《Frontiers in Earth Science》：A review of the causes and consequences of the 1930s Dust Bowl Drought, Southern Great Plains, U.S.A
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1930年代北美大陆中部的沙尘暴干旱（Dust Bowl Drought, DBD）是一次严重的环境事件，在全球经济大萧条期间导致了大规模农场破产和约50万居民流离失所。干旱条件的引发与海洋环流模态变化有关，包括太平洋海表冷却和北大西洋增暖，伴随西美国上空持续
1930年代北美大陆中部的沙尘暴干旱（Dust Bowl Drought, DBD）是一次严重的环境事件，在全球经济大萧条期间导致了大规模农场破产和约50万居民流离失所。干旱条件的引发与海洋环流模态变化有关，包括太平洋海表冷却和北大西洋增暖，伴随西美国上空持续高压脊的生成，削弱了大平原低空急流（Great Plains Low Level Jet, LLJ）。1920年代谷类作物的扩张和1930年代干旱导致的植被破坏进一步加剧了干旱状况，使地表反照率（surface albedo）增加，同时降低了蒸散（evapotranspiration）、对流活动和可降水量。裸露砂质土壤面积的增加加重了粉尘载荷，进一步扩大了DBD的影响范围和严重程度。农业普查数据和1930年代航拍影像的遥感分析表明，DBD区域仅有30%–35%的土地被耕作，这与整个大平原（Great Plains, GP）的情况一致，而西部边缘地区耕作比例更低，仅为10%–15%。原位粉尘释放通量实验表明，耕地和非耕地表面均存在多种粉尘来源，具体取决于植被和土壤条件。DBD期间每年发生超过100次沙尘暴，每次持续数小时至数天，能见度低于100 m，相应的PM10浓度超过5,000 μg/m3，对健康构成严重威胁。这种沙尘暴发生状况与当代亚洲和中东最干旱地区的沙尘事件大体类似。DBD沙尘暴发生在反气旋环流条件下，以南向经向气流为主导，来自海洋和海湾的水汽通量减少。未来干旱可能更加严重，伴随更大的气候变率和水文气象亏缺，反映出温室气体增温加剧的干旱严重程度，大平原地区将出现新的粉尘源，但极端湿润期穿插、持续灌溉以及可局部增强蒸散的植被变化可能起到一定的缓解作用。
**1 引言**
1930年代沙尘暴干旱（Dust Bowl Drought, DBD）是过去三个世纪中最严重的干旱之一，创纪录的水文气候亏缺、过高的生长季温度以及美国大陆中部数百次沙尘暴。此次干旱导致严重的环境退化、数十万个农场的破产以及超过50万人流离失所。多萝西娅·兰格（Dorothea Lange）、阿瑟·罗思坦（Arthur Rothstein）和戈登·帕克斯（Gordon Parks）为美国工程进度管理局（Works Progress Administration, WPA）拍摄的照片记录了农村居民的困境，揭示了DBD相关的地表过程。沙尘暴在德克萨斯州和俄克拉何马州狭长地带（panhandle areas）及邻近的堪萨斯州、科罗拉多州和新墨西哥州最为严重，构成DBD的核心区域。此次环境危机发生在20年谷物作物扩张之后，这一时期异常湿润，尤其是第一次世界大战后小麦价格上涨。然而，1931年国际小麦过剩导致谷物价格下跌，促使农民进一步扩大耕作以弥补成本。耕地扩张优先发生在较湿润的中部和东部大平原（Great Plains, GP），机械化农业取代了广阔的原生草原。农业普查数据显示，1935–1936年严重风蚀区域中约35%被耕作，较干旱的西部边缘仅为9%–10%。气候分析强调了太平洋和大西洋海表温度（Sea Surface Temperature, SST）模态变化对减少海洋向大平原输送水汽的重要性，从而导致创纪录的夏季高温。干旱条件因大范围地表植被破坏和大气粉尘负荷增加而加剧。
