干旱气象
  • CN 62-1175/P
  • ISSN 1006-7639
  • 双月刊
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干旱气象, 2024, 42(2): 197-208 DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-02-0197

论文

西北干旱区荒漠戈壁两次极端沙尘事件的对比研究

董元柱,1, 王天河,1,2, 谭睿琦1, 王思晨1, 焦英姿1, 唐靖宜1

1.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730030

2.兰州大学西部生态安全省部共建协同创新中心，甘肃 兰州 730000

A comparative study of two extreme dust events in the deserts and gobi regions in the arid regions of northwest China

DONG Yuanzhu,1, WANG Tianhe,1,2, TAN Ruiqi1, WANG Sichen1, JIAO Yingzi1, TANG Jingyi1

1. College of Atmospheric Sciences， Lanzhou University， Lanzhou 730030， China

2. Lanzhou University Collaborative Innovation Center for Western Ecological Safety， Lanzhou 730000， China

通讯作者: 王天河（1980—），男，甘肃静宁人，教授，主要从事沙尘特性遥感及输送机理研究。E-mail：wangth@lzu.edu.cn。

责任编辑: 黄小燕；校对：王涓力

收稿日期: 2024-01-12   修回日期: 2024-01-29  

基金资助: 国家自然科学基金项目(42075174)
第二次青藏高原综合科学考察研究项目任务六专题(2019QZKK0602)

Received: 2024-01-12   Revised: 2024-01-29  

作者简介 About authors

董元柱（1998—），男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事极端沙尘事件归因研究。E-mail：dongyzh21@lzu.edu.cn。

摘要

为深入理解极端沙尘暴事件的演变过程和驱动因子，结合多源卫星遥感及再分析数据，挑选2007年3月31日（“3·31”事件）和2021年3月14日（“3·14”事件）爆发于西北干旱区荒漠戈壁的两次沙尘暴事件，对比分析了其时空演变、高低空环流配置、近地面气象要素的变化。结果表明：（1）两次极端事件分别爆发于塔克拉玛干沙漠及戈壁荒漠，均受高低层天气系统影响。其中，“3·31”事件受地面冷锋和高空脊控制，脊前西北冷空气与地面冷锋引起的垂直运动配合，将沙尘往下游输送；而“3·14”事件则受蒙古气旋和高空槽影响，气旋后的偏北风和气旋引发的垂直运动将沙尘卷起至高层大气，并通过槽后西北风将其往下游输送；（2）两次极端沙尘事件均有持续时间长的特点，区别在于“3·31”事件主要受高压脊、均压场和周边地形影响，大气层结稳定，沙尘不易沉降和输送，而“3·14”事件则因中国北部持续性高压导致的偏南风和偏东风阻止了沙尘向下游扩散；（3）两次极端沙尘事件爆发前，塔克拉玛干和戈壁荒漠均出现了高温、降水减少及土壤水分枯竭现象，即强风和干燥土壤。为极端沙尘事件的爆发创造了有利的动力条件和物质基础。

关键词： 西北干旱区荒漠戈壁; 极端沙尘事件; 天气系统配置; 近地面气象要素

Abstract

In order to deeply understand the evolution and driving factors of extreme dust events, two dust storm events that erupted in the deserts and gobi regions in the arid regions of northwest China on 31 March 2007 (“3·31” dust event) and 14 March 2021 (“3·14” dust event) were selected, and their temporal and spatial evolution, high and low altitude circulation configuration, and changes in near-surface meteorological elements were compared and analyzed based on multi-source satellite remote sensing and reanalysis data. The results are as follows: (1) Both extreme events occurred in the Taklimakan Desert and the Gobi Desert, respectively, and they were influenced by upper-and-lower weather systems. The“3·31” dust event was influenced by a surface cold front and a ridge at high altitude. The northwesterly winds in front of the ridge, in cooperation with the vertical motion caused by the cold front, transported dust downstream. The “3·14” dust event, on the other hand, was influenced by a Mongolian cyclone and an upper-air trough. The northwesterly winds following the cyclone, along with the vertical motion induced by the cyclone, swept up dust and transported it downstream through the northwesterly winds following the trough. (2) Both extreme dust events exhibited prolonged durations. The “3·31” dust event was influenced by the high-pressure ridge, a sea level pressure field with little variation and the surrounding topography. This configuration resulted in a stable atmosphere, preventing the deposition and transport of dust. Different from the event above, the “3·14” dust event was caused by the persistent high pressure over northern China, which led to southerly and easterly winds that prevented dust spreading downstream. (3) Before occurrence of the extreme dust events, both the Taklimakan Desert and Gobi Desert experienced high temperature, less precipitation, and depleted soil moisture, which formed favorable dynamic conditions and material foundations, such as strong winds and dry soils, for the outbreak of the two dust events.

