The dust storm in China 我国的沙尘暴天气

    Spatial distribution of the dust storm in China 沙尘暴的地理分布特征

      强风、强热力不稳定和沙源是形成沙尘暴的3个必备条件。我国降水缺少的西部和北部地区属干旱、半干旱地区，分布着大片的沙漠，具有丰富的沙尘源。根据1961～1990年的资料统计，我国东北西部、华北中北部、西北大部及西藏大部年沙尘暴日数有1～5天，其中南疆大部、河西走廊、内蒙古西部和鄂尔多斯高原、宁夏东南部、青海西南部及西藏西北部一带有10～20天，南疆和田一民丰、甘肃民勤、内蒙古阿拉善右旗等地达20～30天。但恶劣的能见度配合强风造成严重灾害的强沙尘暴（风速）20米／秒、能见度（200米）天气其的频率要少得多，有三个多发中心：一在甘肃河西走廊及宁夏黄灌区一带，中心在甘肃民情地区，40多年来发生的强沙尘暴天气达15次；二在新疆南部的和田地区皮山一于田一带），中心也达10次以上；三在新疆吐鲁番地区，达10次之多。前两个多发区分别位于巴丹吉林和腾格里沙漠、塔克拉玛干沙漠边缘，具有丰富的沙源条件；河西走廊和南疆盆地南缘是冷空气活动的通道（特别是河西走廊），加上两地南侧山地地形绕流的加速作用，也具备强风条件。而吐鲁番地区，其西段有托克逊“风口”，中段为“三十里风区”，东段又有“百里风区”，强风条件尤为突出。另外，在青海柴达木盆地及内蒙古伊克昭盟和陕北榆林地区也偶有强沙尘暴天气，这些地区除有强风条件外，也多靠近沙漠（后者有毛乌素沙地和库布齐沙漠）。

    近几年春季影响我国的沙尘天气路径可分为西北路径、西部路径、华北路径和东北北路径：西北路路径，沙尘天气一般起源于新疆中部以及蒙古高原中西部或内蒙古西部的阿拉善高原，主要影响我国西北、华北；西部路路径，沙尘天气起源于塔克拉玛干沙漠南缘部，主要影响西北地区东部、华北北部、东北大部；华北路径，沙尘天气起源于蒙古国西南部或南部的戈壁地区、内蒙古西部的沙漠地区，主要影响我国西北、华北；东北路径，沙尘天气一般起源于蒙古国乌兰巴托以南的广大地区，主要影响西北地区东部、华北大部和东北南部。

图2 The Distribution of dust storm 全国扬沙日数分布

       图3 The transport of dust storm in China 沙尘暴在中国的移动路径

    Time distribution of the dust storm in China 沙尘暴的时间分布特征

     从近50年来强沙尘暴发生的年代际变化看，从50年代至90年代，强沙尘暴出现的次数一直在增加，以60年代到70年代，及从80年代到90年代的增加更趋明显（增加达4～5次）。
    尽管能见度小于1000米的沙尘暴天气在我国一年之中均可能发生，但仍以春季发生最多，尤其是强沙尘暴天气更集中于春季。一年中3、4和5月沙尘暴发生次数偏高，尤其以4月份沙尘暴发生次数为全年最高。5月份以后沙尘暴发生次数急剧下降，9月和10月为最低。春季沙尘暴发生频率高，一方面与一年之中春季风速较大有关；另一方面还与此时地面开冻融化、气温上升、降水稀少，使得裸露的沙土结构逐渐变得松散，一旦有较强的天气系统活动就很容易产生沙尘暴有关。夏季降水较多，植被覆盖率高，沙尘发生的机率也随之减少，秋季沙尘暴发生的频率为全年最低，冬季地面冻结，即使风速较大，但一般而言大风难以将冻结成块的沙土吹离地面而形成沙尘暴，故沙尘暴发生的次数也较少。
    一天之中，强沙尘暴天气多发生在午后至傍晚时段，后半夜和午前发生较少。因为午后近地面气层呈明显不稳定状态，热对流最易发展。若遇冷空气过境，极易激发热对流发展成强尘暴天气。

