“三北”防护林白种了？不，因为沙尘暴“开外挂”了
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基本上每年春天，生活在北方的人总会经历那么几场沙尘暴。
（图片来源：人民政协报）
不过，每次沙尘暴来袭时，都有人会问“咱不是有‘三北’防护林吗？咋还有沙尘暴呢？”
过去几十年，我国最有代表性、最有成效的防风固沙工程当属“三北”防护林的建设。这项工程对国内沙源区固沙、减轻沙尘暴的危害发挥了十分积极的作用。统计结果表明，我国每年沙尘天气过程平均发生次数已经由1961~1989年的27次锐减至2011~2020年的4次。
“三北”防护林
“三北”防护林是指在我国西北、华北、东北地区建设的大型人工林业生态工程。该工程规划从1978年到2050年，分3个阶段8期建设，主要通过沙化土地治理、退耕还林以及退牧还草等方式提高森林覆盖率，预计造林3508.3万公顷，将三北地区的森林覆盖率由5.05%提高到15.95%。“三北”工程旨在改善当地的生态环境，减缓干旱、风沙危害和水土流失导致的生态灾害，同时也筑起一道抵御风沙的人工屏障。
三北防护林范围示意图和土地利用及覆盖（文献来源：Huang et al. 2020）
2019年一篇发表在《自然－可持续发展》杂志的论文称，卫星观测显示过去近二十年，仅占全球6.6%的中国植被面积贡献了全球25%的叶面积指数（LAI，简而言之就是一定区域内的叶片面积之和）的增加量，其中森林覆盖的增加为主要贡献。这种叶面积指数的增长，“三北”工程功不可没。
2000-2017年平均叶面积指数（LAI）的变化趋势
（文献来源：Chen et al. 2019）
然而，如此大规模的植树造林工程，为什么还是难以完全抵挡沙尘这样恶劣的灾害性天气侵袭呢？
在回答这个问题之前，我们还需要先了解一下沙尘暴是如何形成的。
沙尘暴是如何形成的？
沙尘发生有三个必要条件——沙源、不稳定的大气层结和强风条件。
1.沙源
我国西北地区远离海洋，降水量稀少且蒸发量极高，造就了以塔克拉玛干沙漠为代表的大范围荒漠戈壁。同时我国背靠蒙古高原广阔的干旱半干旱区域，这些都是我国北方沙尘天气发生的重要来源。以京津为例，沙尘天气的传输可以总结归纳为北路、西路和西北路三种。
影响京津地区沙尘天气的传输路径
（来源：中国天气网）
2.不稳定的大气层结
什么是大气层结呢？简而言之就是大气的温度和湿度这些物理量在垂直方向上的分布，这些要素共同决定了大气垂直稳定状态。
每到春季，北半球陆地开始回暖。沙源地降水量普遍较少，植被覆盖度很低，土质条件疏松。由于土壤比热容比较小，地表升温比较快，于是在垂直方向上，就容易形成高层空气密度大，低层密度小的空间分布。这就导致大气层结非常不稳定，容易引起上下对流，沙尘自然也就从地表被抬升到空中。
3.强风条件
那这些沙尘究竟是如何被千里迢迢输送到我们这里来的呢？这就不得不提我国春季的主导天气系统之一、沙尘天气幕后推手——蒙古气旋。
冬春季当有冷空气活动时，原本平稳的中纬度西风带会出现比较明显的波动，产生偏北风携带冷空气倾泻南下，同时北风区的东部就会形成一个逆时针旋转的温带气旋（因生成并活跃于蒙古高原，故名为蒙古气旋，其水平范围可达2000~3000km）。冷空气越强，北风也会越强，同时气旋通常也会越强。蒙古气旋可将沙源的沙尘裹挟至2km以上的高空，伴随强烈的北风，一路南下。
2021年一次强沙尘天气过程卫星云图，右侧逆时针旋转的云系即为蒙古气旋，可以清晰的看到云中裹挟的沙尘（图片来源：中国气象局）
由此可见，如果沙尘天气的源地不是防护林所在的区域（也即外源输入），即使有防护林在，面对2km高的沙尘传输，它们的作用也只是杯水车薪。
为何最近几年沙尘天气又多了起来？
进入21世纪第三个十年，我国沙尘天气过程发生次数似乎又多了起来。
比如2021年和2023年，我国分别发生13次和11次沙尘天气过程，均远超2011~2020年平均状态，其强度也有所增强。
云南大学陈文教授团队采用混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型（HYSPLIT），对2023年影响北京的11轮沙尘天气过程的沙源地进行追根溯源，发现绝大部分沙尘天气为外源输入，蒙古高原为主要沙源地。
2023年北京1km高度11天沙尘天气倒推轨迹示意图（文献：Piao et al. 2023）
沙尘天气过程的增多增强，其实可以归结为以下几个因素。
1.自然因素
北方地区沙尘活动频繁，一方面可能与东亚冬季风强弱变化有关。2021年以来的沙尘天气的再次活跃，可能与东亚冬季风再次进入强周期阶段有关。当东亚冬季风变得强盛，冷空气活动通常也会变得活跃，也就容易引起更强的偏北风。
另一方面原因则是蒙古高原惊人的变暖速率。在2019年联合国大会第74届会议一般性辩论中，蒙古国外长朝格特巴特尔指出：“蒙古国作为内陆发展中国家，在全球变暖贡献很小的情况下，却遭受了气候变化带来的灾难性影响，在过去的80年中，蒙古国的年平均气温上升了2.26℃。在过去的40年中，蒙古国多年冻土范围收缩两倍多，800多个湖泊已经干涸。”这个增暖速率是全球平均的两倍以上。
