风速和植被对内蒙古地区沙尘天气影响的数值模拟

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00050

风速和植被对内蒙古地区沙尘天气影响的数值模拟

董祝雷^,¹, 姜学恭^,², 衣娜娜³, 许志丽³, 杭月荷², 于水燕³

1.内蒙古自治区气候中心，内蒙古呼和浩特 010000

2.内蒙古自治区气象台，内蒙古呼和浩特 010000

3.内蒙古自治区人工影响天气中心，内蒙古呼和浩特 010000

Numerical simulation of the influence of wind speed and vegetation on dust weather in Inner Mongolia， China

Dong Zhulei^,¹, Jiang Xuegong^,², Yi Nana³, Xu Zhili³, Hang Yuehe², Yu Shuiyan³

1.Inner Mongolia Climate Center，Hohhot 010000，China

2.Inner Mongolia Meteorological Observatory，Hohhot 010000，China

3.Inner Mongolia Weather Modification Center，Hohhot 010000，China

通讯作者: 姜学恭（E-mail： jiangxuegong@aliyun.com）

收稿日期: 2023-02-02 修回日期: 2023-04-19

基金资助:

国家自然科学基金项目.  41965003
内蒙古自治区自然科学基金项目.  2021MS04026
内蒙古自治区气象局科技创新项目.  nmqxkjcx202211.  nmqxkjcx202203
内蒙古自治区科技计划项目.  2022YFSH0132

Received: 2023-02-02 Revised: 2023-04-19

作者简介 About authors

董祝雷（1989—），男，江苏人，硕士，工程师，主要从事气候变化、数值模式和气候可行性论证E-mail：dongzhl89@163.com , E-mail：dongzhl89@163.com

摘要

利用WRF-Chem模拟研究了植被覆盖率和风速对内蒙古地区一次沙尘过程起沙、输送及沙尘粒径分布的量化影响。同时基于内蒙古地区119个国家站1991—2020年沙尘日数据及中国全球大气再分析数据统计了内蒙古地区1991—2020年沙尘天气频数、风速及植被覆盖率时空分布。结果表明，内蒙古地区1991—2020年沙尘天气频数减小，植被覆盖增加，纬向（经向）风在内蒙古沙尘多发区显著减小。植被覆盖增加对沙尘的影响强于风速减小：植被覆盖率增加5%与风速减小30%对起沙的削减相当，且植被和风速均对沙源地小粒径沙尘的削减作用更强。因此植树造林可以选在细沙粒为主的半荒漠化地区优先开始，在保护原生植被和合理利用水资源的基础上，植树造林最终使植被覆盖率增加10%~15%即可。

关键词： 沙尘频数 ; 风速 ; 植被覆盖率 ; WRF-Chem模式 ; 沙尘浓度 ; 粒径

Abstract

The quantitative effects of vegetation coverage and wind speed on the initiation， transport and sand size distribution of a dust process was studied by WRF-Chem in Inner Mongolia. At the same time， based on the dust data of 119 national stations in Inner Mongolia during 1991-2020 and the global atmospheric reanalysis data of China， the temporal changes and spatial distribution of total dust weather frequency， wind speed and vegetation coverage were counted. It is found that the frequency of total dust weather had decreased， the vegetation coverage had increased， and the zonal （radial） wind had significantly decreased in the areas with high dust rates of Inner Mongolia during 1991-2020. The effect of increasing vegetation cover on dust weather was significantly stronger than that of wind speed： the 5% increase in vegetation cover was comparable to the 30% decrease in wind speed that reduces sand emission. Both vegetation and wind speed have a stronger effect on the reduction of small particle size dust in the dust source. Therefore， desertification control projects such as afforestation should first be carried out in semi-desertification areas with fine particles， and on the basis of protecting native vegetation and rational use of water resources， the final vegetation coverage of afforestation can be increased by 10%-15%.

