不同強度的風沙天氣下起沙通量和摩擦速度的研究

沙子氣溶膠屬于氣候氣溶膠中。它具有很強的創造性和廣泛的危害。它不僅嚴重惡化了水質，而且給人類的健康帶來了損害，而且具有重大和深遠的氣候、環境、社會和經濟影響。沙塵暴產生的大氣沙塵,可以產生重要的直接氣候效應和間接氣候效應,從而影響區域乃至全球的氣候。地表土壤的風蝕起沙過程是運動的空氣流與地面粒子在界面上相互作用的一種動力過程。這是一個由許多因素控制影響的復雜的物理過程。靜止的沙粒如何成為運動的沙粒就是沙塵暴的起動機理問題,對這一問題許多學者做了研究,概括起來可以歸納為三種學說:第一種是湍流的擴散與振動學說;第二種是壓差升力學說;第三種是沖擊碰撞學說。其中,英國的物理學家拜格諾的《風沙和荒漠沙丘物理學》一書,為風沙運動的物理學研究奠定了基礎。國外很早就開始研究起沙過程,建立了很多模型。Gillette等根據地表土壤風蝕起沙的物理機制,認為沙塵排放量是風速(或摩擦速度)和地表狀況(包括土壤水分和地表植被等)的函數。Tegen等在Gillette的工作基礎上對全球起沙進行了詳細的討論,認為起沙量由地表植被、土壤類型以及土壤含水量共同決定。Marticorena等建立了一個基于地表源的沙塵起沙、輸送模式。Shao等認為,按照經驗方法分配不同粒徑沙塵的起沙量難以反映起沙的實際情況。因此,需要運用微觀物理運動規律來處理侵蝕環境的起沙過程,通過考慮沙粒躍動、撞擊、聚合、破碎等過程,建立基于微物理過程的起沙機制。Lu等在考慮土壤的可侵蝕性和塑性壓力的基礎上,從理論上計算了沙粒碰撞土壤表面時所產生的凹坑的體積,并建立了一個沙塵排放模式。Shao等通過風洞試驗研究,證實了地表沙塵排放的主要因素是沙粒的跳躍碰撞,然后又在充分考慮風蝕起沙的物理機制和風蝕起沙過程中地表土壤粒子尺度分布的基礎上,進一步完善了已有的沙塵排放模式。另外,對于諸多的風蝕起沙的影響因子,很多學者也專門進行了討論,為以上模式的建立提供了參考。國內研究在理論上相對國外來說略顯薄弱,申彥波、沈志寶等在觀測研究方面做了大量的工作。申彥波等利用三種不同的模式計算方案,根據敦煌地區的觀測資料,計算了沙塵天氣過程中戈壁地表的風蝕起沙量。又以敦煌地區的戈壁和綠洲為例,對地表土壤風蝕起沙的臨界摩擦速度及其變化特征,和風蝕起沙過程中地表土壤的粒子尺度分布及其對垂直塵粒通量的影響進行了分析研究。沈志寶等利用便攜式粒子計數器獲得的沙塵粒子數濃度觀測資料,估算了沙塵天氣過程中戈壁沙地的起沙率和起沙量。成天濤等利用法國起沙通量模式和外場觀測資料,地面起塵半經驗方案,初步估算了2001年春季渾善達克沙地沙塵天氣期間地表的臨界起沙風速及起沙通量。利用寬范圍顆粒譜儀WPS測量得到的沙塵天氣下的粒子數濃度資料,嘗試計算朱日和地區沙塵天氣下的起沙通量、摩擦速度以及臨界摩擦速度,為下一步建立干旱草原地區沙塵氣溶膠起沙模型提供依據。1觀測儀器和材料觀測地點為內蒙古自治區朱日和國家基準氣候站(42°24′N,112°54′E),地處內蒙古中部南緣,南接陰山山脈,地形南高北低,距離旗政府所在地45km,是干旱草原地區,春季沙塵天氣頻發。計算所用到的溫度、風速資料來自朱日和20m鐵塔的觀測資料。風速、風向、溫度和相對濕度等氣象要素觀測高度依次為1m、2m、4m、10m和20m。2結果分析2.1砂的總體積2.1.1揚沙和常用植物沙門氏菌群的觀測量粒子譜儀測量到的是某一高度上的粒子譜,而不是地面起沙粒子的粒子譜。為了估算地面起沙率,參考沈志寶的方法,假定在采樣高度上水平方向的粒子數濃度基本相同。在此假設下,沙塵的水平輸送不會改變水平方向上單位體積元中粒子的數濃度,由地面向上的沙塵粒子數垂直通量的變化,是造成單位體積元中N(d)變化的惟一原因。根據地面常規氣象資料的記錄,2006年3月至4月期間朱日和地區出現的沙塵天氣均為揚沙和沙塵暴天氣,沒有浮塵天氣的發生,故在此只討論揚沙和沙塵暴天氣下的地面起沙情況。