Keywords： deserts and gobi regions in the arid regions of northwest China; extreme dust events; weather system configuration; near-surface meteorological factors

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本文引用格式

董元柱, 王天河, 谭睿琦, 王思晨, 焦英姿, 唐靖宜. 西北干旱区荒漠戈壁两次极端沙尘事件的对比研究[J]. 干旱气象, 2024, 42(2): 197-208 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-02-0197

DONG Yuanzhu, WANG Tianhe, TAN Ruiqi, WANG Sichen, JIAO Yingzi, TANG Jingyi. A comparative study of two extreme dust events in the deserts and gobi regions in the arid regions of northwest China[J]. Arid Meteorology, 2024, 42(2): 197-208 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-02-0197

引言

沙尘气溶胶是对流层大气气溶胶的重要组成部分，研究表明，每年约有1 000~3 000 Mt的沙尘被排放到大气中，约占对流层气溶胶总量的一半（Prospero et al.， 2002）。沙尘气溶胶不仅可以通过吸收和散射太阳短波辐射加热大气，直接影响地气系统的辐射能量平衡（Yu et al.， 2016；黄建平等，2019；Wang et al.， 2020；吴盈盈等，2022），还能作为云凝结核参与云微物理过程，间接影响地球辐射收支（Haywood et al.， 2001；廖家艳等，2023；徐路扬等，2023）。亚洲中部是世界第二大沙尘源地，每年大约有600.00 Tg的沙尘从东亚释放到大气中，这些沙尘在大气环流的作用下可以席卷整个中国北部及东部的大部分地区，部分沙尘甚至可以跨越太平洋到达美国西部（Uno et al.， 2011；Ginoux and Deroubaix， 2017；Guo et al.， 2017；Schuerger et al.， 2018）。因此，东亚沙尘对区域及全球的环境与气候变化有重大影响。

中国西北干旱区荒漠戈壁包括塔克拉玛干沙漠（Taklimakan Desert）和戈壁荒漠（Gobi Desert），二者都是东亚地区重要的沙尘源地（陈思宇等，2017），每年对中国大陆及邻近海域的沙尘输送高达214.28 Tg，约占亚洲沙漠贡献的88%（Han et al.， 2022）。近几十年，受沙尘源地地表风速减小及植被覆盖、降水和土壤湿度增加等因素影响（Gui et al.， 2021；Yao et al.， 2021；Wu et al.， 2022；Yin et al.， 2022），东亚地区（包括中国西北干旱区荒漠戈壁）春季沙尘排放量和沙尘事件的发生频率都呈下滑趋势。在东亚沙尘事件发生频率减少的背景下，近几年中国西北干旱区荒漠戈壁却爆发了多起极端沙尘事件（杨晓军等，2021；Chen et al.， 2023；阴璐璐等，2023）。研究表明，塔克拉玛干沙漠沙尘暴的形成受低压槽和近地面气象要素的影响，低压槽后冷空气的爆发会引起塔克拉玛干沙漠地面大风，进而卷起地面沙尘，这些被抬升的沙尘在西北风的作用下向下游地区输送（阿不力米提江·阿布力克木等，2019；热孜瓦古·孜比布拉等，2021；曼吾拉·卡德尔等，2023）。塔克拉玛干沙漠沙尘暴发生时往往伴随着大风，加上温度异常增加促进了地表蒸发，使得土壤干燥，为该地区沙尘暴的发生提供了动力条件和物质基础（程红霞等，2023）。此外，杨晓军等（2021）等发现蒙古气旋东移南压是导致2021年3月中旬戈壁荒漠沙尘天气的主要原因；尹志聪等（2023）认为沙尘源地气象要素异常及蒙古气旋是触发2023年3月19日戈壁荒漠极端沙尘事件的主要原因。这些研究结果都表明近地面气象要素及环流系统在沙尘暴的形成过程中发挥着至关重要的作用，是研究沙尘暴影响因子的重要关注点。然而，目前对于两地极端沙尘事件演变过程和驱动因子差异的研究尚显不足，针对两地极端沙尘事件对比分析的研究亟待展开。

