“三北”防護(hù)林白種了？不，因?yàn)樯硥m暴“開(kāi)外掛”了

基本上每年春天，生活在北方的人總會(huì)經(jīng)歷那么幾場(chǎng)沙塵暴。

不過(guò)，每次沙塵暴來(lái)襲時(shí)，都有人會(huì)問(wèn)“咱不是有‘三北’防護(hù)林嗎？咋還有沙塵暴呢？”

過(guò)去幾十年，我國(guó)最有代表性、最有成效的防風(fēng)固沙工程當(dāng)屬“三北”防護(hù)林的建設(shè)。這項(xiàng)工程對(duì)國(guó)內(nèi)沙源區(qū)固沙、減輕沙塵暴的危害發(fā)揮了十分積極的作用。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，我國(guó)每年沙塵天氣過(guò)程平均發(fā)生次數(shù)已經(jīng)由1961~1989年的27次銳減至2011~2020年的4次。

“三北”防護(hù)林

“三北”防護(hù)林是指在我國(guó)西北、華北、東北地區(qū)建設(shè)的大型人工林業(yè)生態(tài)工程。該工程規(guī)劃從1978年到2050年，分3個(gè)階段8期建設(shè)，主要通過(guò)沙化土地治理、退耕還林以及退牧還草等方式提高森林覆蓋率，預(yù)計(jì)造林3508.3萬(wàn)公頃，將三北地區(qū)的森林覆蓋率由5.05%提高到15.95%?！叭薄惫こ讨荚诟纳飘?dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，減緩干旱、風(fēng)沙危害和水土流失導(dǎo)致的生態(tài)災(zāi)害，同時(shí)也筑起一道抵御風(fēng)沙的人工屏障。

三北防護(hù)林范圍示意圖和土地利用及覆蓋（文獻(xiàn)來(lái)源：Huang et al. 2020）

2019年一篇發(fā)表在《自然－可持續(xù)發(fā)展》雜志的論文稱，衛(wèi)星觀測(cè)顯示過(guò)去近二十年，僅占全球6.6%的中國(guó)植被面積貢獻(xiàn)了全球25%的葉面積指數(shù)（LAI，簡(jiǎn)而言之就是一定區(qū)域內(nèi)的葉片面積之和）的增加量，其中森林覆蓋的增加為主要貢獻(xiàn)。這種葉面積指數(shù)的增長(zhǎng)，“三北”工程功不可沒(méi)。

2000-2017年平均葉面積指數(shù)（LAI）的變化趨勢(shì)

（文獻(xiàn)來(lái)源：Chen et al. 2019）

然而，如此大規(guī)模的植樹(shù)造林工程，為什么還是難以完全抵擋沙塵這樣惡劣的災(zāi)害性天氣侵襲呢？

在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們還需要先了解一下沙塵暴是如何形成的。

Part.1

沙塵暴是如何形成的？

沙塵發(fā)生有三個(gè)必要條件——沙源、不穩(wěn)定的大氣層結(jié)和強(qiáng)風(fēng)條件。

1.沙源

我國(guó)西北地區(qū)遠(yuǎn)離海洋，降水量稀少且蒸發(fā)量極高，造就了以塔克拉瑪干沙漠為代表的大范圍荒漠戈壁。同時(shí)我國(guó)背靠蒙古高原廣闊的干旱半干旱區(qū)域，這些都是我國(guó)北方沙塵天氣發(fā)生的重要來(lái)源。以京津?yàn)槔?，沙塵天氣的傳輸可以總結(jié)歸納為北路、西路和西北路三種。

影響京津地區(qū)沙塵天氣的傳輸路徑

（來(lái)源：中國(guó)天氣網(wǎng)）

2.不穩(wěn)定的大氣層結(jié)

什么是大氣層結(jié)呢？簡(jiǎn)而言之就是大氣的溫度和濕度這些物理量在垂直方向上的分布，這些要素共同決定了大氣垂直穩(wěn)定狀態(tài)。

每到春季，北半球陸地開(kāi)始回暖。沙源地降水量普遍較少，植被覆蓋度很低，土質(zhì)條件疏松。由于土壤比熱容比較小，地表升溫比較快，于是在垂直方向上，就容易形成高層空氣密度大，低層密度小的空間分布。這就導(dǎo)致大氣層結(jié)非常不穩(wěn)定，容易引起上下對(duì)流，沙塵自然也就從地表被抬升到空中。