近年来，一些发表在《自然》和《科学》等国际顶级杂志的研究表明，蒙古高原的气候变暖和变干的程度可能已经达到甚至突破临界点——区域气候从一种平衡状态转变为另一种平衡状态的阈值。当突破临界点时，区域气候变化往往会突然且不可逆转地发生变化。
基于多套再分析资料计算得到蒙古高原（MP）地表气温变化。（a）1986~2004年MP 夏季温度趋势的空间分布（单位：℃每十年）。（b）灰色框夏季区域平均温度异常的9年滑动平均序列（相对于 1981~2010 年平均值）。（c）1861年到2020年每20年MP上平均夏季温度异常的频率分布。（文献来源：Cai et al. 2024）
更暖更干的区域气候通常伴随着更少的降水。蒙古高原春季降水减少，气温增加，由于缺少土壤水分对近地面气温起到蒸发冷却的作用，大气和土壤之间会通过“陆—气反馈”作用使地面气温变得更高，进而增强大气层结的不稳定性，为疏松的土壤创造了良好的抬升条件。
2.人为因素
除了气候变化这些自然因素，人为因素导致的土地荒漠化同样也是不容忽视的因素。由于降水稀少，蒙古国基本为干旱半干旱气候所主导，植被类型主要为温带草原和荒漠戈壁。因此畜牧业为该国支柱产业之一，80％以上的农村人口的生计基本完全依赖自然条件。
大规模的畜牧也给当地的生态环境造成了极其严重的影响。据统计，从1990年到2020年，蒙古国的牲畜数量从超过2000万头涨至近7000万，这个数字已经远超生态承受能力。因此，该国有77％的领土正在遭受不同程度的荒漠化和土地退化的影响。
蒙古国总畜牧量变化
（图片来源：国际货币基金组织）
3.国内沙源输送作用同样值得关注
虽然蒙古国沙漠化是我国沙尘天气的主要沙源地，但是客观来讲，国内的沙源地如吐鲁番盆地的贡献同样不可忽视。兰州大学黄建平院士团队利用浓度权重轨迹分析方法，对2023年我国北方的10次沙尘事件量化不同沙源的贡献。结果表明，蒙古高原对我国北方沙尘的平均贡献约为42％，但是塔克拉玛干沙漠的平均贡献也达到了26％。
总的来说，“三北”工程能够对当地沙源起到很好的固定作用，一定程度上减缓沙尘天气发生的频率和强度。但是沙尘天气是一种自然现象，以人类目前的能力还不具有完全消除这类灾害性天气的能力，只能减缓和适应。
除此之外，我们更应该深刻的认识到，荒漠戈壁作为一种天然存在的生态系统类型，盲目的治理反而会忽视区域适宜性和水土资源承载力，导致一些不可持续的现象出现。（为什么不是“树种得越多越好”）
与沙尘暴的战斗，需要共同努力
就在上一轮轮沙尘暴经长途跋涉到达北京之际，国际顶级学术期刊《自然》在4月15日刊发了一则关于中国学者用人工智能（AI）预测沙尘天气过程的新闻。该报道介绍了兰州大学黄建平院士团队通过运用大量已有沙尘天气数据，在AI加持下，开发出沙尘时空演变预报系统。在2023年试运行中，该系统的错误率比非AI模型低13%。人类应对沙尘暴的科技手段又多了一点。
不过，我们也应该看到，除了我国之外，还有许多亚洲国家每年都会面临沙尘天气的威胁。沙尘天气不只给人们的生活带来不便，而且也会影响我们的身体健康。因此沙尘的防治一直是国际性的研究热点，但同时也是世界性的难题。
中国科学院大气物理研究所王自发研究员在接受采访时表示，荒漠化大多发生在偏远且经济欠发达地区，想要运用科学手段缓解沙尘暴，需要坚实的人力、物力基础以及政府和社会各界民众的广泛关注和支持。
在全球变暖的背景下，沙尘暴的治理也需要推动国际合作。2022年11月，中国国家主席习近平在会见蒙古国总统呼日勒苏赫时提出，希望和蒙方共同探讨设立“中蒙荒漠化防治合作中心”，为蒙古国治沙提供中国技术和经验，平衡沙区生态保护与经济发展。
但愿在积极有效的国际合作下，结合上文提到的沙尘预报技术的发展，未来人们能够更好地减缓和适应极端气候变化，保护人们赖以生存的地球家园。
参考资料
[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).
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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 今年沙尘天气为何如此频繁？
[]8https://news.un.org/zh/story/2019/09/1042632 【联大一般性辩论】蒙古国外长朝格特巴特尔
[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 蒙古国沙尘暴背后：羊绒出口下的过度放牧
[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/ 沙尘暴影响下，中蒙正在推进治沙合作
作者：王志凯
作者单位：中国科学院大气物理研究所
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