本文利用2005—2021年中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer， MODIS）数据反演的沙尘光学厚度（Dust Optical Depth， DOD），识别西北干旱区荒漠戈壁在该时段内发生的两次最强沙尘事件。进而结合云气溶胶激光雷达和红外探路卫星（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations，CALIPSO）观测和气象再分析数据，对两次极端沙尘事件的三维演变过程、高低空环流配置和近地面气象要素异常进行对比分析，旨在加深对塔克拉玛干沙漠和戈壁荒漠极端沙尘事件演化过程和驱动因子的认识。

1 研究区域概况

塔克拉玛干沙漠位于塔里木盆地中央（图1），面积约337 600 km2，是中国最大的沙漠（李汉林等，2020），也是世界第二大流动沙漠（齐斐斐等，2020），属于暖温带沙漠，年降水量不超过100 mm，而年平均蒸发量为2 500~3 400 mm，使得该地植被极其稀疏，有利于沙尘事件的发生。戈壁荒漠位于塔克拉玛干沙漠东部，覆盖了中国内蒙古中西部和蒙古国南部戈壁等地区，属于高原沙漠，戈壁荒漠温度低但变化剧烈，年平均降水量约194 mm，剧烈的热力变化和干旱少雨导致此地沙尘事件频发（Fan and Wang， 2004）。

图1

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图1   塔克拉玛干沙漠（黑色实线框）、戈壁荒漠（黑色虚线框）及气象站点位置

Fig.1   The location of the Taklamakan Desert （black solid line frame）， the Gobi Desert （black dotted frame） and the meteorological stations


2 数据和方法

2.1 数据来源

MODIS于2001年和2002年分别搭载在Terra和Aqua卫星上升空，可以提供全球范围内大气的连续观测资料，在监测环境和气候变化方面发挥重要作用（Savtchenko et al.，2004）。研究表明，通过MODIS获取的气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth， AOD）与地基气溶胶遥感观测网（Aerosol Robotic Network， AERONET）的观测结果高度一致（Gupta et al.， 2018），可用于研究沙尘暴的空间演变过程（Pu and Jin，2021）。本文利用2005—2021年MODIS Collection 6.1的3级AOD产品（空间分辨率为1°×1°），研究极端沙尘事件的空间分布，两颗卫星上的MODIS AOD被重新插值到0.25°×0.25°的网格，并计算其平均值作为每日AOD。CALIPSO卫星由美国宇航局于2006年发射，搭载了双偏振激光雷达CALIOP（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization），涵盖532 nm和1 064 nm两个波段，其星下点宽度为70 m，水平分辨率为333 m，垂直分辨率为30 m，可用于研究全球尺度上气溶胶和云的垂直分布（Winker et al.， 2009；Adams et al.， 2012）。使用极端沙尘事件期间CALIPSO星载激光雷达观测的532 nm总衰减后向散射系数、532 nm消光系数和气溶胶类型，研究极端沙尘事件的垂直分布特征。

欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）发布的第五代大气再分析数据集（ERA-5）提供1979年至今的大气和近地面再分析数据，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°，可以很好地捕捉天气过程的细节，并反映近地面气象要素的变化（Hersbach et al.， 2020）。选取极端沙尘事件期间ERA-5大气环流和近地面气象要素数据，用于分析极端沙尘事件的大气环流和近地面驱动因子。大气环流数据包括500 hPa位势高度、温度、海平面气压场、10 m风场和850 hPa风场，近地面气象要素包括2 m温度、降水和土壤体积含水量。

为验证极端沙尘事件的识别结果，使用2005—2021年极端沙尘事件期间美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration， NOAA）发布的地面观测站能见度数据（https://www.ncei.noaa.gov/maps/daily/）。文中所有时间均为北京时。

