新疆沙尘暴研究进展

买买提艾力·买买提依明，霍 文，杨兴华，王敏仲，杨 帆，刘 艳，孟 露，潘红林，李红军，金莉莉，何 清

（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站/新疆沙漠气象与沙尘暴重点实验室/中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学实验基地/中国气象局树木年轮理化重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002）

沙尘暴是全球干旱—半干旱区常见的灾害性天气之一，它对区域乃至全球尺度的气候、生态、人居环境、社会经济及人类健康等诸多方面均有重要影响，是全球变化研究中的热点问题。沙尘暴是指强风把地面大量沙尘卷入空中、使得空气非常浑浊、水平能见度低于1 km的灾害性天气，有着巨大破坏力，是特定气象条件和特殊的地质地理条件下的产物，是发生在干旱、半干旱地区、荒漠化地区和农牧交错带特有的一种灾害性天气[1-5]。沙尘暴也是流动的巨大污染源，其携带的沙尘气溶胶被送入高空向下游移动，进而影响全球气候[6-10]。同时沙尘暴既是加速土地荒漠化的重要过程，又是土地荒漠化发展到一定程度的具体体现，是风蚀荒漠化中的一种天气现象，对沙尘暴进行全面、系统、深入的研究，有助于搞清荒漠化过程中的动力学机制[11-14]。

沙漠通过其独特的天气或气候对非沙漠地区及全球产生了十分显著的影响，且沙漠化程度有进一步加剧的趋势。全球四大沙尘暴多发区为：中亚5国及中国西北部、澳大利亚中西部、美国中西部和非洲撒哈拉沙漠[15]。中国西北地区是我国沙尘暴发生频次最多，强度最大的地区，其中新疆境内有中国第一大流动沙漠（塔克拉玛干沙漠）和第一大固定/半固定沙漠（古尔班通古特沙漠），两者沙丘类型齐全，下垫面结构复杂，同时塔克拉玛干沙漠是亚洲主要的沙尘源区之一，且是我国天气上游关键区，由于其沙尘可进行远距离传输，直接影响着全球的大气环境与气候变化[16-19]。因此，新疆是开展沙尘暴研究的天然试验场，具有显著的区域代表性，可为全球大气环境及气候变化研究提供重要的科学依据。

近年来，国内外学者针对沙尘暴的沙源分布及移动路径、活动时间、影响因子、沙尘的物理化学性质及起沙机制、沙尘暴的大气辐射特性及卫星遥感监测手段、数值模拟和防治与预防等方面做了大量研究[20-30]，发现沙尘的起沙机制和传输问题仍然是学者争论的热点话题，沙尘气溶胶对气候变化的影响还是一个不确定的因子，沙尘暴的精细化观测仍然是一个亟待解决的问题[5，25-26]。

1 沙尘暴时空变化研究进展

1.1 新疆沙尘暴气候背景及长期变化趋势

西西伯利亚冷高压爆发性南下并强烈发展是造成塔里木盆地沙尘暴天气的根本原因和重要影响系统，期间，上下层强烈的气压梯度力促使冷空气加速运动，为沙尘暴创造了必要的动力条件[31-32]。盆地前期的干暖形势为沙尘暴的产生提供了有利的热力条件。沙尘暴区上空螺旋度垂直分布低层为正值、高层为负值，构成了低空强辐合、高空强辐散的深厚上升运动区，这种螺旋度垂直分布与沙尘暴的发生发展有一定的对应关系，可作为沙尘暴预报的一个参考依据[33]。

春季塔里木盆地沙尘暴频次与大气环流、冬季北大西洋涛动指数及高原环流均有明显关系。在年际、年代际尺度上，春季500 hPa位势高度场上蒙古国西部气旋和东欧平原反气旋增强的环流形势配置是塔里木盆地沙尘暴多值年的典型背景[33]。

新疆1961—2008年沙尘暴变化趋势明显地减少[34]，沙尘暴年日数低于47 a平均值的有21 a，且都集中于1987—2007年，占总年份的44.7%，最少年份发生在2003年，为2.7次，最多年份是1965年，为9.5次。其变化分为3个阶段，在20世纪60和70年代处于多发时期，60年代负趋势较小，70年代转为弱的正趋势；80年代处于减少阶段，有强烈的减少趋势；90年代以来处于少发时期，减少趋势很弱，但都是持续性减少，21世纪以来的趋势趋缓[35]。

1.2 新疆沙尘暴分布

新疆沙尘暴呈南多北少，西多东少，盆地多，高山少的分布特征，高值区主要分布于塔克拉玛干沙漠以南和田、策勒、民丰一线[35]。南疆沙尘暴呈南多北少特征，主要发生在和田和巴州地区的南部，南疆各地年平均沙尘暴日数在0～32 d，1961—2001年呈减少趋势，年代际减少为2.3 d/10 a。北疆沙尘暴主要发生在春季，呈准噶尔盆地中间和北部多、四周少的特征，北疆各地春季平均沙尘暴日数在0～3 d[36]。

