摘要 沙塵暴是全球性的氣候災害現(xiàn)象, 我國頻發(fā)的沙塵暴災害性天氣, 給經(jīng)濟建設和人民生命財產(chǎn)安全造成嚴重的損失和危害. 本文從力學角度討論了沙塵暴的主要形成原因,并對我囯沙塵暴減災提出了一些看法.
關鍵詞 沙塵暴, 流體力學, 減災, 沙塵源, 環(huán)境保護
云沙泱漭天光閉，河色陰沉海色凝
崆峒異國誰能托，蕭索邊心常不樂。
這是唐代詩人胡皓《大漠行》的一段，形象地描述了我國西北大漠的沙塵天氣，泱（yāng）為弘大之意，漭（mǎng）指廣闊無邊，“云沙泱漭天光閉”具體地刻畫出西北沙塵暴的情景：狂風怒卷，黃沙飛揚，遮天蔽日，迷迷蒙蒙，使得天光失色。在中國古籍里，有多處關于“雨黃土”、“雨黃沙”、“雨土”、“雨霾”的記載，最早的記載可以追溯到公元前1150年：天空黃霧四塞，沙土從天而降如雨。
這里記錄的就是我們現(xiàn)在所說的沙塵暴。
唐詩中還有不少關于沙塵暴的描述，如：岑參《走馬川行奉送出師西征》
輪臺九月風夜吼，一川碎石大如斗，隨風滿地石亂走。
這是岑參任安西北庭節(jié)度判官時，為好友封常清帶兵西征，所寫的送行詩開頭的兩句。第一句并無“風”字，卻捕捉住了風“色”，將白天風的猛烈寫得歷歷在目。當進入黑夜時，己看不見風“色”，又轉而寫風聲。狂暴的風，象發(fā)瘋的野獸，在怒吼、咆哮，居然將斗大的石頭也吹得滿地滾動?！捌缴趁А本鋵懱欤笆瘉y走”句寫地，詩人用三言兩語就勾勒出了在沙塵暴天氣中出行軍的艱難與險惡。李白《北上行》
沙塵接幽州，烽火連朔方。
殺氣毒劍戟，嚴風裂衣裳。
崔融《西征軍行遇風》
北風卷塵沙，左右不相識。
颯颯吹萬里，昏昏同一色。
崔湜《塞垣行》
疾風卷溟海，萬里揚沙礫。
仰望不見天，昏昏竟朝夕。
李益《度破納沙二首》之一
眼見風來沙旋移，經(jīng)年不省草生時。
莫言塞北無春到，總有春來何處知。
佚名《婆羅門》
回樂峰前沙似雪，受降城外月如霜。
不知何處吹蘆管，一夜征人盡望鄉(xiāng)。
沙塵暴(sandduststorm)是沙暴(sandstorm)和塵暴(duststorm)的總稱，指強風把地面大量沙塵物質吹起卷入空中，使空氣特別混濁，水平能見度小于 1公里的嚴重風沙天氣現(xiàn)象。其中沙暴指大風把大量沙粒吹入近地層所形成的挾沙風暴；塵暴則是大風把大量塵埃及其它細粒物質卷入高空所形成的風暴。沙塵暴是我國西北地區(qū)和華北北部常出現(xiàn)的災害性天氣，可造成房屋倒塌、交通供電受阻或中斷、火災、人蓄傷亡，污染自然環(huán)境，破壞作物生長，給經(jīng)濟建設和人民生命財產(chǎn)安全造成嚴重的損失和極大的危害。在歷史上，新疆地區(qū)的樓蘭被風沙湮沒，就是沙塵暴造成極大危害的一個例子：
我國西漢時期，新疆有一個樓蘭國，是歷史上絲綢之路的一個重要樞紐。司馬遷在《史記》中曾記載：“樓蘭，姑師邑有城郭，臨鹽澤。”在唐代，也有李白等詩人，在詩歌中寫到樓蘭。如李白《塞下曲》
五月天山雪，無花只有寒。
笛中聞折柳，春色未曾看。
曉戰(zhàn)隨金鼓，宵眠抱玉鞍。
愿將腰下劍，直為斬樓蘭。
王昌齡《從軍行》
青海長云暗雪山， 孤城遙望玉門關。
