北京地区沙尘暴的演变、成因和治理

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  人类的发展与自然环境息息相关,尘暴又是环境变化中一个非常独特的自然现象。它曾经是自然史上形成可开垦耕地的功臣之一,把地球表面部分贫瘠土地上的土壤以其特有的方式转移到平原和谷地,形成了可耕种土地。在温度、水文等其它自然条件的作用下,部分肥沃的土地上可以耕种出足够滋养耕作者和他们的供养者所需要的粮食,构成人类进入农耕文明的必要条件之一。然而,尘暴又是自然环境的杀手,它使土地贫瘠地区的荒漠化进程加剧,也造成非常严重的空气污染。它对环境的破坏作用在现代文明社会的背景下更加明显。将视角放大到地球演变的长河,尘暴未必一无是处,但站在人类生活的现实立场,它却成为破坏环境的主要凶手之一。
  
  沙尘暴的定义与分类
  
  沙尘暴因强风吹起地面的沙尘、使大气变得浑浊而得名,风速和能见度是确定沙尘暴强度的主要依据。
  1、沙尘暴:水平能见度小于1000m的天气现象;
  2、强沙尘暴:水平能见度小于200m的天气现象;
  3、特强沙尘暴:水平能见度小于50m的天气现象。
  其中后两种就是指令北方农牧民谈虎色变的“黑风暴”。
  
  北京地区沙尘暴的演变及危害
  
  北京地区历史上第一次可靠的沙尘暴记录是在北魏太平真君元年(公元440年),其凶猛“坏屋庐,杀人”。北魏景明元年(公元500年)二月,沙尘暴“杀一百六十一人”。景明三年(502年)九月,“暴风混雾,拔树发屋”。正始二年(505年)春二月,“黑风拔树杀人”。
  辽金时期,北京城最严重的沙尘暴出现在公元1367年,长达44天。
  明代的276年间,北京地区共有95个年份出现春夏之交的大风沙尘暴天气。前71年没有沙尘暴的记载,沙尘暴多出现在正统五年(公元1 440年)以后的205年里。几次特大沙尘暴毁坏建筑,死伤人众,损失惨重。
  民国时期,战乱稀疏了沙尘暴记载,1937年出版的《中国救荒史》记录的河北省北部1935年的特大风灾是一次涉及北京地区的沙尘暴。通过老人们对强烈的风沙活动和多沙丘郊区的回忆,推测20世纪40年代初北京沙尘暴活动强烈。
  据国家气象中心资料记载,1954~1991年的近48年中,北京平均每年有沙尘暴2.08日1.79 h。其中1966年最为严重,沙尘暴多达20日,累计持续约30 h;其次是1965年,沙尘暴12日,持续14 h多。