2 起沙输送机制研究进展

研究人员率先在西北三大沙漠开展标准化起沙观测试验，揭示了新事实，辨明了起沙机理，丰富了沙漠气象学和风沙物理学基础理论[37-48]。基于我国西北三大沙漠（塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠和巴丹吉林沙漠）空白区、关键区的标准化起沙观测试验，揭示了三大沙漠起沙演变规律，填补该项研究空白[37-38，40-41]；发现起沙间歇性特质，为沙尘暴起沙研究提供重要补充；获取了新的临界起沙摩擦速度等关键起沙参数[40，42-43]，为起沙的界定提供精准判据，提升沙尘水平通量的模拟效果[45-47]；利用新手段解析了尘卷风结构，并定量估算其对区域沙尘气溶胶的贡献[42-43，48]；进一步探讨了土壤、大气条件对起沙的影响作用，辨明了起沙机理。

杨兴华等[38-44]创建了新疆首个本地化起沙参数化方案，部分同化于沙尘暴模式，提升预报精度。基于塔克拉玛干沙漠起沙科学试验和对起沙机理的认识，开展了临界起沙摩擦速度u*t及相关修正参数、沙尘水平通量Q、垂直通量F等关键起沙参数的精细化研究，构建并改进了新的参数化方案；开展了包括空气密度ρ、地表粗糙长度z0、光滑地表粗糙长度z0s和土壤粒径分布在内的本地化改进敏感试验[33-34]；同时将本地化的部分起沙参数化方案及土壤粒径等参数同化于新疆沙尘暴数值预报模式，提升了该模式对新疆区域沙尘暴天气的预报精度。

3 沙尘监测技术研究进展

3.1 基于风廓线雷达的沙尘暴监测技术

因缺乏沙尘暴过程高时空分辨率观测资料，使得对沙尘暴内部的动热力结构、垂直廊线、沙尘输送高度和厚度、大气含沙量及沙尘数浓度等问题无法较好地认识[47-48]。研究人员率先开展了风廓线雷达和毫米波雷达探测沙尘暴的科学试验[49-53]，利用风廓线雷达深入开展了对沙尘暴的探测试验研究，计算归纳了沙尘暴的回波强度量值范围，发现沙尘暴天气现象在雷达回波强度图上有着清晰的印痕，可判识沙尘输送的高度和厚度，定量反演了沙尘暴期间高空沙尘粒子数浓度和质量浓度，建立了基于风廓线雷达的沙尘暴监测技术新方法，为沙尘暴定量监测提供了新的参考技术手段。

3.2 基于卫星遥感的沙尘暴监测

借助卫星遥感技术，发现CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）的气温和气压产品在塔克拉玛干沙漠腹地具有较好的适用性。塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠在春夏季是全球沙尘主要源区，春季塔克拉玛干沙漠沙尘事件更为活跃，而撒哈拉沙漠夏季更为活跃[54-56]（图1）。

图1 CALIPSO三级气溶胶产品季节分布特征[54]

3.3 新监测技术研发

研究人员[45，57-59]总结了大量的风蚀起沙观测仪器优缺点，相继研发了三代全自动高精度集沙仪，图2为第二代全自动集沙仪。同时，研发了沙漠大气与土壤CO2测量仪及光路设备自带清洗仪；率先利用毫米波雷达和太赫兹雷达开展了沙尘暴探测试验。新监测技术的研发[57]，推动了沙漠气象特种监测仪器的发展，增加了沙漠气象监测手段，丰富了沙漠气象研究内涵，提升了数据质量，并有效降低了劳动力成本。

图2 第二代全自动集沙仪

4 沙漠大气边界层与陆面过程研究进展

4.1 沙漠大气边界层

2018年在塔克拉玛干沙漠腹地塔中组织实施了GPS探空科学试验，深入分析了沙漠夏季大气边界层动热力结构及其厚度演变特征、沙漠边界层高度与陆面参数的关系，探索了晴空热对流运动规律，揭示了沙漠对流边界层形成机制以及深厚边界层过程对区域环流的反馈和影响效应，推动了沙漠边界层气象学的发展，也为该区域数值模式陆面及边界层参数化提供了参考和科学依据。通过研究，发现沙漠夏季晴空高温背景下对流边界层最大厚度可超过5 000 m，进一步证实了中国西北干旱区夏季晴空存在超常厚度的大气边界层现象[50-51，60-62]。