   The hazard of the dust storm 沙尘天气的危害

      1.以大风形式摧毁建筑物、公用设施、树木，伤害人畜。特别是强及特强沙尘暴的大风多在10级以上，危害极大，据报道，2000年3月26~28日的风沙天气使北京市区发生多起人员受伤和财产损失事故，一些广告牌、灯箱和烟囱等设施被刮倒，有7名建筑工人被狂风从楼顶卷下，其中3人死亡；4月9日山东省的沙尘天气使4.7×103hm2农作物受灾，15万余个大棚被刮倒，2.8×103hm2果树受灾，受灾人口32.2万人，成灾21.2万人，毁坏渔船11条，并有人员伤亡和失踪，直接经济损失6亿多元。
    2.以沙流的方式造成农田、灌溉用渠道、村舍、铁路、草场等大量被流沙淹没。
    3.空中浮尘的危害。空中的浮沉污染环境，以1993年“5.5”特强沙尘暴天气为例，据金昌当时测定的空气含沙时为1016mg/m3，室内为80mg/m3，均超过国家规定生活区内含沙量标准的40倍；强沙尘暴造成的恶劣能见度可使人或牲畜迷路、失踪、造成飞机停飞以及各种交通事故的发生。
    4.风蚀危害严重。每次沙尘天气形成和所经地区都会受到程度不同的风蚀侵害，轻者刮走农田表层沃土，重者可风蚀土壤深度达1~10cm，使农作物根系露出或连根拔起。
    由上可见，沙尘天气的危害程度并不亚于台风、暴雨等造成的危害。据统计，每次大范围的强或特强沙尘暴天气所造成的直接经济损失都超过亿元，相当于一次中等强度的地震。沙尘天气问题应引起各界的关注。　

图4 Before and after Dust storm 沙尘暴前后景观对比

　

图5 Dust storm in Jiuquan, Gansu. 2004年7月12日甘肃酒泉地区的沙尘暴瀑布

Dust storm－One part of Earth

沙尘暴--地球的一部分

沙尘暴作为一种自然过程，它给全球生态系统带来了巨大的好处。沙尘的洲际运动把富含生物生长必须的多种营养成分播撒开去，恩泽广阔。亚洲沙尘暴每年把上千万吨的沙尘微粒从中国西北和蒙古国等干旱地区携出、洒落到广阔的太平洋，给大洋中的生物带来一场营养丰富的盛宴。近几年研究者还发现，每当爆发沙尘暴时，中国北方以及日本、韩国等地的酸雨危害都有所减弱。环境化学家、海洋生态学家、大气物理学家……他们一步步勾勒出沙尘暴的另一幅面孔——生命万物的忠实朋友、改善环境的可靠帮手。其实，沙尘暴也是大自然的一种恩赐。

Dust storm with Hawaii 沙尘暴与夏威夷

　　夏威夷群岛是浩瀚的北太平洋上最璀璨的明珠，那里美丽的风景征服了来自世界各地的人。带着艳丽花朵编制的花环、走在银白的沙滩上，碧海、蓝天、绿树，当人们陶醉在天堂般的风景中时，不会有人想到，眼前的美景全赖沙尘暴所赐——没有沙尘暴，夏威夷只是一些兀立在海里的巨型岩石，没有土壤、没有花草，充其量只会成为海鸟的栖息地。

　　第一次上夏威夷群岛考察的地理学家感到奇怪，为什么这里会如此生机盎然？夏威夷远离大陆，是海底火山喷发后熔岩凝结而成。这样的火山岩没有植物根系的作用根本无法形成土壤——没有土，哪里来的植物？而没有植物，夏威夷群岛又哪里来的土壤？这个问题几乎成了“先有鸡还是先有蛋”的死循环——最初一粒蕴涵着无限生机和希望的肥沃土壤来自哪里？