Keywords： dust frequency ; wind speed ; vegetation coverage ; WRF-Chem mode ; dust concentration ; particle size

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本文引用格式

董祝雷, 姜学恭, 衣娜娜, 许志丽, 杭月荷, 于水燕. 风速和植被对内蒙古地区沙尘天气影响的数值模拟. 中国沙漠[J], 2023, 43(6): 29-39 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00050

Dong Zhulei, Jiang Xuegong, Yi Nana, Xu Zhili, Hang Yuehe, Yu Shuiyan. Numerical simulation of the influence of wind speed and vegetation on dust weather in Inner Mongolia， China. Journal of Desert Research[J], 2023, 43(6): 29-39 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00050

0 引言

沙尘天气是大气圈和岩石圈相互作用的产物，沙尘源是沙尘天气形成的物质基础，而大气动力过程则是沙尘天气发生的动力条件。因此，沙尘源、地面大风及不稳定层结成为产生沙尘的3个主要因素^［1-2］，而在气象条件中，大风是影响沙尘至关重要的因素^［3］。

21世纪初，中国北方沙尘天气出现明显的高发期，之后主要呈波动减少趋势^［4-5］。造成这个结果有两种可能原因，一是气象条件的变化，例如，降水增多、气温升高、风速减小均可以导致沙尘活动减少^［6-10］，其中风速变化与沙尘频数相关^［11-12］，有观点认为近20年风速减小是沙尘活动减弱的主要驱动因子^［13］；二是沙尘源因素。植被覆盖增加导致起沙量减少，最终导致沙尘天气减少。需要指出，植被覆盖不仅能够影响地面风蚀起沙的强度，同时也通过影响摩擦速度间接影响起沙^［14-15］。近几十年来，中国实施三北防护林工程，植被覆盖程度明显改善是沙尘天气减少的原因^［16-17］。

因此，究竟是下垫面植被覆盖增加导致目前沙尘天气的减少，还是风速降低导致沙尘天气的减少，还没有定论。因此，有必要开展模拟研究，揭示大风和植被覆盖影响沙尘天气的程度。

蒙古国南部、中国内蒙古西部共同组成的蒙古高原是东亚两大主要沙尘源地之一^［18-19］，该地区形成的沙尘暴天气往往对中国北方及太平洋西岸甚至北美产生重要影响^［20-21］，而植树造林和荒漠化治理等工程建设的主要区域也是这里。为此，本文通过对一次发生在内蒙古西部的典型沙尘天气数值模拟，针对主要分布在蒙古国南部、内蒙古西部沙尘过程沙源地植被覆盖和风速进行敏感性试验，研究调整植被和风速对沙尘起沙量化影响，揭示大风和植被覆盖影响沙尘天气的程度，为理清沙尘天气真正减少的原因提供科学依据，为后续防沙治沙工作提供指导。

1 数据

沙尘数据来源于内蒙古自治区119个国家观测站（图1），数据时间1991—2020年，沙尘包括浮尘、扬沙、沙尘暴（包括沙尘暴、强沙尘暴、特强沙尘暴）。将浮尘、扬沙和沙尘暴站日数的总和定义为总沙尘天气频数，其中霍林郭勒站2006年建站并具有沙尘记录，考虑数据统计的一致性，对其进行了剔除处理。文中所用底图均是从内蒙古自治区标准地图服务网站下载的审图号为蒙s（2019）33的标准地图。

图1

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图1 内蒙古118个国家观测站的空间分布

Fig.1 The spatial distribution of 118 national observation stations in Inner Mongolia

中国全球大气再分析产品（CRA40， CMA's global atmospheric Re-Analysis，http：//data.cma.cn/analysis/cra40）与国外全球大气再分析产品相比更强调探空、地面等中国特有常规观测资料和风云卫星资料的同化应用，该产品在2021年正式发布，空间分辨率0.25°×0.25°，目前已完成CRA40再分析小时、日值、月值产品的研制。相比国外高分辨率的ERA5（The fifth generation European Centre for Atmospheric Re-Analysis）和GLDAS（Global Land Data Assimilation System），CRA40数据在内蒙古地区的适用性最高^［22-23］。本文植被覆盖率、风场数据主要使用CRA40的月均值产品。

采用的模拟时间（2019年5月14日00:00至2019年5月17日00:00）、初始场（FNL再分析数据）、边界条件、模拟区域［220（东西）×120（南北）］、空间分辨率（30 km）、模式参数化方案均与文献［24］一致，模拟结果经过卫星和地面观测站大气粒子监测仪检验，发现模式能较好地再现实际沙尘输送过程，故本文不再重复检验模式的模拟效果。起沙通量、沙尘粒径数据主要使用模式模拟结果。