2.2 主要方法

2.2.1 沙尘光学厚度计算

陆地上的沙尘光学厚度是基于粒子大小分布及吸收特性推导出来的（Song et al.， 2021），利用MODIS Collection 6.1深蓝算法提供的气溶胶光学厚度、波长指数及单次散射反照率反演陆地上的DOD，首先利用现场观测数据建立的公式提取粗模态气溶胶的光学厚度（Anderson et al.， 2005），具体公式如下：

CODm=τ0.98-0.508α+0.051α2

式中：CODm为粗模态气溶胶的光学厚度；τ(无量纲量)为气溶胶光学厚度；α为波长指数。此时反演的CODm同时存在吸收性气溶胶（沙尘等）和散射性气溶胶（海盐等）的贡献。然后，以470 nm单次散射反照率（Single Scattering Albedo，SSA）小于0.99为标准来剔除散射性气溶胶的贡献（即沙尘气溶胶的单次散射反照率小于0.99）（Pu and Ginoux， 2018）。最终，将公式（1）与上述标准结合，得到沙尘光学厚度（DOD）。

2.2.2 极端沙尘事件识别

为识别2005—2021年塔克拉玛干沙漠和戈壁荒漠的极端沙尘事件，首先基于Terra-MODIS和Aqua-MODIS提供的第3级AOD日平均产品（当只有一组信息可用时，使用Terra或Aqua的AOD），计算区域平均的逐日DOD。然后，将逐日DOD的第90个百分位数定义为极端沙尘事件识别阈值。如果某一天或者连续几天（最多中断一天）的DOD超过该阈值，就定义为一个极端沙尘事件，其强度为整个事件期间的平均DOD，对应的天数为极端沙尘事件的持续时间。在此基础上，用该事件的持续时间与强度的乘积表征其综合强度。

图2为2005—2021年塔克拉玛干沙漠和戈壁荒漠极端沙尘事件综合强度最大值的年际变化。可以看出，塔克拉玛干沙漠最强的沙尘事件发生在2007年3月31日至4月7日（简称“3·31”事件），戈壁荒漠最强的沙尘事件发生在2021年3月14—19日（简称“3·14”事件）。为验证识别结果的可靠性，图3为2005—2021年两个区域每年最强极端沙尘事件期间地面站点观测的最低能见度。可以看出，塔克拉玛干沙漠和戈壁荒漠在最强沙尘事件发生时的能见度最低，与识别结果吻合。

图2

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图2   2005—2021年塔克拉玛干沙漠和戈壁荒漠极端沙尘事件综合强度最大值的年际变化

（黑色圆圈表征综合强度最强的两次极端沙尘事件）

Fig.2   The inter-annual variations of the maximum comprehensive intensity of extreme dust events in the Taklamakan Desert and the Gobi Desert from 2005 to 2021

（The black circles represent the two extreme dust events with the strongest comprehensive intensity）


图3

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图3   2005—2021年塔克拉玛干沙漠（a）和戈壁荒漠（b）极端沙尘事件期间不同站点观测的最低能见度年际变化

（黑色圆圈表征综合强度最强的两次极端沙尘事件最低能见度）

Fig.3   The inter-annual variation of minimum visibility observed at different stations during the extreme dust events in the Taklimakan Desert （a） and the Gobi Desert （b） from 2005 to 2021

（The black circle represents the minimum visibility during the two extreme dust events with the strongest comprehensive intensity）


3 结果分析

3.1 极端沙尘事件的演变过程

图4为塔克拉玛干沙漠“3.31”事件和戈壁荒漠“3·14”事件期间MODIS日平均气溶胶光学厚度（AOD）的演变，图5为两次事件期间CALIPSO观测的532 nm总衰减后向散射系数、消光系数及气溶胶类型垂直剖面。可以看出，2007年3月31日，沙尘天气首先出现在塔克拉玛干沙漠，沙漠西部AOD值高达3.0以上。随后，沙尘向东扩散，使得下游地区AOD值增至2.0左右，对甘肃、宁夏和内蒙古中西部地区产生了明显影响。随后几日，这些区域AOD值维持在2.0左右，沙尘天气从4月2日持续至7日。4月3日，在塔克拉玛干沙漠上空观测到大量沙尘气溶胶，沙尘层主要在2~4 km范围内，其消光系数超过0.6。部分沙尘位于4 km以上，消光系数约为0.2。CHEN等（2017）研究发现，塔克拉玛干沙漠的沙尘被抬升到4 km以上时，在大气环流的控制下可向下游输送，即该区域上空4 km以上的沙尘具备向下游输送的潜力。4月4日，甘肃西北部和青海中北部出现沙尘气溶胶，表明沙尘已经输送到下游，此时近地面消光系数最大，约为0.6。