　　一艘白色的小船逡巡在夏威夷附近的海面上，船上不是穿着沙滩装、晒太阳的游客，而是几个拿着古怪仪器的人。他们每天定时用一个圆柱型的装置对着海风，收集空气中那些肉眼根本无法辨别的细小尘埃。类似的工作还在空中进行着，一架小型的科研用飞机飞上不同高度，用同样的装置收集北太平洋上空不同高度大气中的微粒。

　　这些尘埃被带到美国本土的实验室进行化验，与它们同时化验的还有另外一些土，这些土来自中国西北地区干旱苍凉的荒原。

　　化验结果让科学家们露出了欣慰的笑容，和他们猜测的一样，两者的成分非常相似——造就夏威夷最初的养料来自遥远的欧亚大陆内部。两地相隔万里，普通的风无法把内陆的尘埃吹到这么遥远的地方，是沙尘暴，把细小却包含养分的尘土携上3000米高空，穿越大洋，播种一般把它们撒下来。

　　随着卫星遥感技术的发展，科学家已经可以直观地观察亚洲沙尘暴的运动过程了。美国国家航空航天局的卫星清楚地拍摄到了我国甘肃、新疆等地发生沙尘暴后沙尘传播到美国西海岸的全过程。

图6 Transport of East Asian Dust Pall Across the Pacific 东亚沙尘暴迁移过太平洋

Dust storm with "nutrition movement"

沙尘暴：自然界的一种“均营养运动”

　　历史上，总有人不断提出各种“均贫富”的方法，想达到消除财富差距的目的，与此相比，沙尘暴可以算是一种自然界的“均营养”运动。沙尘暴把地表的土卷入高空，矿物质、有机物等等各种微粒在大气层中飘向远方。

　　现在浮尘甚至有了很多推崇者，因为浮尘当中的矿物质在恢复土地肥力方面的效果甚至要优于氮、磷、钾肥。在欧洲，这些推崇者发起了一项名为“恢复土地矿物化”的运动，他们把岩石和土壤粉碎混合，生产出与沙尘暴“创造”的沙尘成分相似的粉末，想以此代替传统的肥料来恢复农业的活力，现在他们的实验正在进行之中。

　　除了夏威夷群岛，科学家还发现，地球最大的绿肺——亚马孙盆地的雨林也得益于沙尘暴，它的一个重要的养分来源也是空中的沙尘。沙尘暴能把磐石变得葱葱郁郁的秘密在于，沙尘气溶胶含有铁离子等有助于植物生长的成分。科学家把悬浮在空气中、直径在10—100微米左右的固体、液体微粒叫做“气溶胶”，气溶胶的自然来源主要是海洋、土壤以及火山等。现在研究气溶胶的成分、移动路线和它对全球环境、气候的影响是世界最前沿的科研课题之一。

　　“气溶胶对整个世界的影响太大了”，北京师范大学化学系的实验室里，环境化学专家庄国顺教授说：“如果把中国和蒙古的荒漠、戈壁都罩上一个罩子，不让地表的土被风吹起，那么整个美国西海岸的海洋生物将纷纷饿死：没有气溶胶携带来的养分就没有丰富的海洋微生物(海洋的初级生产力)，而失去这海洋生物链最底层一环，整个海洋生态系统将难以为继。”

　　然而沙尘暴起源地如果出现污染，有毒的尘埃也会随之扩散，相隔万里的区域也会被有毒物质污染。所以现在许多发达国家非常关注其他国家和地区的环境问题，因为环境问题没有国界，一个地方环境的破坏会很快在这个小小的地球上传播开来。

　　中国是亚洲沙尘暴最主要的起源地，据估计，每年从中国沙漠输入太平洋的矿物尘土大约为6—8千万吨。源于东亚的沙尘气溶胶粒子含有丰富的铁、铝等矿物元素，能够增加海洋营养盐的输入，刺激海洋生物的活动，影响藻类光合作用，促进海洋生物的生长繁殖。

