云沙泱漭天光闭——力学分析沙尘暴形成原因
近日，来自非洲撒哈拉沙漠的巨大沙尘暴、越过大西洋进入加勒比海附近、直逼美国。途经的多个国家已被严重的沙尘笼罩，天空一片暗淡。数十米高的“沙墙”，接天连地，滚滚向前，吞没房屋和田地，非常恐怖。气象专家表示，撒哈拉沙尘季节性地侵袭美国并不罕见，但这次却异常地巨大且密集，被认为是50年来最猛烈的一次。今天，我们从力学角度来讨论沙尘暴的主要形成原因。“云沙泱漭天光闭，河色阴沉海色凝。崆峒异国谁能托，萧索边心常不乐。”这是唐代诗人胡皓《大漠行》的一段，形象地描述了我国西北大漠的沙尘天气，泱 (yāng) 指弘大，漭 (mǎng) 是广阔无边，“云沙泱漭天光闭”清晰地刻画出西北地区沙尘暴的情景：狂风怒卷，黄沙飞扬，遮天蔽日，迷迷蒙蒙，使得天光失色。
在中国的古籍里，有多处关于“雨黄土”、“雨黄沙”、“雨土”、“雨霾”的记载，最早可以追溯到公元前1150年：“天空黄雾四塞，沙土从天而降如雨。”所记录的就是现在所说的沙尘暴。
唐诗中还有不少关于西北地区沙尘暴情景的描述，如：岑参《走马川行奉送出师西征》“君不见走马川，雪海边，平沙莽莽黄入天。轮台九月风夜吼，一川碎石大如斗，随风满地石乱走。”这是诗人岑参担任安西北庭节度判官时，为好友封常清带兵西征，所写送行诗开头的两句。第一句中虽无“风”字，但捕捉到了风“色”，将白天风的猛烈写得历历在目。而进入黑夜时，看不见风“色”了，又转而写风声。狂暴的风，像发疯的野兽，在怒吼、咆哮，居然将斗大的石头也吹得满地滚动。“平沙莽莽”句写天，“石乱走”句写地，诗人三言两语就勾勒出了在沙尘暴天气中出行的艰难与险恶。
类似的诗句还有很多，如，李白的《北上行》，崔融的《西征军行遇风》，崔湜的《塞垣行》，李益的《度破纳沙二首》等等。
沙尘暴，是沙暴 (sand storm) 和尘暴 (dust storm) 的总称，指强风把地面大量沙尘物质吹起卷入空中，使空气特别混浊，水平能见度小于1km的严重风沙天气现象。其中，沙暴是指大风把大量沙粒吹入高空所形成的挟沙风暴；尘暴则是大风把大量尘埃及其它细粒物质卷入高空所形成的风暴。
沙尘暴是我国西北地区和华北北部常出现的灾害性天气，可造成房屋倒塌、交通受阻或中断、火灾、人畜伤亡，破坏作物生长，污染自然环境，给经济建设和人民生命财产安全造成严重的损失和极大的危害。在历史上，新疆地区的楼兰被风沙湮没，就是沙尘暴造成极大危害的一个例子：我国西汉时期，新疆有一个楼兰国，是历史上丝绸之路的重要枢纽之一。司马迁在《史记》中曾记载：“楼兰，姑师邑有城郭，临盐泽。”在唐代，也有李白等诗人，在诗歌中写到楼兰。
从一些诗句中可见，楼兰在唐朝是边陲重镇，但这样一座公元前后活跃了几个世纪的重镇，到公元四世纪后却完全在历史记载中消失了，湮没于荒漠中。直到1900年，瑞典探险家斯文·赫定在罗布泊西岸发现了被风沙半埋的古城。1979年和1980年，新疆科学工作者对它进行了几次详细考察，终于揭开了楼兰这个在肆虐的沙漠风暴中，被风沙湮没之谜。
沙尘暴是全球性的气候灾害现象
沙尘暴是一种全球性的气候灾害现象。主要发生在风大的干旱地区。如中亚、北美干旱地区，澳大利亚、北非等地。荒漠化是一个全球性的问题，影响着地球表面三分之一的土地和超过一百个国家的十多亿居民的生活。世界上荒漠化土地主要分布在干旱、半干旱和部分半湿润地区，以非洲和亚洲居多，分别占全球荒漠化土地的36.9％和35.4％。从下面的几张图可以看到世界各地近年来发生的沙尘暴情况。
2010年4月26日，伊拉克与叙利亚和约旦交界处的沙尘暴，沙墙延伸了4000到5000英尺
2011年7月5日晚，沙尘暴“habub”席卷美国亚利桑那州凤凰城
2011年7月5日晚上，一场沙尘暴袭击了美国西南部的亚利桑那州首府凤凰城，强风卷起的沙尘暴如同一道巨大的沙墙从凤凰城的上空席卷而过，从南往北扫过了整个凤凰城的市中心地区。根据美国气象局公布的数据，这股沙尘暴风速达到80-96km/h，沙尘暴形成的“沙墙”最宽幅度达到约80km，使凤凰城约8000户居民断电。强风卷起的沙尘从南部的凤凰城一直刮向亚利桑那州的西北部，影响了多个城市。在风暴最剧烈的时候，当地能见度降至400m，甚至完全看不见东西，风暴过处一片狼藉。
