我国沙尘天气特征及溯源分析

收稿日期：2023-11-27

基金项目：国家林业和草原局西北调查规划院科技创新发展与研究项目“我国沙尘暴沙尘物质溯源研究”（xby-kjcx-2021-

01）；国家气象中心气象现代化建设专项课题“生态治理背景下的浑善达克沙地起沙气象条件分析”（QXXDH202222）

第一作者：张碧辉（1983- ），男，博士，高级工程师，研究方向为沙尘天气机理研究和预报评估技术。E-mail：zhangbh@cma.gov.cn

通信作者：花丛（1984- ），女，硕士，高级工程师，研究方向为沙尘天气预报评估。E-mail：floweronly@163.com

摘要：文中基于长时间序列的气象观测数据和最新研究结论，分析了我国沙尘天气的时空分布及传输特征，并结合近年来典型沙尘天气过程介绍沙尘溯源方法。结果表明：我国沙尘天气发生频率由西北向东南方向减少，空间分布基本与沙化土地及荒漠化土地分布一致。2000年以来，沙尘天气过程次数呈现显著减少的趋势。我国的沙尘天气传输路径主要包括偏西路径、西北路径、偏北路径、新疆南疆盆地型和东北局地型，其中西北路径型所占比例最高。多种沙尘溯源分析结果显示，蒙古国是我国北方沙尘的重要源区之一；此外，蒙古国和我国北方地区的沙源地地表和起沙状况的定量监测能力不足，沙尘来源解析评估技术能力仍有待提高，针对沙尘路径区的治理措施研究有待深化。针对现存问题提出3点建议：1）加强国际合作，提升沙尘源区和传输路径的实况监测能力；2）提升部门间科研合作力度，开展沙尘溯源分析技术联合攻关；3）优先启动沙尘路径区治理项目，根据沙尘路径区自然条件，有针对性地开展多样化的沙尘路径区沙化土地治理。

关键词：沙尘天气；时空分布；传输路径；溯源分析

中图分类号：X43 文献标识码：A 文章编号：2096-9546（2024）01-0020-06

DOI： 10.12344/lczcyj.2023.11.27.0005

张碧辉，李谭宝，徐冉，等.我国沙尘天气特征及溯源分析［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

沙尘天气是沙粒、尘土悬浮空中，使空气混浊、能见度降低的天气现象。依据沙尘天气发生时的水平能见度和风力大小，从弱到强分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5个等级［1］。我国是世界上荒漠化面积最大的国家之一，在一定的气象条件下易于形成致灾性沙尘天气，严重影响交通、农业、生态安全和经济社会可持续发展。国务院于2022年4月印发《气象高质量发展纲要（2022—2035）》，强调要筑牢气象防灾减灾第一道防线，提高包括沙尘暴在内的气象灾害监测预报预警能力。2022年底，国务院审批同意实施《全国防沙治沙规划（2021—2030年）》，指出要以保护生态和改善民生为目标，全力推进防沙治沙高质量发展。自1978年起，我国启动了“三北”防护林工程等一系列生态保护建设工程，通过在干旱半干旱地区植树造林来减轻风沙灾害［2］。近年来，在生态治理取得显著成效的背景下，部分年份仍呈现沙尘天气广发、频发，极端性强的特征。2023年6月，习近平总书记在内蒙古自治区巴彦淖尔考察时强调，我国荒漠化防治和防沙治沙工作形势依然严峻，应7ABfRffWdrq5DlM7ZSmiOA==重点加强同周边国家的合作，共同应对沙尘灾害天气。2023年12月，《中共中央 国务院关于全面推进美丽中国建设的意见》指出，要聚焦影响北京等重点地区的沙源地及传输路径，持续推进“三北”工程建设和京津风沙源治理。本文将结合近年来相关研究成果，介绍我国沙尘天气时空分布、传输特征以及溯源分析结果，并针对沙尘天气传输和溯源分析方面的现存问题提出建议，为科学开展防沙治沙工作、扎实推进山水林田湖草沙一体化保护和系统治理提供决策依据。

