探寻沙尘暴背后的真相

王辉

2022年2月13日，北京冬奥会正如火如荼地举行，一场大雪如期而至，给北京带来了别样的景色。对中国科学院大气物理研究所副研究员吴成来来说，却有一丝紧迫感，春天的脚步已临近，意味着我国每年的沙尘季节也要到来了。2021年春季，北京曾遭受了4次沙尘暴侵袭，其中最强的一次沙尘暴发生在3月15日，可吸入颗粒物（PM10）浓度最高达9000微克每立方米以上，远超重度污染的PM10浓度（400微克每立方米以上），引发了政府和社会的高度关注。未来更长时间内北京的沙尘暴活动将如何变化？能否从大自然中提前找到一点信号，提前预判？要想预知未来，必须了解过去。过去几年，吴成来的研究工作就是围绕认识我国北方沙尘暴的演变规律及其背后的原因展开的。

成长之路：

从好奇心到上下求索

1985年，吴成来出生在福建一个小村落。自幼在山野田林间玩耍的他，对大自然充满了无数的好奇心。19岁那年，他以优异的成绩考上了南京大学大气科学系。在老师的引领下，吴成来系统学习了大气科学的基本理论和大气各种现象的演变规律。但随着学习的深入，他发现自己还有很多疑问没有解开。“虽然大学时并没有规划好职业方向，但我深知这是由于我对世界的了解还远远不够。”吴成来坦言。

2007年夏，一次偶然的机会使吴成来参加了南京大学组织的大地学联合实习考察，前往新疆实地了解地质、地理和气候特征。对出生在东南沿海的他来说，这无疑是一次开阔视野的机会：第一次看到沙漠、戈壁、高原湖泊，见识我国西北干燥的气候和独特的风沙地貌。“当时我们坐火车经过了茫茫戈壁，一路考察的地方有吐鲁番、乌鲁木齐、喀什，使我对我国西北复杂的地理环境和气候有了实地的体会，同时带来了很多思考。”想起那次科考，吴成来记忆犹新。尽管只是一次简单的科考，但却在吴成来的心中种下了一颗种子。也许是命运的安排，吴成来后来被保送到中国科学院大气物理研究所就读研究生，导师林朝晖研究员提供的研究课题正是要研究地球系统中沙尘循环的演变规律，重点关注沙尘暴密切相关的地表状态及起沙过程。不过跟之前的野外考察不一样，他采用的是数值模拟的方法，希望能发展出一个物理模型，来再现地球上的风沙过程。“这个模型最大的用途是用来理解过去的变化规律，并预知未来。当然观测资料也是关键的，可以用来验证模型，另外观测得到的事实和物理机制也是我们发展模型的基础。”吴成来谈起他的研究领域时解释道。

此后，吴成来一直致力于发展一个能够准确再现沙尘起沙、输送和沉降的模型，认识沙尘暴过去演变的规律及其机制，并预判未来可能的变化趋势。这期间，在导师的鼓勵和推荐下，他还前往德国科隆大学地球物理与气象研究所短期交流学习，得到邵亚平教授的指导。博士毕业后，他前往美国怀俄明大学大气科学系进行博士后研究，跟随刘小红教授进行合作研究。2018年年初他回到国内，回到了林老师的实验室继续相关领域的研究。经过多年的学习和摸索，吴成来越来越认识到沙尘暴研究的重要性和紧迫性。

“尽管目前对沙尘暴的监测、模拟及预报已经建立了一套较完整的方法，但中间还有很多过程不是很清楚，真正预报起来，准确度还不够，不能满足国家的需求。其实，沙尘暴跟土壤颗粒特性、干湿特征、植被分布、近地面风场和大气环流都有关系，只有综合考虑了这些要素，才能较好地模拟和预测沙尘暴活动。”谈起自己的工作，吴成来解释道。

使命驱动：

从实践中来，再回到实践中去

“2021年3月15日，我国北方出现大范围沙尘暴天气，气象部门连续发布预警，特别是北京市被黄沙笼罩，网上有人贴出照片，不禁感叹，地球恍若火星。”中外媒体争相报道，很多人发出了对气候环境变化的担忧，更有人开始质问沙尘暴发生的原因。

