沙尘暴多发区的基本气候特征——干旱、少雨
沙尘暴多发区的基本气候特征是干旱、少雨。将沙尘暴天气分布图和北方地区年降水量图、湿度分布图相比较，不难发现，年平均降水量100～250毫米分布区恰好是沙尘暴天气易发区；而100毫米以下降水量分布区正是沙尘暴天气多发区，同时年平均相对湿度≤50%的区域与沙尘暴天气易发区分布趋势基本是一致的。可见沙尘暴发生区域多分布在降水量少的区域。我国西北地区深处欧亚大陆腹地，远离海洋，周围又有高山、高原阻挡，特别是青藏高原的隆起，成为夏季风难以逾越的屏障，海洋上的暖湿水汽也难以到达。致使该地区夏季水汽十分贫乏，降水稀少。在冬季，北方地形较开阔，来自蒙古——西伯利亚高压区的强大干冷气流长驱直入，造成异常干燥寒冷的气候。因此，西北地区是我国也是世界上最严重的干旱区之一。
沙粒（尘），显然是沙尘暴中的主要物质。一场沙尘暴袭来，沙粒（尘）可以说是无孔不入。那么，沙尘暴的沙粒来自何处？它们又是如何动起来的呢？
沙粒如何动起来的
科学家们通过分析最近40年～50年的气象观测资料，以及卫星图片上的沙尘区移动轨迹，采用地面采样、沙尘的化学成分分析和数值模拟等方法，来探究沙尘的源地和多发区。他们得到的结论是：就我国而言，沙尘暴源地根据起始的地理位置可以分为境内和境外源地。境外初始源地位于哈萨克斯坦和俄罗斯以及蒙古国境内，主要为蒙古国中南部和东南部荒漠化比较严重的地区。而境内沙尘源地主要是我国西北沙漠及其边缘退化的草原沙尘暴天气频发的地区，有四个策源地，分别是：（1）南疆塔克拉玛干沙漠周边地区；（2）甘肃河西走廊及内蒙古阿拉善盟；（3）内蒙古阴山北坡及浑善达克沙地毗邻地区；（4）蒙、陕、宁长城沿线。这些地区的共同特点是：干旱、少雨，植被稀少，地表拥有丰富的松散沙尘。除了自然因素外，人为活动，如过量放牧和旱作农耕等，又在不断加剧地表荒漠化程度，使沙尘源地面积进一步扩展。在这些沙尘暴的源地，真可谓是沙粒的“海洋”呀！
让我们粗略估计一下：如果不考虑沙粒（尘）间可能存在的空隙，1立方米内大约就有4.6×108个直径0.25毫米的沙粒，那么对于方圆数百里的沙尘暴源地，沙粒岂不数不胜数吗？这些天然沙粒主要由矿物和微小的岩石碎片组成，具体成分会因当地的岩石来源和条件而有所不同。在内陆沙漠和非热带海岸沙滩中，沙粒（尘）最常见的成分是二氧化硅（SiO2）。除物质组成的不同外，天然沙粒的形状也千姿百态，正所谓“一沙一世界，一树一菩提”。显微镜下可以看到，沙漠中的沙大多为盘状、椭球状、柱状等不规则形状。由于风的作用及碰撞磨蚀，大沙粒表面通常比较光滑，而小沙粒（尘）则比较尖锐。在风沙运动的研究中，为方便起见，通常将不规则的沙粒（尘）简化成具有相同重量的球。球的直径称为沙粒（尘）的等效直径，简称沙粒（尘）的粒径。天然沙的粒径范围很广，一般从单峰对数正态分布的粒径大多偏离对数正态分布，主要因为土壤中的黏土含量较多，沙粒较细。沙粒（尘）虽小，可处于风场中的沙粒所受到的力却一点也不少，有重力、升力、马格努斯力、拖曳力、静电力、沙夫曼力和巴塞特力等等，并且在与其他沙粒的碰撞和接触中还会受到冲击力和黏性力等。
不同大小的沙粒（尘）在风力作用下的运动形式通常也是不一样的，最常见的有蠕移、跃移和悬移。沙粒（尘）的具体运动形式与它所受到力的相对大小有关。例如：小沙粒（尘）所受到的拖曳力往往会大于或等于其重力，因此小沙粒（尘）就很容易做悬移运动，被风携带，长距离传输而不降落。您可能认为不就是风把它们吹起来的吗？其实答案并不是那么简单。这个问题涉及沙粒的起动机制，这是风沙运动研究中的一个关键问题，至今，对此依然众说纷纭，至少形成了十种假说：（1）冲击起动说；（2）振动起动说；（3）斜面飞升说；（4）风压起动说；（5）升力起动说；（6）压差起动说；（7）湍流起动说；（8）负压起动说；（9）涡旋起动说；（10）猝发起动说。这些假说大致可以归纳为两大类，前三种的共同点是都涉及沙粒间的接触或碰撞，而后七种则侧重气流作用。
