難以用中國境內的源區來解釋，遠源的蒙古國貢獻明顯。中國境內的庫布齊沙漠和毛烏素沙地對這次沙塵天氣過程幾乎沒有貢獻。在包頭背景樣本中，輕稀土元素相比地殼富集約5～10倍。通過分析此次過程沙塵樣本數據庫［21］發現，包頭沙塵樣本的輕稀土元素相比地殼富集約3倍，但其他元素均與地殼相似，說明外來的沙塵傳輸稀釋了高的背景濃度。對包頭的樣本做進一步分析發現，遠距離傳輸對本次沙塵過程的貢獻可達74%。

綜合多種方法的溯源結果顯示，此次沙塵天氣過程起源于蒙古國中南部，蒙古國的沙源地對我國北方大部地區的沙塵貢獻可超過70%。

3.2.2 春季沙塵天氣過程

2023年春季（3—5月），我國共出現了13次沙塵天氣過程，5次達沙塵暴及以上強度（包含3次沙塵暴過程和2次強沙塵暴過程）。沙塵過程次數較2000年以來同期（10.3次）多2.7次，為近10年以來同期最多。蘭州大學團隊［22］基于數值模式和軌跡分析模型分析了2023年3—4月中國北方沙塵的來源，結果顯示，蒙古國和塔克拉瑪干沙漠是中國北方沙塵最主要的源區，其中蒙古國的貢獻占比達到42%。結合氣象條件分析和數值模擬對沙塵溯源初步評估分析結果顯示，2023年4月的3次沙塵天氣過程中（9—13日，17—20日，25—29日），新疆沙源地的起沙通量占起沙總量的43%，蒙古國和內蒙古的起沙通量分別占35%和22%；其中4月9—13日過程中，蒙古國起沙量更大，占到57%，新疆和內蒙古分別占22%和21%。不同沙源地起沙后通過傳輸影響不同地區。4月的3次沙塵天氣過程中，對于華北和東北地區，蒙古國沙源地貢獻最大，分別占49%和51%；來自內蒙古的貢獻分別為32%和23%，新疆的貢獻分別為19%和26%。不同團隊的評估結論基本量級相當，具體數值有待于進一步獲取更系統的觀測數據進行對比驗證。

由以上典型沙塵天氣過程的溯源分析結果可知，蒙古國沙源地的起沙和傳輸對我國北方地區沙塵天氣貢獻顯著。多種溯源方法的綜合應用有助于精準確認沙塵源區，并區分不同沙源地的定量化貢獻。

4 問題與建議

4.1 問題

未來在全球變暖背景下，對我國產生影響的沙塵天氣可能呈現更加復雜的時空變化趨勢，也對防沙治沙工作提出了新的挑戰。目前，在沙塵天氣傳輸特征和溯源分析方面主要存在如下問題：

1） 定量監測能力不足。目前，對蒙古國和我國北方地區沙源地地表和起沙狀況的定量監測能力依然不足。沙源地地表和起沙通量的定量監測是開展沙塵溯源和傳輸特征分析的基礎。現有觀測系統站點稀疏、觀測要素單一、缺乏垂直觀測，無法實現對沙源地地表條件和起沙三維特征的全面實時定量監測。

2） 定量化沙塵溯源解析能力不足。受下墊面、氣象條件的不確定性以及評估技術的限制，目前對蒙古國和我國北方沙源地在不同氣象條件下對不同地區的影響仍未形成全面科學的認識和定量評估，尚未實現沙塵采樣數據和衛星遙感數據在數值模式中的實時同化應用。

3） 缺少針對沙塵路徑區的治理措施研究。我國在沙塵路經和沙塵傳輸特征的研究上取得了一定進展，但目前的沙化土地治理主要采取在行政區域內開展造林種草、封沙育林育草、封禁保護等措施，尚未在沙塵傳輸路徑上采取相應的林草建設措施。

4.2 建議

針對以上問題，建議優先從以下3方面開展工作：

1） 提升對沙塵源區和傳輸路徑的實況監測能力。完善我國北方地區沙塵和沙漠環境監測站網體系，在關鍵區建設三維立體沙塵監測系統，開展沙塵天氣自動監測，加強多源遙感監測，補充重點沙塵源區、重點城市、主要交通線的起沙通量及沉降監測。提升對蒙古國等周邊國家的技術支持力度，積極開展沙塵監測站點的共建、共享，緩解沙塵源區實況監測能力相對服務需求明顯不足的矛盾。

2） 加強部門間科研合作力度。推動多領域聯合科研攻關，加強對我國沙塵主要影響天氣系統、沙塵起源、沙塵輸送動力等機理研究，以及沙塵數值模式起沙方案參數化、多源數據同化等技術研究，精細科學定量評估不同沙源地對不同地區沙塵天氣的影響。在此基礎上，可結合不同治理方案開展治理成效預評估，為科學精準治沙提供技術支撐。

3） 優先啟動沙塵路徑區治理項目。根據沙塵路徑區自然條件，堅持以水定綠原則，有針對性地開展多樣化的沙塵路徑區沙化土地治理，以抑制地表起塵為主要目標，采取免耕、封禁、造林、種草、禁牧、休牧等多種措施，抑制地表起塵數量，減少沙塵危害。

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