敦煌地區(qū)風(fēng)蝕起沙量的計(jì)算方案

敦煌地區(qū)風(fēng)蝕起沙量的計(jì)算方案

1氣調(diào)與凈化方法研究沙顆粒是表面活性劑的主要成分之一。在干旱、半干旱地區(qū),一次風(fēng)蝕起沙過(guò)程中,富含營(yíng)養(yǎng)和有機(jī)物質(zhì)的較小的土壤微粒懸浮于空中,并在大氣湍流的作用下向四周擴(kuò)散,最后輸送到幾千公里以外的地方。懸浮于大氣中塵粒的輻射強(qiáng)迫作用會(huì)影響到區(qū)域和全球氣候,因此,估算地表土壤的風(fēng)蝕起沙量以便估計(jì)出大氣中的沙塵濃度對(duì)氣候變化和預(yù)測(cè)而言就顯得極為重要。對(duì)此,國(guó)內(nèi)外已有很多理論和試驗(yàn)方面的研究。Dong等通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了風(fēng)沙流的通量廓線;沈志寶等根據(jù)大氣中粒子數(shù)濃度的觀測(cè)資料,分別估算了敦煌地區(qū)戈壁地表在沙塵暴和揚(yáng)沙階段的沙塵排放率;Gillette等根據(jù)地表土壤風(fēng)蝕起沙的物理機(jī)制,認(rèn)為沙塵排放量是風(fēng)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(shù);Lu等在考慮土壤的可侵蝕性和塑性壓力的基礎(chǔ)上,從理論上計(jì)算了沙粒碰撞土壤表面時(shí)所產(chǎn)生的凹坑的體積,并建立了一個(gè)沙塵排放模式;Shao等通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究,證實(shí)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(fēng)蝕起沙的物理機(jī)制和風(fēng)蝕起沙過(guò)程中地表土壤粒子尺度分布的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善了已有的沙塵排放模式。本文利用Gillette等、Lu等和Shao等三種不同的計(jì)算方案,根據(jù)中日合作“風(fēng)送沙塵的形成、輸送機(jī)制及其對(duì)氣候與環(huán)境影響(ADEC)的研究”敦煌站的觀測(cè)資料,分別計(jì)算了2002年4月8日戈壁地表的風(fēng)蝕起沙量(垂直塵粒通量),并與文獻(xiàn)的觀測(cè)估算結(jié)果進(jìn)行比較,最后簡(jiǎn)要討論了三種計(jì)算方案的優(yōu)缺點(diǎn)。2地面風(fēng)蝕起沙的物理機(jī)制地表土壤的風(fēng)蝕起沙過(guò)程是運(yùn)動(dòng)的空氣流與地表上的粒子在界面上相互作用的一種動(dòng)力過(guò)程。風(fēng)沙物理學(xué)中根據(jù)地表土壤微粒的尺度(直徑d)和所受的合力大小,將其運(yùn)動(dòng)劃分為三種形式:尺度較大(d>1000μm)的微粒的蠕移運(yùn)動(dòng)、沙粒(60μm<d<1000μm)的跳躍碰撞運(yùn)動(dòng)和塵粒(d<60μm)的懸浮運(yùn)動(dòng)。沙粒在一定的空氣動(dòng)力作用下,可以被抬升到離地表幾十厘米的地方,但當(dāng)空氣動(dòng)力不足以超過(guò)重力時(shí),它們又落回到地表面并與地表發(fā)生碰撞,這種碰撞很容易使塵粒克服內(nèi)部粘性力的束縛,脫離地表進(jìn)入到大氣中。塵粒一旦進(jìn)入大氣,內(nèi)部粘性力的束縛作用完全消失,由于其重力遠(yuǎn)小于空氣動(dòng)力,從而導(dǎo)致塵粒懸浮于大氣中并在湍流的作用下擴(kuò)散到很遠(yuǎn)的地方。由此,對(duì)于一定類型的地表土壤,其能否因風(fēng)蝕而引起塵粒的排放,決定于地表的沙粒能否進(jìn)行跳躍碰撞運(yùn)動(dòng),從宏觀上而言,也就是決定于實(shí)際的摩擦速度u*(即空氣動(dòng)力)和沙粒脫離地表的臨界摩擦速度u*t(即臨界空氣動(dòng)力)。