【温故知新】黄建平团队| 近十年次数最多！2023年春蒙古沙尘席卷我国北方，占比超过40
文章来源于：大气科学进展AAS聚焦·沙尘
《Advances in Atmospheric Sciences》2023年第9期封面Cite this article: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., 40(9), 1549−1557, https://doi.org/10.1007/s00376-023-3062-1.
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封面故事|近十年次数最多！蒙古沙尘席卷我国北方，占比超过40%
精彩看点
沙尘暴是我国常见的自然气象灾害，具有突发性强和影响范围广等特点。该灾害对农业生产、交通运输以及空气质量等造成严重危害，并对人民群众的正常生产生活产生影响。今年春季，我国频繁发生沙尘天气。在此背景下，研究团队借助先进的空气污染模型和卫星遥感技术，发现在我国今年春季频发的沙尘天气事件中，蒙古跨境输送的沙尘浓度贡献已超过我国境内最大的沙源地——塔克拉玛干沙漠。此外，该项研究进一步融合地基观测和卫星遥感等观测资料，利用机器学习方法对模式沙尘预报进行订正，有效提升了沙尘预报效果。该研究为我国预测和应对沙尘暴灾害提供了重要的科学依据。其结果预示着加快推进中蒙荒漠化联合治理进程，推动政府间气候变化国际合作势在必行。
“上午一拉开窗帘，天都黄了，对着太阳还以为自己看见了月亮”，“刚才人还在西北吃饭，放下筷子的功夫，从室内出来人就上火星了”，“10米外六亲不认、50米外雌雄不辨、100米外人畜不分，不用戴眼镜了，因为戴了也没用”，“地方的土特产千差万别，但整个北方的土特产肯定是统一起来了”。调侃之中包含了多少无奈，只有亲自“吃过土”，尤其是“动不动就吃土”的人最懂，黄沙漫天，低劣的能见度不仅影响交通，人的心情也随着压抑；尘土飞扬，大风肆虐，无论在室内还是室外，戴着口罩都能闻到的土腥味，刺鼻且让人呼吸不畅。今年春季的这些沙尘天气不断唤醒了公众关于沙尘暴的不愉快记忆。
兰州大学黄建平院士团队利用改进后的数值模式，结合扩散轨迹模型以及多源地面观测和卫星遥感数据揭示了我国2023年春季发生的沙尘事件的成因，准确刻画了蒙古沙尘的起源和跨境传输过程，并揭示了沙尘跨境传输路径以及对我国的影响。此外，作者团队还利用机器学习的相关方法融合多源观测资料，订正了数值模式的预报结果，为沙尘暴的预报预警提供科学依据，从而提高沙尘暴灾害的防范和应对能力。
图1. 沙尘天气下拍摄的照片（图片来源：作者提供）
01|2023年春季强沙尘天气发生过程
研究团队利用地基观测、卫星遥感、再分析资料以及改进后的WRF-Chem模式结果来分析2023年春季我国沙尘事件的成因。研究发现，随着2月下旬蒙古高原气温上升、降水减少和裸露地表持续干燥，近地表沙尘气溶胶在强风的作用下扬起。在强烈偏北风的作用下，跨境沙尘一路向南卷席并影响下游地区。冷锋和蒙古气旋为沙尘的起沙和跨境传输提供了方便的天气条件。随着西伯利亚的冷空气向南侵袭和近地表风速的迅速加强，沙尘强度得到迅猛发展，席卷了我国北方大部分地区。
论文的第一作者陈思宇教授指出，自今年1月以来，我国北方已经发生了12次沙尘过程，2023年以来发生的沙尘次数为近10年以来同期最多。其中，3月19日至24日以及4月9日至11日发生的沙尘事件已达到沙尘暴级别。在蒙古气旋强劲发展的推动下，来自蒙古高原的沙尘气溶胶随冷空气向南扩散，影响了我国绝大部分北方地区。期间，大部分观测站的日平均PM10浓度超过400 μg m-3，特别是在3月22日，沙尘暴达到峰值，我国部分环境监测站点的日平均PM10浓度飙升至600 μg m-3以上。与今年3月的沙尘事件相比，4月份我国经历的沙尘事件次数更多。在4月9日至11日的沙尘事件中，受冷空气影响，我国多地大幅降温、强风四起，形成了有利的沙尘输送条件，导致沙尘被传输到我国西北、华北和东北等地。其中，北京和呼和浩特的沙尘浓度峰值分别超过1400 μg m-3和2100 μg m-3，严重影响我国北方空气质量（图2）。
图2：2023年春季我国北方地面观测站点PM10浓度分布及时间序列。