图4

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图4   塔克拉玛干沙漠“3·31”事件和戈壁荒漠“3·14”事件期间MODIS日平均气溶胶光学厚度（AOD）的演变

（黑线表示CALIPSO的轨迹）

Fig.4   Evolution of MODIS daily mean aerosol optical depth （AOD） during the “3·31” dust event period in the Taklimakan Desert and the “3·14” dust event period in the Gobi Desert

（the black lines denote the track of CALIPSO）


图5

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图5   塔克拉玛干沙漠“3·31”事件和戈壁荒漠“3·14”事件期间CALIPSO观测的532 nm总衰减后向散射系数（左）、532 nm消光系数（中）及气溶胶类型（右）分别沿图4中黑色实线的垂直剖面

（右图色标数字1是未确定的气溶胶，2是清洁海洋气溶胶，3是沙尘气溶胶，4是污染大陆气溶胶/烟雾气溶胶，5是清洁大陆气溶胶，6是污染沙尘气溶胶，7是抬升烟雾气溶胶，8是海洋沙尘气溶胶，9是云）

Fig.5   The vertical profiles of the 532 nm total attenuated backscatter coefficient （the left）， the 532 nm aerosol extinction coefficient （the middle）， and the aerosol types （the right） observed by CALIPSO during the “3·31” dust event period in the Taklimakan Desert and the “3·14” dust event period in the Gobi Desert along the black solid line in fig.4， respectively

（For the color bar of the right pictures， the number 1 represents undetermined aerosol， 2 is for clean marine aerosol， 3 is for dust aerosol， 4 is for polluted continental/smoke aerosol， 5 is for clean continental aerosol， 6 is for polluted dust aerosol， 7 is for elevated smoke aerosol， 8 is for marine dust aerosol， and 9 is for cloud）


“3·14”事件沙尘天气首先出现在蒙古国西部，此时AOD值相对较小，约1.0，之后沙尘向东移动，AOD高值区域（约2.5）覆盖了内蒙古中西部、甘肃西部、宁夏、陕西北部、山西北部、河北北部、北京和天津等地，大部分地区的AOD高值从3月15日一直维持至19日，表明这些地区经历了严重且持续的沙尘天气。3月15日，沙尘气溶胶在戈壁荒漠上空2 km以下形成沙尘层，消光系数的最大值位于沙尘层底部，超过0.6。次日，在渤海上空和东北地区发现沙尘气溶胶，表明沙尘已输送至下游，且输送至下游的沙尘部分沉降至洋面上，另一部分抬升至4 km以上。值得注意的是，此时高空和海面沙尘的消光系数均明显降低，约0.1，表明输送至下游的沙尘浓度较低，仅为前一日沙尘的一小部分。两次沙尘过程均表现出强度强、持续时间长的特点，但“3·14”事件的影响范围明显大于“3·31”事件，这种差异可能与两个事件的环流形势相关。

3.2 极端沙尘事件的大气环流驱动因子

根据两次极端沙尘事件的演变过程，可以大致将其发展分为爆发期（事件发生的第一天）和维持期（事件爆发后至事件结束）两个阶段。利用ERA-5位势高度场、温度场和风场资料，对比分析两次事件在爆发期和维持期的环流形势特征。从图6看出，在塔克拉玛干沙漠“3·31”事件爆发前一天，500 hPa出现明显高压脊，高压中心位于乌拉尔山附近，中心气压达560 hPa[图6（a）]，同时高压位置出现正风速异常[图6（e）]。随后，高压脊东移至塔吉克斯坦上空[图6（b）]，受脊前西北气流影响，冷空气翻越天山和阿尔泰山南下入侵塔克拉玛干沙漠，导致区域内的正风速异常[图6（f）]。在海平面气压场上，塔克拉玛干沙漠在事件爆发前和爆发时均受热低压控制[图6（c）、（d）]，地面温度比气候态高约2 ℃[图6（g）、（h）]，低压中心最低气压值可达996 hPa。盆地热低压系统与中高纬东移的冷高压之间形成北高南低的气压形势，在塔克拉玛干沙漠地区形成东西向冷锋。地面冷锋的斜压性导致垂直环流的产生，进而将沙尘扬起。扬起至高层大气的沙尘在脊前西北大风的引导下向下游输送。此外，在地面冷高压东移并不断加强的过程中，部分冷空气自盆地东部山口“东灌”入盆地内，导致盆地中东部出现正风速异常[图6（f）]，沙尘暴爆发。