1 沙尘天气时空分布特征

1.1 沙尘天气的空间分布

在我国，沙尘天气主要影响处于35°—49°N、74°—119°E的广大北方地区，空间分布基本与沙化土地及荒漠化土地分布一致，属于中亚沙尘暴区域的一部分。这些地区受荒漠化影响和危害比较严重，植被稀疏，在大风天气影响下易形成沙尘天气。沙尘天气发生频率由西北向东南方向减少，有2个年均沙尘天气日数超过25天的沙尘多发区［3］：一个多发区位于新疆维吾尔自治区（新疆）东部及南疆盆地，其中南疆盆地部分站点年均沙尘天气日数超过100天；另一个位于内蒙古自治区（内蒙古）西部巴丹吉林沙漠周边地区，年均沙尘天气日数一般不超过50天。我国沙尘暴的影响范围与年平均降水量小于600 mm的范围基本一致，西北、华北大部、青藏高原和东北平原地区是沙尘暴的主要影响区，塔里木盆地及其周围地区、阿拉善高原和河西走廊东北部是沙尘暴的高频区。我国主要有3个强沙尘暴中心，包括以甘肃民勤为中心的河西走廊及内蒙古阿拉善高原、以新疆和田为中心的南疆盆地南缘、以内蒙古朱日和为中心的内蒙古中部。

1.2 沙尘天气的变化趋势

沙尘天气的发生频率、强弱与下垫面状况和气象条件均有密切关系。从20世纪50年代至21世纪初，我国北方沙尘天气总体呈下降趋势，但不同年代呈现出一定的波动［4-6］。20世纪50—70年代沙尘天气发生频繁，20世纪80—90年代整体减少，变化原因主要包括生态环境及气象条件2方面。

21世纪初，我国北方沙尘天气进入新一轮活跃期［7］。2000—2002年，受拉尼娜事件影响，我国北方冬春季大风天气频繁出现，叠加降水偏少、气温偏高等因素，沙尘天气呈现频次高、发生时间提前、持续时间长、强度大、影响范围广等特征。2003年以来，沙尘天气呈现先减少后增加的趋势，总体少于2000年之前。

依据沙尘天气的范围和强度，可以确定区域性沙尘天气过程等级。与沙尘天气等级对应，沙尘天气过程也分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5个等级［3］。2000—2010年，我国平均每年出现沙尘天气过程15.7次；2011—2014年，沙尘天气过程偏少（每年发生7～10次），平均每年出现8.8次；2015—2022年，平均每年出现沙尘天气过程的次数增加至12.4次［8］。2023年，我国共出现了17次沙尘天气过程，为近10年以来最多。

2000—2023年，沙尘暴天气过程次数呈现显著减少的趋势。除2003、2009、2013、2017、2022年外，其他年份均会出现1～2次强沙尘暴天气过程。2001、2002和2006年沙尘天气频率高、强度大，强沙尘暴天气过程多达4～5次。

2 沙尘天气传输特征

2.1 沙尘天气路径分型

沙尘粒子的转运轨迹与造成沙尘天气的冷空气移动密切相关［9-11］。根据多年数据统计，我国沙尘天气有5种典型路径［3］：偏西路径、西北路径、偏北路径、新疆南疆盆地型和东北局地型［12］。偏西路径的沙尘天气起源于蒙古国、我国内蒙古西部或新疆南部，受偏西气流引导，沙尘主体向偏东方向移动，主要影响我国西北、华北，有时会影响到东北地区西部和南部。西北路径沙尘天气一般起源于蒙古国或我国内蒙古西部，受西北气流引导，沙尘主体自西北向东南方向移动，或先向东南方向移动，而后随气旋收缩北上转向东北方向移动，主要影响我国西北和华北，甚至会影响到黄淮、江淮等地。偏北路径沙尘天气起源于蒙古国或我国东北地区西部，受偏北气流引导，沙尘主体自北向南移动，主要影响我国东北地区南部和华北大部，有时会影响到黄淮等地。南疆盆地型沙尘天气起源于新疆南部，并主要影响该地区。东北局地型沙尘天气影响面积较小，沙尘主体没有明显的移动，主要发生在沙尘源区及附近区域。其中，影响华北地区的沙尘天气移动路径以偏西、偏北和西北路径型为主。