　　不过，降到海里的浮尘也是一柄“双刃剑”。美国地质测绘局的专家们发现，非洲沙尘暴造成的铁沉积和藻类过量繁殖之间有着明显的联系。这些藻类很多都是有毒的，它们是佛罗里达沿海有毒赤潮的元凶。但科学家们也不敢肯定，有害藻类的过度繁殖是否真的一无是处，也许，它们对海洋生态系统也有尚不为人知的利益。

　　Acid rain in Japan and Korea 日本韩国的酸雨

　　在日本，曾有人说源自中国的沙尘暴影响了日本的环境，降低了日本国内的空气质量。但是最近，日本的《朝日新闻》却以《黄沙，中国来的恩惠》为题大幅报道了一项研究成果，其后《环境新闻》、日文版《国家地理杂志》、日本共产党机关报《赤旗》和韩国《文化放送》电视台也制作了专题——科学家发现，沙尘暴所携带的碱性沙尘可以中和大气中的工业污染排出的酸性物质，大大降低酸雨的酸性。沙尘暴不仅使我国北方得以免受酸雨之苦，而且对韩日两国的酸雨也起到了显著的抑制作用。

　　酸雨是伴随工业发展产生的一个环境问题。在自然界，普通的雨水与河湖中的水酸性是相同的。(科学家把液体酸碱性分成14个等级，用“pH值”来表示，pH值为7表示中性，酸性越大pH值越小。)由于水可以溶解少量空气中的二氧化碳，所以自然状态下的水是略带微弱酸性的，pH值为5.6。如果降水比自然界存在的水更酸，即pH值小于5.6则被称为酸雨(包括酸雪)。

　　二氧化硫和氮氧化物是形成酸雨的主要因素，工业生产的许多环节都会产生这些东西。煤炭是工业生产的最主要能源，煤中通常含有硫，烧煤不但产生“大名鼎鼎”的温室气体二氧化碳，还会产生很多硫的氧化物。当大气中的二氧化硫、氮氧化物等酸性污染物浓度增高时，这些物质可溶于雨雪中，生成亚硫酸、硫酸和亚硝酸、硝酸，使降水pH值降低，形成酸雨。酸雨对土壤、水体、森林、建筑物和人体健康都会产生不良影响。

　　在我国，二氧化硫是导致酸雨的主要物质，南方和北方二氧化硫排放程度大致相当，但是酸雨主要出现于长江以南，北方只有零星分布。学术界对这一现象早有解释：北方多风沙，来自沙漠的沙粒偏碱性；北方土壤也偏碱性，飘尘也偏碱性，含钙的硅酸盐和碳酸盐都会中和大气中的一些酸性物质。但是由于受制于当时的单一模式和计算能力，一直没能开展相关的定量研究。

　　随着人们对沙尘暴关注的升温，科学界对它也投入了更多的精力。现在，科学家已经测算出沙尘暴对酸雨的影响。

　　中国科学院大气物理研究所的王自发研究员说：“沙尘暴确实降低了酸雨的酸性。沙尘及其土壤粒子的中和作用使中国北方降水的pH值增加0.8—2.5，韩国增加0.5—0.8，日本增加0.2—0.5。如果没有沙尘的作用，那么很多北方地区的酸雨危害要严重得多。”

　　沙尘暴作为一种自然现象，始于人类出现之前，也将继续存在下去。对于它的存在，我们很难用“好”与“不好”的标准来评判，自然界自有它的一套法则。从黄色的天空、春天的“泥雨”到太平洋上收集气溶胶的飞机，我们对沙尘暴的认识和研究都还只是一个开始。在自然的奇伟面前，我们总是像个好奇的孩子。