當(dāng)u*>u*t時(shí),空氣動(dòng)力大于沙粒的重力和內(nèi)部粘性力的合力,跳躍運(yùn)動(dòng)發(fā)生,地面會(huì)因此而起塵;當(dāng)u*<u*t時(shí),空氣動(dòng)力小于或等于微粒的重力和內(nèi)部粘性力的合力,跳躍運(yùn)動(dòng)不能發(fā)生,地面也不會(huì)因此而起塵。通常情況下,塵粒不僅直接存在于地表土壤中,而且還覆蓋于較大粒子(沙粒等)的表面,形成一個(gè)集合體。研究表明,沙粒的跳躍運(yùn)動(dòng),一方面可以使直接存在于地表土壤中的塵粒因碰撞而懸浮于空中;另一方面,在碰撞的過(guò)程中,集合體受撞擊而破裂,覆蓋在其表面的塵粒也會(huì)被剝落而懸浮于空中。因此,沙粒的跳躍運(yùn)動(dòng)就成為地面風(fēng)蝕起沙最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)形式,塵粒的排放量取決于能夠進(jìn)行跳躍運(yùn)動(dòng)的沙粒的量。風(fēng)沙物理學(xué)中用順風(fēng)向沙粒通量Q表征進(jìn)行跳躍運(yùn)動(dòng)的沙粒的量。Q是沙粒漂移強(qiáng)度q(z)沿高度的積分,量綱為g·m-1·s-1,其物理意義是指單位時(shí)間內(nèi)單位寬度從地表到積分高度處所形成的平面(與水平風(fēng)向垂直)內(nèi)的沙粒質(zhì)量。具體計(jì)算時(shí),對(duì)于只包含單一粒子尺度的土壤,最常用的是Owen方程:Q={csρu3?g[1?(u*tu?)2]u?>u*t0u?≤u*t,(1)Q={csρu*3g[1-(u*tu*)2]u*>u*t0u*≤u*t,(1)其中cs是Owen系數(shù),在較典型的情況下(d≈150μm,u*≈0.8m·s-1),cs≈0.8,具體應(yīng)用時(shí),可通過(guò)Owen的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式確定;ρ是空氣密度;g是重力加速度,取9.81m·s-2。由于沙塵氣溶膠巨大的輻射效應(yīng),關(guān)于地表土壤塵粒排放量的計(jì)算和預(yù)報(bào)一直是風(fēng)蝕起沙研究的一個(gè)重點(diǎn),對(duì)此,風(fēng)沙物理學(xué)中用垂直塵粒通量F表征。F的量綱為g·m-2·s-1,是指單位時(shí)間內(nèi)某一高度處與地表面平行的單位面積內(nèi)的塵粒的質(zhì)量。根據(jù)上述地面風(fēng)蝕起沙的物理機(jī)制可知,F的大小決定于順風(fēng)向沙粒通量Q,即:F=f(Q).(2)F=f(Q).(2)研究表明,F主要包含三個(gè)部分:(1)在微弱的風(fēng)蝕條件下,沒(méi)有跳躍運(yùn)動(dòng),地表土壤中的塵粒直接在空氣動(dòng)力的作用下被抬升到大氣中的部分Fa;地表土壤中的塵粒由于沙粒的跳躍碰撞而懸浮于空中的部分Fb;(3)覆蓋在集合體表面的塵粒由于沙粒的跳躍碰撞而懸浮于空中的部分Fc。在較強(qiáng)的風(fēng)蝕起沙過(guò)程中,Fa相對(duì)很小,可以忽略不計(jì),Fb和Fc則量級(jí)相當(dāng),是地表塵粒排放的主要部分。Gillette等在考慮地表土壤風(fēng)蝕起沙物理機(jī)制的基礎(chǔ)上,試驗(yàn)研究了在各種條件下下墊面風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度,并按照Bagnold指出的指數(shù)關(guān)系,通過(guò)擬合試驗(yàn)資料,給出了相應(yīng)的起沙模型,即:FG={C2u4?(1?u?t/u?)u?>u?t0u?≤u?t,(3)FG={C2u*4(1-u*t/u*)u*>u*t0u*≤u*t,(3)其中C2是經(jīng)驗(yàn)常數(shù),近似取1.4×10-15g·cm-6·s3。