渾善達(dá)克沙地地區(qū)春季風(fēng)沙天氣過程中湍流作用與粉塵輸送特征

渾善達(dá)克沙地地區(qū)春季風(fēng)沙天氣過程中湍流作用與粉塵輸送特征

1關(guān)于砂源地區(qū)從動(dòng)態(tài)氣象條件和沙塵釋放的定量估算沙漠是沙漠及其周邊地區(qū)獨(dú)特的自然災(zāi)害自然災(zāi)害。20世紀(jì)以來,科學(xué)工作者開展了沙漠化及沙塵暴時(shí)空分布、成因、結(jié)構(gòu)以及監(jiān)測(cè)與對(duì)策方面的大量研究,并對(duì)沙塵暴的產(chǎn)生條件、環(huán)流形勢(shì)、時(shí)空分布、分析預(yù)報(bào)、沙塵粒子的物理化學(xué)特征、長(zhǎng)距離輸送、局地觸發(fā)機(jī)制以及起沙機(jī)制的數(shù)值模擬等多方面的研究取得進(jìn)展[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。近年來,由于觀測(cè)手段的不斷改進(jìn),提高了沙塵模式中輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性。然而由于缺乏沙源地區(qū)沙塵通量的直接測(cè)量和計(jì)算,對(duì)沙塵釋放的定量估算仍然存在很大的不確定性,限制了沙塵模式的進(jìn)一步發(fā)展。沙塵暴的產(chǎn)生及沙塵輸送與微氣象條件密切相關(guān),地氣交換過程是影響沙塵進(jìn)入大氣的重要和關(guān)鍵因素之一。研究起沙與微氣象學(xué)條件的關(guān)系,是理解沙塵暴形成和輸送的重要基礎(chǔ)。目前,對(duì)起沙過程的實(shí)驗(yàn)與研究,以及沙塵通量定量測(cè)量的報(bào)道較少。渾善達(dá)克沙地位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟,是中國(guó)沙塵暴源地之一,該地區(qū)常年干旱,多大風(fēng),是中蒙東區(qū)沙塵南輸?shù)谋亟?jīng)之路,沙塵天氣頻繁出現(xiàn)。本文利用渾善達(dá)克沙地南緣地區(qū)2004年春季開展的沙塵暴加強(qiáng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)資料,采用空氣動(dòng)力學(xué)方法,分析研究沙地下墊面湍流通量和沙塵通量,以及沙塵輸送特征和起沙條件,探討沙塵天氣過程中沙塵通量與摩擦速度以及風(fēng)速等氣象要素的關(guān)系,為沙地地區(qū)起沙機(jī)制研究提供一定基礎(chǔ)。2高效液相氣象觀測(cè)平臺(tái)沙塵暴加強(qiáng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)區(qū)位于渾善達(dá)克沙地南緣,平均海拔1250m,東部約10km處為農(nóng)田。沙塵暴加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)平臺(tái)為20m高的氣象觀測(cè)塔,觀測(cè)項(xiàng)目主要包括:風(fēng)向、4層風(fēng)速、溫度和濕度廓線、輻射和沙塵濃度探測(cè),以及風(fēng)速、溫度和沙塵質(zhì)量濃度湍流探測(cè)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)為24h連續(xù)、自動(dòng)觀測(cè),自動(dòng)記錄,在對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)嚴(yán)格的質(zhì)量控制基礎(chǔ)上,進(jìn)行30min滑動(dòng)平均處理。