**2 沙尘暴概念的历史发展**
随着大平原环境恶化，1935年4月27日土壤保持局（Soil Conservation Service, SCS）成立，旨在减少土壤流失和沙尘暴。首任局长休·贝内特（Hugh Bennett）将广泛的地表破坏和沙尘暴归因于不可持续的农业实践。与SCS的观点相对，美国地质调查局（U.S. Geological Survey）强调前所未有的降水亏缺和极端温度是重要因素。这两种观点构成了关于DBD成因的历史与科学辩证。术语“Dust Bowl”最初由美联社编辑爱德华·斯坦利（Edward Stanley）在编辑罗伯特·E·盖格（Robert E. Geiger）的新闻文章时创用。1935年4月14日（即“黑色星期日”Black Sunday）的严重沙尘暴是DBD的标志性事件。1952至1957年间，随着南方大平原（Southern Great Plains, SGP）严重干旱，该术语在报纸上再次流行。21世纪以来，美国西南部持续严重干旱使“dust bowl”的使用频率增加。DBD的概念具有多重含义：文化术语、SGP上农业崩溃区域、SCS定义的严重风蚀干旱区以及强粉尘源区。SCS最初将DBD划定为南方短草草原生物群系的范围，核心区域包含以德克萨斯州和俄克拉何马州狭长地带为中心的二十个县。1935–1936年严重风蚀的边界是后续历史、气候和空间分析中最常使用的DBD边界。
**3 沙尘暴干旱及其他北美干旱的气候动力学**
过去三十年间，大气环流模式研究表明干旱和湿润状态与海表温度（SST）变化相关。当赤道东太平洋SST低于正常值（强拉尼娜La Nina阶段）时，美国西南部降水可能减少。这种干旱反映了纬向气压和温度梯度减弱，副热带急流（Subtropical Jet Stream）向极地移动并减弱。强拉尼娜阶段伴随大气准静止波模式的明显变化，北太平洋海平面气压正异常，抑制水汽通量和气旋系统。SGP严重干旱常与西北美上空增强的中对流层高压脊有关。然而，1930年代DBD期间赤道太平洋冷却相对1950年代干旱较为温和。气候模拟表明，大西洋模态变化和与GP地表变化及粉尘输入相关的内部气候动力学对DBD的持续时间、严重程度和影响范围同样重要。
**3.1 大平原低空急流与降水变率**
夜间大平原低空急流（LLJ）是调节GP最热时期降水变率的重要天气要素。LLJ通常位于地表以上300–800 m，中心在俄克拉何马州中部，午夜后最大风速达15–20 m/s。LLJ在夏季增强，昼夜温差产生振荡水平气压场。夜间地表冷却使向北的非地转风占主导，将墨西哥湾（Gulf of Mexico, GOM）和加勒比海暖湿空气带入GP。LLJ与北美大陆最多33%的水汽输送相关。1988年极端干旱以LLJ显著减弱为特征，来自GOM的北向水汽通量有限；而1993年密西西比河创纪录洪水则伴随强北向水汽通量。DBD被认为与LLJ大幅减弱同时发生。
**3.2 1930年代沙尘暴的天气气候学**
21世纪SGP大部分（79%）沙尘事件与区域尺度锋面系统相关，其余由局地对流扰动引起。DBD沙尘暴同样反映了天气尺度和对流性源机制，西北美上空中对流层增强的高压脊抑制纬向环流，有利于经向气团传播沙尘暴。1934和1936年极端高温年的气候动力学模拟强调了西美上空反气旋环流对持续干旱条件的重要性。来自西北方向较冷、干燥的大陆性气团（常来自加拿大南部）的气流增强。DBD区域春季沙尘事件常与增强的地面高压系统和北至东北方向的风源有关。地表稀疏植被或裸土导致蒸散减少和反照率升高，抑制局地对流，降低直减率（lapse rate），使颗粒物集中在对流层低层并增加长波加热。这种加热导致上层至中层对流层异常流出，增强土壤湿度与降水之间的负反馈。冷锋性哈布沙暴（cold-frontal haboobs）在德克萨斯州和俄克拉何马州狭长地带优先形成，常伴随低水汽含量。夏季DBD沙尘暴发生在地表温度升高（>35 °C）的条件下，与极端水分亏缺相关，包括低蒸散、低大气水含量和低湿度，地表条件对夏季沙尘事件至关重要。