黃沙百戰(zhàn)穿金甲， 不破樓蘭終不還。
由詩中可見，樓蘭在唐朝是邊陲重鎮(zhèn)。但是這樣一座公元前后活躍了幾個世紀的城市，到公元四世紀后卻完全消失于歷史記載，淪于荒漠中。直到1900年，瑞典探險家斯文· 赫定在羅布泊西岸才發(fā)現(xiàn)了被風沙半埋的古城。1979年和1980年，新疆科學工作者對它進行了幾次詳細考察，終于揭開了樓蘭這個在肆虐的沙漠風暴中，被風沙湮沒之謎。本文將從力學角度來討論沙塵暴的主要形成原因，并提出了關于沙塵暴減災的一些看法。沙塵暴是一種全球性的氣候災害現(xiàn)象。主要發(fā)生在風大的干旱地區(qū)。如中亞、北美干旱地區(qū)，澳大利亞、北非等地?；?/span>漠化是一個全球性的問題，影響著地球表面三分之一的土地和超過一百個國家的十多億居民的生活。世界上荒漠化土地主要分布在干旱、半干旱和部分半濕潤地區(qū)，以非洲和亞洲居多，分別占全球荒漠化土地的36.9％和35.4％。
從下面的幾張圖可以看到世界各地發(fā)生的沙塵暴情況。2011年7月5日晚上，一場沙塵暴襲擊了美國西南部的亞利桑那州首府鳳凰城，強風卷起的沙塵暴如同一道巨大的沙墻從鳳凰城的上空席卷而過，從南往北掃過了整個鳳凰城的市中心地區(qū)。根據(jù)美國氣象局公布的數(shù)據(jù)，這股沙塵暴風速達到每小時80—96公里，沙塵暴形成的“沙墻”最寬幅度達到約80公里，使鳳凰城約8000戶居民斷電。強風卷起的沙塵從南部的鳳凰城一直刮向亞利桑那州的西北部，影響了多個城市。在風暴最劇烈的時候，當?shù)啬芤姸冉抵?00米，甚至完全看不見東西。風暴過處一片狼藉。
從力學角度看，沙塵暴的主要形成原因有三個：強風、沙塵源和不穩(wěn)定的空氣。
強風是指足夠強勁持久的大風。根據(jù)觀測，當出現(xiàn)強風時，如果風速每秒達到30米(11級風)，粗沙(直徑0.5~1.0毫米)會飛離地面幾十厘米，細沙(直徑0.125~0.25毫米)會飛起2米高，粉沙(直徑0.05~0.005毫米)可達到1.5公里的高度，細塵埃(直徑小于0.005毫米)則可飛到更加高的高度。強風是沙塵暴形成的動力條件，也是使沙塵能夠在大氣中長距離輸送的動力保證。2.2 沙塵源是形成沙塵暴的物質基礎。
沙漠中各式各樣的沙丘，依照它們的穩(wěn)定程度可分為流動沙丘、半固定沙丘和固定沙丘。當強風發(fā)生時，流動沙丘揚起沙塵的數(shù)量最多，半固定沙丘揚起沙塵的數(shù)量要少一些，固定沙丘最少。除沙漠和沙地外，中緯度干旱和半干旱地區(qū)，地面多為稀疏草地和旱作耕地，植被稀少，再加上人為地破壞，出現(xiàn)嚴重的生態(tài)退化，當春季地面回暖解凍，地表裸露，狂風起時，沙塵彌漫，在本地及狂風經(jīng)過的地帶很容易形成沙塵天氣。2.3 不穩(wěn)定的空氣，是卷揚沙塵形成沙塵暴的啟動條件。
