塔里木盆地塔中地區(qū)一次風沙天氣輸沙通量估算

塔里木盆地塔中地區(qū)一次風沙天氣輸沙通量估算

正確估算砂漿機的運送體積是確定砂漿機源并進行有效防治的關鍵。目前，許多方法可以估計土壤砂漿機的傳輸總量，但結果差異很大。Tegen等估計全球有1000～5000Tg/a的沙塵粒子從地面輸送到大氣中,而Duce的研究結果是1000～2000Tg/a。Zhang等用中國12個沙漠站礦物塵的元素濃度(Al,Fe,Mg和Si),估算注入大氣的沙塵約為800Tg/a,約為全球地面年沙塵輸送量的1/2。中國干旱區(qū)是全球大氣沙塵的主要源地之一,其中塔克拉瑪干沙漠是沙源地的重要組成部分,已有學者從氣候、分布特征等方面對該區(qū)域的沙塵天氣進行了分析,但目前對該地區(qū)沙塵天氣輸沙通量的研究尚少。對輸沙通量的計算主要通過直接器測和經(jīng)驗公式兩種方式,但受儀器測量功能及理論不完善等的限制,目前仍以經(jīng)驗公式估算居多。本文以塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區(qū)2008年7月19日的一次沙塵天氣過程為例,通過野外輸沙觀測,利用經(jīng)驗公式對該次沙塵天氣過程中輸沙通量進行了計算,并與實測的輸沙通量進行了比較。1測量儀器和測點布置氣象資料通過塔克拉瑪干沙漠塔中大氣環(huán)境觀測試驗站80m梯度鐵塔探測系統(tǒng)獲取,該系統(tǒng)包括10個層次的觀測平臺,高度分別為0.5m,1m,2m,4m,10m,20m,32m,47m,63m和80m,探測的基本要素為:水平風向、風速、溫度和相對濕度。其中,風速儀采用芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的WAA151型風速傳感器,風速量程為0.4～75m/s,風杯啟動風速≥0.35m/s,測量精度為±0.17m/s;溫度儀采用芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的HMP45D(QMH102)型溫度傳感器,測量范圍-39.2～60℃,測量精度為±0.2℃(20℃)。塔中80m梯度鐵塔探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫類型有秒數(shù)據(jù)、分鐘平均數(shù)據(jù)和小時平均數(shù)據(jù),本文所用數(shù)據(jù)為分鐘平均數(shù)據(jù)。為了研究塔中地區(qū)的輸沙量,在平坦沙地和高大沙丘頂部分別布設了BSNE型梯度積沙儀,BSNE積沙儀是目前國際上普遍使用的一種積沙儀,其積沙效率達到90%以上。我們觀測試驗所用的BSNE型梯度積沙儀的尺寸、外觀及進沙口的大小,完全按照國際上慣用的標準研制。積沙盒的安裝高度分別為5cm,10cm,20cm,50cm,100cm和200cm,可同時收集6個高度層的輸沙量,輸沙收集在積沙儀的積沙盒中。觀測試驗時,每次沙塵天氣來臨前,把積沙盒清理干凈,沙塵天氣結束后立即把沙樣取出,裝入密封袋,并記錄采集時間、沙塵天氣延續(xù)的時間以及風況,然后進行稱重。同時,在平坦沙地5cm和10cm高度安裝了美國Sensit公司的H11B型風蝕傳感器,該類型傳感器通過實驗室與野外多次試驗比對,性能良好,試驗結果理想。通過記錄沙塵天氣過程中的撞擊顆粒數(shù)、撞擊動能,配合梯度風速,可對沙粒的起動進行監(jiān)測。