探尋沙塵暴背后的真相

王輝

2022年2月13日，北京冬奧會(huì)正如火如荼地舉行，一場(chǎng)大雪如期而至，給北京帶來(lái)了別樣的景色。對(duì)中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所副研究員吳成來(lái)來(lái)說(shuō)，卻有一絲緊迫感，春天的腳步已臨近，意味著我國(guó)每年的沙塵季節(jié)也要到來(lái)了。2021年春季，北京曾遭受了4次沙塵暴侵襲，其中最強(qiáng)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(dá)9000微克每立方米以上，遠(yuǎn)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(huì)的高度關(guān)注。未來(lái)更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)北京的沙塵暴活動(dòng)將如何變化？能否從大自然中提前找到一點(diǎn)信號(hào)，提前預(yù)判？要想預(yù)知未來(lái)，必須了解過(guò)去。過(guò)去幾年，吳成來(lái)的研究工作就是圍繞認(rèn)識(shí)我國(guó)北方沙塵暴的演變規(guī)律及其背后的原因展開的。

成長(zhǎng)之路：

從好奇心到上下求索

1985年，吳成來(lái)出生在福建一個(gè)小村落。自幼在山野田林間玩耍的他，對(duì)大自然充滿了無(wú)數(shù)的好奇心。19歲那年，他以優(yōu)異的成績(jī)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(lái)系統(tǒng)學(xué)習(xí)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(xí)的深入，他發(fā)現(xiàn)自己還有很多疑問(wèn)沒有解開?！半m然大學(xué)時(shí)并沒有規(guī)劃好職業(yè)方向，但我深知這是由于我對(duì)世界的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?！眳浅蓙?lái)坦言。

2007年夏，一次偶然的機(jī)會(huì)使吳成來(lái)參加了南京大學(xué)組織的大地學(xué)聯(lián)合實(shí)習(xí)考察，前往新疆實(shí)地了解地質(zhì)、地理和氣候特征。對(duì)出生在東南沿海的他來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一次開闊視野的機(jī)會(huì)：第一次看到沙漠、戈壁、高原湖泊，見識(shí)我國(guó)西北干燥的氣候和獨(dú)特的風(fēng)沙地貌。“當(dāng)時(shí)我們坐火車經(jīng)過(guò)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(duì)我國(guó)西北復(fù)雜的地理環(huán)境和氣候有了實(shí)地的體會(huì)，同時(shí)帶來(lái)了很多思考。”想起那次科考，吳成來(lái)記憶猶新。盡管只是一次簡(jiǎn)單的科考，但卻在吳成來(lái)的心中種下了一顆種子。也許是命運(yùn)的安排，吳成來(lái)后來(lái)被保送到中國(guó)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(diǎn)關(guān)注沙塵暴密切相關(guān)的地表狀態(tài)及起沙過(guò)程。不過(guò)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(gè)物理模型，來(lái)再現(xiàn)地球上的風(fēng)沙過(guò)程?！斑@個(gè)模型最大的用途是用來(lái)理解過(guò)去的變化規(guī)律，并預(yù)知未來(lái)。當(dāng)然觀測(cè)資料也是關(guān)鍵的，可以用來(lái)驗(yàn)證模型，另外觀測(cè)得到的事實(shí)和物理機(jī)制也是我們發(fā)展模型的基礎(chǔ)。”吳成來(lái)談起他的研究領(lǐng)域時(shí)解釋道。

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

“盡管目前對(duì)沙塵暴的監(jiān)測(cè)、模擬及預(yù)報(bào)已經(jīng)建立了一套較完整的方法，但中間還有很多過(guò)程不是很清楚，真正預(yù)報(bào)起來(lái)，準(zhǔn)確度還不夠，不能滿足國(guó)家的需求。其實(shí)，沙塵暴跟土壤顆粒特性、干濕特征、植被分布、近地面風(fēng)場(chǎng)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(cè)沙塵暴活動(dòng)?！闭勂鹱约旱墓ぷ鳎瑓浅蓙?lái)解釋道。

使命驅(qū)動(dòng)：

從實(shí)踐中來(lái)，再回到實(shí)踐中去

“2021年3月15日，我國(guó)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(zhēng)相報(bào)道，很多人發(fā)出了對(duì)氣候環(huán)境變化的擔(dān)憂，更有人開始質(zhì)問(wèn)沙塵暴發(fā)生的原因。

吳成來(lái)介紹，沙塵暴是我國(guó)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(qiáng)度，歷史上也曾有發(fā)生，單在2000—2002年間，我國(guó)北方就發(fā)生了多次強(qiáng)沙塵暴，更早之前，20世紀(jì)60—70年代，北方沙塵暴活動(dòng)非常頻繁，比近20年頻繁得多。