**4 沙尘暴干旱期间的地表变化与气候反馈**
模拟研究表明，仅太平洋和大西洋SST变化不足以解释沙尘暴及其他干旱的空间覆盖度和强度。将地气相互作用纳入考虑可提高气候重建的准确性。DBD前大面积原生林和草原被牧场和农田替代，地表反照率从0.16升至0.18，干旱导致植被破坏后进一步升至0.20。反照率增加使地表吸收的太阳辐射减少约5 W/m2，长波能量再辐射净减少，增强对流层下沉。持续干旱导致大范围植被衰老，地上净初级生产力下降，蒸散冷却减少，进一步加剧大气下沉和降水亏缺。DBD期间植被清除可能缩小了昼夜温差范围，夜间温度升高削弱了LLJ。气候模拟中，DBD植被边界条件以43%原生草地和75%稀树草原被作物和牧场替代为代表，最严重侵蚀区裸地面积达60%–80%，其他区域为20%。这些地表条件使5至7月平均降水显著减少0.07–0.93 mm/天。1936年对DBD核心区二十个县的勘察显示，51%为原生草地，40.5%为耕地，8.5%为废弃耕地。对450个GP县农业普查数据的分析表明，1935–1936年DBD最大范围中约35%为农田。然而，受灾最严重的县（如新墨西哥州哈丁县Harding County）1935年耕地面积仅9%，奎伊县（Quay County）1939年为15%。1936至2021年堪萨斯州汉密尔顿县（Hamilton County）航拍影像时间序列分析表明，1935年62%的耕地植被覆盖度低于30%，1939年约33%的全县面积严重裸露。
**4.1 农业实践与地表过程**
SCS成立后引入的减少风蚀的农业实践包括等高耕作（contour plowing）、垄作（listing）和条带种植（strip cropping）。等高耕作在坡地实施，对减少水蚀有效，据信可使降雨吸收加倍。垄作是在裸露风蚀田地上犁出深沟，两侧堆起较新鲜土壤的长垄，被USDA出版物认可为抵抗风蚀的有效方法。然而，垄作也阻碍了先锋植被（如生物结皮biocrusts和耐干扰禾草）的建立，抑制了景观稳定化。条带种植是小麦或大麦作物与约50 m宽的休耕条带交替种植。这些休耕条带提供了更多暴露的沉积物供风成搬运。这些实践可能是DBD区域持续裸露和增强粉尘供应的重要因素。
**4.2 大气粉尘负荷作为DBD的气候因素**
大气粉尘颗粒吸收和散射短波辐射，可再辐射长波辐射，从而减少地表加热和蒸发，抑制降水。1932至1940年间局地和区域沙尘暴频发，许多DBD区域每年超过五十次。DBD气候模拟中使用的年粉尘负荷为500–1500 g/m2/年，产生的降水亏缺与仪器记录和干旱空间范围一致。然而，模型中使用的总悬浮粉尘（Total Suspended Dust, TSD）浓度1.5至0.5 g/m3/年可能不切实际。考虑1932至1939年间最严重DBD条件（能见度≤100 m）占5%–15%时间，TSD为0.1–1.0 g/m3，其余85%–95%时间TSD约为0.0001 g/m3，则年TSD估计为0.01–0.11 g/m3，比先前模型参数低至少一个数量级。
**4.3 风成地貌系统**
黄土沉积、稳定及部分活动的沙丘场、沙席和沙质土壤在GP广泛分布，是独立于耕地的重要粉尘源。风成沙常分布于普拉特河（Platte）、阿肯色河（Arkansas）、加拿大河（Canadian）和雷德河（Red）等主要河流系统附近。1930年代航拍照片显示了阿肯色河邻近沙丘系统在DBD期间的部分裸露和部分再活化，包括新月形和抛物线形沙丘、活动沙席和风蚀坑。这些沙丘系统在过去约千年间对干旱表现出不同程度的再活化。汉密尔顿县西阿肯色河沿岸的风成系统在16、17、19和20世纪发生了显著的沙席加积和沙丘移动，最近的沙沉积事件与1930年代DBD相关。GP上的沙丘再活化被归因于极端干旱变率下的植被破坏响应。但一些SGP河流系统在湿润期沉积物供应增加，如德克萨斯州雷德河附近晚全新世沙丘系统与洪水变率增加同时发生而非干旱期。粉尘生成通常以风成沙跃移为先导，需要充足的颗粒供应、可侵蚀性颗粒和超过阈值速度的风。
**4.4 南方大平原草地对沙尘暴干旱的响应**
GP草地地上初级生产力反映了南北向温度递增和东西向降水递增的梯度。干旱期间春季降水减少使草地生产力线性下降，极端高温（>40 °C）进一步损害。干旱条件有利于深根灌木而非浅根禾草，导致养分异质分布。对堪萨斯州海斯（Hays）以西干旱影响区样地的研究显示，土壤水耗尽至禾草根部深度（1–2 m），未放牧小须芒草短草草原样地植物覆盖损失50%–85%，重度放牧样地损失74%–91%。这些研究将植物覆盖的显著变化和物种丰富度下降归因于土壤水分亏缺、极高夏季温度、低湿度、周期性大风和粉尘覆盖。统计分析表明，内布拉斯加州南部混合草地在DBD期间生产力的下降与废弃耕地面积（54%）、最高温度（17%）、土壤粉砂含量（12%）和降水减少（12%）显著相关。