2垂直輸沙通量沙塵通量可以分為水平沙塵通量即輸沙率和垂直輸沙通量,分別用Q和F表示,Q的物理意義是與水平風向垂直,從地表到觀測高度范圍內(nèi)單位寬度單位時間通過的沙粒質(zhì)量;F的物理意義是某一高度處與地表面平行的單位面積內(nèi)單位時間地表向大氣中輸送的塵粒質(zhì)量。半個多世紀以來,許多學者對氣流與沙粒間相互作用的機理進行了研究,通過野外觀測試驗或者風洞模擬試驗,提出了各自的輸沙率模型(表1)。關于垂直輸沙通量,雖然Lu,Marticorena和Shao的輸沙通量模式理論較為完善,但模式形式比較復雜,計算中需要的參數(shù)較多且有的參數(shù)很難確定,實際運用中難度較大。Gillette等的計算方案在形式上非常簡單,只需要u*和u*t兩個參數(shù),比較適合簡單或近似的估算,其公式如下:F={C2u4*(1-u*tu*)?u*＞u*t0?u*≤u*t(1)3計算砂采的累積沙塵通量計算都以摩擦速度u*和臨界摩擦速度u*t為關鍵計算參數(shù),為此我們先確定了此次沙塵天氣過程中的這兩個參數(shù)。3.1khov相似理論對單個土壤顆粒來講,它能否脫離地表決定于所受空氣動力和阻力(包括重力和內(nèi)部黏性力等)的合力。在風沙物理學中,摩擦速度u*被用來反映顆粒所受空氣動力的大小。已有的觀測和試驗結果表明,當u*超過某一閾值(臨界摩擦速度)時,沙塵顆粒便會脫離地面進入空氣中。關于u*的計算,拜格諾和馮·卡曼都給出了相應的計算公式,但是2個公式僅僅依靠2層風速來確定u*的值,很容易產(chǎn)生較大誤差。本文根據(jù)Monin-Obukhov相似理論,利用2層的風速和溫度資料,運用空氣動力學方法來計算摩擦速度u*,計算公式:kzu*?u?z=φm(2)式中:u*為摩擦速度(m/s);k是Kerman常數(shù),一般取0.4;z是高度(m);u是風速(m/s);φm是風的Monin-Obukhov相似性函數(shù),可以利用(3)式計算得到。φm(ζ)={(1-16ζ)-0.25?ζ≤0(1+5ζ)?ζ＞0(3)式中:ζ是Monin-Obukhov大氣穩(wěn)定度參數(shù),即z/L;L是Monin-Obukhov大氣穩(wěn)定度長度,可用Businger-Dyer關系式近似確定,即ζ={Ri?Ri＜0Ri(1-5Ri)?Ri≥0(4)式中:Ri是梯度Richardson數(shù),可以用(5)式計算:Ri=g√z1z2ˉΤΔΤ(Δu)2lnz2z1)(5)式中:ˉΤ是所取氣層(z1和z2層)的平均絕對溫度(K),ΔT和Δu是氣層上下2個高度的溫度差和風速差。利用塔中80m梯度鐵塔探測系統(tǒng)提供的1m和2m高度的溫度和風速資料,借助以上公式,計算得到了塔中地區(qū)2008年7月19日11:29～23:55時沙塵暴過程中的摩擦速度u*(圖1)。由圖1可知,摩擦速度與風速的變化具有一致性,當風速增大時,摩擦速度也變大。摩擦速度主要受風速的影響,風速越大,近地面湍流就越強,u*也越大,此時輸沙強度就越大。這一結果與何清等在肖塘地區(qū)的研究結論一致。3.2塔中地區(qū)的臨界擊穿速度與臨界撞擊速度的關系臨界摩擦速度u*t是摩擦速度能否引起地表起沙的臨界值,它表征的是地表對起沙的阻礙能力。由于地表特征包含了機械和礦物組成、植被和其他粗糙元的覆蓋、水分和鹽分的含量、地形和坡度的走向以及人工的管理和利用等諸多因素,它們對起沙影響非常復雜,不同條件下地表u*t也有很大差異。