2.2 沙尘天气传输特征

2000—2022年，我国共出现307次大范围沙尘天气过程［12］。其中，扬沙天气过程占比57.7%，沙尘暴天气过程占比30.9%，其余11.4%为强沙尘暴天气过程。通过分析发现，5种典型沙尘传输路径中，西北路径型所占比例最高，可达38.1%；其次为偏西路径型和偏北路径型，分别占到33.9%和15.0%；东北局地型出现频次较少，为8.5%；南疆盆地型占比最低，仅为4.5%。

从不同强度沙尘天气传输特征来看，对于扬沙天气过程，其传输特征与所有沙尘天气过程的传输特征较为一致。这主要是因为扬沙是影响我国北方地区的最主要沙尘天气类型，尤其是自2015年起扬沙天气过程数量较之前显著增长，连续7年占比均超过了60%，从而导致二者的路径特征较为相似。沙尘暴天气过程多通过西北路径（44.2%）和偏西路径（36.8%）传输；偏北路径型（9.5%）和南疆盆地型（6.3%）的出现比例均不足10%；东北局地型沙尘暴占比最低，仅为3.2%。对强沙尘暴事件，西北路径和偏西路径的贡献比例相当，分别为42.8%和40.0%，远高于其他传输路径；偏北路径的占比相比其在沙尘暴天气过程中的占比略有增加，上升至11.4%；而新疆南疆盆地和东北局地发生的小尺度区域性强沙尘暴过程仅各占2.9%。

2.3 影响华北地区的沙尘天气传输特征

2010—2022年，在影响华北地区的春季沙尘天气过程中，西北路径出现次数最多（20次，占比为37.1%），偏西路径次之（18次，占比为33.3%），偏北路径最少（16次，占比为29.6%）。将研究期以大致4年为周期划分为3个阶段（P1：2010—2013年；P2：2014—2017年；P3：2018—2022年），分析传输路径的变化规律。结果表明，西北路径在P1阶段占主导（56.3%），随后呈现“先降后升”的变化趋势，由P2阶段的9.1%增加至P3阶段的37.1%。偏西路径的变化趋势与西北路径较为一致，由P1阶段的31.3%降至P2阶段的18.2%，随后增加到P3阶段的40.7%。偏北路径在P1阶段占比仅为12.4%，在P2阶段迅速增加至72.7%，P3阶段减少至22.2%。由此可见，影响华北地区的沙尘天气传输特征表现为，2010—2013年以西北路径为主，2014—2017年表现为显著的偏北路径输送特征，2018—2022年则以偏西路径为主。

2010—2022年，在华北地区出现的沙尘天气过程中，扬沙天气过程占比68.1%，沙尘暴天气过程占比20.3%，强沙尘暴天气过程占比11.6%。沙尘暴天气过程多通过西北路径和偏西路径传输。其中，西北路径占比达到57.2%；偏西路径占比为35.7%；偏北路径占比最低，仅为7.1%。对强沙尘暴天气，西北路径和偏西路径的比例相当，均为37.5%；偏北路径占比达25.0%。

3 沙尘溯源分析

3.1 沙尘溯源方法

沙尘溯源是一个受到普遍关注的科学问题，对沙尘天气预报预警、防沙治沙都有重要参考价值，甚至在古气候学研究［13］方面也有十分重要的意义。目前，沙尘溯源的方法主要分为3类：一是基于观测的地球化学分析方法，二是基于卫星遥感的沙尘路径监测，三是基于数值模式的溯源分析。

