內蒙古科爾沁沙地不同天氣條件下粉塵濃度隨摩擦速度變化規律

1臨界起沙速度的研究土壤物理侵蝕是一個全球環境問題。這是通過地球上的沙漠形成和發展，以及通過陸地和海洋之間的距離傳輸的主要機制。全球風蝕過程產生的沙塵氣溶膠是對流層氣溶膠的主要來源,其通過直接和間接輻射作用影響云和降水的形成,甚至氣候變化。土壤風蝕是干旱和半干旱地區風沙過程、沙漠化與沙塵暴災害的首要環節。嚴重的土壤風蝕,如沙塵暴天氣,對沙塵源區和下游地區造成巨大的環境污染,影響人類健康,并對交通、通訊和水利等設施構成危害。臨界起沙摩擦速度u*t是土壤可蝕性的度量指標之一,是表征沙塵顆粒進入大氣的重要因子,也是沙塵暴預報模塊中最重要的參數之一。u*t主要受地表特征的影響,包括土壤質地、土壤濕度、土壤顆粒粒徑、植被覆蓋和土壤硬度等。當摩擦速度u*超過臨界摩擦速度u*t時,沙塵粒子在空氣拖曳力的作用下克服重力和粒子間粘性力的阻礙,脫離地表,并通過湍流作用進入大氣邊界層。目前,獲取臨界起沙摩擦速度的方法主要包括風洞試驗、野外觀測試驗、模式參數化和統計分析。風洞是研究不同土壤狀況和大氣條件下臨界起沙閾值的有效途徑之一。劉小平等通過風洞模擬試驗給出了不同粒徑的沙粒在濕潤狀態下的啟動風速。Xuan的風洞試驗結果表明,湍流作用使臨界摩擦速度或者臨界風速減小,沙塵的水平通量和垂直通量(起沙率)增大。Ravietal的風洞試驗結果表明,對沙土、礦質壤土和礦質黏土3種完全風干的土壤而言,當空氣的相對濕度達到40%～60%,u*t隨相對濕度的增加而減小;相對濕度在此范圍外時,u*t隨相對濕度的增加而增加。但是,風洞試驗不能完全、準確地反映真實條件,無法模擬湍流作用、風蝕過程間歇性等對臨界起沙摩擦速度的影響。野外觀測試驗可以避免風洞試驗的不足,有助于對風蝕起沙過程的深入理解。Gilletteetal基于前人的研究,總結了不同土壤地表的臨界起沙摩擦速度。申彥波等利用沙塵濃度指數與摩擦速度和風速的關系,估算敦煌沙漠地區沙地和農田的臨界起沙摩擦速度分別為0.5m·s-1和0.3m·s-1。張宏升等利用塔層風溫廓線資料計算得到渾善達克沙地臨界起沙摩擦風速為0.4m·s-1。朱好等利用沙塵濃度探測和塔層風溫廓線、湍流脈動資料得到渾善達克沙地、黃土高原和戈壁不同沙源地區的臨界起沙摩擦速度分別為0.6,0.35和0.45m·s-1。李曉嵐等認為,不同學者的野外觀測估算得到不同土壤類型的臨界起沙摩擦速度,其結果存在差異,一方面反映了不同下墊面對臨界起沙摩擦速度的影響;另一方面說明了不同學者對起沙概念的理解和判斷方法不同。此外,大多數野外試驗對局地起沙過程的甄別存在難度,無法有效排除遠距離輸送沙塵的影響,可能會造成起沙閾值的低估。臨界起沙摩擦速度u*t是眾多沙塵模式涉及的最重要的參數之一,用于計算沙塵水平通量和垂直通量。早期的沙塵模式中u*t確定較為粗略,認為結皮土壤表面的臨界摩擦速度是結皮厚度的線性函數,或者將大范圍地區的臨界摩擦速度粗略地作為一個常數處理。目前,多數沙塵模式綜合考慮土壤質地、土壤濕度、土壤顆粒粒徑、植被覆蓋等因素,計算臨界摩擦速度[9,18,29,30,31,32]。然而,由于準確和合理地確定影響u*t的各個因子非常困難,導致在實際應用中沙塵釋放速率的計算也存在較大的不確定性。采用統計方法可估算u*t,雖然可回避種種不確定因素,但主觀因素較大。結合野外觀測和衛星遙感獲得的歸一化植被指數(NDVI),可獲得較大區域的臨界起沙風速的分布。