吴成来介绍，沙尘暴是我国北方常见的灾害天气，多发于春季，气象、环保、林业等部门都非常关注。像2021年这样的强度，历史上也曾有发生，单在2000—2002年间，我国北方就发生了多次强沙尘暴，更早之前，20世纪60—70年代，北方沙尘暴活动非常频繁，比近20年频繁得多。

“可以说，沙尘暴是一种自然现象，从历史时期到现在都时有发生，但为什么从20世纪60—70年代以来不断减弱，特别是近20年来的减弱非常明显？去年发生的沙尘暴是否带来了什么新的启示，减弱趋势已经扭转？”吴成来提出了疑问，同时也强调：“近年来，政府和公众都非常关注气候、环境变化问题。沙尘暴变化的原因不仅困扰着公众，也直接影响着政策决策的制定。研究这些问题，是我的使命所在。”带着这些疑问，他进行了大量的观测数据分析和数值模拟。

吴成来首先收集了丰富的地面和卫星等观测资料，分析一些与沙尘活动密切相关的因子的变化特征，包括风速、土壤湿度、植被覆盖等因素。他发现，过去几十年来，风速存在明显的减弱，土壤湿度、植被覆盖变化的区域差别较大，但总体上土壤变湿、植被变绿对沙尘暴减弱都有贡献。同时也遇到了难题，就是这些因子变化各自的贡献。这主要是因为气候与地表环境的变化本来是相互作用的，这些因子间有错综复杂的关系。

沙尘暴变化的原因众说纷纭，但目前还没有一个令人信服的结论，这给沙尘暴未来变化的预估和应对带来了很大困难。“特别是因为历史上曾经存在沙尘暴活动很强的时期，如果不搞清楚目前减弱的原因，我们根本无法预知未来这种变化趋势是否会发生扭转，什么时候发生扭转。”尽管是一个艰巨的任务，吴成来坚信能做得更多、更好。于是，他从风沙物理学理论和以往模型出发，发展了一个能较好考虑风速、土壤颗粒、干湿特性、植被覆盖和积雪等多要素影响的风蚀动力学起沙模型。对地学工作者，模型是不可或缺的工具。由于地学的问题往往涉及的区域范围大、时间跨度长，在现场做实验是非常困难的，特别是对于大气运动相关的问题。“我的模型就像一个小型的实验室，通过调整里面的参数，改变一些关注的条件，可以区分出不同要素的影响，有助于我们更好地理解大自然的过程。”吴成来解释道。

经过多年的分析和计算，吴成来及其团队已经能初步区分出来风速、植被和土壤湿度对风沙活动的影响，但其中也存在须进一步解决的问题。“比如，模型的准确度就还有很大改进空间。其次，模型需要数据驱动，但这些数据本身能否反映真实世界的变化却并不清楚，而且这些数据本身的变化也是彼此关联的，很难说谁主导了某个过程。”吴成来坦言。

另外，研究沙尘暴的变化，还不能忽略人类活动的影响。历史上，一般是人类活动如放牧、树木砍伐、农业开垦等加剧了风沙活动，但近几十年来，我国启动了一系列生态恢复工程，包括三北防护林、京津冀风沙源治理工程等。“这些工程发挥了很多积极的作用，但贡献多少还不得而知。如果不能区分这些工程带来的作用和气候环境自身演变的影响，我们对我国北方沙尘活动的直接预估结果都是不可靠的。”吴成来补充道。

未来发展：

深入钻研与知识集成

在可预知的未来，沙尘暴势必不会消失，还将不断发生。探清沙尘暴变化蕴含着怎样的真相，吴成来还有很多的研究工作要做。展望未来，他充满希望，也提出了自己的规划：“风沙物理学是一个多学科交叉、多时空尺度相互作用的问题，希望自己将来能在地表参数和风力的变化及两者的相互作用上获取更多的认识，这是起沙过程中最复杂的问题。另外，目前的地面和卫星观测手段也越来越丰富，天气预报和气候预测也有长足的进步，通过集成多种观测信息以及气象预测的理论和知识将可以大大提升对沙尘暴演变的认识与预报。”

（责编：关弋）