4.2 沙漠陆面过程

研究人员自2008年开始依托塔克拉玛干沙漠野外气象观测试验基地梯度探测系统、涡动相关探测系统和辐射探测系统开展了长期、持续的陆面过程观测试验，获得了第一手的宝贵科学试验资料。利用上述试验资料，刘永强等[63-64]给出了塔克拉玛干沙漠稳定度修正项函数参数化，并根据观测资料给出了莫宁—奥布霍夫相似性函数差分形式的参数化。李火青等[65-66]利用傅里叶变换热红外光谱仪观测塔克拉玛干沙漠地表比辐射率得到的数据，及同时期的 MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectrometer）数据，对新疆沙漠地表比辐射率进行估算，得到了基于GLASS（Global Land Surface Satellite）和MODIS的适用于新疆沙漠的宽波段比辐射率方程，为陆面过程的研究与模拟提供了支持。

通过精细的对比观测试验，系统地给出了沙漠腹地人工绿地与自然沙地的气象特征参数差异。金莉莉等[67-71]利用CoLM（The Common Land Model）陆面模式，评估了陆面模式对不同下垫面不同特征参数的模拟效果，从而不断地检验和提升该模式对研究区域的模拟能力[63-64，68]。这可为沙漠区域的人工绿地可持续发展提供科学理论和数据支持，为研究沙漠绿洲区地气间的相互作用及影响机制提供重要参考。

4.3 沙尘暴数值预报模式优化及数值模拟研究

塔克拉玛干沙漠三面环山，北为天山山脉，西为帕米尔高原，南为昆仑山脉、阿尔金山，并与青藏高原相接，东侧地势开阔。其地形、气象条件复杂，观测站布点困难，模式模拟研究则从一定程度上解决了这一问题。近年来，中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所以曙光高性能计算集群系统为依托，研发了新疆区域高分辨率沙尘数值预报模式系统V1.0（DUST-XJV1.0），并于2018年正式投入业务应用，可提供新疆9 km沙尘含量、沙尘等级以及能见度等产品，在南疆沙尘暴预报预警中起到积极作用。

孟露等[72-73]利用WRF-Chem（v3.8.1）模式，结合GOCART起沙方案、ACM2边界层方案，模拟塔里木盆地典型的春季沙尘暴过程。确定盆地冷空气入侵路径：西进、翻山、东灌。较强的东灌沙尘带驱动两股弱沙尘带向盆地西南部输送，地表沙尘气溶胶分布受青藏高原地形影响。从地表—高空、经向—纬向首次刻画了塔克拉玛干沙漠典型春季沙尘暴天气过程沙尘气溶胶三维传输结构（图3）；确定了塔克拉玛干沙漠沙尘气溶胶输送高度、量级与跨盆地输出的主要路径；厘清了塔克拉玛干沙漠沙尘气溶胶的收支关系，揭示了浮尘滞空形成机制。

图3 塔里木盆地沙尘气溶胶的三维结构[59]

5 展望

全球气候变化背景下，极端沙尘暴天气频发，对沙尘暴天气，特别是极端（强、特强）沙尘暴天气的发生、发展机制亟待研究。在此基础上，改进数值模式，推动区域沙尘暴模式研发，提升数值预报模式模拟能力，提高预报预警技术。围绕国家战略和新疆防灾减灾需求，进一步开展沙漠沙尘暴和荒漠化环境探测新技术研发，探索特种监测仪器研制与集成应用，丰富监测手段，构建天基—空基—地基的精细化监测。同时开展沙尘天气产生的沙尘气溶胶对气候、环境的影响评估研究，建立沙漠气象环境试验方法及规范标准，推动探测技术在沙漠生态气象领域应用示范，为生态文明建设提供技术支撑。

塔里木盆地夏季持续出现沙尘气溶胶在3～5 km高度滞空的独特现象，需系统地剖析青藏高原与塔里木盆地的动力、热力相互作用下盆地边界层的演化规律，及对沙尘气溶胶传输和“滞空”变化的影响机理；进一步在新疆沙漠及其周边开展陆气相互作用观测试验，研究极端干旱条件沙漠及其周边非均匀下垫面边界层结构及其水、热、沙尘物质的交换，探究沙漠边界层对区域环流和局地天气过程的影响机制；开展边界层与陆面过程特征参数及参数化方案研究，改进陆面过程模式，提高数值预报模式模拟能力，从而系统性地理解沙漠陆—气相互作用对区域天气气候的影响[74-75]。在此基础上，开展沙漠及周边沙尘暴和荒漠化过程的演变规律和发生机理研究，建立沙尘暴天气和荒漠化监测、预报指标与预警系统；构建沙尘灾害影响指标体系，评估沙尘灾害对特色农业、交通运输、生态与人居环境的影响，提升气象保障服务能力。