  到目前为止,尚无迹象表明北京的沙尘暴活动是趋于加强还是减弱。一方面,气象站历年观测记录显示,沙尘暴的年度变化似乎在趋于减弱:五十年代较严重,年均3.83日1.96 h,其间2年未发生沙尘暴;六十年代最严重,年均5.3日6.6 h,其间1年未发生沙尘暴;七、八十年代逐渐减少,七十年代年均1.1日1.61 h,有3年未发生沙尘暴,八十年代0.9日0.72 h,有5年未发生沙尘暴,九十年代以来更少,12年中沙尘暴年均0.42日0.62 h,有7年未发生沙尘暴。据统计,1971~1998年北京地区发生沙尘暴25次,平均每年一次,扬沙355次,浮尘111次。
  然而另一方面,沙尘暴的危害程度却在日趋严重。仅2000年春季北京发生的10多次沙尘天气中,以4月6日发生的沙尘暴天气最严重。这次沙尘暴影响了我国的大半地区。沙尘暴期间土壤尘浓度高达3906ug m-3,是1999年春季非沙尘期间土壤尘浓度的40倍以上。
  2001年再一次发生的强沙尘暴天气涉及我国18个省市140万km,其中北京地区空气中的可吸入颗粒物达1.1万mg m-2,超过国家标准的几十倍,沉降量达29 g m-2总沉降量达3万吨,北京人均达3000 g,影响人口达1.3亿。此次沙尘甚至越洋到朝鲜、韩国和日本等国。
  2002年3月,北京发生了有历史记录以来最大的沙尘暴,其中危害易感人群(老人和儿童)的总颗粒物浓度高达10.9 mg m-3、高出国家颗粒物污染标准54倍,部分污染元素比平时高出几倍至近十倍。沙尘暴中对人体健康影响很大的PM 2.5细粒子占TSP的30%左右,污染物在PM 2.5细粒子中的浓度占TSP总浓度的45%~69%。各种污染物在沙尘暴过后普遍增加。
  2003年,沙尘暴稍事休整。
  2004年,在我国春季出现的17次沙尘天气过程中,北京地区共出现了4次沙尘天气,出现频次基本接近常年。于是,有人便开始庆幸地认为北京逐渐远离沙尘暴的侵袭!
  然而好景不长,2006年春季,从1月1日起至5月18日止,在我国北方共出现了16次沙尘暴天气,其中有10次严重地影响了北京地区。北京的沙尘天气发生率之高、持续时间之长都是近几年来罕见的。到5月下旬,影响北京的沙尘天气已有14次之多。让我们至今记忆犹新的是:4月16~18日,我国北方地区出现的第一次大范围的浮尘天气,估算其沙尘影响面积约为30.4万km2。仅北京市的降尘量就有20 g m-2,总降尘量为33万吨。这是自2002年遭遇沙尘天气5年来,北京遭受污染最为严重的一次。袭击北京地区的沙尘暴过后,北京市呼吸道病人增加了20~30%,严重影响到市民的生活质量和身体健康。
  2007年春季,北京市观象台共出现了3个沙尘天气,比常年明显偏少,是北京20年来沙尘最少的一年。
  据专家对2008年的春季沙尘情况预测认为,目前北京上游的沙源地气温高,降水少,而2008年春季的冷空气活动将会比较频繁,沙尘天气较容易出现。
  