對于一定粒徑的沙粒,臨界摩擦速度與土壤性質(zhì)、地表植被狀況以及土壤的含水量有關,因此,臨界摩擦速度的準確求解比較復雜。目前,Shao的計算公式被認為是理論上最為完善的,其表達式:u*t=Η(ω)R(λ)√AΝ(σgdρ+ερd)(6)式中:AN和ε為經(jīng)驗常數(shù),分別取0.0123kg/s2和300kg/s2;σ為沙粒密度(2650kg/m3);ρ為空氣密度(1.23kg/m3);g為重力加速度,塔中地區(qū)近似為9.7975m/s2;d為沙粒粒徑(單位為μm);H(ω)和R(λ)分別表征地表土壤水分和植被覆蓋對風蝕起沙的阻礙作用,詳細計算見文獻。根據(jù)觀測,塔中地區(qū)地表沙粒粒徑d平均為136μm,0～10cm地表沙粒的平均含水率為3.2‰,低于臨界值5‰,而塔中地區(qū)的植被覆蓋率可以忽略不計,所以H(ω)和R(λ)的值都等于1。把各參數(shù)帶入(6)式進行計算,得到塔中地區(qū)沙粒起動的臨界摩擦速度u*t為0.24m/s。由于公式估算具有一定的經(jīng)驗性和區(qū)域限制性,為了更加精確求得塔中地區(qū)的臨界摩擦速度,同時進行了器測。圖2是H11B型風蝕傳感器所測得沙粒撞擊數(shù)與摩擦速度的關系,由圖2可知,當u*大于0.20m/s時沙粒開始移動,u*>0.25m/s,沙粒移動速度加快,撞擊顆粒數(shù)增加。由此我們可以確定塔中地區(qū)臨界摩擦速度的取值區(qū)間在0.20～0.25m/s之間。利用Shao的經(jīng)驗公式計算結果也在此區(qū)間內(nèi)。綜合考慮,塔中地區(qū)的臨界摩擦速度取u*t=0.24m/s。這一結果比申彥波等計算的敦煌戈壁地表土壤的臨界起動速度0.43m/s小,但與敦煌地區(qū)農(nóng)田起沙的臨界起動速度0.3m/s以及王鵬祥等計算得到的鹽池地區(qū)起沙的臨界起動速度0.32m/s接近。敦煌戈壁地表為細石子和可移動的沙粒所覆蓋,粗糙度比較大,所以它的臨界起動速度也較大;而塔中地區(qū)的沙粒比較細,并且地表無植被覆蓋,地表沙粒含水率也比敦煌綠洲和鹽池地區(qū)的低,所以臨界摩擦速度相對較小是合乎情理的。3.3輸沙通量與風速的關系由于各水平輸沙通量計算公式預測值相差較大,用Bagnold,Zingg,Kawamura和Lettau的公式,對塔中地區(qū)沙塵天氣的水平輸沙通量進行了計算,對于本次沙塵天氣過程的垂直輸沙通量我們選擇Gillette的計算方法。將上文中計算的各參數(shù)分別代入相應的公式進行計算,結果見圖3。由圖3可以看出,各輸沙通量計算的結果變化趨勢幾乎是一致的,從11:29～17:00時,風速不穩(wěn)定,所以起沙在曲線中是不連續(xù)的;從17:00～23:00風速相對較大且穩(wěn)定,起沙一直持續(xù),且起沙量較大。與圖1相比可知,輸沙通量的變化與摩擦速度的變化一致,而摩擦速度又受風速的影響,所以風速是影響輸沙通量的決定因素。從水平輸沙通量來看,Bagnold公式計算出來的結果與Zingg公式計算的值最接近,但是總體上Bagnold的結果要比Zingg公式計算出來的結果大,這主要是因為兩個公式都是直接以沙粒粒徑為主要參數(shù),但Zingg在確定沙塵通量時是根據(jù)躍移沙粒質(zhì)量在垂線上的分布延伸到床面以后進行積分得到的,而實際上沒有包括蠕移的沙粒在內(nèi),所以得到的輸沙通量結果偏小。