探尋沙塵暴背后的真相

王輝

2022年2月13日，北京冬奧會正如火如荼地舉行，一場大雪如期而至，給北京帶來了別樣的景色。對中國科學(xué)院大氣物理研究所副研究員吳成來來說，卻有一絲緊迫感，春天的腳步已臨近，意味著我國每年的沙塵季節(jié)也要到來了。2021年春季，北京曾遭受了4次沙塵暴侵襲，其中最強的一次沙塵暴發(fā)生在3月15日，可吸入顆粒物（PM10）濃度最高達9000微克每立方米以上，遠超重度污染的PM10濃度（400微克每立方米以上），引發(fā)了政府和社會的高度關(guān)注。未來更長時間內(nèi)北京的沙塵暴活動將如何變化？能否從大自然中提前找到一點信號，提前預(yù)判？要想預(yù)知未來，必須了解過去。過去幾年，吳成來的研究工作就是圍繞認識我國北方沙塵暴的演變規(guī)律及其背后的原因展開的。

成長之路：

從好奇心到上下求索

1985年，吳成來出生在福建一個小村落。自幼在山野田林間玩耍的他，對大自然充滿了無數(shù)的好奇心。19歲那年，他以優(yōu)異的成績考上了南京大學(xué)大氣科學(xué)系。在老師的引領(lǐng)下，吳成來系統(tǒng)學(xué)習了大氣科學(xué)的基本理論和大氣各種現(xiàn)象的演變規(guī)律。但隨著學(xué)習的深入，他發(fā)現(xiàn)自己還有很多疑問沒有解開。“雖然大學(xué)時并沒有規(guī)劃好職業(yè)方向，但我深知這是由于我對世界的了解還遠遠不夠?！眳浅蓙硖寡?。

2007年夏，一次偶然的機會使吳成來參加了南京大學(xué)組織的大地學(xué)聯(lián)合實習考察，前往新疆實地了解地質(zhì)、地理和氣候特征。對出生在東南沿海的他來說，這無疑是一次開闊視野的機會：第一次看到沙漠、戈壁、高原湖泊，見識我國西北干燥的氣候和獨特的風沙地貌。“當時我們坐火車經(jīng)過了茫茫戈壁，一路考察的地方有吐魯番、烏魯木齊、喀什，使我對我國西北復(fù)雜的地理環(huán)境和氣候有了實地的體會，同時帶來了很多思考?！毕肫鹉谴慰瓶?，吳成來記憶猶新。盡管只是一次簡單的科考，但卻在吳成來的心中種下了一顆種子。也許是命運的安排，吳成來后來被保送到中國科學(xué)院大氣物理研究所就讀研究生，導(dǎo)師林朝暉研究員提供的研究課題正是要研究地球系統(tǒng)中沙塵循環(huán)的演變規(guī)律，重點關(guān)注沙塵暴密切相關(guān)的地表狀態(tài)及起沙過程。不過跟之前的野外考察不一樣，他采用的是數(shù)值模擬的方法，希望能發(fā)展出一個物理模型，來再現(xiàn)地球上的風沙過程?！斑@個模型最大的用途是用來理解過去的變化規(guī)律，并預(yù)知未來。當然觀測資料也是關(guān)鍵的，可以用來驗證模型，另外觀測得到的事實和物理機制也是我們發(fā)展模型的基礎(chǔ)?！眳浅蓙碚勂鹚难芯款I(lǐng)域時解釋道。

此后，吳成來一直致力于發(fā)展一個能夠準確再現(xiàn)沙塵起沙、輸送和沉降的模型，認識沙塵暴過去演變的規(guī)律及其機制，并預(yù)判未來可能的變化趨勢。這期間，在導(dǎo)師的鼓勵和推薦下，他還前往德國科隆大學(xué)地球物理與氣象研究所短期交流學(xué)習，得到邵亞平教授的指導(dǎo)。博士畢業(yè)后，他前往美國懷俄明大學(xué)大氣科學(xué)系進行博士后研究，跟隨劉小紅教授進行合作研究。2018年年初他回到國內(nèi)，回到了林老師的實驗室繼續(xù)相關(guān)領(lǐng)域的研究。經(jīng)過多年的學(xué)習和摸索，吳成來越來越認識到沙塵暴研究的重要性和緊迫性。

“盡管目前對沙塵暴的監(jiān)測、模擬及預(yù)報已經(jīng)建立了一套較完整的方法，但中間還有很多過程不是很清楚，真正預(yù)報起來，準確度還不夠，不能滿足國家的需求。其實，沙塵暴跟土壤顆粒特性、干濕特征、植被分布、近地面風場和大氣環(huán)流都有關(guān)系，只有綜合考慮了這些要素，才能較好地模擬和預(yù)測沙塵暴活動。”談起自己的工作，吳成來解釋道。

使命驅(qū)動：

從實踐中來，再回到實踐中去

“2021年3月15日，我國北方出現(xiàn)大范圍沙塵暴天氣，氣象部門連續(xù)發(fā)布預(yù)警，特別是北京市被黃沙籠罩，網(wǎng)上有人貼出照片，不禁感嘆，地球恍若火星?！敝型饷襟w爭相報道，很多人發(fā)出了對氣候環(huán)境變化的擔憂，更有人開始質(zhì)問沙塵暴發(fā)生的原因。