(a)-(d) 为我国北方2023年3月10日、3月15日、3月22日地面观测PM10浓度（单位：μg m-3）。(e)为2023年2月19日至4月28日，我国北方3个主要受沙尘暴影响城市（BJ：北京；Hohhot：呼和浩特；LZ：兰州）PM10浓度时间序列。其中，红圈代表了自2023年2月以来我国沙尘事件发生次数。由于第一次沙尘事件发生在1月份，图中的沙尘次数序号从2开始。
02|蒙古沙尘跨境传输机制及贡献
蒙古沙尘是如何传输到我国呢？
为了研究这个问题，研究团队使用基于耦合动态沙源的WRF-Chem模式，并结合多源观测探究了今年春季沙尘暴的起沙和传输机理。在3月中旬，随着500 hPa低压槽东移和蒙古气旋的发展，沙尘呈东北-西南带状分布的爆发态势。在初期（3月9日、14日和20日），500 hPa高空槽位于乌拉尔山脉西侧，槽前强暖平流导致地面低压发展，槽后偏北风增强西伯利亚冷空气南下，遇到暖空气形成冷锋。随着蒙古气旋的发展，冷锋南压，在强风的作用下蒙古沙尘大量被扬起，在偏北风作用下南下并逐渐影响我国。3月10日，强冷空气向南入侵，寒潮爆发，导致我国和蒙古大部分地区，特别是蒙古、内蒙古、宁夏、新疆和陕西等地遭遇沙尘暴和浮尘天气。沙尘暴爆发时，冷锋东移至蒙古东部、华北-西北一带，锋后的强风导致来自蒙古西南部和塔克拉玛干的沙尘向南运输，影响我国北方大部分地区，其中甘肃和宁夏的沙尘浓度超过了60 μg kg-1。3月14日，在蒙古气旋的影响下，蒙古南部沙尘继续释放，并在西北气流下向东南方向移动，主要影响我国西北，沙尘浓度为100~320 μg kg-1。3月20日，一股更强的冷空气向南移动，导致蒙古大部分地区起沙增强。冷锋位于内蒙古，我国北方沙尘浓度超过了500 μg kg-1，形成今春最强沙尘暴事件。从4月9日开始，500 hPa温度场落后于高度场，有利于槽脊系统的发展。西伯利亚北部积聚了大量冷空气，而我国北方恰好位于脊前槽后。因此，在偏北风的作用下，大量冷空气南下。受冷空气影响，西北东部、内蒙古、华北、东北和黄淮地区气温急剧下降。同时在偏北风的作用下，沙尘气不断向西北、华北和东北飘散。4月10日，西风气流和中高纬蒙古气旋增强了塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠沙尘的东传，近地面沙尘浓度远高于了500 μg kg−1，成为了今年影响我国的第二大沙尘暴事件，但稍弱于3月22日（图3）。
图3：2023年春季我国北方天气图和模拟的沙尘浓度。
(a)-（d）分别为我国北方2023年3月9日12时 、3月14日0时、3月20日18时，4月9日12时WRF-Chem模拟的沙尘浓度（单位：μg kg-1，填色）和再分析资料1000 hPa位势高度（单位：gpm，蓝色实线)、温度（单位：℃，红色实线）和风场（单位：m s-1，黑色风矢量）。
为进一步揭示不同沙源对我国发生的沙尘事件的影响，研究团队利用HYSPLIT模型和轨迹聚类分析方法，确定了我国北方沙尘的来源和传输路径，并利用浓度权重轨迹分析方法量化了不同沙源对我国北方沙尘浓度的贡献（见图4）。研究结果表明，今年春季发生在我国北方的10次沙尘事件，其中蒙古对我国北方沙尘的平均贡献约为42％，塔克拉玛干沙漠的平均贡献约为26％。具体而言，在3月9日至11日发生的沙尘事件中，蒙古对我国北方沙尘浓度的贡献高达45％，沙尘浓度贡献达到90μg kg-1。在3月12日至15日，蒙古对我国北方沙尘浓度的贡献高达75% 。3月19日至24日，蒙古对我国北方沙尘的最大贡献超过270μg kg−1，导致该地区出现了今年以来最为严重的沙尘事件。4月9日至11日，约37％的沙尘来自塔克拉玛干沙漠，27％的沙尘源自哈萨克斯坦，经新疆和蒙古到达我国北部。此外，蒙古仍然是我国4月其余两次沙尘事件（4月3日至4日和4月18日至21日）的主要贡献者，其贡献率分别为42％和62％。
图4：我国北方2023年春季沙尘来源与传输。(a)-(k)分别为我国北方2023年3月1日至4月30日、3月7日、3月9日至11日、3月12日至15日、3月19日至24日、4月3日至4日、4月9日至11日、4月12日至15日、4月18日至21日、4月25日和4月27日至29日的基于HYSPLIT得到的后向轨迹特征（彩色线表示气流轨迹，数字表示气流轨迹的百分比）和利用WCWT(CWT校正后的浓度加权值）量化的沙尘浓度贡献（单位：μg kg-1，填色表示其他各地区对我国北方沙尘浓度的贡献）。
03|蒙古跨境沙尘天气预报研究
