杨小平教授团队解密塔克拉玛干沙漠深处的古代文明

发布时间： 2021-12-19 作者：来源：中国科学杂志社点击率：

“眼见风来沙旋移”，这是1200多年前唐朝诗人李益经过现今库布齐沙漠时见到的沙尘暴场景。而今年春季，我国北方地区频频被这种“风来沙旋移”的沙尘暴天气袭扰。亚洲东部地区2021年3月15日至17日发生的特大沙尘暴事件被认为是过去十年中最大的一次，其因强度大、发展速度快、影响范围广而一度霸屏，使沙尘暴相关话题强势登上热搜，进入公众视野。这场沉睡多年又卷土重来的特大沙尘暴事件中粉尘的最初起源、搬运路径、传输机制受到学术界、决策者和社会大众的广泛关注。

图1. MODIS影像显示的“3.15”特大沙尘暴及采样位置与PM₁₀浓度变化、采样时间分布以及CALIPSO数据显示的粉尘垂直分布 (此处仅展示原文Fig. 1a, f, g，全图请阅读原文)

浙江大学地球科学学院杨小平教授带领的沙漠环境演变研究团队多年来致力于理解沙漠系统及其环境效应。该团队在沙尘暴天气来临时提前布局，在沙尘暴事件发生过程中从中国北方西起嘉峪关、东至济南横跨1600 km的多个不同地点系统采集了粉尘样品 (图1)。在这种系统、及时、大范围的采样设计下，研究人员获取了2021年春季特大沙尘暴事件的珍贵样品，为从多学科角度理解同一天气过程下的粉尘传输机制、物质成分变化提供了可能。相关成果以“Revealing the dust transport processes of the 2021 mega dust storm event in northern China”为题发表在Science Bulletin 2022年第1期。

图2. 2021年3月12-21日MODIS遥感影像和大气环流动态变化，右图箭头所示为100m高空风况

该研究第一作者梁鹏博士和通讯作者杨小平教授等利用高时间分辨率的遥感数据、实时气象数据，并结合所获样品的微量/稀土元素含量、锶-钕(Sr-Nd)同位素比值等数据，对本次沙尘天气的粉尘释放、传输及物质交换过程进行了全面系统研究。中分辨率成像光谱仪(MODIS)影像及HYSPLIT后向轨迹分析显示，本次沙尘暴从蒙古国中南部向中国北方边境呈辐射状传播(图2)。结合最新的中国向联合国提供的30米分辨率的全球土地利用类型GlobeLand30数据和缓冲区分析，该研究发现气团运移路径上的裸地占比决定了粉尘系统的强度(图4b)。

将样品的微量/稀土元素组成与研究团队在国家科技基础资源调查专项资助下建立的中国北方沙漠沙地球化学组成数据库进行比对，发现除来自包头市的样品外，本次沙尘暴降尘的微量/稀土元素与中国北方沙漠沙的细粒级组分以及中国黄土的组成特征和配分模式基本一致，并且含量接近于上地壳平均值，指示了大规模沙尘暴中的物质高度混合。包头沙尘暴样品的轻稀土元素相比于上地壳富集约3倍，而包头日常背景粉尘的轻稀土元素含量富集5~10倍，表明沙尘暴期间外来源的沙漠粉尘稀释了异常高轻稀土含量的本地粉尘。利用质量守恒原理和自展法抽样(Bootstrap sampling)技术(图3)，该团队计算了包头样品的本地和外部物源贡献，发现外部贡献约为74% (58%~82%)。

图3. 计算包头样品外来源和本地源贡献时使用的自展法(Bootstrap)抽样过程及3000次抽样后的贡献估计

基于样品的硅酸盐组分Sr-Nd同位素的地球化学端元混合模型定量计算结果表明 (图4)，大多数样品中远源的蒙古国贡献明显，而位于鄂尔多斯高原曾经“眼见风来沙旋移，经年不省草生时”的库布齐沙漠和毛乌素沙地对本次粉尘几乎没有贡献。对云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星观测数据(CALIPSO)分析显示，沙尘天气期间，鄂尔多斯高原的粉尘漂浮在距地面1000 m以上的高空而不与地面相连 (图1)，指示了鄂尔多斯高原对本次沙尘暴贡献微弱。上述地球化学和遥感数据分析表明，过去四十年来的国家生态修复政策不仅实现了毛乌素沙地及黄土高原变绿，而且有效抑制了该地区的粉尘释放，为改善地球生态环境发挥了积极作用。

图4. “3.15”沙尘暴粉尘来源贡献定量估计及粉尘系统概念图。(a) 基于Sr-Nd同位素的不同潜在源区对“3.15”沙尘暴的贡献; (b) 气团运动路径上的裸地占比与粉尘浓度的关系; (c) 粉尘传输过程概念图

该研究为厘清亚洲特大沙尘暴期间的粉尘传输机制提供了基于遥感观测和地球化学分析的直接证据，阐明了粉尘系统从源到汇是一个复杂且随时有物质交换的开放系统，大规模沙尘暴的粉尘物质高度混合，远源输送和沿途补给是维持粉尘系统发育的重要机制。该研究受到了科技部科技基础资源调查专项(2017FY101001)、国家重点研发计划政府间合作项目(2019YFE0124900)和国家自然科学基金(42001003;41672182)的共同资助。

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Liang Peng, Chen Bo, Yang Xiaoping, et al. Revealing the dust transport processes of the 2021 mega dust storm event in northern China. Science Bulletin, 2022, 67(1): 21-24. https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.08.014