Dust storm with Globe Worming

沙尘暴与全球变暖

    大气中温室气体CO2的增加，导致全球变暖，海平面上升，这是一个全球关注的大问题。最近科学家发现海洋浮游植物吸收二氧化碳的总量十分巨大，跟陆地上植物吸收二氧化碳的总量竟不相上下，这在过去是完全没有想到的。然而更让人想不到的是，吹到海洋的沙尘暴是浮游植物生长繁殖必不可少的助产士。如果说海洋浮游植物是抵抗全球变暖的功臣的话，沙尘暴就是幕后英雄。

    2002年1月，南大洋碧波荡漾，三艘模样有些古怪的船只正在航行，在这些船的尾部，不断有一些红色的液体排向大海，顷刻，碧蓝的海面便被染成一片红色。有人以为这是三艘不讲道德污染海洋的捕鲸船，恰恰相反，这是一些为改善人类的生存环境而工作的科学研究船，船上有来自德国、美国、新西兰等国的76名科学家，他们正在做一项向大海“施肥”的科学实验：往海里投放含铁的溶液，目的是看这些铁溶液是否能刺激海洋里浮游植物的生长。为什么要刺激海洋里浮游植物的生长呢？原因是这样的：科学家已经证明了海洋里的浮游植物能像陆地植物一样，吸收导致全球气　　候变暖的罪魁祸首——二氧化碳。因此海洋浮游植物的增加将减少大气中二氧化碳的含量。

　　差不多与此同时，在南太平洋上，一些向新西兰行驶的船，也许能说明这些科学家此项实验的意义和紧迫性。这些船上乘载着南太平洋上的岛国图瓦卢的生态移民。2000年12月，图瓦卢政府宣布，因地球气温增高引起海水上涨，图瓦卢部分土地已经被海潮淹没。图瓦卢领导人承认在与不断上升海平面的斗争中失败，宣布将放弃他们的祖国。新西兰政府同意接受1.1万图瓦卢居民前往定居。图瓦卢的命运只是一个缩影。基里巴斯、库克群岛、瑙鲁和西萨摩亚等低地岛国也面临着同图瓦卢一样举国搬迁的威胁，而一些大国，虽然不至于举国搬迁，但一些重要的沿海城市也受到海平面上升的威胁。

　　然而，这些与沙尘暴有什么关系么？科学家的结论是有很大关系：沙尘暴是全球生态系统的重要一环，它是抵抗全球变暖的重要部分。沙尘暴虽然不直接吸收大气中的二氧化碳，但它是海洋浮游植物的生长肥料，沙尘暴所带来物质是浮游植物生长必不可少的。没有沙尘暴吹向海洋，浮游植物将很难生长。而海洋浮游植物最近才被认识到在吸收二氧化碳方面的作用并不亚于陆地植物。

　　大家都知道植物有一个神奇的功能：即通过叶片中的叶绿素进行光合作用来吸收大气中的CO2，并呼出氧气，这和动物与人正相反。这是自然界生态平衡中的一环。在这一过程中植物依赖阳光和水中的氢帮忙把CO2中的无机碳转变成有机物，即糖类、氨基酸及其它构成细胞的生物分子。大气中二氧化碳转变成有机物的过程，也被称为“初级生产力”。

　　植物通过光合作用来吸收大气中的CO2，过去人们想到的往往是陆上的森林和草地。海洋浮游植物对气候的影响之大，最近才被充分认识。

　　大约5年前，大多数生物学家还是严重低估了浮游植物对吸收大气中的CO2的贡献。主要原因是由于当时的科学家无法计算出全球浮游植物的总量。

　　1997年，美国航空航天局(NASA)发射了海洋广角感测仪(Sea Wide Field Sensor)。它使科学家有可能计算出全球浮游植物的总量。它是第1颗能每周观察全球浮游植物数量的人造卫星。为什么卫星能观测出全球浮游植物的总量？这是因为：只有当植物中存在叶绿素A时，光合作用才能进行。叶绿素A能吸收阳光中的蓝色和绿色波段，而海洋中的水则将其散射。因此，在一个区域内吸收阳光的浮游植物越多，从太空中观察的这片海洋就越暗。卫星通过观测从海洋反射回来的蓝一绿光所占的比例，就可以计算出叶绿素的量，从而了解浮游植物的量。