2 内蒙古地区1991—2020年沙尘天气频数时空分布

2.1　沙尘天气频数空间分布

内蒙古地区1991—2020年沙尘天气频数的空间分布呈西多东少，这与地理环境、下垫面条件和气象条件密切相关（图2）。内蒙古西部阿拉善高原年平均降水量不足200 mm，分布着巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和乌兰布和沙漠；西部的鄂尔多斯高原分布着库布齐沙漠和毛乌素沙地。沙尘天气频数的高值区位于内蒙古西部的巴丹吉林沙漠腹地和乌兰布和沙漠腹地，平均年沙尘天气频数分别为44.6 d和39.5 d，最大年沙尘天气频数为61.8 d和68.7 d。次高值中心位于巴丹吉林沙漠东端和毛乌素沙地，平均年沙尘天气频数分别为39.8 d和28.2 d。内蒙古中部沙尘天气频数高值区位于包头市北部和锡林郭勒盟西北部，平均年沙尘天气频数14.9 d，最大年沙尘天气频数位于朱日和地区（19.3 d）。内蒙古东部年沙尘天气频数高值区位于通辽市南部科尔沁沙地，最大年沙尘天气频数12.9 d。

图2

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图2 1991—2020年平均沙尘天气频数空间分布

Fig.2 The spatial distribution of the average frequency of dust weather in Inner Mongolia from 1991 to 2020

2.2　总沙尘天气频数时间变化

内蒙古地区1991—2020年沙尘天气频数呈减小趋势（图3），这与袁国波^［25］统计内蒙古地区沙尘暴2001—2015年呈波动减少趋势一致。扬沙、浮尘、沙尘暴频数变化趋势与总沙尘天气频数基本一致。扬沙、浮尘、沙尘暴频数均在2001年最多，分别为1 738站日、232站日和568站日，总沙尘天气频数2 538站日；2013年沙尘天气频数和扬沙频数均最小，分别为492站日和399站日，表明内蒙古地区的沙尘天气以扬沙为主。

图3

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图3 内蒙古地区1991—2020年扬沙、浮尘、沙尘暴及总沙尘天气频数的时间变化（点划线为总沙尘天气频数的趋势线）

Fig.3 The time changes of frequency of sand lifting， dust floating， sandstorms and total dust weather in Inner Mongolia from 1991 to 2020， and the dotted line represents the trend of total dust weather frequency

综上所述，内蒙古1991—2020年沙尘天气总频数呈减小趋势，西部是沙尘天气的高发区，平均年沙尘日24.7 d，中部和东部平均年沙尘日分别为7.72 d和 3.68 d，均以扬沙天气为主。2001年是20世纪90年代以来最多的一年，频繁的冷空气活动带来的大风是2001年沙尘天气频次增高的主要原因，同时沙化面积的扩大也是一个原因^［26］，由此可见植被和风速的变化均会影响沙尘天气频数。

3 风速的空间分布和气候态变率

内蒙古地区的沙尘天气多发生在春季，且以偏西和西北路径为主^［27］。内蒙古及周边地区1991—2020年春季平均纬向风和经向风分布见图4A、4C。西风的高值区位于蒙古国南部及内蒙古中部、东部，北风的高值区位于蒙古国南部、新疆北部、内蒙古西部和中北部，表明蒙古国南部的沙尘主要通过西北或偏西路径进入内蒙古，影响内蒙古中部及东部，这与天气预报经验结论是吻合的^［27-29］。

图4

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图4 1991—2020年内蒙古及周边地区春季平均纬向（A）和经向（C）10 m高度风速（单位：m·s^-1）及纬向（B）和经向（D）气候态变率（单位：m·s^-1·a^-1）的空间分布（打点区域通过90%的信度检验）

Fig.4 Spatial distribution of zonal （A） and meridional （C） average wind speed at 10 m height and zonal （B） and meridional （D） climatic variability in spring in Inner Mongolia and surrounding areas from 1991 to 2020. The dotted area passed the 90% reliability test

