“三北”防護林白種了？不，因為沙塵暴“開外掛”了

基本上每年春天，生活在北方的人總會經(jīng)歷那么幾場沙塵暴。

不過，每次沙塵暴來襲時，都有人會問“咱不是有‘三北’防護林嗎？咋還有沙塵暴呢？”

過去幾十年，我國最有代表性、最有成效的防風(fēng)固沙工程當(dāng)屬“三北”防護林的建設(shè)。這項工程對國內(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)計結(jié)果表明，我國每年沙塵天氣過程平均發(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”防護林

“三北”防護林是指在我國西北、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個階段8期建設(shè)，主要通過沙化土地治理、退耕還林以及退牧還草等方式提高森林覆蓋率，預(yù)計造林3508.3萬公頃，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，同時也筑起一道抵御風(fēng)沙的人工屏障。

三北防護林范圍示意圖和土地利用及覆蓋（文獻來源：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)星觀測顯示過去近二十年，僅占全球6.6%的中國植被面積貢獻了全球25%的葉面積指數(shù)（LAI，簡而言之就是一定區(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。這種葉面積指數(shù)的增長，“三北”工程功不可沒。

2000-2017年平均葉面積指數(shù)（LAI）的變化趨勢

（文獻來源：Chen et al. 2019）

然而，如此大規(guī)模的植樹造林工程，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？

在回答這個問題之前，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)生有三個必要條件——沙源、不穩(wěn)定的大氣層結(jié)和強風(fēng)條件。

1.沙源

我國西北地區(qū)遠離海洋，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。同時我國背靠蒙古高原廣闊的干旱半干旱區(qū)域，這些都是我國北方沙塵天氣發(fā)生的重要來源。以京津為例，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

（來源：中國天氣網(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，容易引起上下對流，沙塵自然也就從地表被抬升到空中。

3.強風(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的呢？這就不得不提我國春季的主導(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)有冷空氣活動時，原本平穩(wěn)的中緯度西風(fēng)帶會出現(xiàn)比較明顯的波動，產(chǎn)生偏北風(fēng)攜帶冷空氣傾瀉南下，同時北風(fēng)區(qū)的東部就會形成一個逆時針旋轉(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2000~3000km）。冷空氣越強，北風(fēng)也會越強，同時氣旋通常也會越強。蒙古氣旋可將沙源的沙塵裹挾至2km以上的高空，伴隨強烈的北風(fēng)，一路南下。

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

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

Part.2

為何最近幾年沙塵天氣又多了起來？

進入21世紀第三個十年，我國沙塵天氣過程發(fā)生次數(shù)似乎又多了起來。

比如2021年和2023年，我國分別發(fā)生13次和11次沙塵天氣過程，均遠超2011~2020年平均狀態(tài)，其強度也有所增強。

云南大學(xué)陳文教授團隊采用混合單粒子拉格朗日積分軌跡模型（HYSPLIT），對2023年影響北京的11輪沙塵天氣過程的沙源地進行追根溯源，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：Piao et al. 2023）

沙塵天氣過程的增多增強，其實可以歸結(jié)為以下幾個因素。

1.自然因素

北方地區(qū)沙塵活動頻繁，一方面可能與東亞冬季風(fēng)強弱變化有關(guān)。2021年以來的沙塵天氣的再次活躍，可能與東亞冬季風(fēng)再次進入強周期階段有關(guān)。當(dāng)東亞冬季風(fēng)變得強盛，冷空氣活動通常也會變得活躍，也就容易引起更強的偏北風(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)合國大會第74屆會議一般性辯論中，蒙古國外長朝格特巴特爾指出：“蒙古國作為內(nèi)陸發(fā)展中國家，在全球變暖貢獻很小的情況下，卻遭受了氣候變化帶來的災(zāi)難性影響，在過去的80年中，蒙古國的年平均氣溫上升了2.26℃。在過去的40年中，蒙古國多年凍土范圍收縮兩倍多，800多個湖泊已經(jīng)干涸?！边@個增暖速率是全球平均的兩倍以上。

近年來，一些發(fā)表在《自然》和《科學(xué)》等國際頂級雜志的研究表明，蒙古高原的氣候變暖和變干的程度可能已經(jīng)達到甚至突破臨界點——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)突破臨界點時，區(qū)域氣候變化往往會突然且不可逆轉(zhuǎn)地發(fā)生變化。

基于多套再分析資料計算得到蒙古高原（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年滑動平均序列（相對于 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。（文獻來源：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近地面氣溫起到蒸發(fā)冷卻的作用，大氣和土壤之間會通過“陸—氣反饋”作用使地面氣溫變得更高，進而增強大氣層結(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，蒙古國基本為干旱半干旱氣候所主導(dǎo)，植被類型主要為溫帶草原和荒漠戈壁。因此畜牧業(yè)為該國支柱產(chǎn)業(yè)之一，80％以上的農(nóng)村人口的生計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)境造成了極其嚴重的影響。據(jù)統(tǒng)計，從1990年到2020年，蒙古國的牲畜數(shù)量從超過2000萬頭漲至近7000萬，這個數(shù)字已經(jīng)遠超生態(tài)承受能力。因此，該國有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。

蒙古國總畜牧量變化

（圖片來源：國際貨幣基金組織）

3.國內(nèi)沙源輸送作用同樣值得關(guān)注

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

總的來說，“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)生的頻率和強度。但是沙塵天氣是一種自然現(xiàn)象，以人類目前的能力還不具有完全消除這類災(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)該深刻的認識到，荒漠戈壁作為一種天然存在的生態(tài)系統(tǒng)類型，盲目的治理反而會忽視區(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)長途跋涉到達北京之際，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》在4月15日刊發(fā)了一則關(guān)于中國學(xué)者用人工智能（AI）預(yù)測沙塵天氣過程的新聞。該報道介紹了蘭州大學(xué)黃建平院士團隊通過運用大量已有沙塵天氣數(shù)據(jù)，在AI加持下，開發(fā)出沙塵時空演變預(yù)報系統(tǒng)。在2023年試運行中，該系統(tǒng)的錯誤率比非AI模型低13%。人類應(yīng)對沙塵暴的科技手段又多了一點。

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

中國科學(xué)院大氣物理研究所王自發(fā)研究員在接受采訪時表示，荒漠化大多發(fā)生在偏遠且經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，想要運用科學(xué)手段緩解沙塵暴，需要堅實的人力、物力基礎(chǔ)以及政府和社會各界民眾的廣泛關(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國際合作。2022年11月，中國國家主席習(xí)近平在會見蒙古國總統(tǒng)呼日勒蘇赫時提出，希望和蒙方共同探討設(shè)立“中蒙荒漠化防治合作中心”，為蒙古國治沙提供中國技術(shù)和經(jīng)驗，平衡沙區(qū)生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展。

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

參考文獻:

[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 三北防護林體系建設(shè)工程簡介。

[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】蒙古國外長朝格特巴特爾

[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 蒙古國沙塵暴背后：羊絨出口下的過度放牧

[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，中蒙正在推進治沙合作