  北京沙尘暴成因探索
  
  从沙尘暴袭击京城起至今,围绕着沙尘暴的成因及源地的争论就从未休止过,但各种说法莫衷一是,一面是没有结论的争论,一面是沙尘暴的不断肆虐,沙尘暴确实成了人们的心腹之患。
  一般认为:强风、沙源和热力不稳定是形成强沙尘暴的三大因子。沙尘暴天气形成的主要条件:一是持久的阵性强风,风速只有等于或大于起沙临界值,才能裹挟沙粒进入大气层;二是在冷空气路径上锋面气旋经过的地区植被稀疏、土地干燥疏松,为沙尘暴的发生提供丰富的沙尘源;三是大气边界层气温的垂直分布处于不稳定状态,在边界层中储存有大量不稳定能量。
  科学界普遍承认,全球有四个沙尘暴多发区,分别位于中亚、北美、中非和澳大利亚。我国的沙尘暴多发生在北方地区,主要位于新疆和田及吐鲁番地区、甘肃河西走廊、宁夏黄河灌区及河套平原、青海柴达木盆地、内蒙伊克昭盟和阿拉善高原、鄂尔多斯高原、陕北榆林及长城沿线,这些地区向大气中输 送的沙尘可波及我国华北、东北甚至东南及附近邻国,属于中亚沙尘暴多发区。卫星监测技术和对气象流场的分析表明,我国沙尘源有境外和境内两种。2001年通过卫星、气象观测和沙尘地面监测网络观测到的32次沙尘暴事件中,有18次是由在蒙古国南部形成沙尘暴后移动到我国境内的。境内初始源地位于我国内蒙古中、西部地区及河西走廊和农牧交错带大面积的开垦地及荒漠化地区等。
  作为北方沙尘多发区中的一个国际大都市,北京的沙尘来源和成因愈发受到关注。人们把影响北京地区的沙尘天气输送路径归为三路:一是北路:源区(蒙古国东南部)-内蒙古乌兰察布盟-锡林郭勒盟西部的二连浩特市、阿巴嘎旗-浑善达克沙地西部-朱日和-四子王旗-张家口-北京。二是西北路:源区(蒙古国中、南部)-内蒙古阿拉善盟的中蒙边境-乌拉特中、后旗-河西走廊-从贺兰山南、北两侧分别经毛乌素沙地和乌兰布和沙漠-呼和浩特市-张家口-北京。三是西路:源区(新疆塔里木盆地塔克拉玛干沙漠边缘)-敦煌-酒泉-张掖-民勤-盐池-鄂托克旗-大同一北京。
  在影响沙尘暴的三个主要因子中,除了强风、热力不稳定是人类望尘莫及外,沙源地生态的恶化同样是沙尘暴强度和影响程度的重要因素。科研工作者认为,近些年北京浮尘、沙尘暴的沙尘主要来源于内蒙高原(包括阴山北坡、浑善达克沙地及其南缘、河北坝上地区),正是由于这里不当的农业开垦、草场过牧引起的以土壤风蚀为主的土地沙漠化造成。
  除了我国境内这些大的沙尘源外,北京自身和周边环境也对沙尘暴的形成和强度有着十分重要的影响。
  让我们再次回到发生严重沙尘暴的辽金时期:当时,金、元正在建都,北京及周边地区大批森林遭到砍伐,河北及密云附近的森林被砍伐殆尽,从历史上来看人为因素至少加剧了这种自然灾害。
  当利用现代测试手段分析沙尘暴的成因时,北京及周边的“贡献”更是不容忽视。尽管2000年4月6日沙尘暴期间北京近地层气象要素的变化和沙尘期间土壤尘谱分布及其来源分析表明:此次沙尘暴主要来源于蒙古和内蒙古地区,并在强烈的西北气流的推动下经过高空长距离输送到达北京,但是通过卫星云图显示,2000年4月6日13:00左右锋面移入北京时,云区面积和亮度达到生命史中的最强阶段,这显然与近周边(包括冀北高原、河北平原及京津地区)存在众多的分散沙尘源有关,其中主要是一些小型沙地、裸露荒地、闲置耕地、干河道、建筑工地、垃圾场等。
  专家认为,2006年的沙尘天气频频发生的主要原因是:2005年秋季到2006年春季,北京雨水很少,2005年冬天平均降水20.4 mm,比常年(1971~2000年)少了7成,北京上游地区受上升低气压及偏西气流影响,再加上地表植被稀少,土质干枯松散,当有风扰动时,便将沙土带到空中,并顺着西北气流移动到北京上空,将大量浮尘带来。另外,北京的春天风干物燥,各类建设工程都赶在这个时候大干快上,大量建筑垃圾和水泥等建筑材料露天堆放,裸露地面未采取防尘措施时,极易形成扬尘污染。相关统计数据表明,北京上空的飘尘污染40~60%来自北京工地,而在一般风沙天气中,北京当地的沙物质更是占到80%,是北京风沙的主要沙尘源。
  可见,北京沙尘暴根本上来源于境外或境内沙尘源,但是在沙尘运输的路径中,当地及其周边恶劣的生态环境也是沙尘暴进一步变大变强、影响程度增强的重要原因。
  