**4.5 C3和C4禾草在沙尘暴干旱期间的悖论**
GP草地生态系统的一个持久假设是干旱期间C4禾草优先扩张，因其适应较暖气候。然而，1930年代DBD期间发生了相反情况：适应凉爽环境的C3禾草扩张，而非暖适应C4禾草。这一悖论反映了降水季节性的变化，与较冷季节温度一致，暖温-降水依赖关系减弱。DBD期间冬季和秋季较冷月份降水比例增加，有利于C3禾草扩张。此外，极端夏季高温（>40 °C）和严重干旱条件（PDSI<-3）及有限土壤水分不利于C4禾草扩张。
**5 沙尘暴干旱在过去一千年干旱背景中的位置**
衡量GP干旱严重程度的重要指标是帕尔默干旱严重度指数（Palmer Drought Severity Index, PDSI）。1930年代平均年PDSI值在GP上表现出显著空间变率，1931、1934、1936和1939年为四个严重干旱年，超过50%的美国本土面积PDSI≤-2。沙尘暴高峰发生在1935至1940年间。基于树轮的PDSI重建表明，严重干旱（<-3 PDSI）持续至少2–5年的情况每世纪发生三到四次，持续超过十年的较长干旱每世纪发生一到两次。19世纪中后期SGP出现多次多年严重干旱。DBD是过去300年影响GP和美国西部最严重、持续时间最长的干旱，但已被21世纪干旱超越。1934年干旱是过去三百年中最严重的单年干旱。超过60%的美国本土在1934和1935–1936年处于严重和极端干旱状态。
**5.1 沙尘暴干旱作为1950年代干旱的度量**
1950至1957年间SGP发生了常与DBD比较的严重干旱，同样以德克萨斯州和俄克拉何马州狭长地带为中心。1950年代干旱最严重年份（1952–53和1957）夏季PDSI<-4，降水低于记录平均值的50%，春季沙尘暴频发，但频率比1930年代少约60%–50%。与DBD不同，1950年代干旱与强东太平洋冷却和明显拉尼娜条件相关，但与正AMO耦合相似。1950年代干旱个别年份在SGP和中西部的严重程度等于或超过DBD。
**6 沙尘暴的发生与成因**
堪萨斯州道奇城（Dodge City）的沙尘暴记录最长，从1921至1960年，显示1937和1939年分别有最多121和100次沙尘暴；加登城（Garden City）1938年峰值90次。1935年沙尘暴数量为峰值的40%–35%。1931至1940年道奇城共有509次沙尘暴，而1941至1950年仅有91次。1920年代和1940年代湿润年份年均9–10次沙尘暴，1931至1940年平均51次。对比而言，2000至2020年阿马里洛（Amarillo）年均约10次沙尘事件。1930年代沙尘暴频率平均增加五到六倍，峰值年份增加九到十倍。1938年4月至1940年5月间，十四个SCS野外试验站记录了1,360次沙尘事件。DBD期间年度和平均沙尘暴次数等于或超过地球上最干旱地区，包括中国北方、蒙古、北非和伊朗。阿马里洛1933–1934年数据显示沙尘暴高峰在3、4、5月，与2000–2018年分布类似。主成分分析表明，低层大气和地表气温是沙尘事件方差的最强驱动因子，其次是低层相对湿度。极端高温（>40 °C）在1200–1500 m高度和平均地表气温、相对湿度降低、沙尘暴持续时间和强度、相关土壤损害及先存风成沉积覆盖解释了1938–1940年沙尘暴发生方差的60%。
**6.1 1930年代沙尘暴的粉尘沉积速率和总悬浮粉尘估算**
朗哈姆等人（Langham et al., 1938）在俄克拉何马州古德威尔（Goodwell）和德克萨斯县从1935年4月至1937年4月连续测量了29次沙尘暴的粉尘通量、风速和能见度，粉尘浓度为0.1–4.0 g/m3，沉积速率为0.01–2.5 g/m2/h。DBD期间数百次沙尘暴部分时间能见度低于100 m。能见度与粉尘浓度的关系模型表明，约100 m能见度对应至少5×10? μg/m3的粉尘浓度。但两个早期模型给出的值高出两个数量级。DBD期间能见度<100 m的沙尘暴TSD可能为5×10?至3×10? μg/m3，相应PM10可能在5,000至10,000 μg/m3之间，比EPA 24小时PM10限值（150 μg/m3）高出一个数量级以上。极端沙尘暴期间接近零能见度时，估计TSD>10? μg/m3，PM10>20,000 μg/m3，构成潜在致命暴露。