3沙區(qū)溫度、濕度特征根據(jù)近地面層Monin-Obukhov相似性理論,近地面層風(fēng)速、溫度和濕度等氣象要素梯度與湍流通量參數(shù)的關(guān)系,有u*=kˉu2[ln(z2z0)-ΨΜ(z2L)]-1θ*=k(ˉθ2-ˉθ1)[ln(z2z1)-ΨΗ(z2L)+ΨΗ(z1L)]-1(1)q*=k(ˉq2-ˉq1)[ln(z2z1)-Ψq(z2L)+Ψq(z1L)]-1u?=ku2ˉˉˉˉ[ln(z2z0)?ΨM(z2L)]?1θ?=k(θ2ˉˉˉ?θ1ˉˉˉ)[ln(z2z1)?ΨH(z2L)+ΨH(z1L)]?1(1)q?=k(q2ˉˉˉ?q1ˉˉˉ)[ln(z2z1)?Ψq(z2L)+Ψq(z1L)]?1其中u*、θ*和q*分別為摩擦速度、溫度特征尺度和濕度特征尺度;ˉuuˉ為z高度風(fēng)速;ˉθ1θ1ˉˉˉ和ˉθ2θ2ˉˉˉ分別為z1和z2高度位溫;ˉq1q1ˉˉˉ和ˉq2q2ˉˉˉ分別為z1和z2高度比濕;L為Obhukov長(zhǎng)度;κ=0.4為Von-Karman常數(shù);ΨΜ(zL)ΨM(zL)、ΨΗ(zL)ΨH(zL)和Ψq(zL)Ψq(zL)分別為風(fēng)速、溫度和濕度的穩(wěn)定度修正函數(shù)ΨΜ={2ln(1+x2)+ln(1+x22)-2arctgx+π2zL＜0-5zLzL≥0ΨΗ=Ψq={2ln(1+x22)zL＜0-5zLzL≥0x=(1-16zL)14(2)ΨM=???2ln(1+x2)+ln(1+x22)?2arctgx+π2zL＜0?5zLzL≥0ΨH=Ψq=???2ln(1+x22)zL＜0?5zLzL≥0x=(1?16zL)14(2)假定在同一地區(qū)和同一次沙塵暴過程中,沙塵質(zhì)量濃度為標(biāo)量,其湍流特征與溫度、水汽類似。得到沙塵質(zhì)量濃度特征尺度γ*為γ*=k(ˉγ2-ˉγ1)?[ln(z2z1)-Ψγ(z2L)+Ψγ(z1L)]-1(3)γ?=k(γ2ˉˉˉ?γ1ˉˉˉ)?[ln(z2z1)?Ψγ(z2L)+Ψγ(z1L)]?1(3)其中,γ1、γ2分別為z1、z2高度處的沙塵質(zhì)量濃度,Ψγ(zL)為沙塵濃度的穩(wěn)定度修正函數(shù)Ψγ=ΨΗ=Ψq(4)同樣地,類似動(dòng)量通量和感熱通量,定義沙塵通量F為F=αu*γ*(5)其中,α為系數(shù),文中取10。同時(shí)設(shè)定:沙塵通量數(shù)值為正值表示沙塵向上輸送,負(fù)值表示向下輸送。4不同特征特性的平均古氣候總沙濃度圖1給出了2004年3月15—16日和27—28日兩次沙塵天氣過程前后沙塵質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系。3月12—13日和24—25日無云或少云,最大風(fēng)速在6m/s以下,平均沙塵濃度為40μg/m3,該數(shù)值可作為非沙塵天氣的背景沙塵濃度。3月15—16日揚(yáng)沙天氣過程的平均沙塵濃度為120μg/m3,沙塵濃度極大值在200μg/m3左右;3月27—28日沙塵暴過程,沙塵濃度極大值達(dá)1000μg/m3以上,27日、28日沙塵暴時(shí)段內(nèi)的平均沙塵濃度分別為750和410μg/m3。其中,3月15—16日揚(yáng)沙天氣和28日沙塵暴天氣的沙塵濃度與錢正安等的沙塵濃度3倍比率遞增關(guān)系較為一致,3月27日強(qiáng)沙塵暴過程中平均沙塵濃度較錢正安等的結(jié)果偏低,這可能與沙塵采樣儀的采集上限為1000μg/m3有關(guān)。