吳成來介紹，沙塵暴是我國北方常見的災(zāi)害天氣，多發(fā)于春季，氣象、環(huán)保、林業(yè)等部門都非常關(guān)注。像2021年這樣的強度，歷史上也曾有發(fā)生，單在2000—2002年間，我國北方就發(fā)生了多次強沙塵暴，更早之前，20世紀60—70年代，北方沙塵暴活動非常頻繁，比近20年頻繁得多。

“可以說，沙塵暴是一種自然現(xiàn)象，從歷史時期到現(xiàn)在都時有發(fā)生，但為什么從20世紀60—70年代以來不斷減弱，特別是近20年來的減弱非常明顯？去年發(fā)生的沙塵暴是否帶來了什么新的啟示，減弱趨勢已經(jīng)扭轉(zhuǎn)？”吳成來提出了疑問，同時也強調(diào)：“近年來，政府和公眾都非常關(guān)注氣候、環(huán)境變化問題。沙塵暴變化的原因不僅困擾著公眾，也直接影響著政策決策的制定。研究這些問題，是我的使命所在?！睅е@些疑問，他進行了大量的觀測數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬。

吳成來首先收集了豐富的地面和衛(wèi)星等觀測資料，分析一些與沙塵活動密切相關(guān)的因子的變化特征，包括風速、土壤濕度、植被覆蓋等因素。他發(fā)現(xiàn)，過去幾十年來，風速存在明顯的減弱，土壤濕度、植被覆蓋變化的區(qū)域差別較大，但總體上土壤變濕、植被變綠對沙塵暴減弱都有貢獻。同時也遇到了難題，就是這些因子變化各自的貢獻。這主要是因為氣候與地表環(huán)境的變化本來是相互作用的，這些因子間有錯綜復(fù)雜的關(guān)系。

沙塵暴變化的原因眾說紛紜，但目前還沒有一個令人信服的結(jié)論，這給沙塵暴未來變化的預(yù)估和應(yīng)對帶來了很大困難?！疤貏e是因為歷史上曾經(jīng)存在沙塵暴活動很強的時期，如果不搞清楚目前減弱的原因，我們根本無法預(yù)知未來這種變化趨勢是否會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，什么時候發(fā)生扭轉(zhuǎn)?！北M管是一個艱巨的任務(wù)，吳成來堅信能做得更多、更好。于是，他從風沙物理學(xué)理論和以往模型出發(fā)，發(fā)展了一個能較好考慮風速、土壤顆粒、干濕特性、植被覆蓋和積雪等多要素影響的風蝕動力學(xué)起沙模型。對地學(xué)工作者，模型是不可或缺的工具。由于地學(xué)的問題往往涉及的區(qū)域范圍大、時間跨度長，在現(xiàn)場做實驗是非常困難的，特別是對于大氣運動相關(guān)的問題?！拔业哪Ｐ途拖褚粋€小型的實驗室，通過調(diào)整里面的參數(shù)，改變一些關(guān)注的條件，可以區(qū)分出不同要素的影響，有助于我們更好地理解大自然的過程?！眳浅蓙斫忉尩馈?/p>

經(jīng)過多年的分析和計算，吳成來及其團隊已經(jīng)能初步區(qū)分出來風速、植被和土壤濕度對風沙活動的影響，但其中也存在須進一步解決的問題。“比如，模型的準確度就還有很大改進空間。其次，模型需要數(shù)據(jù)驅(qū)動，但這些數(shù)據(jù)本身能否反映真實世界的變化卻并不清楚，而且這些數(shù)據(jù)本身的變化也是彼此關(guān)聯(lián)的，很難說誰主導(dǎo)了某個過程?！眳浅蓙硖寡?。

另外，研究沙塵暴的變化，還不能忽略人類活動的影響。歷史上，一般是人類活動如放牧、樹木砍伐、農(nóng)業(yè)開墾等加劇了風沙活動，但近幾十年來，我國啟動了一系列生態(tài)恢復(fù)工程，包括三北防護林、京津冀風沙源治理工程等。“這些工程發(fā)揮了很多積極的作用，但貢獻多少還不得而知。如果不能區(qū)分這些工程帶來的作用和氣候環(huán)境自身演變的影響，我們對我國北方沙塵活動的直接預(yù)估結(jié)果都是不可靠的?！眳浅蓙硌a充道。

未來發(fā)展：

深入鉆研與知識集成

在可預(yù)知的未來，沙塵暴勢必不會消失，還將不斷發(fā)生。探清沙塵暴變化蘊含著怎樣的真相，吳成來還有很多的研究工作要做。展望未來，他充滿希望，也提出了自己的規(guī)劃：“風沙物理學(xué)是一個多學(xué)科交叉、多時空尺度相互作用的問題，希望自己將來能在地表參數(shù)和風力的變化及兩者的相互作用上獲取更多的認識，這是起沙過程中最復(fù)雜的問題。另外，目前的地面和衛(wèi)星觀測手段也越來越豐富，天氣預(yù)報和氣候預(yù)測也有長足的進步，通過集成多種觀測信息以及氣象預(yù)測的理論和知識將可以大大提升對沙塵暴演變的認識與預(yù)報。”

（責編：關(guān)弋）