2021年春季，在华北地区已经消失了十几年的强沙尘暴再次出现。本研究从沙尘源地的气候异常及发生机制，蒙古气旋影响沙尘发生发展的动力机制等角度进行分析，揭示了不同纬度的气候变异以及天气扰动共同导致此次沙尘暴发生的物理机制。
北极冰-气系统的快速变化能够驱动大气环流异常来影响欧亚的冬春季气候。对观测资料和CMIP6数据进行SVD分析，发现11-12月偏少的巴伦支海和喀拉海海冰（BKSI）能够引起局地位势高度增加和乌拉尔阻高及东亚大槽的增强，伴随的异常北风将极地的冷空气向南输送从而导致蒙古国（沙源地）前冬温度降低；而1-2月的正海冰异常引起大尺度环流的纬向分布，冷空气被限制在西西伯利亚及东欧平原无法移动，蒙古国处于异常高压控制下，后冬温度升高。9-11月的La Niña和11-1月的西北大西洋正海温异常也是相关的前期强迫因子。La Niña事件发生后，东亚冬季风显著增强，蒙古国周围水汽通量易辐散，会造成降水的减少。而西北大西洋海温升高，会通过激发罗斯贝波列来引起极涡减弱和乌拉尔阻高的增强，从而加强东亚冬季风导致蒙古国冬季降水的减少。
在前冬期间，沙源地的大气温度（SAT）和土壤温度持续偏低（1979年以来最低）。与此相反，在后冬期间，SAT和土壤温度都持续偏高（1979年以来最高）。在前、后冬，沙源地的SAT异常值（相对于近10年平均）分别为-3.9℃和4.1℃。前期低温会导致更深的冻土层，后期温度升高，土壤解冻后失墒较快，土质变得更加疏松。同时，整个冬季沙源地降水偏少，为10年内第二少。后冬融雪偏强，这不仅不能抵消降水不足和强烈地面蒸发导致的土壤干化，又使地表变得更为裸露。同时，地面植被覆盖情况也达到1979年来最差。
3月14日，近10年来最强的蒙古气旋生成，并在随后几天继续发展加强。西风动量下传使地面风速急剧增大，沙源地风速达到25m/s，从而扰动了干燥松散的地表沙尘颗粒。随后，气旋前的上升气流将沙尘颗粒抬升至对流层。随着蒙古气旋的移动加强，冷平流携带了大量的沙土颗粒向华北地区移动。到了3月15日09时，对流层西风动量向下输送到地面，造成地面的强阵风，北京地区风速达到15m/s，在华北区发生超级沙尘暴天气。
图1 前期气候强迫因子影响2020/21年沙源地气候异常的示意图：北极海冰异常逆转导致沙源地前冷后暖，东太平洋冷海温和西北大西洋暖海温导致沙源地降水偏少
图2 1979/80-2020/21年影响华北沙尘天气的气候和天气因子（标准化后）。黑点表示2011/12-2019/20年数值，红色三角形表示2020/2021年数值。H和L代表因子在2011/12-2020/21年的排序。
相关论文发表情况
Yin Z., Y. Wan, Y. Zhang, et al., 2022. Why super sandstorm 2021 in North China? National Science Review, 9, nwab165. (ESI高被引论文, 第一资助)