中国沙化土地面积约占国土总面积的17.93%，在一定的气象条件下易形成沙尘天气，严重影响交通、农业、生态安全和经济社会可持续发展，也会加剧空气污染^［1］，对人体健康造成不利影响^［2-3］。自1978年起，中国启动了“三北”防护林等一系列生态保护工程，通过在干旱半干旱地区植树造林来减轻风沙灾害^［4］。“三北”地区沙漠面积整体呈现减少趋势，绿化率持续增加，有效降低了北方沙尘天气强度^［5-7］。此外，在气候变化背景下北方地区气候呈暖湿化^［8］，风速呈减小趋势^［9-10］，也对沙尘天气的减少起到一定作用。

近年来，在中国生态治理取得显著成效的背景下^［11］，部分年份仍呈现沙尘天气频发、极端性强的特征^［12-13］。沙源地起沙情况一直是沙尘预报预警工作的难点，也是科研工作关注的热点问题。气象条件影响起沙。春季降水可以增加沙层水含量，促进植物生长，从而增大起沙风速^［14］。也有人指出，沙尘暴日数与春季平均风速、大风日数相关性较高，而与气温和降水的相关性较低^［15］。另外，数值模拟分析显示，沙尘强度与风速关系密切，摩擦速度阈值是判断风吹起沙的关键因子^［16］，基于观测资料估算的浑善达克沙地临界起沙摩擦速度为0.6 m·s^-1［17］。除境内沙源地起沙外，基于卫星遥感、数值模拟、沙样分析等方法的多项研究显示，近年来蒙古国沙源地对中国北方地区沙尘的贡献不可忽视^［18-20］，蒙古国退化的生态环境是东亚沙尘暴强度增加的原因^［21］。

目前，针对中国北方沙源地下垫面改善情况已有较为全面的研究，但对于浑善达克沙地生态治理背景下的沙尘天气特征仍缺少系统分析。本文采用2000—2023年的遥感观测、地面气象观测和空气质量监测数据，分析京津风沙源治理工程实施以来浑善达克沙地下垫面改善情况以及沙尘天气的时空分布特征。选择对于起沙最为关键的气象要素风速作为主要因子，分析起沙时的风速特征及不同风速下的起沙频率。最后通过对比边境站和内陆站，了解沙尘境外传输的影响，从而为更加深入地了解浑善达克沙地沙尘天气特征及起沙机理提供参考。

浑善达克沙地位于内蒙古自治区中北部（图1），行政区上属于锡林郭勒盟和赤峰市，是中国北方荒漠化严重地区^［22-23］。该地区年降水量180~400 mm，自西北向东南逐渐增多。年平均风速3.27~3.87 m·s^-1［10］，裸露的地表在强风作用下极易形成沙尘天气^［15］。由于距离华北平原较近，在传输作用下沙尘天气易对北京、天津、河北等人口稠密地区造成较大影响，引起社会广泛关注。为此，国家自21世纪初启动京津风沙源治理工程，对以浑善达克沙地为主的荒漠化地区进行专项治理，该地区整体的植被覆盖率得到改善^［24］。

本文所用气象资料来自中国气象局提供的逐3 h地面观测数据，包括天气现象、风速、风向、能见度等。选取2000—2023年春季（3—5月）浑善达克沙地周边有连续观测的朱日和、苏尼特左旗、阿巴嘎旗、锡林浩特市、多伦县、二连浩特市等6个站点进行分析。其中，二连浩特市为与蒙古国接壤的边境站，用于对比分析沙尘境外传输的影响，其他5个站点可代表浑善达克沙地的气象特征。2000—2014年的沙尘天气现象依据原始地面观测资料进行判识。为解决2015年以后自动观测造成的地面天气现象判识偏差问题，结合生态环境部面向社会公开发布的空气质量监测数据（https：//air.cnemc.cn：18007/）对地面天气现象进行了订正（气预函〔2022〕95号），使之能够客观反映沙尘天气的发生状况。

