《科学通报》|风速加强可能是近年中国沙尘日数增加的主要因素

沙尘天气是中国北方干旱和半干旱地区的重要天气现象，也是影响该地区的主要灾害性天气之一[1,2]。沙尘事件对环境、公共健康甚至全球气候都会产生重大影响，了解沙尘天气的驱动因素对于制定有效的策略以减轻其影响至关重要[3~5]。沙尘天气直接受到风速和沙源影响，而沙源又进一步受植被、降水、气温等因素影响[6~8]。通过分析这些因素导致的沙尘天气频率变化过程，有助于我们预测未来的沙尘天气变化趋势。截至2023年4月30日，我国已经出现12次沙尘天气过程，比往年同期偏多。2021年，中国北方曾爆发过十年以来最强的沙尘暴。而在此之前，观测数据表明，中国北方沙尘暴频率持续降低，沙尘日数从上世纪七十年代的每年超过20 d降低至本世纪初的每年不足十天[9]。近几年沙尘暴的爆发是整体下降趋势中的偶然事件[10]还是预示着新一轮强沙尘暴周期的到来[9]，仍存在争议。

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中国北方2023年春季沙尘日数异常增多

风速和沙尘事件相互关联是因为风在提升和携带沙尘颗粒方面起着关键作用[11,12]。在风力强劲的地区，如沙漠地区，沙尘事件可能频繁且强烈。沙尘事件不仅会对作物和基础设施造成破坏，也对人畜健康构成威胁[13,14]。研究发现，在1973~2012年期间，中国北方地区的平均沙尘(扬沙以上)日数和风速都呈下降趋势[9,15]。在过去的10年间，虽然中国北方地区的平均沙尘日数整体处于较低水平，但沙尘日数在近几年表现出了回升的趋势[9,16]。根据中国气象局的数据，2013年中国北方地区平均沙尘日数只有3.7 d，之后开始波动上升，在2021年时已增长至7 d。而2023年1~4月我国经历了12次沙尘天气过程，其中3次达到了沙尘暴及以上强度，相比2000年以来同期平均的8.2次，2023年的发生次数偏多3.8次。除了频率增加以外，沙尘事件的危害程度也在不断加剧，甚至造成了大范围的破坏[17,18]。例如，2021年3月13~18日的强沙尘暴波及了19个省(区、市)，包括北京、河北、山西、内蒙古、甘肃等地[19~21]，局部地区的能见度不足500 m。2023年3月19~23日，我国遭遇了2023年以来强度最强、影响范围最广的沙尘事件，波及了15个省(区、市)，影响面积超过了362万平方公里[22]。

为探究中国北方沙尘事件增加的原因，我们分析了中国北方沙尘日数与多个环境因素之间的关系。本研究综合运用了多个数据集，包括地面站点观测的HadISD气象数据 [23~25] 、基于遥感卫星的MODIS植被影像数据 [26,27] 、以及基于数据同化的ERA5再分析气象数据 [28~30] 等(表1)。这些数据集涵盖了从1973~2023年4月的长时间序列，为研究沙尘天气提供了丰富而全面的信息基础。此外，中国北方沙尘日数来自中国气象局发布的《中国气候变化蓝皮书(2022)》。在数据采集和处理方面，我们实施严格的质量控制以确保所使用的数据精度和可靠性。通过综合利用这些不同来源、不同类型的多源环境监测资料，我们得以更全面准确地描述中国北方地区春季气象情况和植被覆盖度变化规律，并深入挖掘导致中国北方沙尘日数增加背后的驱动因素。

表1 本研究采用的数据集

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北方风速变化与沙尘事件关联性探究

中国北方地区(纬度大于35°N)沙尘天气主要发生在1~6月期间，该时段北方地区的风力最为强劲。因此，我们首先对中国北方每年沙尘日数与该地区1~6月平均风速的关系进行了分析(图1(a))。结果显示两者具有很强的线性相关性，相关系数(R)为0.89，在P< 0.01水平上显著。这一发现与之前的研究结论相符[9]：1973~2012年间中国北方平均风速呈下降趋势，期间沙尘日数也逐年减少；自2013年以来，风速和沙尘日数均有所增加。因此，如果风速进一步增强，中国北方的沙尘天气事件可能会越来越频繁。

另外，我们发现植被的增加可以缓解中国北方沙尘。 图1(a) 中圆圈旁的数字表示年份，圆圈的颜色表示相应年份的年均植被指数NDVI (2001~2022)。结果表明，中国北方地区1~6月平均风速与沙尘日数呈显著正相关关系，表明风速在触发沙尘事件中起到了重要作用。此外，近些年中国北方出现了明显的绿化现象：2018~2022年植被指数普遍高于2001~2005年的水平(图1(a))。虽然自2013以来中国北方风速持续回升 [9] 并已达到较强水平，但是2018~2022年的沙尘日数仍低于历史上同等风速条件下对应时间段内的沙尘日数(图1(a))，这说明我国植树造林和防治荒漠化工作取得了实效性成果。

图1 中国北方平均风速对沙尘日数的影响. (a) 1973~2022年中国北方地区沙尘日数与1~6月平均风速散点图(颜色表示年均NDVI数值)；(b) 2022年和2023年中国北方站点1~4月平均风速分布(散点代表离群值，红色直线表示均值)