本文利用內蒙古科爾沁沙地沙塵暴探測與監測試驗站2008年和2009年春季不同高度沙塵濃度觀測資料,結合近地面層微氣象學精細觀測,初步判斷局地起沙過程,對比分析不同沙塵天氣條件下摩擦速度和沙塵濃度的演變規律,獲取科爾沁沙地地區的起沙閾值。2選擇和處理數據的方法2.1流動沙丘觀測系統沙塵暴探測與監測試驗站位于內蒙古科爾沁沙地南部,地理位置為42°58′N,120°43′E,平均海拔363m,全年降水量為200～300mm左右,屬于典型的半干旱地區。試驗站周圍全年植被覆蓋度不到10%,零星生長著沙蓬,地面基本裸露。流動沙丘以沙丘鏈為主,呈帶狀分布。試驗站周邊的風成沙主要以中、細沙為主,沙粒半徑主要集中于1.0～0.25mm和0.25～0.55mm,約占90%以上。表1為試驗站周圍土壤顆粒組成。觀測平臺為20m高度氣象觀測塔,主要觀測項目有:4層風速、溫度和濕度廓線;風向;3層土壤溫度和濕度;太陽輻射、地面反射輻射和凈輻射;兩層沙塵濃度,以及風速和溫度的湍流觀測。表2為主要觀測項目、觀測儀器及其技術指標。本文選取2008年和2009年春季沙塵濃度資料進行分析。觀測期間2008年3月23～24日、4月2,5日和2009年4月14日有沙塵天氣發生。按照韓國黃沙強度分級標準,可以分為揚沙、沙塵暴和強沙塵暴天氣。所有觀測均為連續自動觀測。觀測的采樣間隔為10min,對觀測數據進行了30min的滑動平均。2.2obu3—處理方法科爾沁沙地下墊面均一平坦,根據Monin-Obukhov相似性理論計算摩擦速度u*,得:u*=κˉu2[ln(z2z0)-ΨΜ(z2L)]-1,(1)u?=κuˉ2[ln(z2z0)?ΨM(z2L)]?1,(1)其中:κ是馮-卡曼常數,取0.4;L=-ˉθ1u3*κg(ˉw′θ′)s=ˉθ1u2*κgθ*(2)是Obukhov長度;ˉu2是z2高度的風速;z2=4m;z0是空氣動力學地表粗糙度,利用4層風速測量,采用近中性廓線擬合法得到2008年3、4月和2009年4月科爾沁沙地的地表粗糙度分別為0.0075m和0.0070m;ΨM為速度穩定度修正函數,根據Dyer-Businger公式:ΨΜ={2ln(1+x2)+ln(1+x22)-2arctanx+π2-5zLzL<0zL≥0,(3)其中:x=1-16zL1/4;θ*=κ(ˉθ2-ˉθ1)[ln(z2z1)-ΨΗ(z2L)+ΨΗ(z1L)]-1為溫度特征尺度;z1=2m;ˉθ為位溫;ΨH為位溫穩定度修正函數,即:ΨΗ={2ln[(1+x2)2]-5zLzL<0zL≥0.(4)結合公式(1)～(4),采用迭代法可以得到4m高度的摩擦速度。3結果分析3.1月2324日合理起沙階段圖1給出了2008年3月23～24日揚沙天氣過程前后近地層沙塵濃度、摩擦速度、兩層高度沙塵濃度差和風速,以及到達地面的短波輻射和凈輻射隨時間變化。從圖1中可看到,3月23日沙塵濃度呈雙峰結構,沙塵濃度極值分別出現在15:50(北京時,下同)和19:10,數值分別為265μg·m-3和328μg·m-3。23日06:00以前,風速較小,約為2m·s-1;06:00以后,風速逐漸增大,14:00達到7m·s-1左右。起沙前,沙塵濃度數值約為50μg·m-3;15:00～15:50為第一次起沙階段,摩擦速度明顯增加,約為0.6m·s-1,沙塵濃度也明顯增大。隨后,風速減小,沙塵濃度迅速回落。16:50～19:10為第二次起沙階段,沙塵濃度再次隨摩擦速度的增加而增大。臨近傍晚,由于風速的減小和熱力作用的減弱,沙塵濃度有所降低。24日02:30開始,風速>10m·s-1,03:00～07:00再次出現揚沙天氣。