依据能见度和风力大小，沙尘天气从弱到强分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴5个等级^［25］。除特殊说明外，本文提到的沙尘暴均包括沙尘暴及以上强度的沙尘天气。参考中国气象局业务中使用的判定方法^［26］，某日8个观测时次中只要有1个时次出现沙尘天气，记为1个沙尘日；只要有1个观测时次出现扬沙、沙尘暴或强沙尘暴，记为1个扬沙日。同理定义沙尘暴日。当某日有2个及以上站点判定为沙尘日，则定义为1个区域沙尘日。

本文使用MODIS系列卫星（https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/）提供的NDVI数据，为2000—2022年逐月MOD13A3级植被指数产品，空间分辨率为1 km。

目前，估算植被覆盖度的方法主要为遥感估算，即基于归一化植被指数，建立植被覆盖度的计算模型，然后估算植被覆盖度信息^［27-30］。本文基于NDVI值估算了浑善达克沙地及周边地区的植被覆盖度。

式中：C为月植被覆盖度；NDVI为月最大值合成归一化差值植被指数；NDVI_s为像元纯土壤时的植被指数；NDVI_v为像元全植被覆盖下的植被指数。

采用一元线性回归方法，对2000—2022年浑善达克沙地及周边地区植被覆盖度变化趋势进行时间序列分析^［31］，变化趋势的特征用趋势率表示。趋势率的正负表示植被覆盖度增加或减少趋势，其值的大小反映增加或减少的速率。

式中：n是研究时间序列的长度，此处n=23；i为第i年；X_i 表示第i年的植被覆盖度；θ_slope为趋势率，表示指数随时间变化的速率。

植被覆盖度变化趋势的显著性采用Ｆ检验，显著性仅代表趋势性变化可置信程度的高低，与变化快慢无关^［32］。根据显著性检验结果，将植被覆盖度的变化趋势分为4个等级：显著减少（θ_slope<0，P<0.05）；不显著减少（θ_slope<0，P>0.05）；不显著增加（θ_slope>０，P>0.05）；显著增加（θ_slope>0，P<0.05）。

浑善达克沙地及周边地区的地表植被覆盖度整体偏低，70%~80%的区域植被覆盖度低于20%（图2）。从空间分布上看，植被覆盖度呈现自东向西逐渐减小的特征。东部地区地表植被覆盖度较高，克什克腾旗、多伦县的部分地区超过30%，能够对地表土壤形成有效保护。西部地区年均降水量不足200 mm，生态条件偏差，植被覆盖度多低于15%，苏尼特左旗、苏尼特右旗等地的部分地区植被覆盖度不足10%，地表土壤裸露面积大，容易受到大风侵蚀，形成沙尘天气。从年际演变可以看出，随着生态治理效益的逐渐显现，位于浑善达克沙地西部的低植被覆盖区域（覆盖度<10%）面积明显减少。以2010年作为时间节点，低植被覆盖区域面积在2000—2009年占比超过20%，2010—2022年下降至15%左右。2010年以后，阿巴嘎旗、锡林浩特市植被覆盖度超过20%的面积明显增大，植被恢复较为明显。

从植被覆盖度变化的趋势率来看，2000—2009年约76%的区域植被覆盖度呈增加趋势。植被覆盖度显著增加的面积约占总面积的10%，包括浑善达克北部的阿巴嘎旗、锡林浩特市以及东南部的多伦县，大部分地区年增幅超过0.5%。在浑善达克南部存在东北-西南向的植被覆盖度减小区，包括克什克腾旗、正镶白旗、镶黄旗等，部分地区年降幅超过0.5%，但绝大部分地区减少趋势不显著。这一特征在已有研究中也有所体现^［4，24］。2010—2022年，约22%以上的区域植被覆盖度显著增加，生态改善效果较好。超过6%的区域植被覆盖度年增幅超过0.5%，东部增加趋势大于中西部。前期存在生态退化现象的克什克腾旗、正镶白旗等地植被覆盖度显著增加，年趋势率超过0.25%。但在苏尼特右旗、锡林浩特市西部的部分地区植被覆盖度有减少趋势，虽然趋势并不显著，仍说明当地生态环境较为脆弱，在气候变化背景下存在生态系统衰退风险。