4.1理論和模擬對(duì)比圖2給出了渾善達(dá)克沙地地區(qū)3月13—16日和25—28日近地面層湍流粘性率KM和湍流熱傳導(dǎo)率KH隨時(shí)間的變化關(guān)系?？梢?KM和KH呈現(xiàn)明顯的日變化特征,揚(yáng)沙天氣峰值出現(xiàn)時(shí)刻與非沙塵天氣存在差異,即:非沙塵天氣KM和KH的峰值一般出現(xiàn)在正午12時(shí)附近,數(shù)值分別為0.3和1.0m2/s,KM數(shù)值明顯小于KH,表明渾善達(dá)克沙地地區(qū)春季非沙塵天氣過程熱力湍流作用強(qiáng)于動(dòng)力作用,湍流熱力交換起主要作用,與孫繼明等在沙漠地區(qū)得到的結(jié)果類似。3月15—16日揚(yáng)沙天氣的KM和KH峰值出現(xiàn)在15:30左右,滯后于非沙塵天氣過程,數(shù)值分別為0.92和1.0m2/s,湍流熱力作用略強(qiáng)于動(dòng)力作用;3月27日強(qiáng)沙塵暴天氣過程KM和KH的峰值出現(xiàn)時(shí)間不同,分別出現(xiàn)在16時(shí)和12時(shí)左右,數(shù)值分別為1.1和1.0m2/s,沙塵暴發(fā)生前3h,即13—16時(shí),KM/KH的值大于1.0,最大值達(dá)到1.2,說明沙塵暴發(fā)生前有很強(qiáng)的動(dòng)量下傳,動(dòng)力作用略高于熱力作用。圖3給出了2004年3月12—17日以及24—29日渾善達(dá)克沙地地區(qū)動(dòng)量通量隨時(shí)間的變化曲線。非沙塵天氣近地層動(dòng)量通量數(shù)值較小,峰值小于0.3N/m2;揚(yáng)沙天氣動(dòng)量通量有明顯增加,峰值達(dá)到0.8N/m2;沙塵暴天氣動(dòng)量通量峰值達(dá)到0.7—0.9N/m2。孫繼明等給出的沙漠地區(qū)晴空、揚(yáng)沙天氣和沙塵暴等天氣過程動(dòng)量通量峰值分別為0.39N/m2、1.08N/m2和1.45N/m2。渾善達(dá)克沙地地區(qū)3種天氣條件下動(dòng)量通量的峰值均小于沙漠地區(qū),從一個(gè)側(cè)面說明渾善達(dá)克沙地地區(qū)較小的動(dòng)量通量即可產(chǎn)生沙塵。王根緒等亦曾給出中國(guó)西北內(nèi)陸不同下墊面風(fēng)蝕塵的組成和通量,并證明干旱末期的湖床和退化的草場(chǎng)對(duì)空氣中沙塵含量增加的貢獻(xiàn)大于沙質(zhì)沙漠。圖4給出了2004年3月13—17日和25—29日期間渾善達(dá)克沙地地區(qū)感熱通量和凈輻射隨時(shí)間的變化關(guān)系。非沙塵天氣,凈輻射和感熱通量峰值分別為395和290W/m2左右;揚(yáng)沙天氣,凈輻射和感熱通量數(shù)值均有不同程度的降低,峰值分別為162和97W/m2;沙塵暴天氣,凈輻射和感熱通量峰值分別為330和240W/m2。對(duì)比3月15—16日和27—28日兩次沙塵天氣過程,揚(yáng)沙天氣過程凈輻射和感熱通量數(shù)值的減少較沙塵暴過程明顯,一方面由于揚(yáng)沙天氣時(shí)天空多云,而沙塵暴天氣時(shí)天空少云或無云;另一方面,揚(yáng)沙過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),包括太陽輻射和感熱交換最強(qiáng)烈的中午和午后,而3月27日的沙塵暴發(fā)生在17:00后太陽輻射減弱階段,28日沙塵暴持續(xù)時(shí)間較短,沙塵濃度下降較快,故凈輻射和感熱通量削弱較小。4.2不同天氣類型特征圖5給出了2004年3月15—16日和27—28日渾善達(dá)克沙地地區(qū)沙塵天氣過程中3和15m高度沙塵濃度和沙塵濃度差隨時(shí)間的變化關(guān)系。