此次沙塵天氣持續時間較短,沙塵濃度最大值為282μg·m-3。23日揚沙天氣過程,由于大氣中沙塵粒子群散射和反射太陽輻射,導致到達地面的短波輻射和凈輻射均減少,尤其是揚沙天氣爆發時,12:30～14:50到達地面的短波輻射從810W·m-2迅速減小到106W·m-2。3月24日,入射短波輻射和凈輻射均較低,應與云有關。由兩層高度的沙塵濃度差ΔDC,可初步判斷局地起沙和遠距離輸送沙塵的貢獻程度。起沙過程中,當ΔDC=DC18-DC3>0時,表明沙塵從高層向低層輸送,沙塵的遠距離輸送占主導地位;反之,表明沙塵從低層向高層輸送,局地起沙對沙塵濃度的貢獻較大。從圖1b中可看出,3月23～24日揚沙天氣起沙階段,ΔDC均為負值,應屬于局地起沙。臨界起沙摩擦速度u*t是指風蝕發生所需的最小摩擦速度。根據已有的研究,當沙塵濃度>200μg·m-3時,定義為一次起沙過程。圖2給出了2008年3月23～24日科爾沁沙地揚沙天氣4次起沙階段沙塵濃度隨摩擦速度的變化。除24日04:40～06:00起沙階段摩擦速度始終保持較高的數值外,其余起沙階段均存在沙塵濃度隨摩擦速度的增加而增加的特點。隨摩擦速度的增加,當空氣動力學力矩超過沙粒的摩擦力矩時,沙粒開始滾動,遇到障礙物發生彈跳,脫離地面;粗沙粒由于重力作用落回并撞擊地面時,將地面的細沙粒釋放到空中,湍流將這些細沙粒垂直向上輸送,使沙塵濃度增加。沙塵天氣減弱階段,摩擦速度先保持不變,沙塵濃度急劇減少。由于揚沙天氣,沙塵濃度相對降低,將起沙階段沙塵濃度超過200μg·m-3一定范圍內(+10μg·m-3)最小的摩擦速度作為揚沙天氣的臨界摩擦速度,由此可得,2008年3月23～24日科爾沁沙地揚沙天氣4個起沙階段的臨界起沙摩擦速度閾值分別為0.59,0.55,0.59和0.66m·s-1。3.2不同階段動態氣象要素變化圖3給出了2008年4月2～3日科爾沁沙地沙塵暴過程沙塵濃度和氣象要素的演變規律。從圖3中可看到,4月2日沙塵暴爆發前,風速和沙塵濃度的數值都較低。04:00,風速開始迅速增大,臨近中午,風速達到12m·s-1,沙塵濃度也明顯增加,最大值為342μg·m-3。起沙階段,ΔDC出現明顯的負值,表明沙塵由低層向高空輸送,局地起沙占主導地位。此次沙塵暴持續到19:00左右,沙塵濃度隨風速的減小逐漸恢復到起沙前的背景濃度。與3日晴天天氣相比,2日沙塵暴過程到達地面短波輻射和凈輻射明顯降低,日變化規律不明顯。圖4給出了2008年4月2～3日科爾沁沙地沙塵暴過程不同階段沙塵濃度隨摩擦速度的變化。從圖4中可看到,起沙前,摩擦速度和沙塵濃度數值較小。臨近起沙階段,摩擦速度不斷增大,沙塵濃度仍較低,<50μg·m-3,表明摩擦速度尚未達到可以克服沙塵粒子所受的各種阻力,使沙塵粒子脫離地面進入大氣的強度。起沙階段,摩擦速度繼續增加,數值保持在0.7m·s-1附近,大量沙塵粒子在強而持續的空氣動力作用下被抬升到空中,沙塵濃度迅速增大。沙塵天氣減弱階段,沙塵濃度隨摩擦速度近似呈線性減小。可以認為,2008年4月2日科爾沁沙地沙塵暴天氣臨界起沙的摩擦速度為0.65m·s-1。圖5給出了2008年4月4～5日科爾沁沙地沙塵濃度和氣象要素的時間變化曲線。從圖5中可看到,4月5日,沙塵濃度存在3次明顯的漲落,最大值為378μg·m-3。結合圖1b,13:00和20:00左右,沙塵濃度增大階段對應的ΔDC出現明顯的正值,表明遠距離輸送的沙塵對局地沙塵濃度的影響較大。18:00左右,沙塵濃度隨風速的增加迅速增大,對應的ΔDC為負值,應屬于局地起沙。