“三北”防護(hù)林白種了?不,因為沙塵暴“開外掛”了
發(fā)布時間:2024-05-15
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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(hù)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(hù)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(hù)林

“三北”防護(hù)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%。“三北”工程旨在改善當(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(hù)林范圍示意圖和土地利用及覆蓋(文獻(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。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(xiàn)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(qiáng)風(fēng)條件。

1.沙源

我國西北地區(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(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(dá)2000~3000km)。冷空氣越強(qiáng),北風(fēng)也會越強(qiáng),同時氣旋通常也會越強(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(hù)林所在的區(qū)域(也即外源輸入),即使有防護(hù)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(jìn)入21世紀(jì)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(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(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)

沙塵天氣過程的增多增強(qiáng),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(qiáng)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(jìn)入強(qiáng)周期階段有關(guān)。當(dāng)東亞冬季風(fēng)變得強(qiáng)盛,冷空氣活動通常也會變得活躍,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(xiàn)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。”這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(dá)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(xiàn)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(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(yán)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(yuǎn)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(xiàn)同樣不可忽視。蘭州大學(xué)黃建平院士團(tuán)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(xiàn)。結(jié)果表明,蒙古高原對我國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%。

總的來說,“三北”工程能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)厣吃雌鸬胶芎玫墓潭ㄗ饔茫欢ǔ潭壬蠝p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(rèn)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(dá)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(tuán)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(yuǎn)且經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)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(hù)與經(jīng)濟(jì)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(hù)人們賴以生存的地球家園。

參考文獻(xiàn):

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[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(jìn)治沙合作

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