建立2000—2023年浑善达克沙地逐年沙尘日数的时间序列，并做5阶多项式拟合（图3）。沙尘日数表现出先下降后增加的特征，与全国沙尘天气过程的变化趋势基本一致^［33］。其中，2000—2006年沙尘多发^［34］，平均沙尘日数为66.4 d·a^-1。2006年沙尘日数达到120 d，为2000年以来最多。2007—2014年沙尘日数明显减少，平均沙尘日数为21.3 d·a^-1。2013年沙尘日数仅有2 d，为2000年以来最少。2015—2023年沙尘日数表现出上升趋势，平均沙尘日数为39.1 d·a^-1，但仍明显少于2000—2006年的平均值。其中2023年沙尘日数增加至76 d，为2006年以来最多。沙尘日数的变化除受下垫面改变影响外，气象要素的年际变化也起到了重要作用^［35-36］。

2000—2012年，沙尘暴日数的变化趋势与沙尘日数基本一致，在2002年和2006年分别出现61 d和52 d的阶段性峰值。沙尘日中沙尘暴日的比例为23%~52%，即沙尘暴日约占沙尘日的1/4~1/2。其中2009—2012年，尽管沙尘日数较前期明显减少，但沙尘暴日比例仍维持在较高的水平，沙尘天气表现出次数少、强度大的特征。2013—2022年，沙尘暴日明显减少，平均沙尘暴日数仅为1 d·a^-1，2015、2019、2020、2022年没有记录到沙尘暴日，沙尘天气以扬沙和浮尘为主。但2023年沙尘暴日数增加至9 d，为10 a来最多。

从空间分布上看，沙尘日数表现为自西向东、自北向南减少的特征。位于浑善达克沙地西侧的朱日和和苏尼特左旗沙尘日数最多，其次是位于沙地北侧的锡林浩特市和阿巴嘎旗。位于沙地东南侧的多伦县沙尘日数为129 d，约为苏尼特左旗（261 d）的一半。由于下垫面条件偏差、距离上游沙源地较近，苏尼特左旗、朱日和、阿巴嘎旗的沙尘暴日比例均超过30%。近年来生态改善效果明显、植被覆盖度较高的锡林浩特市，沙尘暴日比例为16%，明显低于其他站点。

地面冷锋和蒙古气旋是造成内蒙古沙尘天气的主要影响系统，其移动路径主要为自西向东^［36］。基于浑善达克沙地周边站点起沙时次的风向、风速和能见度绘制雷达图。受天气系统影响，多数站点起沙时的主导风向为偏西风。阿巴嘎旗在东北风影响下也会出现沙尘天气，但强度较弱。随风速增大，能见度呈减小趋势。能见度小于3 km的较强沙尘天气多出现在12 m·s^-1以上的风速条件下（图4）。

对观测到沙尘时次的风速特征做进一步分析。为体现不同强度沙尘的起沙风速特征，按照沙尘等级划分将浮尘、扬沙合并分析（图5）。出现沙尘暴时，各站点风速平均为11.30~14.37 m·s^-1。对于朱日和（95.69%）、苏尼特左旗（95.31%）和阿巴嘎旗（92.77%），超过90%的沙尘暴伴随有10 m·s^-1以上大风，对于锡林浩特市（83.87%）和多伦县（82.14%），超过80%的沙尘暴伴随有10 m·s^-1以上大风。其中，苏尼特左旗和朱日和出现在13 m·s^-1以上大风条件下的沙尘暴占比分别达到78.13%和61.21%，而对于多伦县和锡林浩特市，这一比例仅为39.29%和33.87%。以上起沙风速的分布特征与Kurosaki等^［37］的研究结果基本一致。由此可见，浑善达克沙地的沙尘暴与大风关系密切。尤其对于沙地西侧的站点，大风起沙是沙尘暴的重要成因。