基于观测的地球化学分析方法［14-15］，是利用不同沙尘源区沙尘粒子的不同理化性质对沙尘进行溯源。目前，针对沙尘粒子理化性质的分析主要采用4种方法：1）根据不同地区的重矿特征进行溯源分析。但是一些研究［14］指出中国大部分沙源地不具备特有的重矿特征，因此利用该方法无法实现精确溯源。2）根据不同沙源地存在的不同元素组合的富集系数对沙尘样品进行溯源分析。3）根据不同沙源地存在的不同稀土元素特征进行溯源分析。4）根据沙漠区域一些元素的同位素特征差异进行溯源分析。以上4种方法均存在不同的局限性，研究中往往采用多种方法配合，以实现精确的溯源分析。

基于卫星遥感的沙尘路径监测，是利用卫星遥感影像全流程监测沙尘天气过程，以判断沙尘主要传输路径。目前，MODIS、CALIPSO、风云系列等卫星遥感产品都被用于研究沙尘天气的来源和传输［16-17］。另外，在利用卫星监测时配合使用后向轨迹分析［18］等方法，可以较为直观地分析沙尘传输路径。然而，沙尘天气复杂多变，在一次过程中同时存在着沉降和起沙活动。因此，依靠卫星遥感虽然可以对沙尘的传输路径起到有效的监测，但难以对沙尘天气过程进行精确的溯源分析。

基于数值模式的沙尘溯源分析［19］，是基于沙尘数值模式对不同沙尘源区起沙、传输和沉降过程进行全流程示踪，以对沙尘传输过程进行定量化分析。全流程示踪方法是在数值模式中对不同沙源地的起沙加入标记变量，被标记的沙尘粒子变量在数值模式中与沙尘粒子同时进行传输、扩散和沉降，从而对沙源地所有沙尘粒子进行全流程的跟踪。该方法依赖于沙尘数值模式的模拟效果，在沙尘数值模式模拟效果较好的情况下，基于沙尘源示踪的方法可以进行精准溯源。沙尘数值模式的关键在于起沙方案参数化［20］，一般包含3个重要参数：临界起沙摩擦速度、水平跃移沙尘通量和垂直起沙通量。

3.2 典型沙尘天气过程溯源案例

3.2.1 强沙尘暴天气过程

2021年3月13—18日，近10年最强的强沙尘暴天气过程影响我国西北、华北、东北地区以及黄淮、江淮等地。沙尘影响面积超过450万km2，多地PM10爆表，北京局地PM10峰值浓度超过9 000 μg/m3。针对这次过程，基于数值模式的沙尘溯源分析结果表明，对于北京的沙尘来源，蒙古国的贡献占比可达80%，我国内蒙古中部沙源地的贡献占比低于20%；对我国中东部大部分区域，蒙古国的沙尘浓度贡献均超过70%。因此，蒙古国的地表状况是本次沙尘天气过程形成的关键。浙江大学团队［14］利用高时间分辨率的遥感数据、实时气象数据，并结合所获珍贵样品的微量/稀土元素组成、锶—钕（Sr-Nd）同位素比值等数据，对这次沙尘天气过程进行了系统分析。结果发现，大多数样品难以用中国境内的源区来解释，远源的蒙古国贡献明显。中国境内的库布齐沙漠和毛乌素沙地对这次沙尘天气过程几乎没有贡献。在包头背景样本中，轻稀土元素相比地壳富集约5～10倍。通过分析此次过程沙尘样本数据库［21］发现，包头沙尘样本的轻稀土元素相比地壳富集约3倍，但其他元素均与地壳相似，说明外来的沙尘传输稀释了高的背景浓度。对包头的样本做进一步分析发现，远距离传输对本次沙尘过程的贡献可达74%。