3.強(qiáng)風(fēng)條件

那這些沙塵究竟是如何被千里迢迢輸送到我們這里來(lái)的呢？這就不得不提我國(guó)春季的主導(dǎo)天氣系統(tǒng)之一、沙塵天氣幕后推手——蒙古氣旋。

冬春季當(dāng)有冷空氣活動(dòng)時(shí)，原本平穩(wěn)的中緯度西風(fēng)帶會(huì)出現(xiàn)比較明顯的波動(dòng)，產(chǎn)生偏北風(fēng)攜帶冷空氣傾瀉南下，同時(shí)北風(fēng)區(qū)的東部就會(huì)形成一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的溫帶氣旋（因生成并活躍于蒙古高原，故名為蒙古氣旋，其水平范圍可達(dá)2000~3000km）。冷空氣越強(qiáng)，北風(fēng)也會(huì)越強(qiáng)，同時(shí)氣旋通常也會(huì)越強(qiáng)。蒙古氣旋可將沙源的沙塵裹挾至2km以上的高空，伴隨強(qiáng)烈的北風(fēng)，一路南下。

2021年一次強(qiáng)沙塵天氣過(guò)程衛(wèi)星云圖，右側(cè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的云系即為蒙古氣旋，可以清晰的看到云中裹挾的沙塵（圖片來(lái)源：中國(guó)氣象局）

由此可見(jiàn)，如果沙塵天氣的源地不是防護(hù)林所在的區(qū)域（也即外源輸入），即使有防護(hù)林在，面對(duì)2km高的沙塵傳輸，它們的作用也只是杯水車(chē)薪。

Part.2

為何最近幾年沙塵天氣又多了起來(lái)？

進(jìn)入21世紀(jì)第三個(gè)十年，我國(guó)沙塵天氣過(guò)程發(fā)生次數(shù)似乎又多了起來(lái)。

比如2021年和2023年，我國(guó)分別發(fā)生13次和11次沙塵天氣過(guò)程，均遠(yuǎn)超2011~2020年平均狀態(tài)，其強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。

云南大學(xué)陳文教授團(tuán)隊(duì)采用混合單粒子拉格朗日積分軌跡模型（HYSPLIT），對(duì)2023年影響北京的11輪沙塵天氣過(guò)程的沙源地進(jìn)行追根溯源，發(fā)現(xiàn)絕大部分沙塵天氣為外源輸入，蒙古高原為主要沙源地。

2023年北京1km高度11天沙塵天氣倒推軌跡示意圖（文獻(xiàn)：Piao et al. 2023）

沙塵天氣過(guò)程的增多增強(qiáng)，其實(shí)可以歸結(jié)為以下幾個(gè)因素。

1.自然因素

北方地區(qū)沙塵活動(dòng)頻繁，一方面可能與東亞冬季風(fēng)強(qiáng)弱變化有關(guān)。2021年以來(lái)的沙塵天氣的再次活躍，可能與東亞冬季風(fēng)再次進(jìn)入強(qiáng)周期階段有關(guān)。當(dāng)東亞冬季風(fēng)變得強(qiáng)盛，冷空氣活動(dòng)通常也會(huì)變得活躍，也就容易引起更強(qiáng)的偏北風(fēng)。

另一方面原因則是蒙古高原驚人的變暖速率。在2019年聯(lián)合國(guó)大會(huì)第74屆會(huì)議一般性辯論中，蒙古國(guó)外長(zhǎng)朝格特巴特爾指出：“蒙古國(guó)作為內(nèi)陸發(fā)展中國(guó)家，在全球變暖貢獻(xiàn)很小的情況下，卻遭受了氣候變化帶來(lái)的災(zāi)難性影響，在過(guò)去的80年中，蒙古國(guó)的年平均氣溫上升了2.26℃。在過(guò)去的40年中，蒙古國(guó)多年凍土范圍收縮兩倍多，800多個(gè)湖泊已經(jīng)干涸。”這個(gè)增暖速率是全球平均的兩倍以上。