揚(yáng)沙天氣,3和15m高度的沙塵濃度差數(shù)值變化較小,范圍約在±20μg/m3;沙塵暴天氣,沙塵濃度差數(shù)值變化較大,范圍在-100—200μg/m3。揚(yáng)沙和沙塵暴兩次不同類型沙塵天氣過程均顯示:開始時(shí)刻有3和15m高度沙塵濃度差ΔDC=DC,3m-DC,15m>0,即:沙塵濃度數(shù)值增加,3m高度沙塵濃度高于15m高度,沙塵由低層向高層輸送。隨著沙塵天氣過程的發(fā)展,3m高度沙塵濃度數(shù)值低于15m高度。沙塵暴天氣的結(jié)果相對(duì)明顯。其可能的原因有,沙塵天氣發(fā)生時(shí),沙塵粒子脫離地表處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),沙塵粒子的運(yùn)動(dòng)主要受重力和空氣動(dòng)力學(xué)拖曳力的影響,而空氣動(dòng)力學(xué)拖曳力主要與風(fēng)速大小有關(guān)。風(fēng)速較大,空氣動(dòng)力學(xué)拖曳力較大,較大粒徑的沙塵粒子離開地面后可以在空氣中上升到某一高度。隨著風(fēng)速逐漸減小,空氣動(dòng)力學(xué)拖曳力亦逐漸減小,較大粒子在重力的作用下沉降,較小的粒子則繼續(xù)在空中隨風(fēng)搬運(yùn)。因此,沙塵天氣過程開始時(shí),3m高度處沙塵濃度高于15m高度處濃度;隨著風(fēng)速的減小,3m高度處的沙塵氣溶膠質(zhì)量濃度低于15m高度處濃度。這里為了簡(jiǎn)化,假設(shè)了渾善達(dá)克沙地沙塵粒子密度均勻,粒子重力主要與粒徑有關(guān),較大粒徑的粒子所受重力亦較大。圖6—8分別給出了2004年3月非沙塵天氣、揚(yáng)沙天氣以及沙塵暴天氣3種天氣過程中沙塵通量的變化特征。不同天氣條件下的沙塵通量數(shù)值存在較大差異:非沙塵天氣沙塵通量數(shù)值約在±5μg/(m2·s),12日和24日向上輸送的凈沙塵量分別為56.32和54.39μg/(m2·s);揚(yáng)沙天氣的沙塵通量數(shù)值在±30μg/(m2·s),15日和16日向上輸送的沙塵量分別為79.75和179.48μg/m2;沙塵暴天氣的沙塵通量數(shù)值在-200—300μg/(m2·s),27和28日向上輸送的凈沙塵量分別為455.32和76.11μg/m2。渾善達(dá)克沙地地區(qū),非沙塵天氣條件下存在沙塵向上輸送,但數(shù)值較小。揚(yáng)沙和沙塵暴天氣,強(qiáng)度不同,向上輸送的凈沙塵通量亦不同。沈志寶等對(duì)2002年4月敦煌地區(qū)兩次強(qiáng)度較弱的沙塵天氣過程中戈壁沙地的起沙率進(jìn)行了估算,最大起沙率為2.77×10-8kg/(m2·s),與渾善達(dá)克沙地2004年3月15—16日揚(yáng)沙天氣的最大起沙率相當(dāng)。由圖6—8可見,沙塵通量隨沙塵天氣發(fā)生和發(fā)展過程變化。沙塵天氣發(fā)生階段,沙塵通量數(shù)值整體為正,說明沙塵向上輸送占主要地位;隨著沙塵天氣過程的不斷發(fā)展,沙塵通量數(shù)值由正值為主過渡到向上數(shù)值和向下數(shù)值相當(dāng)、向下數(shù)值比例增加。說明沙塵過程由起沙、平衡、沉降的演變過程。4.3動(dòng)態(tài)與風(fēng)速、速度的關(guān)系地表摩擦速度(u*)是確定沙源地區(qū)地表能否起沙的有效判據(jù)之一。風(fēng)蝕起沙觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:當(dāng)u*超過某一閾值時(shí),粒子便會(huì)脫離地面進(jìn)入大氣,該摩擦速度稱為臨界摩擦速度,用u*t表示,垂直沙塵通量(F)與un*成正比,其中n的變化范圍是2—5。