1991—2020年蒙古国南部、新疆北部及内蒙古中部、东部大部分地区春季纬向风风速变化呈显著减小趋势（图4B），蒙古国西部、内蒙古西部和东部春季经向风风速变化呈显著减小趋势（图4D）。蒙古国南部、新疆北部及内蒙古西部和中部春季风速呈显著减少趋势。蒙古国南部与内蒙古中部纬向风气候态变率、蒙古国西部经向风气候态变率最大值均为-0.04 m·s^-1·a^-1，内蒙古西部经向风气候态变率为-0.02 m·s^-1·a^-1。

4 植被的空间分布和气候态变率

内蒙古大部分地区1991—2020年植被覆盖率呈增加的趋势，且在内蒙古中部偏北、东部地区显著增加；内蒙古西部地区增加不显著，且在巴丹吉林沙漠的南端及乌兰布和沙漠局地出现了植被覆盖率减小的趋势。蒙古国南部、内蒙古春季植被覆盖率的空间分布与总沙尘天气频数的空间分布相反，内蒙古西部是沙尘的高发区，分布着多个沙漠，春季植被覆盖率≤4%；内蒙古中部沙尘高值区位于包头市北部和锡林郭勒盟西北部，春季植被覆盖率≤12%；内蒙古东部沙尘高值区位于科尔沁沙地，春季植被覆盖率≤16%（图5）。

图5

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图5 1991—2020年内蒙古及周边地区年（A）、春季（C）平均植被覆盖率（%）及年（B）、春季（D）气候态变率（单位：%·a^-1；打点区域通过90%的信度检验）

Fig.5 Spatial distribution of average vegetation coverage （unit： %） in year （A） and spring （C） and climatic variability （unit： %·a^-1） in year （B） and spring （D） in Inner Mongolia and surrounding areas from 1991 to 2020. The dotted area passed the 90% reliability test

综上所述，内蒙古1991—2020年植被覆盖率增加，纬向（经向）风在内蒙古沙尘多发区显著减小。

5 风场和植被对沙尘时空分布的影响

5.1　敏感性实验设计

2019年5月14—16日，蒙古国和中国北方出现一次由蒙古气旋引发的沙尘暴天气过程，初始时刻气旋位于蒙古国西南部（图6），此时气旋处于生成阶段，随着气旋东移发展，内蒙古大部、甘肃、宁夏、陕西、东北三省部分地区均受到沙尘的影响。气旋大风区（图6黑色矩形框）位于其底后部（40°—50°N、80°—100°E）。高层风速会通过动量下传影响低层风速，所以敏感性试验需要修改初始场大风区所有模式层风速，共计30层。图6蓝色矩形框区为模拟试验修改植被覆盖率的区域，本文植被覆盖率敏感性试验方案与文献［24］相同，敏感性试验分组见表1。

图6

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图6 模式初始时刻海平面气压场（单位：hPa）与地面风场（单位：m·s^-1）。黑色矩形框为模拟试验修改风速的区域，蓝色矩形框为模拟试验修改植被覆盖率的区域

Fig.6 The sea level pressure field （unit： hPa） and wind field （unit： m·s^-1） at the initial moment of the model. The black rectangular box area represents the windy area which was modified in sensitivity experiments， and the blue recta-ngular box area represents the vegetation cover was modified by the simulation experiment

表1 敏感性试验分组

Table 1 Subgroup of sensitivity experiments

植被覆盖率敏感性试验分组	植被覆盖率变化方案	风速敏感性试验分组	风速变化方案
casev1	+5%	casew1	-20%
casev2	+10%	casew2	-30%
casev3	+15%	casew3	-40%
casev4	+20%	casew4	-50%

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5.2　风速和植被对沙尘的影响

5.2.1　风速和植被对沙源地起沙的影响

5月15日04:00（UTC，下同）起沙区域主要位于蒙古国南部及内蒙古中北部（图7），最大起沙量7 427.61 μg·m^-2。植被覆盖率增加5%，起沙区面积减小，最大起沙量减小到2 989.9 μg·m^-2；植被覆盖率增加10%，沙源地只有局地起沙，最大起沙量910.7 μg·m^-2；植被覆盖率增加≥15%，沙源地只有局地少量起沙或无起沙。风速减小对起沙的削减作用弱于植被增加：风速减小20%，起沙区面积与实际起沙区面积相当，最大起沙量4 137.2 μg·m^-2；风速减小40%与减小30%的起沙区面积相当，均小于实际，最大起沙量分别为2 687.5 μg·m^-2和3 118.5 μg·m^-2；风速减小50%，起沙区面积进一步缩小，最大起沙量无明显变化。