  北京沙尘暴治理问题的新思考
  
  沙尘暴不仅极大地污染空气、环境、食物、水源,影响大气能见度和交通,而且危害庄稼、牲畜、植被和精密仪器,干扰无线电通讯,甚至传播疾病、危害人类健康,严重地影响了我国首都的形象。
  多年来,政府有关部门不惜投入巨资治理沙尘暴,取得了一些成果,但沙尘暴危害依然没有得到根本解决。究其原因,科学界众说纷纭。中国气象局国家气候评估室主任张强认为:我国有120万km2的原生沙漠和戈壁在人类出现前就存在于自然界,它的形成完全是自然环境的作用,人类治理原生沙漠是不可能和不现实的,只要原生沙漠存在,沙尘暴的出现就不可能避免。于是,面向大众传播的天气预报将这种观点简洁成沙尘暴是一种自然现象,就像台风一样,是人类无法控制的。而中国科学院博士生导师陈广庭反对天灾观,认为一个国家的森林覆盖率如果达到国土面积的30%左右且分布均匀,便能基本上消除水旱风沙灾害的发生。
  最令人深思的说法是,一直被人们坚信的沙尘暴被质疑可能是尘暴。其实,沙尘暴和沙暴、尘暴,均是因强风暴吹蚀地面沙和尘土而起,只是搬运距离和颗粒大小不同而已。沙尘暴扬起和搬运的物质既有沙也有粉尘物质,是沙暴和尘暴的混合体,沙粒大小多集中在0.1~0.5mm,粉尘大小在0.25~0.0039 mm,多发生在物源区附近,扬起的高度、搬运的距离都不算大(粉尘除外)。沙暴扬起和搬运的物质主要是沙,所含粉尘极少,扬起的高度、搬运的距离更有限。尘暴扬起和搬运的物质主要为粉尘物质,所含沙粒极少,扬起的高度可达10多公里高空的大气对流层,搬运距离可达数千公里。据报道,京津地区“沙尘暴”所含的物质主要为粉尘,含沙粒极少,且粉尘物质主要从高空数千公里以外搬运而来。
  2006年底的中韩第三届荒漠化防治与草原保护研讨会上,再次将焦点汇聚在北京刮的是沙尘暴、尘暴,或更具体地说是盐碱化学尘暴的问题上。中国地质科学院的韩同林教授认为,确定沙尘暴夹带的沙尘颗粒度的大小有着重要意义,确定影响我国东部的沙尘暴的成分主要是“沙”还是“尘”,并以此来确定发源地。郑柏峪认为,位于京城以北600公里、面积110平方公里的浑善达克沙地北缘与锡林郭勒草原交界之处的干涸的查干诺尔湖,是可能的尘暴源。对于我国的沙尘暴是化学尘暴的观点,已经有一些探索性的实验验证资料。北京师范大学对2002年3月20日北京特大沙尘暴成分、中国地质科学院地质所对2006年4月16日北京干降尘进行了化验分析,结果得出了北京尘暴主要来源于干涸盐渍湖盆区的初步结论。此外,沙漠中的沙和沙尘暴中的尘不仅仅是颗粒大小的问题,它们的运动形态不同,沉降地点和防治方法也不同,将涉及治理沙尘暴源的重点和方向,对于能否治理好沙尘暴将起到决定性的作用。因此,明确北京沙尘暴的来源则应是首先要弄清楚的问题,它将为我市政府对沙尘暴的治理提供相应的决策依据。可喜的是,北京市理化分析测试中心、中国地质科学院等单位利用自行设计的集尘器,已经于2006年开始对降尘进行连续采集,希望获得珍贵的资料。
  国家环保总局提出北京要筑好四道防线来阻止沙尘暴:一是在北京北部的京津周边地区建立以植树造林为主的生态屏障;二是在内蒙古浑善达克中西部地区建起以退耕还林为中心的生态恢复保护带;三是在河套和黄沙地区建起以黄灌带和毛乌素沙地为中心的鄂尔多斯生态屏障,四是尽快与蒙古国建立长期合作防治沙尘暴的计划框架,设置到蒙古国的保护屏障。有关专家认为,要治理好京津地区的尘暴,首先必须用最适合当地环境的土著先锋植物种群对尘源区进行“地毯式”的覆盖,然后用人力协助其自然滚动,在尘源区形成土生土长的、具有丰富多样性的植被覆盖层。
  笔者认为,尽管观点很多,但作为首都的一员,作为首都经济发展的每一节点,至少应“从我做起”,用我们自身的积极行动,逐步增加城郊植被面积、减少裸露地面,做好水土保持,减少工地扬尘,不断恢复城区内外的生态环境,让经济发展建立在可持续发展的行动基础上。当我们拥有了一个完整的生态系统后,相信即使沙尘暴来了,也不会因为当地的沙尘源太多而变得不可收拾。
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