中国戈壁与塔克拉玛干沙漠沙尘暴的时空分异特征及其气候反馈机制研究

针对中国两大主要沙尘源区（戈壁与塔克拉玛干沙漠）沙尘暴的时空分异规律及气候反馈机制不明的问题，研究人员通过改进亮度温度差（BTD）算法构建10分钟分辨率DUST-cAOD数据集（2016-2023），结合32,767个层次回归模型揭示：戈壁源沙尘暴通过热力强迫增强副热带高压（STR）的正反馈机制影响更广区域（覆盖中国28.35%国土），而塔克拉玛干源沙尘暴主要依赖降水-蒸发耦合反馈。该研究为东亚沙尘气候相互作用模型优化提供关键科学依据。

　　

每年春季，中国北方频繁遭遇的沙尘暴不仅造成"黄沙漫天"的视觉冲击，更通过携带大量矿物颗粒物（PM₁₀）威胁数亿人口呼吸健康。作为东亚两大主要沙尘源区，戈壁沙漠与塔克拉玛干沙漠贡献了中国70%以上的沙尘事件，但两者在时空格局和气候反馈机制上存在显著差异。传统研究受限于沙尘暴关联粗模态气溶胶光学厚度（DUST-cAOD）的观测精度不足，难以量化源区特异性影响。更关键的是，沙尘颗粒通过改变辐射强迫（Radiative forcing）和云凝结核（CCN）活性产生的气候反馈，可能进一步加剧沙尘暴的自我强化循环——这种"沙尘-气候"双向作用机制亟待系统解析。

针对这一科学难题，中国科学院的研究团队在《Environmental Technology》发表最新成果。研究团队创新性地融合动态阈值优化的BTD算法与层次回归建模技术，首次实现对中国两大沙尘源区事件的精准分离和机制解析。通过处理2016-2023年Himawari-8卫星10分钟分辨率数据，构建了全球首个分钟级DUST-cAOD数据集；同时整合MOD08-D3云参数和ERA5再分析数据，开发出包含32,767个模型的层次回归框架，定量解析了不同源区沙尘暴的气候反馈差异。

关键技术包括：1）基于Himawari-8卫星7/11/13/15波段BTD动态阈值算法，实现沙尘像素级识别；2）建立背景气溶胶（BG-cAOD）与DUST-cAOD的定量分离模型；3）采用中国土地利用数据集（CLCD）和LandScan人口数据评估生态暴露风险；4）通过模式相关系数（PCC）筛选15个关键气象因子构建层次回归模型。

时空格局特征方面，研究发现戈壁源沙尘暴呈现显著增强趋势：年发生频次从2016-2019年的6.25次激增至2020-2023年的14次，影响范围覆盖中国28.35%国土（较塔克拉玛干源高37%），波及人口达总人口的18.15%。空间上形成"内蒙古-华北平原-甘肃走廊"高值带（DUST-cAOD>0.29），威胁3.2%农田和3.8%草地生态系统。而塔克拉玛干源沙尘暴呈现"放射状"扩散模式，影响范围相对稳定在20.71%。

气候反馈机制解析揭示出显著源区差异：戈壁源沙尘暴通过三重正反馈循环放大影响：1）在甘肃和内蒙古西部，沙尘作为云凝结核使云液态水含量（CRFL）提升60.2%，增强云层对太阳辐射的反射；2）在东北地区，地表热辐射（STR）增加21.3%驱动对流活动，诱发更强地表风；3）在青藏高原，沙尘吸湿性使露点温度（DT）降低18.5%，地表颗粒更易被扬起。相比之下，塔克拉玛干源沙尘暴主要依赖地表感热通量（SSHF）与降水（TP）的耦合反馈：在新疆南部干旱区，SSHF贡献65.2%的DUST-cAOD变异，沙尘吸收短波辐射产生的局地升温（ΔT≈2-3°C）增强热力对流；而在降水稍多的北疆，降水后的快速蒸发使表层土壤重新进入可侵蚀状态。

这项研究首次从热力-动力耦合角度阐明中国两大沙尘源区的差异化气候反馈机制。戈壁源沙尘暴通过"STR-CRFL-DT"三重放大效应，不仅自身强度增加，还通过改变大气环流影响下游地区。研究建立的分钟级DUST-cAOD数据集和层次回归框架，为区域沙尘预警系统和气候模型参数化提供关键技术支撑。实践层面，成果提示应优先针对戈壁源沙尘暴实施生态屏障建设，特别是在华北城市群和内蒙古草原等敏感区域，同时需关注沙尘暴-云降水相互作用对区域水循环的潜在影响。