Lu等在考慮土壤的可侵蝕性和塑性壓力的基礎(chǔ)上,從理論上計(jì)算了沙粒碰撞土壤表面時(shí)所產(chǎn)生的凹坑的體積,并建立了一個(gè)沙塵排放模式:FL=cagfρb2p(0.24+cβu?ρpp??√)Q,(4)FL=cagfρb2p(0.24+cβu*ρpp)Q,(4)其中ca和cβ是兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù),近似取5.0和1.37;f是地表土壤中塵粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù),由粒子尺度分布情況決定;ρb和ρp分別是土壤的體積密度和微粒密度,ρp=2650kg·m-3;p是土壤的塑性壓力,是表征地面阻力大小的一個(gè)物理量,由土壤的致密程度決定,松軟的土壤阻力較小,p也較小,致密的土壤阻力較大,p也較大;ρb和p對(duì)于不同的土壤類型有不同的取值。Shao在充分考慮地表土壤風(fēng)蝕起沙的物理機(jī)制和風(fēng)蝕起沙過(guò)程中地表土壤粒子尺度分布的基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)更完善的計(jì)算方案:FS(di,ds)=cY[(1?γ)+γpm(di)pf(di)]Qgu2?m(ρbηfiΩ+ηcim),(5)FS(di,ds)=cY[(1-γ)+γpm(di)pf(di)]Qgu*2m(ρbηfiΩ+ηcim),(5)其中cY=17cscY=17cs;di是第i個(gè)塵粒的直徑;pm(d)是地表土壤遭受最小程度破壞時(shí)粒子尺度分布的概率密度函數(shù),pf(d)是地表土壤遭受最大程度破壞時(shí)粒子尺度分布的概率密度函數(shù),pm(d)和pf(d)表征的是地表土壤兩種理想的粒子尺度分布狀態(tài),對(duì)不同類型的地表土壤其分布特征也不同,具體計(jì)算時(shí)可通過(guò)3到4種高斯對(duì)數(shù)分布擬合,其形式在文獻(xiàn)中有較詳細(xì)敘述;γ和(1-γ)分別是pm(d)和pf(d)在風(fēng)蝕起沙時(shí)所占的權(quán)重,γ=e-t(u*-u*t)n,t和n是兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù),近似取27.3和3;m是直徑為ds的沙粒的質(zhì)量,具體計(jì)算時(shí)將沙粒近似作為球形;ηf指地表土壤中能夠排放到大氣中的塵粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù),ηc指覆蓋于集合體表面的塵粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù),二者均決定于地表土壤的粒子尺度分布;Ω是沙粒碰撞土壤表面時(shí)所產(chǎn)生的凹坑的體積,根據(jù)Lu等的計(jì)算方法確定。上述(4)和(5)式的計(jì)算方案中均包含了順風(fēng)向沙粒通量Q,對(duì)于只包含單一粒子尺度的土壤,可用Owen方程確定。事實(shí)上,自然界幾乎所有的土壤都包含著多種尺度的粒子。試驗(yàn)研究表明,Owen方程也可用于計(jì)算多粒子尺度分布的土壤,在這種情況下,Q的計(jì)算可利用(5)式根據(jù)土壤中沙粒的尺度分布進(jìn)行積分來(lái)確定。相應(yīng)地,FL也需要根據(jù)沙粒的尺度分布進(jìn)行積分,FS則需根據(jù)沙粒和塵粒的尺度分布進(jìn)行二重積分,具體的計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)。3對(duì)氣候條件的支撐西北地區(qū)的戈壁和沙漠是我國(guó)沙塵天氣的主要源區(qū)之一。