在考虑沙粒间接触的起动假说中，冲击起动说是最重要的一种。冲击起动说认为：地表沙粒的起动是由于受到运动沙粒的冲击，即碰撞引发的。这是因为当地表沙粒受到运动沙粒的冲击，或者一部分滚动沙粒碰到地面凸起的沙粒时，会获得较大的冲量使得沙粒在碰撞的瞬间，由水平运动急剧转变为垂直运动，骤然向上起跳进入气流。理论推导和实验拍摄也证实：冲击力是重力的几百倍到几千倍，足以使沙粒起动。冲击起动说也是沙粒起动中占主导地位的学说，被很多人所接受，而且风沙研究中的很多理论模型及数值模拟研究都是建立在冲击起动基础上的。
振动起动说认为：当风力不大时，沙粒就开始振动，且振动幅度和频率随风速增强。当风速达到一定值后，沙粒会出现3～5次急剧振动，随后突然停止，最后像炮弹一样射入空中，这与发生共振类似，故称为振动起动。而斜面飞升说则认为：在风场作用下的沙粒脱离地表是由于沙面不平导致的。当沙粒在凹凸不平的沙面上滚动时，沙粒时常会发生小的跳跃，而一旦沙粒短暂地脱离地面，就容易从风场中获得能量而加速。跳跃越频繁，跳得也就越高，形成一个正反馈，最终进入气流中。侧重气流作用的起动学说基本观点认为风是沙粒起动的关键。例如，风压起动和升力起动以及压差起动，其基本思想都是由于风速差导致的压力差使得沙粒起动，只不过风压起动认为压力差来自沙粒的迎风面和背风面，升力起动认为压力差来自高速旋转沙粒的顶部和底部，压差起动认为压力差来自沙粒顶部和底部之间的风速差。这三种起动在一定程度上又分别与前面提到的拖曳力、马格努斯力和沙夫曼力有关（负压起动与压差起动类似，但只有在风速比较大的时候（>；16米/秒）才起作用，因此这里不作为主要原因分析），而且主要考虑的是平稳风场的作用。事实上，沙床表面也很不均匀，近地表的空气湍流度较高，因而会出现瞬时垂直气流，直接带动沙粒脱离地表进入气流中—湍流起动说：涡旋会在局部突起的地方发生分离，所产生的负压和离心力能够使沙粒起动——涡旋起动说；会出现近壁层低速带的扰动、举升、崩解能够使沙粒起动——湍流猝发起动说。
总的来说，以上各种假说都有局限性，似乎无法用其中的一种来解释沙粒起动的原理。例如：根据高速摄影研究沙粒起动发现，马格努斯力和沙夫曼力的垂直分量总和小于重力，据估算，当风速为1.5米/秒时，粒径0.2毫米并以1000周/秒高速滚动的沙粒所产生的马格努斯力约为沙粒重力的18%。实际上，沙粒起动前，贴地风速远比1.5米/秒小，旋转速度也远比1000米/秒小；沙夫曼力不到沙粒重力的15%，而且由于沙粒的粒径很小，其顶部和底部的速度差，即压差也很小，因此马格努斯力和沙夫曼力似乎也不可能是风沙起动的主要作用力。又如；对于冲击起动说，由于贴近地表处的风速一般比较小而且沙粒密度大，沙粒在冲击地表前发生颗粒间空中碰撞的概率比较大，由此可能导致冲击沙粒的动量比较分散，不足以冲击起更多的沙粒。再者，细小的沙粒在贴近地表附近所受到气流的阻力和可能的尺度效应，对沙粒冲击速度的影响也还不清楚。另外，对于振动起动说，沙粒在气流脉动的作用周期下发生共振、发生弹性起跳是完全可能的，但是这种作用的概率究竟有多大、从气流的平均运动和湍流脉动中究竟能获得多少能量，还不是很清楚。对于湍流类起动的说法也一样，由于近地表风速的水平分量本来就小，垂直分量会更小，理论上近地表处风速的垂直分量接近于零，那么仅靠湍流作用似乎也不足以带动沙粒进入气流。由于目前观测手段的限制，沙粒起动的各种假说还有待进一步论证和完善，单一的任何一种假说都不能完全解释沙粒起动的真正机理。尽管大风是沙粒起动的根本原因，但第一颗沙究竟是怎样动起来的？到底是哪种力的作用形式导致了沙粒的起动？这些风沙运动的最基本问题目前还没有定论，由此也更迫切地需要加强对沙粒起动机理的研究。这应该是一个最典型的力学问题了。