图6

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图6   塔克拉玛干沙漠“3·31”事件爆发前一日（2007年3月30日）（a、c、e、g）及爆发时（2007年3月31日）（b、d、f、h）12：00 500 hPa位势高度场（填色，单位：gpm）和温度场（黑色等值线，单位：℃）（a、b），海平面气压场（填色，单位：hPa）和10 m风场（箭矢，单位：m·s-1）（c、d），10 m风场异常（单位：m·s-1）（e、f）及2 m温度场异常（单位：℃）（g、h）

（黑色实线框为塔克拉玛干沙漠区域。下同）

Fig.6   The geopotential height field （color shaded， Unit： gpm） and temperature field （black isolines， Unit： ℃） at 500 hPa （a， b）， sea level pressure field （color shaded， Unit： hPa） and 10 m wind field （arrow vectors， Unit： m·s-1） （c， d）， 10 m wind field anomalies （Unit： m·s-1） （e， f） and 2 m temperature field anomalies （Unit： ℃） （g， h） on the day before （on 30 March 2007） （a， c， e， g） and at the outbreak （on 31 March 2007） （b， d， f， h） of the “3·31” dust event in the Taklimakan Desert

（The black solid line frame is the Taklamakan Desert area. the same as bellow ）


从图7可见，戈壁荒漠“3·14”事件爆发前一天，500 hPa存在一个明显的深槽，位于蒙古国西北部[图7（a）]，此时蒙古国西北部受深槽影响出现正风速异常[图7（e）]，地表温度较高[图7（g）]。在槽后西北气流影响下，3月14日低压槽移动至蒙古东北部[图7（b）]。此时蒙古西北部出现负温度异常[图7（h）]，表明比气候态更冷的极地冷空气在槽后偏北气流引导下向东南移动，低压槽在冷空气的堆积下不断发展加强，并伴有较强的冷平流。整个戈壁荒漠受槽后西北气流控制，出现正风速异常[图7（f）]。海平面气压场上，“3·14”事件爆发前一天蒙古国西北部存在明显的低压中心，中心区气压为990 hPa[图7（c）]。3月14日，低压中心发展为蒙古气旋，气旋中心位于蒙古东部[图7（d）]，气旋后部的强劲西北风和北风将戈壁荒漠的沙尘吹起。此外，在蒙古气旋影响戈壁荒漠的过程中，强大的气旋可以引发强烈的垂直运动，使得该地区的沙尘迅速抬升，配合此时高空500 hPa槽后的西北大风，被卷起的沙尘迅速向华北和东北地区输送，沙尘事件爆发。

图7

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图7   戈壁荒漠“3·14”事件爆发前一日（2021年3月13日）（a、c、e、g）及爆发时（2021年3月14日）（b、d、f、h）12：00 500 hPa位势高度场（填色，单位：gpm）和温度场（黑色等值线，单位：℃）（a、b）；海平面气压场（填色，单位：hPa）和10 m风场（箭矢，单位：m·s-1）（c、d），10 m风场异常（单位：m·s-1）（e、f）及2 m温度场异常（单位：℃）（g、h）

（黑色实线框为戈壁荒漠区域。下同）

Fig.7   The geopotential height field （color shaded， Unit： gpm） and temperature field （black isolines， Unit： ℃） at 500 hPa （a， b）， sea level pressure field （color shaded， Unit： hPa） and 10 m wind field （arrow vectors， Unit： m·s-1） （c， d）， 10 m wind field anomalies （Unit： m·s-1） （e， f） and 2 m temperature field anomalies （Unit： ℃） （g， h） on the day before （on 13 March 2021） （a， c， e， g） and at the outbreak （on 14 March 2021） （b， d， f， h） of the “3·14” dust event in the Gobi Desert