“可以說(shuō)，沙塵暴是一種自然現(xiàn)象，從歷史時(shí)期到現(xiàn)在都時(shí)有發(fā)生，但為什么從20世紀(jì)60—70年代以來(lái)不斷減弱，特別是近20年來(lái)的減弱非常明顯？去年發(fā)生的沙塵暴是否帶來(lái)了什么新的啟示，減弱趨勢(shì)已經(jīng)扭轉(zhuǎn)？”吳成來(lái)提出了疑問(wèn)，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)：“近年來(lái)，政府和公眾都非常關(guān)注氣候、環(huán)境變化問(wèn)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(wèn)題，是我的使命所在。”帶著這些疑問(wèn)，他進(jìn)行了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬。

吳成來(lái)首先收集了豐富的地面和衛(wèi)星等觀測(cè)資料，分析一些與沙塵活動(dòng)密切相關(guān)的因子的變化特征，包括風(fēng)速、土壤濕度、植被覆蓋等因素。他發(fā)現(xiàn)，過(guò)去幾十年來(lái)，風(fēng)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(duì)沙塵暴減弱都有貢獻(xiàn)。同時(shí)也遇到了難題，就是這些因子變化各自的貢獻(xiàn)。這主要是因?yàn)闅夂蚺c地表環(huán)境的變化本來(lái)是相互作用的，這些因子間有錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。

沙塵暴變化的原因眾說(shuō)紛紜，但目前還沒有一個(gè)令人信服的結(jié)論，這給沙塵暴未來(lái)變化的預(yù)估和應(yīng)對(duì)帶來(lái)了很大困難?！疤貏e是因?yàn)闅v史上曾經(jīng)存在沙塵暴活動(dòng)很強(qiáng)的時(shí)期，如果不搞清楚目前減弱的原因，我們根本無(wú)法預(yù)知未來(lái)這種變化趨勢(shì)是否會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，什么時(shí)候發(fā)生扭轉(zhuǎn)?！北M管是一個(gè)艱巨的任務(wù)，吳成來(lái)堅(jiān)信能做得更多、更好。于是，他從風(fēng)沙物理學(xué)理論和以往模型出發(fā)，發(fā)展了一個(gè)能較好考慮風(fēng)速、土壤顆粒、干濕特性、植被覆蓋和積雪等多要素影響的風(fēng)蝕動(dòng)力學(xué)起沙模型。對(duì)地學(xué)工作者，模型是不可或缺的工具。由于地學(xué)的問(wèn)題往往涉及的區(qū)域范圍大、時(shí)間跨度長(zhǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)做實(shí)驗(yàn)是非常困難的，特別是對(duì)于大氣運(yùn)動(dòng)相關(guān)的問(wèn)題?！拔业哪Ｐ途拖褚粋€(gè)小型的實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)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(guò)程?！眳浅蓙?lái)解釋道。

經(jīng)過(guò)多年的分析和計(jì)算，吳成來(lái)及其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能初步區(qū)分出來(lái)風(fēng)速、植被和土壤濕度對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)的影響，但其中也存在須進(jìn)一步解決的問(wèn)題。“比如，模型的準(zhǔn)確度就還有很大改進(jìn)空間。其次，模型需要數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，但這些數(shù)據(jù)本身能否反映真實(shí)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(shuō)誰(shuí)主導(dǎo)了某個(gè)過(guò)程?！眳浅蓙?lái)坦言。

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

未來(lái)發(fā)展：

深入鉆研與知識(shí)集成

在可預(yù)知的未來(lái)，沙塵暴勢(shì)必不會(huì)消失，還將不斷發(fā)生。探清沙塵暴變化蘊(yùn)含著怎樣的真相，吳成來(lái)還有很多的研究工作要做。展望未來(lái)，他充滿希望，也提出了自己的規(guī)劃：“風(fēng)沙物理學(xué)是一個(gè)多學(xué)科交叉、多時(shí)空尺度相互作用的問(wèn)題，希望自己將來(lái)能在地表參數(shù)和風(fēng)力的變化及兩者的相互作用上獲取更多的認(rèn)識(shí)，這是起沙過(guò)程中最復(fù)雜的問(wèn)題。另外，目前的地面和衛(wèi)星觀測(cè)手段也越來(lái)越豐富，天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)也有長(zhǎng)足的進(jìn)步，通過(guò)集成多種觀測(cè)信息以及氣象預(yù)測(cè)的理論和知識(shí)將可以大大提升對(duì)沙塵暴演變的認(rèn)識(shí)與預(yù)報(bào)?！?/p>

（責(zé)編：關(guān)弋）