各站点出现浮尘和扬沙时的风速平均值为7.68~11.70 m·s^-1。锡林浩特市和多伦县90%以上的浮尘扬沙天气出现在小于13 m·s^-1的风速区间，当风速大于13 m·s^-1时沙尘天气基本表现为沙尘暴。参考相关标准^［25］，认为风速为0~3 m·s^-1的沙尘天气为浮尘，风速大于3 m·s^-1的沙尘天气为扬沙。除多伦县外，其他4个站点观测到的浮尘在能见度1~10 km的沙尘天气中所占比例均不足10%，其中朱日和的浮尘仅占1.69%，扬沙是轻度沙尘的主要表现形式。对于苏尼特左旗、阿巴嘎旗和朱日和，出现在10~12 m·s^-1风速区间的扬沙占比最高。

2000—2023年起沙风速呈现在波动中下降的趋势（图6），风速平均值由2000年的11.93 m·s^-1下降至2023年的9.00 m·s^-1。这与陈楠等^［38］的研究结果类似。以四分位差（75%分位数和25%分位数的差值）表征起沙风速的离散程度。线性拟合的结果显示，四分位差呈增加趋势，并在2020年出现9 m·s^-1的峰值。可见，起沙风速整体呈现平均值减小、离散度增大的特征。2015—2023年的沙尘增多期，出现在较低风速条件下的沙尘天气所占比例较前期明显增加。

由于近年来出现在较低风速条件下的沙尘天气比例呈增加趋势，因此本节对不同风速条件下的起沙情况做进一步分析。将风速分为0~3级、4~5级、6级及以上3个等级。定义起沙频率为不同等级风速条件下出现沙尘时次的百分比。

风速为0~3级时，动力条件相对不利于起沙，起沙频率不足1%（图7）。风速为4~5级时，起沙频率增加至0.21%~8.07%。以上两档风速的起沙频率在研究时段内没有明显变化趋势。风速增大至6级及以上强度时，动力条件有利于沙尘粒子脱离地表进入大气及在空中悬浮，起沙频率明显增大。2000—2006年平均起沙频率为35.91%，其中2001、2002、2006年起沙频率超过50%，分别达到56.34%、65.97%、53.03%。2007—2023年起沙频率平均值减小至16.18%，为2000—2006年平均值的45.06%。其中最大值出现在2015年，起沙频率为30.91%，高值较前期明显降低。

2000—2006年浑善达克沙地6级及以上大风次数较多，平均值达到每年169.57次。2007—2015年大风次数明显减少，平均值为每年92.22次，仅为2000—2008年平均值的54.38%。2016—2023年，大风次数再次增多。大风次数的变化趋势与沙尘日数的变化趋势基本一致，表明大气环流调整导致的动力条件变化是影响沙尘日数的重要因子。大风次数的减少叠加起沙频率的下降，使得6级及以上大风影响下的起沙次数占总起沙次数的比例由21世纪初的接近80%下降至近年来的30%~40%。由上文分析可知沙尘暴多发生于6级及以上大风条件下，因此大风起沙比例的下降也在一定程度上解释了沙尘暴明显减少的原因。值得注意的是，2023年6级及以上大风次数为2006年以来最多，为沙尘天气的增多提供了有利的动力条件。此外，尽管0~3级和4~5级风速条件下的起沙频率较低，但由于这两档风速出现次数多，因此起沙次数在总起沙次数中的比例呈持续上升趋势。其中，2009—2023年中有10 a出现在4~5级风影响下的沙尘天气次数比例达到或超过50%，应给予充分关注。