（The black dotted frame is the Taklamakan Desert area. the same as bellow ）


为探究这两次沙尘事件的维持原因，利用海平面气压场、500 hPa位势高度场和850 hPa风场（图8）进行简要分析。塔克拉玛干沙漠“3·31”事件中，4月1日高压脊继续发展，在东亚大陆形成“一槽一脊”型环流，塔克拉玛干沙漠完全受高压脊控制[图8（a）]。尽管随后几天高压脊继续向东移动，但塔克拉玛干沙漠仍然在其影响范围内。此外，由图8（a）、（b）、（c）可知，4月1—3日塔克拉玛干沙漠的海平面气压变化幅度较小，一直处于均压场控制之下。在高压脊和地面均压场共同作用下，大气层结稳定，垂直运动较弱，不利于沙尘输送和沉降。戈壁荒漠“3·14”事件中，2021年3月15日高空槽和蒙古气旋移动至东北地区上空，此时中国北部转为地面高压控制，部分地区的风向已经从西北转向北或东，风速下降至5~10 m·s-1[图8（d）]。因此，3月16日，只有一小部分沙尘在西北风的影响下进一步向海洋移动，中部和西部的大量沙尘由于弱西北风而没有进一步向海洋输送，这与图5中垂直观测结果一致。3月16—17日，在地面高压影响下中国北部的风向多为偏南风、东南风或偏东风[图8（d）、（e）、（f）]。这些不利的风向使“3·14”事件的大部分沙尘继续滞留在大陆，维持了西北地区沙尘天气。“3·31”和“3·14”事件期间研究区内均出现正风速和温度异常（图略），地表高温加剧了地面湍流，配合高于气候态的地面风，将地面沙尘吹起，为两次事件的维持提供了沙尘颗粒。

图8

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图8   塔克拉玛干沙漠“3·31”事件（a、b、c）和戈壁荒漠“3·14”事件（d、e、f）维持期前3日12：00海平面气压场（填色，单位：hPa）、500 hPa位势高度场（黑色等值线，单位：gpm）及850 hPa风场（箭失，单位：m·s-1）

Fig.8   Sea level pressure field （color shaded， Unit： hPa）， 500 hPa geopotential height field （black contours， Unit： gpm） and 850 hPa wind field （ arrow vectors， Unit： m·s-1） at 12：00 on the first three days of the maintenance period of the “3·31” dust event in the Taklimakan Desert （a， b， c） and the “3·14” dust event in the Gobi Desert （d， e， f）


3.3 极端沙尘事件的近地面驱动因子

研究表明，中国北部沙尘源区的沙尘排放主要受温度、降水和土壤湿度等近地面气象要素的影响（Yao et al.， 2021； Wu et al.， 2022）。因此，利用2 m气温、降水量和土壤体积含水量的异常，分析近地面气象要素对极端沙尘事件的影响。图9为塔克拉玛干沙漠“3·31”事件和戈壁荒漠“3·14”事件前两周的近地面气象要素异常场（参照1992—2021年气候态）。可以看出，塔克拉玛干沙漠前两周近地表温度比气候态高2 ℃以上，而戈壁荒漠前两周近地表温度则高出平均态4 ℃以上[图9（a）、（b）]。较高的地表温度导致地面积雪和冻土层提前融化，从而引起地面裸露和土壤松动。高于气候态的地表温度也表明地表蒸发强烈，使得土壤变得干燥。与此同时，塔克拉玛干沙漠和戈壁荒漠降水减少[图9（c）、（d）]，导致土壤水分降低[图9（e）、（f）]，使得两地土壤更加干燥。这种干燥的土壤为极端沙尘事件的爆发提供了物质基础。此外，这种高温异常更容易在地面形成热低压，可能使控制两次极端沙尘暴的地面系统气压更低，导致高低压之间的气压梯度更大，从而加剧大风，为极端沙尘暴的爆发提供有利的动力条件。