不穩(wěn)定的空氣，有利于強對流發(fā)展，以夾帶更多的沙塵卷揚得更高。可以用生活中的一個常見的例子，來說明氣流不穩(wěn)定的影響：在煤氣和暖氣還沒普及的年代，住在北方的人們家里要生煤火爐取暖和做飯，當捅火爐的時候，爐火燒得正旺，輕輕一捅，常會使爐灰飛滿屋子；而當爐火熄滅后，即使用較大的勁捅，一般也不易揚起灰塵。這是因為爐火熄滅后，火爐上下的空氣溫度相差不大，因而空氣穩(wěn)定；而當爐火燃燒很旺時，火爐上面的空氣很不穩(wěn)定，靠近火爐上空的空氣熱，離火爐較遠的空氣較涼，熱空氣比冷空氣輕，容易上升。所以，被捅火爐的灰很容易隨著熱空氣向上升，飄飛滿屋。
在自然界里，沙塵卷揚的道理也是同樣的，如果低層空氣溫度較低，比較穩(wěn)定，受風吹動的沙塵不易被卷揚得很高；如果低層空氣溫度高，則不穩(wěn)定，容易向上運動，風吹動的沙塵將會卷揚得很高，從而形成沙塵暴。實際上，沙塵暴一般在午后或午后至傍晚時刻最強，就是因為這是一天中空氣最不穩(wěn)定的時段。在這三個主要原因中，強風與不穩(wěn)定的空氣是大自然的氣候現(xiàn)象，人類尚沒有弄清這些大自然氣候變化的原因，更談不上對強風和不穩(wěn)定空氣施加影響并進行控制了。只有沙塵源這一沙塵暴的物質基礎原因，可以通過改善生態(tài)環(huán)境，在設法減少沙塵源上下功夫。當一個地區(qū)的沙塵源消失了，在這個地區(qū)，強風與不穩(wěn)定的空氣也就刮不起沙塵暴了。使中國發(fā)生沙塵暴災害的沙塵源地，有的在境外，有的在境內(nèi)。境外的沙塵源地主要在蒙古國南部荒漠化嚴重的地區(qū)，以及俄羅斯、哈薩克斯坦的一些荒漠化地區(qū)。中國本身也是世界上荒漠化面積大、分布廣、受荒漠化危害嚴重的國家之一。全國荒漠化土地總面積約占國土面積1/4。在西北、華北、東北分布著12塊沙漠和沙地，它們綿延成為北方萬里風沙線。在豫東豫北平原，在唐山、北京、鄱陽湖周圍，北回歸線一帶還分布著大片的風沙化地帶。這些荒漠化土地，為形成沙塵暴提供了物質基礎。導致中國沙塵暴的強風，主要來自北方、西方和西北三大途徑。北方強風經(jīng)蒙古國南下，影響華北和西北地區(qū)東部；西方強風從中亞進入南疆、青海北部和河西走廊；西北強風自西伯利亞向東南入侵河西走廊。
北京2006年4月16日下午發(fā)生的沙塵暴，被大家議論為“滿城盡帶黃金甲”。兩天之內(nèi)，北京共降下了33萬噸沙塵。專家們曾對這次降塵的沙塵樣本做過撿測，由粒度的分析發(fā)現(xiàn)，降塵粒度直徑小于0.074毫米的粉塵物質，占96％以上，所以嚴格地說，這實際上是一場塵暴；化學成份的分析還表明，這些沙塵有很大部分來自干旱農(nóng)田、撂荒地和退化的草場。
現(xiàn)在普遍認為：一些地區(qū)荒漠化的主要原因，是因為人類對土地資源的過度利用，超過了土地的承受能力。
我國荒漠化地區(qū)正是這種情況，耕地因生產(chǎn)強度加大、灌溉水取大于供，保護性耕作體系沒有成型；草地面積持續(xù)削減、長期超載過牧；濕地與水系幾乎100%處于縮減狀態(tài)；沙漠相對穩(wěn)定，其邊緣區(qū)域因開發(fā)失當，部分處于活躍蔓延狀態(tài)；社區(qū)與工業(yè)設施因建設規(guī)模擴大，水資源壓力加重。
在沙塵暴形成的三個主要原因中，強風與不穩(wěn)定空氣這兩個原因是氣象因素，難以控制；但作為形成沙塵暴物質基礎的沙塵源地，通過努力是有可能減少的。