近年來(lái)，一些發(fā)表在《自然》和《科學(xué)》等國(guó)際頂級(jí)雜志的研究表明，蒙古高原的氣候變暖和變干的程度可能已經(jīng)達(dá)到甚至突破臨界點(diǎn)——區(qū)域氣候從一種平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N平衡狀態(tài)的閾值。當(dāng)突破臨界點(diǎn)時(shí)，區(qū)域氣候變化往往會(huì)突然且不可逆轉(zhuǎn)地發(fā)生變化。

基于多套再分析資料計(jì)算得到蒙古高原（MP）地表氣溫變化。（a）1986~2004年MP 夏季溫度趨勢(shì)的空間分布（單位：℃每十年）。（b）灰色框夏季區(qū)域平均溫度異常的9年滑動(dòng)平均序列（相對(duì)于 1981~2010 年平均值）。（c）1861年到2020年每20年MP上平均夏季溫度異常的頻率分布。（文獻(xiàn)來(lái)源：Cai et al. 2024）

更暖更干的區(qū)域氣候通常伴隨著更少的降水。蒙古高原春季降水減少，氣溫增加，由于缺少土壤水分對(duì)近地面氣溫起到蒸發(fā)冷卻的作用，大氣和土壤之間會(huì)通過(guò)“陸—?dú)夥答仭弊饔檬沟孛鏆鉁刈兊酶?，進(jìn)而增強(qiáng)大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性，為疏松的土壤創(chuàng)造了良好的抬升條件。

2.人為因素

除了氣候變化這些自然因素，人為因素導(dǎo)致的土地荒漠化同樣也是不容忽視的因素。由于降水稀少，蒙古國(guó)基本為干旱半干旱氣候所主導(dǎo)，植被類(lèi)型主要為溫帶草原和荒漠戈壁。因此畜牧業(yè)為該國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)之一，80％以上的農(nóng)村人口的生計(jì)基本完全依賴自然條件。

大規(guī)模的畜牧也給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了極其嚴(yán)重的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990年到2020年，蒙古國(guó)的牲畜數(shù)量從超過(guò)2000萬(wàn)頭漲至近7000萬(wàn)，這個(gè)數(shù)字已經(jīng)遠(yuǎn)超生態(tài)承受能力。因此，該國(guó)有77％的領(lǐng)土正在遭受不同程度的荒漠化和土地退化的影響。

蒙古國(guó)總畜牧量變化

（圖片來(lái)源：國(guó)際貨幣基金組織）

3.國(guó)內(nèi)沙源輸送作用同樣值得關(guān)注

雖然蒙古國(guó)沙漠化是我國(guó)沙塵天氣的主要沙源地，但是客觀來(lái)講，國(guó)內(nèi)的沙源地如吐魯番盆地的貢獻(xiàn)同樣不可忽視。蘭州大學(xué)黃建平院士團(tuán)隊(duì)利用濃度權(quán)重軌跡分析方法，對(duì)2023年我國(guó)北方的10次沙塵事件量化不同沙源的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，蒙古高原對(duì)我國(guó)北方沙塵的平均貢獻(xiàn)約為42％，但是塔克拉瑪干沙漠的平均貢獻(xiàn)也達(dá)到了26％。

總的來(lái)說(shuō)，“三北”工程能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)厣吃雌鸬胶芎玫墓潭ㄗ饔?，一定程度上減緩沙塵天氣發(fā)生的頻率和強(qiáng)度。但是沙塵天氣是一種自然現(xiàn)象，以人類(lèi)目前的能力還不具有完全消除這類(lèi)災(zāi)害性天氣的能力，只能減緩和適應(yīng)。

除此之外，我們更應(yīng)該深刻的認(rèn)識(shí)到，荒漠戈壁作為一種天然存在的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型，盲目的治理反而會(huì)忽視區(qū)域適宜性和水土資源承載力，導(dǎo)致一些不可持續(xù)的現(xiàn)象出現(xiàn)。