**6.2 沙尘暴中粉尘颗粒的摩擦起电**
DBD期间多个沙尘暴伴随显著的自由放电现象，如“火球沿铁丝网弹跳”、电击农民、烧焦电线杆、使无线电天线噼啪作响、使汽车熄火和电力中断。具有显著静电荷的沙尘暴与中尺度对流系统（Mesoscale Convective Complex, MCC）相关，MCC输送密集悬浮颗粒（>1 g/m3）。沙粒跃移产生静电荷通常限于地表以上约1 km，带电粒子半衰期为2–8天，可能影响颗粒在大气中的停留时间。电场强度从1,000到8,000 V/m。强大气电场可使颗粒排放和沉积物输送增强至十倍。因此，沙粒的摩擦起电是DBD期间低能见度（<100 m）沙尘暴增强的潜在因素。
**7 讨论**
DBD有多重相互关联的成因，反映大尺度大气环流、天气尺度和地气过程。干旱条件由赤道太平洋适度冷却和北大西洋强AMO（增暖）引发，伴随LLJ水汽通量减弱。DBD最热最干条件与西美强阻塞高压脊、来自北部大陆内部的东南向地表气流相关。气候模拟表明，DBD严重程度、持续时间和范围也反映植被类型和覆盖度变化、蒸散和可降水量亏缺以及与大气粉尘负荷相关的反馈。植被和粉尘负荷反馈加剧干旱的幅度与ENSO和AMO相关的海洋-大气控制相当。SCS界定的DBD边界在1930年代显示出显著变率。DBD区域的特点是多种程度的裸露破坏，由春季降水极端亏缺（<30%）、过度夏季高温（>40 °C）、周期性大风和沙尘暴、谷物过度耕作以及不利的SCS建议实践（如垄作）共同造成。DBD期间有数千次沙尘暴，许多区域每年超过一百次，春季为主、秋季次之，持续数小时至数天。许多沙尘暴能见度低至<100 m，PM10浓度超过10? μg/m3，对公共健康构成重大威胁。DBD沙尘暴常伴随强静电放电，可能导致沙尘暴持续和增强。
**7.1 未来沙尘暴型干旱的风险？**
树轮记录显示，过去一千年中同等或更大时空范围的干旱每一到两个世纪发生一次，最严重的大旱（megadrought）每200–400年发生一次。21世纪气候模拟分析表明，SGP上干旱和湿润偶极态之间的变率增大，巨型湿润期和巨型干旱的可能性增加。人为温室气体（GHG）增暖自约1750年以来显著改变了气候系统的边界条件，全球温度上升约1.5 °C，占美国西南部气候变率的47%和干旱严重程度的至少19%。持续的24年干旱已成为过去八百年中最干旱时期。未来发生年代尺度DBD或1950年代式次年代干旱时，人为GHG增暖增加的>20%土壤水分亏缺将显著增强干旱严重程度。自1960年代以来，指针式灌溉（pivot irrigation）技术的推广改善了SGP作物存活率和土壤水分状况。灌溉可能使裸地面积减少5%–15%，并具有区域性气候效应。然而，灌溉水源为大平原含水层（High Plains Aquifer），过去40年该含水层已显示出显著 depletion速率，21世纪后期持续使用的可持续性存疑。DBD及其他过去干旱可能不足以作为未来干旱状态的类比，未来干旱的干燥程度将更多由>2.5 °C的GHG增温及其他由人为介导的水文气象和粉尘通量变率控制。
**8 结论**
1930年代DBD是理解北美干旱变率的关键环境事件，导致了与当前地球上最干燥地区相当的区域内陆化，每年发生50–150次沙尘暴。DBD并非仅由耕作造成，而是反映了与海洋环流和SST半球模态变化相关的水文气象亏缺，被20世纪GP谷物耕作的人为植被变化及其相关区域粉尘通量增加所放大。1930年代和未来干旱的粉尘源广泛分布于耕地、非耕地、受扰动和自然易侵蚀的表面。未来的研究领域包括：大平原航拍影像记录的定量环境信息挖掘、DBD气候模拟的改进、以及非DBD核心区域（如北部大平原）的土地覆盖/土地利用研究。