為研究戈壁地表的風(fēng)蝕起沙情況,下面利用中日合作“風(fēng)送沙塵的形成、輸送機(jī)制及其對(duì)氣候與環(huán)境影響(ADEC)的研究”項(xiàng)目的觀測(cè)資料(對(duì)該資料的詳細(xì)描述參見文獻(xiàn)),根據(jù)以上關(guān)于垂直塵粒通量F的三種計(jì)算方案,以敦煌地區(qū)2002年4月8日這一沙塵天氣為例,計(jì)算戈壁地表的風(fēng)蝕起沙量(垂直塵粒通量)。綜合以上三種計(jì)算方案可知,垂直塵粒通量的確定需要以下4個(gè)參數(shù):土壤類型、風(fēng)蝕起沙過(guò)程中地表土壤的粒子尺度分布p(d)、摩擦速度u*和臨界摩擦速度u*t。3.1地表上的土壤指土壤的機(jī)械組成分類。根據(jù)采樣分析得到的土壤的平均粒子尺度分布可知,敦煌戈壁的地表土壤中,砂粒(50μm<d≤2000μm)、粉粒(2μm<d≤50μm)和粘粒(d≤2μm)所占的質(zhì)量百分含量分別為89.8%,10.1%和0.1%。對(duì)應(yīng)于(4)和(5)式兩種方案中所采用的美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)的劃分標(biāo)準(zhǔn),這樣的地表土壤為砂土(sand)。由此,(4)式中土壤的體積密度和塑性壓力可以確定:ρb=1000kg·m-3、p=2×106N·m-2。3.2土壤粒子尺度分布隨時(shí)間的變化這是一種隨時(shí)間變化的瞬時(shí)分布,不同于上述采樣分析得到的土壤的平均粒子尺度分布,其原因在于,在風(fēng)蝕起沙過(guò)程中,地表的一部分土壤微粒被抬升脫離地表,導(dǎo)致地表土壤的粒子尺度分布隨時(shí)間發(fā)生變化。對(duì)此,Shao采用加權(quán)的方法進(jìn)行確定:p(d)=γpm(d)+(1?γ)pf(d),(6)p(d)=γpm(d)+(1-γ)pf(d),(6)其中γ隨u*和u*t也即隨時(shí)間變化。(4)式中的f,(5)式中的ηf和ηc以及最后對(duì)Q,FL和FS進(jìn)行積分計(jì)算時(shí)所需的沙粒和塵粒的尺度分布都可由此式得以確定。3.3空氣動(dòng)力學(xué)相似理論在風(fēng)蝕起沙過(guò)程中,u*表征的是風(fēng)對(duì)地表土壤微粒抬升的能力。根據(jù)敦煌站的觀測(cè)資料和Monin-Obukhov相似理論,u*可利用兩層(2m和1m)的風(fēng)速和溫度資料通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)方法確定:kzu??u?z=φm,(7)kzu*?u?z=φm,(7)其中k是Karman常數(shù),一般取為0.4。?u/?z為風(fēng)速的垂直梯度,取為差分格式Δu/Δz。φm是風(fēng)的Monin-Obukhov相似性函數(shù),其具體形式參見文獻(xiàn)。3.4土壤水分及植被覆蓋對(duì)風(fēng)蝕起沙的影響臨界摩擦速度表征的是地表對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙能力。u*t的大小隨粒子尺度的變化而變化,對(duì)于一定尺度的沙粒,其脫離地表的臨界摩擦速度還決定于土壤水分含量w以及地表植被覆蓋度λ等。對(duì)此,Shao等曾給出計(jì)算方法:u*t=H(w)R(λ)AN(σρgd+ερd)?????????????√,(8)u*t=Η(w)R(λ)AΝ(σρgd+ερd),(8)其中H(w)和R(λ)分別表征土壤水分和植被覆蓋對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙作用,其表達(dá)式根據(jù)Fecan和Raupach的研究得到,w和λ均由觀測(cè)得到;AN和ε是經(jīng)驗(yàn)常數(shù),分別近似取0.0123和3×10-4kg·s-2;σρ是土壤微粒密度(2650kg·m-3)和空氣密度(1.23kg·m-3)的比值,ρ是空氣密度。