图7

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图7 2019年5月15日04:00实际（A）及casev1（B）、casev2（C）、casev3（D）、casev4（E）、casew1（F）、casew2（G）、casew3（H）、casew4（I）模拟起沙量（单位：μg·m^-2）的空间分布。黑色矩形框为此次沙尘过程的沙源地，黑色圆点分别表示蒙古国南部站点（43.12°N，109.21°E）和二连浩特（43.39°N，112.00°E）

Fig.7 The spatial distribution of actual sand emission （A） and sand emission （unit： μg·m^-2） simulated by casev1 （B）， casev2 （C）， casev3 （D）， casev4 （E）， casew1 （F）， casew2 （G）， casew3 （H）， casew4 （I） at 04:00 on May 15， 2019. The black rectangular box area is sand source， and the black dots indicate the southern site of Mongolia （43.12°N，109.21°E） and Erenhot （43.39°N，112.00°E）

选取沙源地两个代表性站点（站点位置见图7中黑色圆点），定量分析植被覆盖率、风速对沙源地起沙的影响。蒙古国南部15日03:00最大起沙量1 118.0 μg·m^-2，二连浩特15日06:00最大起沙量1 864.4 μg·m^-2。增加植被覆盖率与减少风速均会削减沙源地起沙量，且增加植被覆盖率对起沙的削减作用更明显：植被覆盖率增加≥10%，峰值起沙的削减率≥90%，而风速减小≥40%，起沙的削减率≥83%；植被的增加会推迟沙尘起沙时间，但风速的减小对起沙时间无影响（图8）。

图8

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图8 蒙古国南部（A）、二连浩特（C）实际起沙量和模拟的不同植被、不同风速下蒙古国南部（B）、二连浩特（D）起沙量

Fig.8 The actual sand emission of southern Mongolia （A） and Erenhot （C）， and the simulated sand emission of southern Mongolia （B） and Erenhot （D）

统计蒙古国南部（5月14日22:00至15日11:00）与二连浩特（第一次：5月14日23:00至15日12:00，第二次：16日02:00—10:00）沙尘过程总起沙量及植被和风速对总起沙量的削减率（表2）。蒙古国南部和二连浩特均有两次沙尘过程，但蒙古国南部第二次起沙量较小，最大起沙量22.6 μg·m^-2，二连浩特第二次最大起沙量161.9 μg·m^-2，所以表2未列出蒙古国南部第二次沙尘的相关数据。

表2 蒙古国南部与二连浩特总起沙量和植被、风速对总起沙量的削减率

Table 2 Total sand emission and the reduction of total sand emission by vegetation and wind in southern Mongolia and Erenhot in different sensitivity experiments

分组	蒙古国南部		二连浩特（第一次）		二连浩特（第二次）
分组	总起沙量/（μg·m^-2）	削减率%	总起沙量/（μg·m^-2）	削减率/%	总起沙量/（μg·m^-2）	削减率/%
实际	6 673.8	—	11 145.0	—	722.3	—
casev1	2 362.8	64.6	2 634.8	76.4	63.4	91.2
casev2	365.5	94.5	444.0	96.0	0.0	100.0
casev3	13.9	99.8	38.6	99.7	0.0	100.0
casev4	0.0	100.0	0.0	100	0.0	100.0
casew1	2 918.7	56.3	4 419.1	60.3	417.9	42.1
casew2	2 013.6	69.8	2 938.5	73.6	270.8	62.5
casew3	1 199.2	82.0	1 869.8	83.2	199.1	72.4
casew4	884.5	86.7	1 502.7	86.5	170.5	76.4

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第一次沙尘过程，植被覆盖率增加5%与风速减小30%对起沙的削减率相当。植被覆盖率增加≥10%，起沙的削减率≥95%；植被覆盖率增加≥15%，相同天气系统影响下，沙源地不会起沙。风速减小≥40%，起沙的削减率≥82%。

