每到冬春交替的3-5月，我国北方地区常会迎来一种特殊的灾害性天气——沙尘暴，在草原地区它还有个形象的俗称“黄毛风”。沙尘暴来袭时犹如排山倒海之势，漫天黄沙遮蔽天日，空气变得浑浊呛人，能见度大幅降低，不仅让人们的生产生活受扰，更会对生态环境和人体健康造成多重危害。在大众的认知中，沙尘暴只是“大风卷着沙子跑”，但这一看似简单的极端天气现象，背后藏着复杂的形成机制，而2021年我国北方出现的6次强沙尘暴极端事件，更让我们对这一极端天气的认知和预报有了新思路。
沙尘暴（SandandDustStorms,SDS）是沙暴和尘暴的总称，核心定义是强风从地面卷起大量沙尘，使空气特别混浊、水平能见度小于1千米的灾害性天气，具有突发性、持续时间较短（高浓度可达几个小时，但可以持续几天出现多个高浓度峰值）、概率小但危害大的特点。沙暴与尘暴虽常被混为一谈，实则有明显区别：沙暴是大风将沙粒吹入近地层，沙粒主要在地面3-5米高度跳跃式移动；尘暴则是大风把尘埃及细颗粒物卷入数千米高空，细颗粒能随气流远距离传播，这也是沙尘能跨区域甚至跨国界输送的关键。沙尘颗粒的粒径决定了其运动方式，粗沙（>0.5mm）多沿地面滚动，中沙（0.1-0.5mm）以跳跃为主，而细沙和粉尘（作为多发于干旱、半干旱地区的极端天气现象，沙尘暴的形成并非单一因素导致，而是沙源、强风、不稳定的大气层结三个基本条件协同作用的结果。沙源是沙尘暴的物质基础，主要来自沙漠、戈壁、干涸湖床和裸露的沙化土地。春季地表解冻后土壤疏松，植被尚未完全返青覆盖地表，成为沙源最丰富的时期。强风是动力条件，只有当风速达到10米/秒以上（约5-6级风），才能克服地表摩擦力，让沙尘颗粒开始运动，冷空气过境、气旋活动、强对流天气都是强风的主要来源。不稳定的大气层结则是热力条件，春季昼夜温差大，午后地面被强烈加热，近地面空气受热上升形成湍流，能将沙尘颗粒卷扬至更高空，这也可解释为何沙尘暴多在午后到傍晚发生。
从物理过程来看，沙尘暴的形成可分为起沙、输送、沉降三个阶段。起沙阶段，水平气流的强风和抬升力让沙粒开始“跃移”并抬升离开地面后随上层气流水平漂移（输送）；沉降阶段，当风速减弱或遇到障碍物时，沙尘颗粒逐渐落地，形成沙尘堆积层。如果大气中有水汽，还会形成低层沙尘与上层云的重叠，而粗沙粒会快速沉降，细尘埃则能随高空气流飘向远方，甚至在水汽充足的区域与雨水结合形成泥雨，对当地生态和农作物生长造成二次危害。
沙尘暴的时空分布有着明显的规律，时间上主要集中在冬春季节，3-5月的发生次数占全年50%以上，4月更是峰值月份，夏季次之，秋季最少，持续时间从几小时到几天不等，强度越大则持续时间可能越长。空间上，全球高发区均为干旱半干旱地区，包括撒哈拉沙漠、中亚沙漠、北美中西部、澳大利亚中部等；我国的沙尘暴主要发生在北方地区，南疆盆地、青海西南部、西藏西部及内蒙古中西部和甘肃中北部是多发区，西北内陆部分地区年沙尘暴日数可达30天以上，华北地区次之，东南沿海因水汽充足、植被茂密则罕见沙尘天气。沙尘的传输能力远超想象，撒哈拉的沙尘能跨越大西洋到达美洲，经过我国的沙尘则能影响韩国、日本，甚至飘向太平洋彼岸。
沙尘暴的危害体现在多个方面，是名副其实的“生态杀手”。环境层面，它会造成严重的大气污染，在强沙尘暴事件中，大气PM10浓度可超过10000微克/立方米，远超空气质量标准数十倍，同时还会导致土地退化、土壤沙化，破坏植被生长环境；生产生活层面，沙尘会磨损建筑、车辆部件，影响通信设备和精密仪器的正常运行，让农业生产遭受损失，泥雨更是会直接影响春季农作物的出苗和生长；交通层面，能见度急剧下降会导致高速公路交通事故增多，机场航班延误、取消，船舶需要回港避风；人体健康层面，吸入PM10、PM2.5等沙尘颗粒物，会引发哮喘、支气管炎等呼吸道疾病，还会加重心血管疾病，细颗粒物甚至能进入肺泡、融入血液，影响全身各个器官的正常功能。面对沙尘暴，人们也有相应的防护措施：沙尘来袭时尽量减少外出，外出需佩戴N95等专业防尘口罩、防风眼镜，关闭家中门窗并使用空气净化器，降低沙尘的影响。
在很长一段时间里，人们普遍认为强风是沙尘暴形成的核心驱动力，但2021年我国北方的强沙尘暴事件，让人们对这一认知进行了修正，也揭示了沙尘暴作为异常态天气的本质。2021年3-5月，我国北方遭遇了6次强沙尘暴极端天气，这与近几十年沙尘暴次数整体减少的趋势形成鲜明对比，而这6次沙尘暴均起沙于蒙古国，随温带气旋及其冷锋向我国移动，属于典型的大气环流异常态系统驱动的结果。