在揚沙、沙塵暴天氣下,采樣時間內地面的起沙量分別可以表示為:Nyg(d)=Ny(d)?Nb(d)(1)Nsg(d)=Ns(d)?Nb(d)(2)Νyg(d)=Νy(d)-Νb(d)(1)Νsg(d)=Νs(d)-Νb(d)(2)式中:Ny(d)\,Ns(d)分別為揚沙和沙塵暴天氣下的WPS的觀測值;Nyg(d)、Nsg(d)分別為揚沙和沙塵暴天氣下的地面起沙數濃度;Nb(d)為背景值,取降水過程發生后無明顯其他天氣現象下的大氣各粒子段數濃度的平均值。由此,可以根據下面的公式將粒子數濃度垂直通量換算為質量垂直通量:Fg(d)=1/6Ng(d)πd3ρP(3)Fg=∑Fg(d)(4)Fg(d)=1/6Νg(d)πd3ρΡ(3)Fg=∑Fg(d)(4)將WPS獲得的粒子數濃度代入以上的公式即可得到沙塵天氣下的地面起沙率。2.1.2月26日至4月6日動態圖1是2006年朱日和地區發生的兩次典型的強沙塵天氣下的地面起沙通量,根據地面氣象觀測資料的記錄,在3月26日和4月6日均發生了兩次沙塵暴,3次揚沙天氣,且持續的時間較長,沙塵天氣持續時間分別為8h和12h左右。2.2粒子段的變化根據以上分析,沙塵天氣發生時,起沙通量明顯增大。各粒級的粒子對起沙通量的貢獻不同。圖2是背景天氣和沙塵暴天氣下的粒子數濃度分布情況。由圖2可以看出,沙塵暴天氣下粒子數濃度基本都是增大的,其中d>160nm的粒子段增幅明顯,這是由于摩擦速度的增大致使地表更多較大的顆粒被吹入空氣中。由于顆粒相對較大,它們對質量濃度的貢獻也大,因此,有沙塵天氣的情況下質量濃度明顯增大。在小粒子段,粒子濃度也有不同程度增加,主要由于粒子跳躍碰撞產生。但這一部分的粒子由于粒徑很小,對質量濃度的貢獻相對較小。在78~160nm的粒徑段,粒子濃度值略有下降。2.3大氣穩定度參數在風沙物理學中,摩擦速度表征的是風對地表土壤微粒抬升的能力。U*的計算可根據Monin-Obukhov相似理論,利用兩層的風速和溫度資料通過空氣動力學方法確定。具體計算如下:KZU??U?Z=Φm(5)ΚΖU*?U?Ζ=Φm(5)Φm(ζ)={(1?16ζ)?14ζ≤0(1+5ζ)ζ>0(6)Φm(ζ)={(1-16ζ)-14ζ≤0(1+5ζ)ζ>0(6)式中:ζ為Monin-Obukhov大氣穩定度參數,用Businger-Dyer關系近似確定:ζ={1.0RiRi<0Ri/(1?5Ri)Ri≥0(7)ζ={1.0RiRi<0Ri/(1-5Ri)Ri≥0(7)式中:Ri為梯度Richardson數,可以用下面的公式計算:Ri=gT?θ?z/(?u?z)2(8)Ri=gΤ?θ?z/(?u?z)2(8)在近地層氣溫可以代替位溫,因此Ri=gT(z2?z1)(T2?T1)(u2?u1)(9)Ri=gΤ(z2-z1)(Τ2-Τ1)(u2-u1)(9)下標1和2表示兩個不同的觀測層。本文用的是朱日和觀象站1m和2m高度的溫度和風速資料。理論研究和觀測結果顯示,起沙率與Un*成正比,對于n的取值,一般認為在2~5之間。對計算得到的3月26日和4月6日的起沙通量與摩擦速度進行相關性分析,結果表明,3月26日的沙塵天氣,n取1的時候線性相關最好,隨著n值的增大,相關系數逐漸減小(表1);對于4月6日,起沙通量與U2*的相關性最好,相關系數R=0.61(圖3)。隨著n的增大,R逐漸減小。可見對于朱日和地區,n取1或2時,起沙率與Un*線性相關最好。2.4地表土壤水分和植被覆蓋度對風蝕起沙的阻力作用臨界摩擦速度U*t表征的是地表對風蝕起沙的阻礙能力。臨界摩擦速度越大,說明地表微粒所受阻力越大,越不易脫離地表。當U*>U*t時,空氣動力大于沙粒的重力和內部粘性力的合力,跳躍運動發生,地面會因此而起塵;當U*<U*t時,空氣動力小于或等于微粒的重力和內部粘性力的合力,跳躍運動不能發生,地面也不會因此而起塵。U*t大小隨顆粒粒徑的變化而變化,對于一定粒徑的微粒,其脫離地表的臨界摩擦速度還取決于地表土壤水分含量W、植被覆蓋度λ以及人為因素等。由于人為因素的影響具有很大的隨機性,很難用特定的表達式確定。在不考慮人為因素的情況下,對自然狀態的下墊面U*t的計算方法為:U*t=H(w)R(λ)AN(σρgd+