第二次沙尘过程，植被覆盖率增加≥5%，起沙的削减率≥91%，风速减少≥50%，起沙的削减率<80%，且第二次沙尘过程风速对起沙的削减率均小于第一次。

模拟试验选用的起沙参数化方案（Shao_04）^［24］根据土壤质地、植被类型、叶面积指数和土壤湿度数据计算临界摩擦速度，所以模式对植被覆盖率变化的响应是通过叶面积指数调整起沙的临界摩擦速度而影响沙源地起沙量和起沙时间。临界摩擦速度的空间分布见图9，实际沙源地的临界摩擦速度≤1.6 m·s^-1，随着植被覆盖率的增加，临界摩擦速度增大，但修改初始场风速，对临界摩擦速度无影响。Shao_04方案将可蚀性土壤面积分为A、B、C类。 A类主要包括沙漠地区，临界摩擦速度0.4~0.5 m·s^-1，沙尘天气出现频繁；B类主要包括沙漠附近的半干旱地区，临界摩擦速度0.7~0.8 m·s^-1，仅在大风情况下出现风蚀起沙；C类临界摩擦速度大于1 m·s^-1的零星地区，风蚀起沙很少出现。此次起沙区域主要位于蒙古国南部、内蒙古中北部，均为可蚀性土壤，临界摩擦速度以0.4~0.8 m·s^-1为主，植被覆盖率增加≥10%，沙源地临界摩擦速度≥1 m·s^-1，沙源地只有零星或无起沙。

图9

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图9 5月15日04:00实际（A）及植被、风速敏感性试验中casev1（B）、casev2（C）、casev3（D）、casev4（E）、casew1（F）、casew2（G）、casew3（H）、casew4（I）对应的临界摩擦速度的空间分布。栅格表示该时刻沙尘的起沙量在50~3 000 μg·m^-2，蓝色框表示此次过程的沙源地

Fig.9 The spatial distribution of actual critical friction velocity （A） and critical friction velocity simulated by casev1 （B）， casev2 （C）， casev3 （D）， casev4 （E）， casew1 （F）， casew2 （G）， casew3 （H）， casew4 （I） at 04:00 on May 15. The black grid area indicates sand emission flux is 50-3 000 μg·m^-2. The blue box area indicates the sand source of the process

综上所述，植被覆盖增加对沙尘天气的影响明显强于风速的减小。风速主要通过起沙的动力条件强弱影响起沙量，植被覆盖对起沙的影响有两方面：一是通过影响临界摩擦速度影响起沙，二是随着植被覆盖增加，下垫面能够提供的沙尘量会明显减少，也对起沙量有重要影响，所以风速对起沙的影响弱于植被。

5.2.2　风速和植被对沙尘粒径的影响

Shao_04方案中将沙尘粒子有效半径划分成5档，分别是0.5 μm（bin1）、1.4 μm（bin2）、2.4 μm（bin3）、4.5 μm（bin4）、8.0 μm（bin5），选取二连浩特（植被调整区）及白城（沙源地下游沙尘输送经过的站点）作为两个代表站点，分析植被和风速对沙源地及下游地区沙尘粒径分布的影响。二连浩特起沙总量的统计时段为5月14日23:00至15日11:00（图10），白城沙尘总量的统计时段为5月15日13:00至16日12:00（图11）。对沙源地起沙贡献率最大的是bin5（45.35%），其次是bin4（31.23%）>bin3（11.55%）>bin2（8.17%）>bin1（3.71%），表明沙源地起沙以大粒径沙尘为主。随着植被覆盖率的增加，bin5的贡献率逐渐增大，bin1~bin4对起沙的贡献率均减小，增加植被对小粒径沙尘的抑制作用更强。

图10

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图10 沙源地二连浩特不同粒径对起沙量的实际贡献率（A）及植被、风速敏感性试验中casev1 （B）、casev2 （C）、casev3 （D）、casew1 （E）、casew2 （F）、casew3 （G）、casew4 （H）模拟的贡献率

Fig.10 The actual contribution rate （A） of different particle sizes to the sand emission in Erenhot and contribution rates simulated by casev1 （B）， casev2 （C）， casev3 （D）， casew1 （E）， casew2 （F）， casew3 （G）， casew4 （H）