根據(jù)Kawamura和Lettau公式計算的結果比較相近,是因為兩者都考慮了沙粒粒徑和臨界摩擦速度的基礎上得來的,從理論上來講,這兩者也相對較為完善。這次沙塵天氣過程中,Bagnold,Zingg,Kawamura和Lettau模式計算的平均水平輸沙通量分別為191.67×10-4kg/(m·s),92.17×10-4kg/(m·s),522.5×10-4kg/(m·s)和258.67×10-4kg/(m·s)。可見,各家公式計算的結果具有較大的差異,Kawamura公式計算出來的值最大,接近Zingg公式計算結果的6倍。塔中地區(qū)垂直輸沙通量的變化與水平輸沙通量一致,本次沙塵暴天氣過程的平均垂直輸沙通量為40.07×10-7kg/(m2·s),這一結果分別比沈志寶、申彥波等在敦煌戈壁觀測的結果和沈建國等在內(nèi)蒙古自治區(qū)干旱草原的觀測結果大1～2個量級,這主要是受地表特征及風速差異的影響。4平均水平輸沙通量為了檢驗理論輸沙通量公式在塔中地區(qū)的適用性,根據(jù)前人的研究結果,我們用方口積沙儀測量的結果(只能測量1m高度,一個方位的輸沙通量)及實測6個高度層的輸沙通量建立了指數(shù)方程,求得2m高度的水平輸沙通量,然后擬合出了2m高度風速和輸沙通量的經(jīng)驗公式:Q=10-6u4.257,R2=0.9975式中:q為地表面2m高度以內(nèi)1m寬度的水平輸沙通量,單位為kg/(m·s);u為2m高度的起沙風速。擬合公式與Bagnold,Zingg,Kawamura和Lettau的公式對比(圖4)可知,當風速小于12.0m/s時,各公式計算的輸沙通量與實測比較相近;但當風速大于12.0m/s時,結果差異越來越大,其中Bagnold和Zingg公式的結果比實測小,Zingg的結果最小,而Kawamura公式的結果偏大,只有Lettau公式的計算結果與實測最接近,風速小于20.0m/s時,2條曲線幾乎重合,當風速大于20.0m/s時,實測結果又比Lettau的結果稍微偏大,不過仍然很接近。即使考慮了積沙儀積沙效率問題,Lettau公式的結果與塔中地區(qū)實測輸沙通量仍然最為接近。由此,我們確定本次沙塵暴天氣過程的平均水平輸沙通量近似為258.67×10-4kg/(m·s)。至于垂直輸沙通量,由于還沒有進行該方面的野外試驗,缺少可對比的實測資料,因此本文不對其進行討論。5塔中地區(qū)水平輸沙通量本文以塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區(qū)夏季一次沙塵暴天氣過程為例,通過經(jīng)驗公式與野外儀器觀測對比分析,對塔中地區(qū)輸沙通量計算模型的一些參數(shù)進行了研究,得出以下結論:(1)摩擦速度與風速的變化具有一致性,當風速增大時,摩擦速度也變大。摩擦速度又影響著輸沙通量的變化。(2)根據(jù)公式估算和儀器測量,在綜合考慮塔中地區(qū)下墊面狀況、地表以及空氣濕度等因素的基礎上,塔中地區(qū)的臨界摩擦速度為0.24m/s。(3)根據(jù)野外實測數(shù)據(jù),擬合出塔中地區(qū)2m高度風速與水平輸沙通量的經(jīng)驗公式為Q=10-6u4.257;由于受到經(jīng)驗性以及區(qū)域環(huán)境的限制,Bagnold,Zing,Kawamura和Lettau等的沙塵通量公式并非都能較好地適用于塔中