2020年6月22日拍摄的沙尘暴越过大西洋卫星图片。图片来源：NOAA沙尘暴的主要形成原因
从力学角度看，沙尘暴的主要形成原因有三个：强风、沙尘源和不稳定的空气。
强风，是形成沙尘暴的动力条件。
沙尘暴天气是风将地面大量的沙尘物质吹卷入空气中，使得空气特别混浊，水平能见度大为降低。风是空气的流动，它是由大气运动形成的。这里所说能引发沙尘暴的风是指强风，强风是指足够强劲持久的风，一般指6级以上的持续大风。根据观测，如果风速每秒达到30m（11级风），粗沙（直径0.5~1.0mm）会飞离地面几十厘米，细沙（直径0.125~0.25mm）会飞起2米高，粉沙（直径0.05~0.005mm）可达到1.5km的高度，细尘埃（直径小于0.005mm）则可飞到更加高的高度。
强风是是沙尘暴形成的动力条件，也是使沙尘能够在大气中长距离输送的动力保证。
沙尘源，是形成沙尘暴的物质基础。
人们有这样的经验，如果大风在绿化和植被都很好的地方吹过，并没有沙尘可以卷扬到气流之中。但如果大风吹过裸露的灰土和各种施工用粉尘材料的建筑工地，就会吹卷起许多沙土到空气之中。
沙漠中有各式各样的沙丘，依照它们的稳定程度可分为流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘。当强风发生时，流动沙丘扬起沙尘的数量最多，半固定沙丘扬起沙尘的数量要少一些，固定沙丘扬起的沙尘最少。
除沙漠和沙地外，中纬度干旱和半干旱地区，地面多为稀疏草地和旱作耕地，植被稀少，再加上人为地破坏，出现严重的生态退化。当春季地面回暖解冻，地表裸露，狂风起时，沙尘弥漫，在本地及狂风经过的地带很容易形成沙尘天气。
不稳定的空气，是卷扬沙尘形成沙尘暴的启动条件。
不稳定的空气，有利于强对流发展，以使更多的沙尘卷扬和夹带得更高。可以用生活中的一个常见的例子，来说明气流不稳定的影响：北方人家在煤气和暖气还没有普及的年代，常要使用煤火炉来取暖和做饭，在捅火炉的时候，如果炉火烧得正旺，轻轻一捅，常会使炉灰飞满屋子；而当炉火熄灭后，即使用较大的劲捅，一般也不易扬起灰尘。这是因为炉火熄灭后，火炉上下的空气温度相差不大，空气处于稳定状态；而当炉火燃烧旺时，火炉上方的空气很不稳定，靠近火炉近处的空气很热，离火炉较远处的空气较凉，热空气比冷空气轻，容易上升，所以被捅火炉的灰很容易随着热空气向上升，飘飞满屋。
在自然界里，沙尘被空气卷扬的道理也是同样的，如果低层空气温度较低，比较稳定，受风吹动的沙尘不易被卷扬得很高；如果低层空气温度高，高层空气温度较低，空气就不稳定，容易向上运动，沙尘将会随着空气向上运动卷扬得很高，从而启动沙尘暴的发生。实际上，沙尘暴一般在午后或午后至傍晚时刻最强，就是因为这是一天中空气最不稳定的时段。
在这三个主要原因中，强风与不稳定的空气是大自然的气候现象，人类尚在研究和探索这些大自然气候变化的原因，还谈不上对强风和不稳定空气施加影响并进行控制。只有针对沙尘源这一形成沙尘暴的物质基础原因，可以通过改善生态环境，在设法减少沙尘源上下功夫。当一个地区的沙尘源消失时，在这个地区，强风与不稳定的空气自然就刮不起沙尘暴了。
中国的沙尘暴
使中国发生沙尘暴灾害的沙尘源地，有的在境外，有的在境内。境外的沙尘源地主要在蒙古国南部荒漠化严重的地区，以及俄罗斯、哈萨克斯坦的一些荒漠化地区。中国本身也是世界上荒漠化面积大、分布广、受荒漠化危害严重的国家之一。全国荒漠化土地总面积约占国土面积1/4。在西北、华北、东北分布着12块沙漠和沙地，它们绵延成为北方万里风沙线。在豫东、豫北平原，在唐山、北京、鄱阳湖周围，北回归线一带还分布着大片的风沙化地带。这些荒漠化土地，为形成沙尘暴提供了物质基础。
导致中国沙尘暴的强风，主要来自北方、西方和西北三大途径。北方强风经蒙古国南下，影响华北和西北地区东部；西方强风从中亚进入南疆、青海北部和河西走廊；西北强风自西伯利亚向东南入侵河西走廊。