Part.3

與沙塵暴的戰(zhàn)斗，需要共同努力

就在上一輪輪沙塵暴經(jīng)長(zhǎng)途跋涉到達(dá)北京之際，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》在4月15日刊發(fā)了一則關(guān)于中國(guó)學(xué)者用人工智能（AI）預(yù)測(cè)沙塵天氣過(guò)程的新聞。該報(bào)道介紹了蘭州大學(xué)黃建平院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)運(yùn)用大量已有沙塵天氣數(shù)據(jù)，在AI加持下，開(kāi)發(fā)出沙塵時(shí)空演變預(yù)報(bào)系統(tǒng)。在2023年試運(yùn)行中，該系統(tǒng)的錯(cuò)誤率比非AI模型低13%。人類(lèi)應(yīng)對(duì)沙塵暴的科技手段又多了一點(diǎn)。

不過(guò)，我們也應(yīng)該看到，除了我國(guó)之外，還有許多亞洲國(guó)家每年都會(huì)面臨沙塵天氣的威脅。沙塵天氣不只給人們的生活帶來(lái)不便，而且也會(huì)影響我們的身體健康。因此沙塵的防治一直是國(guó)際性的研究熱點(diǎn)，但同時(shí)也是世界性的難題。

中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所王自發(fā)研究員在接受采訪時(shí)表示，荒漠化大多發(fā)生在偏遠(yuǎn)且經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，想要運(yùn)用科學(xué)手段緩解沙塵暴，需要堅(jiān)實(shí)的人力、物力基礎(chǔ)以及政府和社會(huì)各界民眾的廣泛關(guān)注和支持。

在全球變暖的背景下，沙塵暴的治理也需要推動(dòng)國(guó)際合作。2022年11月，中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在會(huì)見(jiàn)蒙古國(guó)總統(tǒng)呼日勒蘇赫時(shí)提出，希望和蒙方共同探討設(shè)立“中蒙荒漠化防治合作中心”，為蒙古國(guó)治沙提供中國(guó)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，平衡沙區(qū)生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

但愿在積極有效的國(guó)際合作下，結(jié)合上文提到的沙塵預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)人們能夠更好地減緩和適應(yīng)極端氣候變化，保護(hù)人們賴以生存的地球家園。

參考文獻(xiàn):

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-024-01076-7 Lethal dust storms blanket Asia every spring — now AI could help predict them

[2]Duan, H., Hou, W., Wu, H., Feng, T. & Yan, P. Evolution Characteristics of Sand-Dust Weather Processes in China During 1961–2020. Front. Environ. Sci. 10, (2022).

[3]Huang, T., Pang, Z., Yang, S. & Yin, L. Impact of Afforestation on Atmospheric Recharge to Groundwater in a Semiarid Area. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 125, e2019JD032185 (2020).

[4]http://www.forestry.gov.cn/c/sbj/gcjj/501731.jhtml 三北防護(hù)林體系建設(shè)工程簡(jiǎn)介。

[5]Chen, C. et al. China and India lead in greening of the world through land-use management. Nat Sustain 2, 122–129 (2019).

[6]Piao, J. et al. Increased sandstorm frequency in North China in 2023: Climate change reflection on the Mongolian plateau. Innovation 4, (2023).

[7]http://www.news.cn/talking/2023-04/14/c_1212086349.htm 今年沙塵天氣為何如此頻繁？

[]8https://news.un.org/zh/story/2019/09/1042632 【聯(lián)大一般性辯論】蒙古國(guó)外長(zhǎng)朝格特巴特爾

[9]Zhang, P. et al. Abrupt shift to hotter and drier climate over inner East Asia beyond the tipping point. Science 370, 1095–1099 (2020).

[10]Cai, Q. et al. Recent pronounced warming on the Mongolian Plateau boosted by internal climate variability. Nat. Geosci. 1–8 (2024)

[11]https://wapbaike.baidu.com/tashuo/browse/content?id=b699ee53431386862bfa14c9 蒙古國(guó)沙塵暴背后：羊絨出口下的過(guò)度放牧

[12]Chen, S. Y., and Coauthors, 2023: Mongolia Contributed More Than 42% of the Dust Concentrations in Northern China in March and April, 2023, Adv. Atmos. Sci.

[13]https://chinadialogue.net/zh/3/107461/ 沙塵暴影響下，中蒙正在推進(jìn)治沙合作