　　正是由于卫星的帮助，加上实地调查和数学计算，在1998年，世界上几个不同的研究小组得出了一个共同的惊人结论：浮游植物每年将大约450亿—500亿吨的二氧化碳合成到自己的细胞中——这是此前最大胆的估计的数倍。

　　科学家早已经推算出每年大气中大约有1000亿吨的二氧化碳被吸收了，而这过去大部分被算到了陆生植物的功劳簿上。今天，人们明白了，其实陆生植物每年只吸收了大约520亿吨。而另一半是被浮游植物吸收了，可以说，海洋浮游植物在吸收温室气体CO2方面的贡献和陆生植物平分秋色。

　　地球现在面临的麻烦是大气中CO2增多，换一种说法是全球的碳循环失衡，即释放的碳远远大于被吸收的碳。人类通过燃烧化石燃料，将深埋地下的碳带回循环中的速度是过去生物呼吸、生物降解、火山喷发等途径释放碳的速度的大约100万倍。森林和浮游植物吸收CO2的速度难以赶上这一增长的步伐，结果导致大气中的这一温室气体的浓度迅速上升。

　　全球原有的碳平衡被打破，导致气候变暖，现在的任务是重建这种平衡。科学家们在海洋浮游植物身上看到了这种希望。

    图7. Dust storm with Global Carbon Cycle 沙尘暴与地球碳循环

　

    海洋浮游植物有一个特点是繁殖的速度快，而且有生长的广大空间，这是陆生植物无法相比的。海洋浮游植物细胞平均6天繁殖和死亡一次。浮游植物的快速生命周期是它们对气候产生影响的关键。1988年，一个正在进行的国际研究项目——全球海洋通量联合研究(JG—OFS)，开始对海洋碳循环进行量化研究。他们发现，死亡浮游植物的细胞和动物排泄物中的有机物质分为两部分，一部分对吸收CO2重建碳平衡意义不大，因为这些下沉并被微生物分解的浮游植物的细胞，把它们通过光合作用固定的碳通过海水的循环又释放到大气中，这种循环大部分发生于海洋中的阳光照射层。

　　能够减少大气中的二氧化碳，从而对重建碳平衡发挥影响的是那些还未分解就沉入海洋深处的浮游植物的细胞和有机物。这些有机物沉到了200米以下的海洋深处，那里的海水温度较低、密度高，因此这部分海水很难与其上面较暖和的海水循环交换，因此被固定的碳停留在海里的时间长得多。通过这一被称为“生物泵”的过程，浮游植物将表层海水及大气中的CO2转移至海洋深处。　　2001年，美国的研究人员报道了每年被泵入深海的碳物质总量在70亿—80亿吨之间，相当于浮游植物每年所吸收碳的15%。

　　正是这一循环使大气中CO2的浓度，比如果没有这一循环低了200ppm(百万分之一)，对于目前大气中CO2浓度约为365ppm来说，这是一个很重要的因素。

　　既然海洋浮游生物对吸收CO2、重建全球碳循环这么重要，那么怎样才能使浮游植物繁殖得更快、更多？就成了科学家最想知道的事情。

　　海洋中到底哪些营养成分对浮游植物的生长起作用？过去科学家对此知之甚少，直到最近10年情况才有所改变。科学家这些年有几个重要发现，一是知道了浮游植物生长必须有两种营养元素——氮和磷来支持，磷是合成蛋白质的基本物质，过去一直认为磷最难获得，因为磷只存在于陆地的磷酸盐矿石中，海洋中的磷是经由河流带入海中的；而氮气是大气中最丰富的气体，可以自由溶进海水中....

DUST IN THE WIND

风中的尘埃—沙尘暴