與4日晴天天氣相比,5日沙塵氣溶膠增加,其散射作用使得到達地面的短波輻射和凈輻射數值有所降低。圖6給出了2008年4月5日科爾沁沙地局地和非局地起沙階段沙塵濃度和摩擦速度的變化。從圖6中可看到,局地起沙階段,沙塵濃度隨摩擦速度的增加而增大,沙塵濃度首次達到200μg·m-3,對應的摩擦速度為4月5日的臨界摩擦速度0.62m·s-1。非局地起沙階段,沙塵濃度明顯增大,而摩擦速度數值變化不大,當沙塵濃度達到200μg·m-3時,對應的摩擦速度分別為0.22m·s-1和0.46m·s-1,小于局地起沙過程時的結果。這表明,利用兩層沙塵濃度觀測甄別局地起沙和非局地起沙,可以有效地排除遠距離輸送沙塵的影響,從而獲取更加準確和合理的起沙閾值。3.3強沙天氣天氣的臨界起沙特性2009年4月14日受冷鋒系統影響,科爾沁沙地出現了一次強沙塵暴天氣。圖7給出了2009年4月14～15日科爾沁沙地近地層沙塵濃度、沙塵濃度差和摩擦速度等微氣象要素隨時間的變化。從圖7中可看到,強沙塵暴來臨前,風速逐漸增加,沙塵濃度數值一直較低。強沙塵暴爆發階段,隨著風速的增加,沙塵濃度迅速增大,最大值可達1730μg·m-3;對應的沙塵濃度差ΔDC出現較大負值,表明此次強沙塵暴過程以局地起沙為主。強沙塵暴過程持續約4h,至20:00沙塵暴過程結束。考慮此次強沙塵暴過程伴隨著大尺度的鋒面系統過境,較強的風力有利于沙粒的跳躍轟擊和土壤聚合體的分裂。另外,沙塵暴發生在熱力對流較強的午后,沙塵粒子在強熱力對流和鋒面附近的上升氣流的混合作用下更容易進入大氣,并向遠處輸送。張強等也曾指出,強沙塵暴的動力效應表現為水平風速劇增,水平和垂直方向風速切變加劇,出現強對流過程。而一般沙塵暴或揚沙天氣,由于缺少強對流過程,沒有足夠的動力將強風卷起的大量沙塵輸送到較高層的大氣。2009年4月14日科爾沁沙地強沙塵暴過程爆發在下午地表加熱最強的時刻,局地近地層大氣不穩定,強邊界層自由對流運動對天氣尺度的冷鋒能夠產生較顯著的強迫作用,應有助于激發起對流運動。同揚沙天氣和沙塵暴天氣相比,強沙塵暴過程沙塵濃度較高,沙塵粒子對到達地面的短波輻射和凈輻射的削弱程度更加明顯。圖8給出了2009年4月14日強沙塵暴天氣過程摩擦速度和沙塵濃度的變化。起沙前(00:00～14:40),摩擦速度數值逐漸增至0.5m·s-1,沙塵濃度數值變化較小。起沙階段(14:40～16:30),摩擦速度迅速增加至0.7m·s-1以上,90min內沙塵濃度增加1400μg·m-3,達到1730μg·m-3。隨后,沙塵濃度隨摩擦速度的減小而減小。臨界起沙摩擦速度u*t可以認為是0.7m·s-1。表3給出了科爾沁沙地晴天天氣、揚沙、沙塵暴和強沙塵暴天氣過程起沙閾值和日平均輻射量的對比。強沙塵暴天氣的臨界起沙摩擦速度u*t和臨界起沙風速ut大于揚沙和沙塵暴天氣。分別取u*t和ut的平均值,得到科爾沁沙地春季的臨界起沙摩擦速度和臨界風速分別為0.62m·s-1和9.5m·s-1。同晴天天氣相比,沙塵天氣過程的日平均入射短波輻射和日平均凈輻射數值明顯減小。4沙粒的全干重及陣風鋒利用內蒙古科爾沁沙地沙塵暴探測與監測試驗站2008年和2009年春季沙塵和微氣象學觀測資料,分析了揚沙、沙塵暴、強沙塵暴天氣沙塵濃度和摩擦速度的變化特征,對比了不同天氣入射短波輻射和凈輻射的變化規律,估算了科爾沁沙地春季的起沙閾值,得到以下主要結論:(1)沙塵天氣過程中,起沙前,摩擦速度和沙塵濃度數值都較低;臨近起沙前,摩擦速度迅速增大而沙塵濃度基本保持不變;起沙時