与局地性沙尘天气相比，区域沙尘日可以反映浑善达克沙地较大范围的起沙情况。二连浩特市位于浑善达克沙地西北方向，其西北部与蒙古国接壤。二连浩特市起沙时的主导风向为偏北风和偏西风，能见度低于1 km的沙尘暴也主要出现在偏北风和偏西风影响下（图4）。因此可以认为，二连浩特市的沙尘天气主要受境外传输影响。以二连浩特市作为参照站点，区域沙尘日中，如二连浩特市也为沙尘日，则判识为一个传输起沙日，其他情况判识为本地起沙日。

区域沙尘日共计193 d，其中传输起沙日116 d，本地起沙日77 d（图8）。共有7 a区域沙尘日数超过10 d，在沙尘天气频发的2001、2002、2006年，区域沙尘日数达到或超过20 d。由于沙尘活动偏弱，2013、2022年没有出现区域沙尘日。2000年以来，传输起沙日占区域起沙日的比例呈增加趋势。不考虑未出现区域沙尘日或区域沙尘日仅为1 d的年份，2000—2011年仅有2 a传输起沙日占区域沙尘日的比例超过50%，沙尘成因以本地起沙为主。2012年以后，传输起沙日在区域沙尘日中的比例均超过50%，2021、2023年该比例分别达到89%、93%，境外传输成为影响浑善达克沙地沙尘天气的重要原因。

区域沙尘日中出现沙尘的站点数可以在一定程度上表征沙尘影响范围的大小。传输起沙日中4站和5站同时观测到沙尘的情况占传输起沙日的58.7%，大范围起沙是传输起沙的主要表现形式（图8）。而在本地起沙日中，4站和5站同时起沙的比例仅占16.9%，2站同时起沙的比例达到59.7%。在2站同时起沙的本地起沙日中，苏尼特左旗和朱日和（11 d）、苏尼特左旗和锡林浩特市（9 d）、朱日和和多伦县（9 d）同时出现沙尘天气的情况最多，分别代表区域性沙尘天气影响浑善达克沙地的西部、北部和南部。

2000—2022年，浑善达克沙地西部低植被覆盖区域面积明显减少。其中2010—2022年，超过6%的区域植被覆盖度年增幅超过0.5%，22%以上的区域植被覆盖度显著增加。区域中南部部分地区植被覆盖度有减小趋势，当地生态环境条件仍较为脆弱。

2000—2023年春季，浑善达克沙地沙尘日数呈先下降后增加的趋势。其中2009—2012年，沙尘天气表现出次数少、强度大的特征。2013—2022年，沙尘暴日数较前期明显减少，沙尘强度明显减弱，但2023年沙尘日数和沙尘暴日数为2013年以来最多。从空间分布上看，沙尘日数表现为自西向东、自北向南减少的特征，锡林浩特市的沙尘暴日比例为16%，明显低于其他站点。

2000—2023年春季，浑善达克沙地起沙的主导风向为偏西风，出现沙尘暴时风速平均值在11.30~14.37 m·s^-1。对于朱日和、苏尼特左旗和阿巴嘎旗，有超过90%的沙尘暴伴随有10 m·s^-1以上大风，大风起沙是沙尘暴的重要成因。起沙风速呈现平均值减小、离散度增大的特征，出现在较低风速条件下的沙尘天气比例逐渐增加。

2000—2023年春季，6级及以上大风次数的变化趋势与沙尘日数的变化趋势基本一致，2007年以来的起沙频率较前期明显下降。大风次数的减少叠加起沙频率的下降，使得6级及以上大风影响下的起沙次数占比由21世纪初的接近80%下降至近年来的30%~40%。

2000—2023年春季，传输起沙日占区域起沙日的比例呈增加趋势，境外传输对浑善达克沙地的影响日益明显。传输起沙日中4站和5站同时观测到沙尘的情况占传输起沙日的58.7%，大范围起沙是传输起沙的主要表现形式。