關于我國沙塵暴的減災問題，筆者認為有以下幾點是應予考慮的：
1、沙塵暴敲響了環(huán)保警鐘，沙塵暴的頻發(fā)趨勢，與植被破壞、沙化土地不斷擴展有關。我們應該冷靜下來，思考沙塵暴災難給予的警示，在中國有一些人常很矛盾，一方面敬畏看不見、摸不著的鬼神，不敢怠慢和不恭；而對日日相處，休戚相關的大自然卻又漠視，常做出一些十分愚蠢的破壞大自然生態(tài)的惡劣行為。甚至還提出了“與天斗其樂無窮，與地斗其樂無窮…”的口號，現(xiàn)在雖己不大聽說這樣的“豪言壯語”了，但仍常見覺得有“權力”改造自然的事，對大自然的恩賜不僅不感恩敬畏，還總以為自己是世界的“主宰”，為此常常遭到大自然的懲罰和報復。沙塵暴災害就是大自然的懲罰之一。
人類文明雖然已經(jīng)走得很遠，但還遠遠沒有強大到可以把握和征服大自然萬物的程度，人類必須保持對大自然的敬畏，學習和大自然的和諧相處，從自身做起，從現(xiàn)在做起，不能再發(fā)生破壞生態(tài)、環(huán)境的惡劣行為。真正認識到：保護自然就是保護我們自己，保護環(huán)境和資源就是保證子孫后代的幸福和安全。2、為減輕和治理我國的沙塵暴災害，應保護好境內(nèi)現(xiàn)有沙區(qū)的植被，嚴禁亂砍濫伐，亂采濫挖和亂墾濫牧；大力植樹種草，建立起遏制沙漠推進的生態(tài)屏障；并對已形成的沙漠綠洲，在鞏固的基礎上不斷擴大。在荒漠治理方面，應吸取有些不成功例子的教訓。如我國“三北防護林”曾被譽為中國的“綠色長城”。20余年的時間里，用了上百億資金，但首都北京每年仍要“迎接”沙塵暴。當初造林時，所種的楊樹，長成半死不活的“小老頭”，使得春天楊樹絮在北京到處飄揚，而且由于普遍種的是純林，發(fā)生蟲害時，一倒一大片，僅害蟲小天牛就將寧夏20年建設的幾十億株楊樹毀于一旦。
有荒漠化治理專家指出，為了出口免洗筷，中國每年要毀滅上千公頃的森林，換取蠅頭小利。若干地方還盲目的在荒漠地區(qū)蓋高山滑冰場、沙漠公園；在草原上興建高爾夫球場、跑馬場等等。這些對生態(tài)環(huán)境的破壞，加劇荒漠化的情況必須制止。3、要加大力度支持進行因地制宜地荒漠沙地的生態(tài)治理研究、試驗和推廣。據(jù)報道，中國科學院植物研究所在我國四大沙地之一、5.3萬平方公里的內(nèi)蒙古渾善達克沙地進行了為期10年的生態(tài)治理，已基本解決了該地區(qū)荒漠化防治與生物多樣性保護問題，取得了明顯的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益，也基本解決了困擾多年的該地區(qū)起沙塵問題。這個經(jīng)驗已受到了國內(nèi)外的重視。這說明，只要加大力度支持這方面的研究、試驗和推廣，人們有理由希望，充分運用現(xiàn)代科學技術的成果，因地制宜地從環(huán)境保護對荒漠化地區(qū)進行生態(tài)治理，寓環(huán)境保護于經(jīng)濟開發(fā)之中，必定會逐步減少影響我國北方的沙塵源，減輕我國的沙塵暴災害。此文已刊載于《力學與實踐》期刊，
并已收入《趣話流體力學》書的第5篇。
附：
期刊首頁：http://lxsj.cstam.org.cn