基于以上分析，我们推测2023年中国北方沙尘事件的增多可能是由于的风速变强而引起的。为了验证这一假设，比较了2022与2023年的中国北方气象站点风速观测数据(图1(b))。由于HadISD数据集只更新到2023年4月份，因此只比较两年1~4月的风速。图1(b)所示，各气象站点观测到的1~4月平均风速显著高于去年同期水平(P < 0.01)，而异常风速现象更加普遍。因此2023年春季沙尘日数出现异常很可能是由于风速异常引起的。当风速变得更快时，会提升和运输更多灰尘颗粒，进而导致更频繁和更严重的沙尘暴事件发生。

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植被固沙工程的影响及多气候要素的综合考量

为进一步探究 2023 年我国北方沙尘日数异常的原因，本研究还分析了中国北方年均沙尘日数分别与中国北方和蒙古国在春、冬两季的降水和植被指数之间的相关性。结果显示，与风速相比，降水和植被指数与沙尘日数间的线性相关性较弱、且均不显著，但这并不意味着它们对减少北方沙尘日数没有任何作用。我们认为，降水量和植被覆盖度可能会在沙尘颗粒的输送过程中调节沙尘颗粒的湿沉降、干沉降和再悬浮等过程，并对持续时间、强度和范围产生重要影响，即降水量和植被指数对中国北方沙尘日数变化的影响可能是非线性的。此外，虽然蒙古国的降水和植被覆盖度与中国北方沙尘天数相关性小，但是不能忽视蒙古国对我国北方沙尘事件的影响。 一方面是因为蒙古国境内广阔的戈壁沙漠是沙尘源地，为沙尘暴提供了充足的物质基础；而从另一方面来看，蒙古国的气候变化会改变大气层结，从而影响风场的分布和强度。

根据我们对中国北方地区春季植被覆盖度的分析结果表明，自2001年以来，春季植被NDVI呈现出显著的增加趋势(P < 0.01；图2(b))，2023年1~4月仍保持上升趋势。与邻国蒙古国相比较，其春季植被NDVI存在较大的波动，在2001~2023年总体呈现上升趋势，而在2023年1~4月期间蒙古国植被NDVI处于正常水平。因此，2023年中国北方沙尘日数异常应该不是由于植被异常引起的。

图2 风速、降水和NDVI对中国北方沙尘日数的影响. (a) 1973~2022年中国北方风速与中国北方沙尘日数之间的相关性，及中国北方和蒙古春冬季节的降水(春季：1973~2023年；冬季：1973~2022年)和NDVI (春季：2001~2023年；冬季：2001~2022年)与中国北方沙尘日数的相关性(***表示显著性t检验,P值小于0.001)；(b) 中国北方和蒙古的NDVI在2001~2023年1~4月间的变化趋势

本研究旨在探究沙尘日数与风速、降水量以及植被覆盖之间的关系，这些因素对于沙尘事件的发生和变化无疑具有重要的影响。除此之外，许多其他因素，例如，温度、气压和土壤湿度等都可以影响沙尘事件的发生[31~33]。2023年2~3月期间，蒙古国附近的沙源地一直处于偏暖少雨的气候状况，同时受到蒸散发增强的影响，导致土壤层变得干燥易剥蚀[33]。在这些因素的共同作用下，沙尘天气更容易发生。未来研究可进一步探讨与沙尘事件相关联的其他因素，以便更全面地了解该现象产生及演变机制。此外，虽然本研究采用了质量较高的ERA5气象数据产品来分析沙尘日数和降水量之间的关系，但ERA5数据产品的准确度可能受到许多因素的影响，例如数据收集过程中的测量误差和模型参数的选择[34,35]。未来研究还可进一步考虑采用其他数据源，例如地面观测和卫星遥感数据，以更准确地确定导致中国北方沙尘日数增加的驱动因素。

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风速变化影响与国际沙尘治理

中国北方风速的增加对人类社会的影响是双重的。一方面，风速增加有利于风能的开发利用[36~38]。风能作为一种清洁的可再生能源，不仅有助于减缓温室气体排放和应对气候变化，还能带来就业和经济效益。另一方面，风速增加也可能引发更多更强的沙尘天气现象，对人类健康、环境和社会经济发展产生严重的负面影响[39~41]。例如，沙尘暴会造成呼吸道、眼睛和皮肤的不适，影响能见度和交通安全，损坏农业、基础设施和财产。而且，沙尘暴的频发会加剧土地沙漠化和退化，导致长期的生态和社会经济损失。因此，在充分利用风速增加所带来的风能发展机遇的同时，我们也应该采取有效措施预防和减轻未来可能更频繁更剧烈的沙尘暴对人类社会的危害。目前，我国在植树造林、防沙治沙等方面取得了显著成效，这些工程有效地减少了沙尘暴的频率和强度[42]。然而，沙尘治理不是一国之力所能完成的，需要加强国际合作和协调。2021年3月中旬中国北方地区遭受的严重沙尘暴天气的主要风沙源来自蒙古国[43]。因此，在跨国界的生态环境问题上，各国应该共同承担责任，共同寻求解决方案。

江鑫, 冯巧梅, 周俐宏, 刘怡, 曾振中*. 风速加强可能是近年中国沙尘日数增加的主要因素. 科学通报, 2024,69 (3): 356-361

作者简介

江鑫

博士研究生，主要研究领域包括地表水文学、SAR定量遥感以及遥感大数据和智能处理。

曾振中

南方科技大学环境科学与工程学院副教授，博士生导师。主要从事土地利用与覆盖变化、植被气候相互作用、全球气候变化、地球系统模拟、以及新能源（风能、水能、太阳能）中的关键地学问题等相关领域研究。

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