通过卫星影像观测，2021年3月27日至28日的沙尘暴轨迹清晰地展现了温带气旋的主导作用：27日早，沙尘还集中在蒙古国（红色为卫星观测到的沙尘区域），到当晚便进入我国北方，28日沙尘区域形成巨大的逗点状，而这一逗点中心正是温带气旋的中心位置，28日清晨，逗点的“尾巴”向南、向东移动，抵达北京、沈阳一线。另一例4月14日至15日的沙尘暴也印证了这一规律，沙尘从蒙古国逐步进入我国内蒙古西部，其移动路径与温带气旋的移动高度契合。更深入的观测分析发现，沙尘暴的核心起沙机制并非单纯的强风，而是相邻扰动气流的碰撞，尤其是正交碰撞形成的垂直矢量力。
人们可将大气变量分解为正常态的气候风和异常态的扰动风，针对接近地表的850百帕气压层（海拔约1500米，与蒙古国-内蒙古高原地面高度接近）的扰动风进行分析后发现：沙尘区域与扰动风汇合碰撞形成的垂直矢量力时空变化高度对应，沙尘范围被限制在扰动风弯曲度最大的区域内，而沙尘最集中的地方，扰动气流呈现出接近90度的正交碰撞；垂直矢量力分为上拽力和下拽力，对应其模的正负值相间分布，直接决定了沙尘浓度的变化——上拽力将沙尘抬升并维持在空气中，下拽力则让沙尘沉降，这也是北京等地区遭遇沙尘暴时，沙尘浓度会在几小时内出现高低波动的原因。简单来说，温带气旋带来的扰动风正交碰撞形成的上拽力，才是沙尘被大量卷向高空、形成大范围沙尘暴的关键，强风只是基础条件之一。
沙尘暴的极端性和复杂性，对其预报提出了更高的要求，人们希望能提前几天精准预报沙尘暴的发生位置、强度和时间，实现“定位置、定强度、定时间”的确定性预报，但传统的预报方法却难以满足这一需求。传统预报基于总风模式，即直接分析和预报大气中的整体风力，但即便是提前24小时的预报，其描绘的沙尘区域与实际观测结果也存在巨大偏差，根本原因在于，沙尘暴是异常态天气，而总风模式将正常态的气候风和异常态的扰动风混为一谈，无法捕捉到驱动沙尘暴的核心异常信号。
针对这一问题，我们可以通过异常态分析方法展开新的探索。该方法将大气变量分解为气候正常态和异常态，重点分析扰动风、扰动温度等异常变量，研究发现，卫星观测到的沙尘区域，通常位于850百帕扰动风的两条相邻辐合线之间，这一沙尘区与异常气旋相连，从蒙古国向我国北方和东北地区移动，同时还与对流层中风、温度、位势高度的异常热力对比密切相关。这一发现让沙尘区域的描绘更加精准，也能让人们更轻松地找到沙尘暴的预报因子。
更令人振奋的是，基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的原始方程组模式产品，通过异常态分析方法，能够提前4-8天预报出扰动风的分布模式，这为沙尘暴的中期精准预报奠定了基础。在此基础上，人们可以提出沙尘暴预报的未来发展方向：一是建立扰动方程组模式，将正常态的气候风作为强迫条件，专门预报扰动风、扰动温度等异常变量，聚焦沙尘暴的核心驱动因素；二是结合人工智能（AI）技术，让AI从海量的历史大气观测资料中学习具有物理意义的气候正常态，将预报的重心放在极端天气的异常态上，减少无关信息的干扰，进一步提升沙尘暴的预报技巧。随着探空、雷达、卫星等大气观测技术的不断提升，加上异常态分析方法和AI技术的融合应用，沙尘暴的确定性预报会从愿景逐步变为现实。
沙尘暴是干旱、半干旱地区特有的极端天气，其形成与大气环流、地表环境密切相关，既是自然规律的体现，也与人类活动导致的土地沙化、植被破坏等问题息息相关。近几十年我国沙尘暴次数的减少，得益于三北防护林、退耕还林还草等生态治理工程的推进，而2021年的极端沙尘暴事件则提醒我们，生态治理是长期工程，同时也需要提升对极端天气的认知和预报能力。
从“大风卷沙”的直观认知，到温带气旋和扰动风碰撞的核心机制解析，从传统总风模式的模糊预报，到异常态分析方法的精准探索，人类对沙尘暴的了解正在不断深入。未来，随着精准预报技术的发展和生态治理的持续推进，我们将能更好地应对沙尘灾害，让北方的春季少一些“黄色警报”，多一些蓝天白云。（钱维宏 北京大学物理学院）
参考文献
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