图9

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图9   参照1992—2021年气候态的塔克拉玛干沙漠“3·31”事件（a、c、e）和戈壁荒漠“3·14”事件（b、d、f）前两周的2 m温度异常（单位：℃）（a， b）、总降水量异常（单位：mm）（c、d）和土壤体积含水量异常（单位：m3·m-3）（e、f）

Fig.9   The 2 m temperature anomaly （Unit： ℃） （a， b）， total precipitation anomaly （Unit： mm） （c， d）， and soil volumetric water anomaly （Unit： m3·m-3） （e， f） in 2 weeks before the “3·31” dust event in the Taklimakan Desert and the “3·14” dust event in the Gobi Desert with reference to the 1992-2021 climatology


图10为塔克拉玛干沙漠“3·31”和戈壁荒漠“3·14”事件前两周在沙尘源区域平均的2 m温度、总降水量和土壤体积含水量。可以看出，“3·31”事件期间，气温上升（超过气候态，为2005—2021年气温最高值）导致地面积雪和冻土层提前融化。同时，降水量（低于气候态，为2005—2021年降水量倒数第三低值）和土壤体积含水量下降（低于气候态，为2005—2021年土壤体积含水量倒数第二低值）。这些近地面气象要素的极端变化相互配合，导致极端沙尘事件发生。对于“3·14”事件，3个气象因子同样呈现出明显高于或低于气候态的异常现象。

图10

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图10   塔克拉玛干沙漠“3·31”事件和戈壁荒漠“3·14”事件前两周在沙尘源区域平均的2 m温度（a）、总降水量（b）和土壤体积含水量（c）

Fig.10   The average 2 m temperature （a）， total precipitation （b）， and soil volumetric water content （c） in the dust source area in two weeks before the the “3·31” dust event in the Taklimakan Desert and the “3·14” dust event in the Gobi Desert


4 结论

本文利用MODIS数据反演的沙尘光学厚度，识别中国西北干旱区荒漠戈壁2005—2021年的两次沙尘事件，即2007年发生于塔克拉玛干沙漠的“3·31”事件和2021年发生于戈壁荒漠的“3·14”事件。同时，利用多源卫星数据和ERA-5再分析数据，对这两次极端沙尘事件的时空演变过程、爆发期和维持期的高低空环流配置及近地面气象要素进行对比分析，得到以下主要结论。

（1）两次极端沙尘事件均在高低空环流的协同作用下爆发，但控制两次事件的高低空环流存在明显差异。“3·31”事件受高空脊前天气系统和地面冷锋影响，脊前西北冷空气与地面冷锋引起的垂直运动配合，将沙尘扬起至高层大气后向下游输送。而“3·14”事件受高空槽和蒙古气旋影响，气旋后偏北风和气旋引起的垂直运动卷起沙尘，并将沙尘通过高空槽后的西北大风向下游输送。

（2）两次极端沙尘事件在爆发后均维持相当长的时间，但维持这两次事件的天气系统存在明显差异。“3·31”事件，塔克拉玛干沙漠受稳定的高压脊、均压场和周边地形影响，沙尘难以沉降和输送。“3·14”事件，中国北部高压引起的偏南风、东南风或偏东风使得沙尘不易向洋面输送，导致西北地区持续性沙尘天气。

（3）两次极端沙尘事件前，研究区内的极端高温和干旱少雨为事件的爆发提供了有利的动力条件和物质基础。研究区内异常的高温使得地面更容易形成热低压，导致地面低压与高压之间的气压梯度加大，进而加剧了大风，为两次事件的爆发提供动力条件。同时，降水量和土壤水分减少，以及地表气温升高导致地表蒸发量增加，使得土壤干燥，为两次事件的爆发提供了物质基础。

本文通过对比两次极端沙尘事件的演变过程及驱动成因，有助于理解不同地区极端沙尘事件形成发展的动力因子和物理过程。需要强调的是，本研究仅为两个个例分析，若要厘清塔克拉玛干沙漠和戈壁荒漠极端沙尘事件驱动因子的异同，仍需借助更多个例的合成研究和数值模拟。此外，研究中并未涉及其他潜在影响因素，如植被覆盖情况和土地用途变化。未来的研究将致力于填补当前研究的不足，通过合成所有极端沙尘事件并结合数值模拟，提供更全面的关于西北干旱区荒漠戈壁极端沙尘事件的认识。

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