4敦煌壁下地表細(xì)度和風(fēng)蝕起沙過(guò)程中生長(zhǎng)的垂直尺度f(wàn)圖1是利用上述三種方法計(jì)算的2002年4月8日敦煌戈壁地表的順風(fēng)向沙粒通量Q、垂直塵粒通量F以及摩擦速度u*的時(shí)間變化。從圖中可以看出:Q和F的變化與u*的變化非常一致,均較好地反映了該日地表土壤風(fēng)蝕起沙強(qiáng)度的強(qiáng)弱變化,約在15:00(北京時(shí),下同)風(fēng)蝕起沙達(dá)到最強(qiáng),這與申彥波等依據(jù)其它沙塵天氣特征參量分析得到的結(jié)果一致。三種方案對(duì)垂直塵粒通量的計(jì)算結(jié)果與Q的變化基本吻合,這反映了Q對(duì)于F的決定性作用。在垂直塵粒通量的計(jì)算中,Gillette等的結(jié)果變化幅度最小,Shao的結(jié)果變化幅度最大,其最大值比最小值(不包括0)高出7個(gè)量級(jí)以上,其主要原因在于Gillette等的方案中只考慮了u*和u*t兩個(gè)因素對(duì)F的影響,而Shao的方案中則詳細(xì)地考慮了地表土壤風(fēng)蝕起沙的物理機(jī)制,除在計(jì)算Q時(shí)直接考慮了u*和u*t的影響外,還考慮了風(fēng)蝕起沙過(guò)程中地表土壤粒子尺度分布隨時(shí)間(或隨u*和u*t)的變化對(duì)F的影響。從(5)式可以看出,FS與u*之間不再只是Lu等或Gillette等的3次方或4次方的關(guān)系,而是更高次方的關(guān)系,因而使得F的計(jì)算結(jié)果對(duì)u*的變化更敏感。表1給出了利用上述三種方法計(jì)算的敦煌戈壁地表2002年4月8日沙塵天氣過(guò)程中順風(fēng)向沙粒通量Q及垂直塵粒通量F的平均值,作為比較,也給出了沈志寶等根據(jù)觀測(cè)得到的2m高度上的沙塵粒子數(shù)濃度估算的沙塵排放率(即垂直塵粒通量,該結(jié)果有兩種,本文只引用其d>5.0μm的塵粒取平均直徑dˉ=7.5μmdˉ=7.5μm時(shí)的結(jié)果)的平均值。由于沈志寶等只計(jì)算了11:31～16:28(沙塵天氣較嚴(yán)重)的值,為了便于比較,三種計(jì)算結(jié)果也只對(duì)這段時(shí)間求平均。另外,文獻(xiàn)的觀測(cè)估算結(jié)果是假定2m高度上的粒子數(shù)垂直通量等于地面的起沙量,忽略了塵粒的水平輸送,因此與真實(shí)的垂直塵粒通量會(huì)有一定差異,這里的引用只是作為一種量級(jí)上的參考。從表中可以看出,Q的量級(jí)為10-4kg·m-1·s-1;F的三個(gè)計(jì)算結(jié)果在數(shù)量級(jí)上是一致的,為10-8kg·m-2·s-1。三種計(jì)算結(jié)果中,Lu等的平均值最大,主要原因在于該方案所需的土壤的塑性壓力p實(shí)質(zhì)上是隨時(shí)間變化的,風(fēng)蝕起沙過(guò)程中,隨著地表較松軟的微粒被抬升到空中,地表土壤的致密性增強(qiáng),p也隨之增大,但由于p的這種變化不易確定,在實(shí)際計(jì)算中只能取常數(shù),因而導(dǎo)致了FL偏大。另外,參數(shù)ca的不易確定性可能也是一個(gè)原因。圖2是2002年4月8日沙塵天氣過(guò)程中敦煌戈壁地表的垂直塵粒通量F隨u*的變化。從圖中可以看出:敦煌戈壁地表土壤風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度u*t≈0.43m·s-1,這個(gè)結(jié)果與申彥波等根據(jù)沙塵濃度指數(shù)的臨界值得到的結(jié)果比較一致;F的三種計(jì)算結(jié)果隨u*的變化近似以u(píng)*=0.7m·s-1為界。當(dāng)u*t<u*≤0.7m·s-1時(shí),F隨u*增大較快,且三者之間有量級(jí)上的差異,其中Gillette等的結(jié)果最大,但隨u*的變化幅度最小,Shao的結(jié)果最小,但隨u*的變化幅度最大,這與圖1中關(guān)于FS對(duì)u*的敏感性的分析也是一致的。而當(dāng)u*>0.7m·