综合多种方法的溯源结果显示，此次沙尘天气过程起源于蒙古国中南部，蒙古国的沙源地对我国北方大部地区的沙尘贡献可超过70%。

3.2.2 春季沙尘天气过程

2023年春季（3—5月），我国共出现了13次沙尘天气过程，5次达沙尘暴及以上强度（包含3次沙尘暴过程和2次强沙尘暴过程）。沙尘过程次数较2000年以来同期（10.3次）多2.7次，为近10年以来同期最多。兰州大学团队［22］基于数值模式和轨迹分析模型分析了2023年3—4月中国北方沙尘的来源，结果显示，蒙古国和塔克拉玛干沙漠是中国北方沙尘最主要的源区，其中蒙古国的贡献占比达到42%。结合气象条件分析和数值模拟对沙尘溯源初步评估分析结果显示，2023年4月的3次沙尘天气过程中（9—13日，17—20日，25—29日），新疆沙源地的起沙通量占起沙总量的43%，蒙古国和内蒙古的起沙通量分别占35%和22%；其中4月9—13日过程中，蒙古国起沙量更大，占到57%，新疆和内蒙古分别占22%和21%。不同沙源地起沙后通过传输影响不同地区。4月的3次沙尘天气过程中，对于华北和东北地区，蒙古国沙源地贡献最大，分别占49%和51%；来自内蒙古的贡献分别为32%和23%，新疆的贡献分别为19%和26%。不同团队的评估结论基本量级相当，具体数值有待于进一步获取更系统的观测数据进行对比验证。

由以上典型沙尘天气过程的溯源分析结果可知，蒙古国沙源地的起沙和传输对我国北方地区沙尘天气贡献显著。多种溯源方法的综合应用有助于精准确认沙尘源区，并区分不同沙源地的定量化贡献。

4 问题与建议

4.1 问题

未来在全球变暖背景下，对我国产生影响的沙尘天气可能呈现更加复杂的时空变化趋势，也对防沙治沙工作提出了新的挑战。目前，在沙尘天气传输特征和溯源分析方面主要存在如下问题：

1） 定量监测能力不足。目前，对蒙古国和我国北方地区沙源地地表和起沙状况的定量监测能力依然不足。沙源地地表和起沙通量的定量监测是开展沙尘溯源和传输特征分析的基础。现有观测系统站点稀疏、观测要素单一、缺乏垂直观测，无法实现对沙源地地表条件和起沙三维特征的全面实时定量监测。

2） 定量化沙尘溯源解析能力不足。受下垫面、气象条件的不确定性以及评估技术的限制，目前对蒙古国和我国北方沙源地在不同气象条件下对不同地区的影响仍未形成全面科学的认识和定量评估，尚未实现沙尘采样数据和卫星遥感数据在数值模式中的实时同化应用。

3） 缺少针对沙尘路径区的治理措施研究。我国在沙尘路经和沙尘传输特征的研究上取得了一定进展，但目前的沙化土地治理主要采取在行政区域内开展造林种草、封沙育林育草、封禁保护等措施，尚未在沙尘传输路径上采取相应的林草建设措施。

4.2 建议

针对以上问题，建议优先从以下3方面开展工作：

1） 提升对沙尘源区和传输路径的实况监测能力。完善我国北方地区沙尘和沙漠环境监测站网体系，在关键区建设三维立体沙尘监测系统，开展沙尘天气自动监测，加强多源遥感监测，补充重点沙尘源区、重点城市、主要交通线的起沙通量及沉降监测。提升对蒙古国等周边国家的技术支持力度，积极开展沙尘监测站点的共建、共享，缓解沙尘源区实况监测能力相对服务需求明显不足的矛盾。

2） 加强部门间科研合作力度。推动多领域联合科研攻关，加强对我国沙尘主要影响天气系统、沙尘起源、沙尘输送动力等机理研究，以及沙尘数值模式起沙方案参数化、多源数据同化等技术研究，精细科学定量评估不同沙源地对不同地区沙尘天气的影响。在此基础上，可结合不同治理方案开展治理成效预评估，为科学精准治沙提供技术支撑。

3） 优先启动沙尘路径区治理项目。根据沙尘路径区自然条件，坚持以水定绿原则，有针对性地开展多样化的沙尘路径区沙化土地治理，以抑制地表起尘为主要目标，采取免耕、封禁、造林、种草、禁牧、休牧等多种措施，抑制地表起尘数量，减少沙尘危害。

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