大气与大方(大气专家解读沙尘过程的成因与来源)

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沙尘过程如何形成，从何而来？大气专家来做科学解读。本期解读专家，来自国家派驻天津细颗粒物与臭氧协同防治“一市一策”跟踪研究组暨国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室。

沙尘是如何形成的？

主要影响因素有哪些？

沙尘是指地表沙土通过风力作用下扬起至空中，使能见度降低，空气浑浊，近地表大气颗粒物浓度急剧增加的一种自然现象。《沙尘天气等级》（GB/T 20480/2017）中规定，根据能见度及风力等级，可将沙尘划分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴及特强沙尘暴五个等级。

图3 沙尘形成机理与环境影响示意图

（引自：《沙尘对我国西北干旱气候影响机理的研究》）

强风是沙尘形成的直接动力条件。大尺度强冷空气是沙尘形成的必备条件，通过形成强气压梯度和变压梯度推动暖空气加速运动，形成地面大风。北方春季冷锋活动下的“气旋”是沙尘活动的直接原因，近年来主要受“蒙古气旋”影响较大。中尺度下我国北方地区近地面大气层局部增温，常导致底层大气的强烈垂直对流，也为地表沙尘扬起创造了有利条件。此外，下垫面热力差异易形成局地小尺度热力漩涡，促进沙尘过程，沙尘进一步阻挡太阳辐射，使地表温度降低，气压上升，进而加大锋面前后的气压差，风速增大，沙尘暴进一步加强。

地表松散的沙尘源是物质基础。在同样的风力条件下，下垫面的性质决定了沙尘过程的强度。我国北方地区干旱少雨，常年受风蚀影响，具有大面积沙漠及戈壁，沙质地表广布，为沙尘过程的发生发展提供了丰富的物质来源。通常，我国主要受北部蒙古国南戈壁沙尘源区以及西北部塔克拉玛干沙漠源区的沙尘过程影响，东北沙尘源区也有一定影响。

影响沙尘强度的因素较多：植被的组成、结构、覆盖度、土壤的结构、质地、含水量、干燥度、侵蚀强度、表面粗糙度、土地利用状况、沙漠化状况及地形地貌等。植被可以减少地表裸露程度，保护土壤不受风蚀。粘质土壤易形成团粒结构，抗剪切能力增强，沙质土壤的起尘速大，易受风蚀影响。土壤含水率影响土壤重量以及土壤间凝聚力，含水量越高，抗风蚀能力越强。

今年沙尘过程的主要成因

今年我国沙尘天气主要与上游沙源区地表状况偏差和近期大气环流异常有关。 今年春季，蒙古国和我国西北沙源地区气温偏高、降水稀少，地表解冻早，植被尚未生长，植被覆盖较低，土质疏松易于起尘，有充足沙尘来源。3月以来冷暖空气交替频繁，冷高压、暖低压天气系统形成的大风为沙尘天气的发生提供了有利的动力条件。整体来看，我国今年春季北部地区土壤起尘潜势较高，抗风蚀能力较低，容易形成大规模沙尘，从而影响下风向城市环境空气质量。截至目前，对天津形成较大影响的沙尘过程已有5次。

如何判断沙尘来源？

我国北部的蒙古、内蒙古以及西北部的塔克拉玛干沙漠是我国两大主要沙尘源区。地壳元素随地理位置而变化，高硅低钙、硫酸盐含量较低是北部蒙古、内蒙古沙尘源区的主要特征之一，通过下风向城市颗粒物化学组成分析，可以判别沙尘源区。以天津市3月22日沙尘过程为例， 通过特征组分比值分析表明，我市沙尘传输主要受到我国北部蒙古、内蒙古源区影响。

此外，通过模型追溯局地气团的来向及高度、数值模式模拟、卫星遥感等方法都能够准确获取沙尘来源信息。

如何科学看待沙尘过程？

沙尘过程是一种自然现象，属于大尺度区域性粗颗粒物污染过程，主要受气象因素驱动，常见于干旱多风的春季，多来自亚欧大陆内部的沙漠地带。在治理上，一方面，要探索区域性沙源地绿化固沙的有效路径与国际合作模式；另一方面，也要关注气候变化对沙尘过程的长期影响。