图11

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图11 沙源地下游白城站不同粒径沙粒对地面沙尘浓度的实际贡献率（A），植被覆盖率（B）和风速（D）敏感性试验中不同粒径的浓度，植被覆盖率（C）和风速（E）对不同粒径浓度的削减率及植被覆盖率（F）和风速（G）与地面沙尘浓度的拟合

Fig.11 The actual contribution rate of different sizes particle to the surface sand concentration （A） in Baicheng Station in downstream of the sand source， the concentration of different sizes particle in different vegetation coverage （B） and wind speed （D） sensitivity tests， the concentrations reduction rate of vegetation coverage （C） and wind speed （E） to different sizes particle， and fitting of surface sand concentrations in different vegetation coverage （F） and wind speed （G） sensitivity experiments

Shao^［30］指出小沙粒间相互作用力大，不容易被吹起，所以随着风速减小，大粒径对起沙的贡献率增加，小粒径对起沙的贡献率减小。风速减小对不同粒径沙粒的削减小于植被，风速削减50%，bin1对起沙的贡献率2.27%，植被覆盖率增加20%，bin1对起沙的贡献率0.06%。

白城站位于沙源地的下游，大粒径沙尘在远距离输送过程中不断沉降，所以bin1、bin2、bin3对白城站地面沙尘浓度的贡献率均高于沙源地，bin4、bin5的贡献率低于沙源地（图11A）。地面沙尘浓度随风速减小线性减小（图11G），但与植被覆盖率增加的拟合符合二次多项式（图11F）。不同尺度沙粒浓度随植被覆盖率增加明显减少（图11B），且植被对小粒径沙粒削减率大于大粒径（图11C）；风速对不同尺度沙粒浓度的影响与植被不同，风速减小≤30%，风速对大粒径的削减率大于小粒径，风速削减>30，风速对大粒径的削减率小于小粒径，且bin1>bin2>bin3>bin4>bin5（图11E）。

综上所述，植被和风速对沙源地小粒径沙尘的抑制作用更强。沙源地下游地区，风速削减≤30%，风速对大粒径的削减率大于小粒径，风速削减>30%，风速对大粒径削减率小于小粒径。

6 总结与展望

内蒙古1991—2020年总沙尘天气频数呈减小趋势，植被覆盖率增加，纬向（经向）风在内蒙古沙尘多发区显著减小。植被覆盖增加对沙尘天气的影响明显强于风速的减小：植被覆盖率增加5%与风速减小30%对沙源地起沙的削减率相当；植被覆盖率增加≥15%，沙源地只有局地少量起沙或无起沙；风速削减50%，沙源地仍存在成片的起沙区。植被和风速均对沙源地小粒径沙尘的抑制作用更强，且植被的影响强于风速。

中国前期荒漠化治理工作较少着眼于下垫面沙粒大小问题，但沙尘粒径的大小决定了沙粒启动机制、输送距离和垂直输送高度^［31-32］，小粒径沙粒更容易被带到高层大气从而进行更远距离的输送，本文研究结果表明植被和风速对沙源地小粒径沙尘的抑制作用很强。2022年国务院印发气象高质量发展纲要（2022—2035年），提到要加强重要生态系统保护和修复重大工程建设，建立三区四带（包括北方防沙带），本文认为植树造林可以选在细沙粒为主的半荒漠化地区优先开始。

中国北方植被覆盖的变化受植树造林政策的影响表现较为复杂。植被蒸腾作用消耗大量的水^［33］，减弱了流域的径流量^［34］，加剧了区域内的水资源短缺，最终导致林草退化^［35-36］，所以对于水资源短缺的干旱半干旱地区，过度依赖植树造林并实施大规模生态规划有一定风险^［37］。本文认为在保护原生植被和合理利用水资源基础上，植树造林最终使植被覆盖率增加10%~15%即可。

WRF-Chem模式可以部分弥补观测资料的时空缺陷，同时可以量化沙尘的起沙、沉降，为WRF-Chem模式在内蒙古地区的预报服务应用积累相关经验。本文的结论只是内蒙古一次典型沙尘天气的模拟结果，后续将增加模拟个例，从而得到普适性的结论，为区域尺度的防沙治沙工作提供更有力的依据和指导。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

陈亿，尚可政，王式功，等.

21世纪初中国北方沙尘天气特征及其与地面风速和植被的关系研究

［J］.中国沙漠，2012，32（6）：1702-1709.