为提高我国沙尘灾害天气事件的精细化预报，研究团队有效融合地基观测、卫星遥感等观测资料，利用机器学习方法对WRF-Chem模式的预报结果进行了订正。作者团队将全国环境监测数据、气象观测数据、卫星遥感观测数据以及WRF-Chem模式预报数据作为订正模型的数据输入，构建了基于梯度提升回归方法的模式订正方法。针对极端气象数据中数据分布不均衡、长尾分布等问题，利用SMOTE重采样算法对训练数据进行了重采样，使学习数据分布均衡、避免机器学习模型偏向于“头部数据”学习的偏好。通过对比实验结果表明，该订正模型可以有效订正WRF-Chem模式的预报结果，提高了对沙尘天气事件中PM10等关键指标的预报准确率（图5）。
图5：机器学习订正方法实验效果图。
(a)不同方法预报的3月9日至11日兰州(36.4789 °N, 103.6975 °E) PM10浓度曲线；(b) 3月14日23:00地面观测PM10浓度空间分布(单位：μg m-3)；(c) 3月14日23:00 机器学习订正的PM10浓度空间分布 (单位：μg m-3)；(d) 3月份沙尘事件PM10观测值与机器学习订正值散点分布图。
04|总结讨论
沙尘天气是我国北方春季多发的一种灾害性天气，严重危害农业生产、交通运输、空气质量和人民群众的生命安全和财产安全。研究团队采用多源、多尺度数据，结合天气分析、轨迹分析等方法，探讨了我国2023年春季以来发生的多起严重的沙尘污染天气事件。冷锋和蒙古气旋这两种天气系统主导了这些事件，致使蒙古国大范围起沙，并推动沙尘跨境输送，导致我国多地出现短时强沙尘暴天气。北方大部分地面观测站PM10浓度超过了400 μg m-3，严重影响了我国的生态环境和人民的生产生活。而随着冷锋不断南推，沙尘也随之向南扩散，致使长江流域也出现了严重的污染天气。研究进一步指出，蒙古和塔克拉玛干沙漠是影响我国沙尘浓度的主要源区。在我国今年春季发生的10次沙尘事件中，蒙古对我国北方的影响（42%）远远超过了塔克拉玛干沙漠（26%）。此外，该研究基于机器学习的模式预报订正方法，构建了结合SMOTE重采样方法的梯度提升回归订正模型。研究表明，在复杂的沙尘灾害天气环境下，机器学习算法能够有效融合多源数据、更好地建模隐藏在大气中的非线性关系，准确地对数值模式预报结果进行订正。
论文通讯作者黄建平院士谈到：“我们目前正在开展大型野外综合观测试验，发展不同下垫面的风蚀起沙参数化方案，提高沙尘的模拟精度；并基于机器学习融合多源数据，发展高时空分辨率的沙尘天气精细化预报系统。该研究的实施将增强沙尘天气的早期识别能力，完善精细化沙尘灾害预警预报体系，有效提升我国应对沙尘天气及其次生灾害的联防联控水平，为我国的灾害天气预报事业做出贡献。”
论文主要作者介绍:
第一作者陈思宇
兰州大学 萃英教授、博士研究生导师教育部青年长江学者、甘肃省领军人才
陈思宇教授主要从事沙尘气溶胶与天气气候反馈的数值模拟研究，重点研究沙尘起沙参数化、人为和自然因素对起沙影响、气溶胶动力输送、吸收性气溶胶辐射强迫及气候效应、沙尘暴预警预报等方面，取得的研究成果在大气污染治理、数值天气预报以及全球气候变化等方面具有重要意义。在大气科学领域权威期刊发表学术论文60余篇，其中第一作者/通讯作者论文40余篇，相关研究成果入选ES&T（3篇）和JMR封面论文，ESI高被引论文、Science China“热点论文”和“最佳论文”以及“中国沙漠科学十佳论文”，研究成果荣获2020年第九届“清华大学—浪潮集团计算地球科学青年人才奖”、教育部自然科学二等奖（排名第四）等。主持国家自然科学基金委气象联合基金重点支持项目“蒙古跨境沙尘灾害天气的智能识别与精细化预报研究”。
通讯作者
黄建平
中国科学院院士、教育部“长江学者”特聘教授国家杰出青年科学基金获得者
黄建平院士长期专注于半干旱气候变化研究，在半干旱气候观测、变化机理和预测三个方面取得了一系列基础性强、具有国际影响力的原创性研究成果。系统揭示了沙尘气溶胶与云和降水相互作用及其影响西北干旱气候的机理，该研究成果荣获2013年度国家自然科学奖二等奖（排名第一）1项，2012年度甘肃自然科学奖一等奖（排名第一）1项。发表一系列高水平SCI论文，SCI总引15000余次，H-Index 66，多篇成果入选ESI高被引和热点论文，多次入选科睿唯安高被引学者，先后获得首届全国创新争先奖和多项省部级奖励，是首届“做出突出贡献的中国博士学位获得者”，首届“赵九章优秀中青年科学工作奖”获得者。
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