Lu等對(duì)比研究土壤可侵蝕性和適應(yīng)壓力后指出:比較堅(jiān)硬的地表的沙塵排放率更近似于與u3*成正比;而較松軟地表的沙塵排放率更近似于與u4*成正比;由于土壤狀況的變化,沙塵排放率與u*關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般有較大的分散性,因而F∝u4*和F∝u3*的關(guān)系都可以觀測(cè)到。渾善達(dá)克沙地地區(qū)沙塵通量F的絕對(duì)值與摩擦速度的擬合關(guān)系(圖9),有l(wèi)gu*=0.3415lgF-0.5877(6)得到F=101.72?u2.93*(7)可見,渾善達(dá)克沙地地區(qū),沙塵天氣過程中沙塵通量F近似與u3*成比例,相關(guān)系數(shù)R=0.748。沈志寶等在敦煌戈壁沙地沙塵天氣過程中觀測(cè)到的起沙率F與u2*線性關(guān)系最好。表明這兩種不同的沙塵源區(qū)沙塵釋放能力的不同。圖10分別給出2004年3月16日揚(yáng)沙天氣和3月27日沙塵暴天氣兩種沙塵天氣過程中沙塵濃度與風(fēng)速、摩擦速度的關(guān)系。圖中虛線右側(cè):沙塵濃度隨風(fēng)速或摩擦速度的增加而增加;虛線左側(cè),3月16日沙塵濃度分布主要集中在風(fēng)速小于3m/s和大于7.5m/s兩個(gè)區(qū)域,3月27日也有類似的分布。對(duì)于前者風(fēng)速較小的情況,反映了沙塵濃度的背景值;后者風(fēng)速較大時(shí),與臨近起沙階段相對(duì)應(yīng)。由圖10可以得到揚(yáng)沙天氣和沙塵暴天氣的臨界起沙風(fēng)速分別為6.5和5.6m/s,臨界摩擦速度分別為0.43和0.39m/s?？梢哉J(rèn)為:渾善達(dá)克沙地地區(qū)的臨界起沙風(fēng)速約為6m/s,臨界摩擦速度約為0.4m/s。申彥波等在敦煌沙地上觀測(cè)到的臨界起沙風(fēng)速和臨界摩擦速度分別為7和0.5m/s,略大于渾善達(dá)克沙地地區(qū)起沙的臨界值,這與兩個(gè)沙源區(qū)不同的土壤粒子尺度分布特征有關(guān),渾善達(dá)克沙地的土壤粒子較敦煌沙地的更細(xì)。5非砂天氣、揚(yáng)沙天氣和沙塵天氣過程比較本文利用渾善達(dá)克沙地地區(qū)2004年春季沙塵暴加強(qiáng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)資料,分析了不同沙塵天氣條件下沙塵濃度、湍流交換系數(shù)、湍流動(dòng)量通量、感熱通量和沙塵通量的變化特征,給出了臨界起沙風(fēng)速和臨界摩擦速度的量值,得到以下主要結(jié)論:(1)2004年3月沙塵天氣過程中湍流粘性率KM明顯高于非沙塵天氣,非沙塵天氣和沙塵天氣KM的平均峰值分別為0.3m2/s和1.1m2/s。非沙塵天氣白天熱力湍流作用強(qiáng)于動(dòng)力作用,湍流交換以感熱交換為主;沙塵天氣湍流的動(dòng)力作用明顯增加,較強(qiáng)沙塵暴天氣過程中動(dòng)力湍流強(qiáng)于熱力湍流,湍流動(dòng)量交換和感熱交換對(duì)湍流交換均有較大的貢獻(xiàn)。在揚(yáng)沙和沙塵暴天氣過程中,動(dòng)量通量有明顯的增加,感熱通量有不同程度的降低。(2)沙塵天氣過程中,沙塵濃度開始增加時(shí),3m高度沙塵濃度數(shù)值高于15m高度,沙塵向上輸送。沙塵濃度達(dá)到極大值之后,3m高度沙塵濃度與15m高度數(shù)值相當(dāng)或偏小,