2006年4月16日下午在北京发生的沙尘暴，被大家议论为“满城尽带黄金甲”。两天之内，北京共降下了33万吨沙尘。专家们曾对这次降落的沙尘样本做过捡测，由粒度的分析发现，降尘粒度直径小于0.074mm的粉尘物质，占96％以上，所以严格地说，这实际上是一场尘暴。对降尘化学成份的分析还表明，这些沙尘有很大部分来自干旱农田、撂荒地和退化的草场。
现在普遍认为，一些地区荒漠化的主要原因是由于人类对土地资源的过度利用，超过了土地的承受能力。我国荒漠化地区正是这种情况，耕地因生产强度加大、灌溉水取大于供，保护性耕作体系没有成型；草地面积持续削减、长期超载过牧；湿地与水系几乎100%处于缩减状态；沙漠相对稳定，其边缘区域因开发失当，部分处于活跃蔓延状态；社区与工业设施因建设规模扩大，水资源压力加重。
青海格尔木2010年5月14日遭受沙尘暴，最小能见度200米。
尊重自然与沙尘暴减灾
在沙尘暴形成的三个主要原因中，强风与不稳定空气是气象原因，均尚难以控制；但作为形成沙尘暴物质基础的沙尘源地，通过努力是有可能减少的。关于我国沙尘暴的减灾问题，笔者认为有以下几点是应予考虑的：
1. 沙尘暴敲响了环保警钟，沙尘暴的频发趋势，与植被破坏、沙化土地不断扩展有关。我们应该冷静下来，思考沙尘暴灾难给予的警示 。
在中国有一些人常很矛盾，一方面敬畏看不见、摸不着的鬼神，不敢怠慢和不恭；而对日日相处，休戚相关的大自然却又漠视，常做出一些十分愚蠢地破坏大自然生态的恶劣行为。甚至还提出了“与天斗其乐无穷，与地斗其乐无穷……”，以及“人定胜天”的口号，把大自然当作一个要长期斗争的对象，狂热地犯下了一些不可挽回的错误。现在虽已不大听说这样的“豪言壮语”了，但仍常见觉得有“权力”改造自然的事，对大自然的恩赐不仅不感恩敬畏，还自以为是世界的“主宰”，为此常常遭到大自然的惩罚和报复。沙尘暴灾害就是大自然给予的惩罚和报复之一。
人类文明虽然已经走得很远，但还远远没有强大到可以把握和征服大自然万物的程度，人类必须保持对大自然的敬畏和尊重，学习和大自然的和谐相处，从自身做起，从现在做起，不能再发生破坏生态、环境的恶劣行为。真正认识到：保护自然就是保护我们自己，保护环境和资源就是保证子孙后代的幸福和安全。
2. 为减轻和治理我国沙尘暴灾害，应保护好境内现有沙区的植被，严禁乱砍滥伐，乱采滥挖和乱垦滥牧。努力植树种草，建立起遏制沙漠推进的生态屏障，并对已形成的沙漠绿洲，在巩固的基础上不断扩大。
在荒漠治理方面，应吸取有些不成功例子的教训。如我国“三北防护林”曾被誉为中国的“绿色长城”。20余年的时间里，用了上百亿资金，但首都北京每年仍要“迎接”沙尘暴。当初造林时，所种的杨树，长成半死不活的“小老头”，使得春天杨树絮在北京到处飘扬，而且由于普遍种的是纯林，发生虫害时，一倒一大片，仅害虫小天牛就将宁夏20年建设的几十亿株杨树毁于一旦。
有荒漠化治理专家指出，为了出口免洗筷，中国每年要毁灭上千公顷的森林，换取蝇头小利。还有地方盲目在荒漠地区盖高山滑冰场、沙漠公园；在草原上兴建高尔夫球场、跑马场等等。这些对生态环境的破坏，加剧荒漠化的情况必须制止。
3. 加大力度支持因地制宜地，进行荒漠沙地的生态治理研究、试验和推广。
据报道，中国科学院植物研究所在我国四大沙地之一、5.3万平方公里的内蒙古浑善达克沙地进行了为期10年的生态治理，相当程度地解决了该地区荒漠化防治与生物多样性保护问题，取得了明显的生态、社会和经济效益，也基本解决了困扰多年的该地区沙尘问题。这个经验已受到了国内外的重视。
在境内沙尘源地得到一定程度的生态治理后，对我国北方地区影响较严重的境外沙尘源地，也可以考虑通过国际合作逐步开展生态治理。
人们有理由希望，充分运用现代科学技术的成果，因地制宜地从环境保护角度对荒漠化地区进行生态治理，寓环境保护于经济开发之中，必定会逐步减轻我国的沙尘暴灾害。
参考文献：
苟平 、罗祖德,论沙产业及荒漠化治理，科学，2001，53 (3)：42～452
王振东，平沙莽莽黄入天—漫话沙尘暴，自然杂志，2009，31（6）：360～361
李娜，一个生态恢复的实践范本—浑善达克摸式，科技导报，2011，29（25）：15～18
（己刊登于《力学与实践》2012 年 34卷 3期，本文略有删减。）
来源：王振东科学网博客，作者：王振东。略有删减。
页:
[1]