塔里木盆地塔中地區(qū)一次風(fēng)沙天氣輸沙通量估算

塔里木盆地塔中地區(qū)一次風(fēng)沙天氣輸沙通量估算

正確估算砂漿機(jī)的運(yùn)送體積是確定砂漿機(jī)源并進(jìn)行有效防治的關(guān)鍵。目前，許多方法可以估計(jì)土壤砂漿機(jī)的傳輸總量，但結(jié)果差異很大。Tegen等估計(jì)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(jié)果是1000～2000Tg/a。Zhang等用中國12個(gè)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(xué)者從氣候、分布特征等方面對該區(qū)域的沙塵天氣進(jìn)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(jì)算主要通過直接器測和經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)公式對該次沙塵天氣過程中輸沙通量進(jìn)行了計(jì)算,并與實(shí)測的輸沙通量進(jìn)行了比較。1測量儀器和測點(diǎn)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(yàn)站80m梯度鐵塔探測系統(tǒng)獲取,該系統(tǒng)包括10個(gè)層次的觀測平臺(tái),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(fēng)向、風(fēng)速、溫度和相對濕度。其中,風(fēng)速儀采用芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的WAA151型風(fēng)速傳感器,風(fēng)速量程為0.4～75m/s,風(fēng)杯啟動(dòng)風(fēng)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(shí)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(shè)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(dá)到90%以上。我們觀測試驗(yàn)所用的BSNE型梯度積沙儀的尺寸、外觀及進(jìn)沙口的大小,完全按照國際上慣用的標(biāo)準(zhǔn)研制。積沙盒的安裝高度分別為5cm,10cm,20cm,50cm,100cm和200cm,可同時(shí)收集6個(gè)高度層的輸沙量,輸沙收集在積沙儀的積沙盒中。觀測試驗(yàn)時(shí),每次沙塵天氣來臨前,把積沙盒清理干凈,沙塵天氣結(jié)束后立即把沙樣取出,裝入密封袋,并記錄采集時(shí)間、沙塵天氣延續(xù)的時(shí)間以及風(fēng)況,然后進(jìn)行稱重。同時(shí),在平坦沙地5cm和10cm高度安裝了美國Sensit公司的H11B型風(fēng)蝕傳感器,該類型傳感器通過實(shí)驗(yàn)室與野外多次試驗(yàn)比對,性能良好,試驗(yàn)結(jié)果理想。通過記錄沙塵天氣過程中的撞擊顆粒數(shù)、撞擊動(dòng)能,配合梯度風(fēng)速,可對沙粒的起動(dòng)進(jìn)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(fēng)向垂直,從地表到觀測高度范圍內(nèi)單位寬度單位時(shí)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(shí)間地表向大氣中輸送的塵粒質(zhì)量。半個(gè)多世紀(jì)以來,許多學(xué)者對氣流與沙粒間相互作用的機(jī)理進(jìn)行了研究,通過野外觀測試驗(yàn)或者風(fēng)洞模擬試驗(yàn),提出了各自的輸沙率模型(表1)。關(guān)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(fù)雜,計(jì)算中需要的參數(shù)較多且有的參數(shù)很難確定,實(shí)際運(yùn)用中難度較大。Gillette等的計(jì)算方案在形式上非常簡單,只需要u*和u*t兩個(gè)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(jì)算砂采的累積沙塵通量計(jì)算都以摩擦速度u*和臨界摩擦速度u*t為關(guān)鍵計(jì)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(gè)參數(shù)。3.1khov相似理論對單個(gè)土壤顆粒來講,它能否脫離地表決定于所受空氣動(dòng)力和阻力(包括重力和內(nèi)部黏性力等)的合力。在風(fēng)沙物理學(xué)中,摩擦速度u*被用來反映顆粒所受空氣動(dòng)力的大小。已有的觀測和試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)u*超過某一閾值(臨界摩擦速度)時(shí),沙塵顆粒便會(huì)脫離地面進(jìn)入空氣中。關(guān)于u*的計(jì)算,拜格諾和馮·卡曼都給出了相應(yīng)的計(jì)算公式,但是2個(gè)公式僅僅依靠2層風(fēng)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(fēng)速和溫度資料,運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)方法來計(jì)算摩擦速度u*,計(jì)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(fēng)速(m/s);φm是風(fēng)的Monin-Obukhov相似性函數(shù),可以利用(3)式計(jì)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(guān)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(jì)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(gè)高度的溫度差和風(fēng)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(fēng)速資料,借助以上公式,計(jì)算得到了塔中地區(qū)2008年7月19日11:29～23:55時(shí)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(fēng)速的變化具有一致性,當(dāng)風(fēng)速增大時(shí),摩擦速度也變大。摩擦速度主要受風(fēng)速的影響,風(fēng)速越大,近地面湍流就越強(qiáng),u*也越大,此時(shí)輸沙強(qiáng)度就越大。這一結(jié)果與何清等在肖塘地區(qū)的研究結(jié)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(guān)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(jī)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(fù)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(guān),因此,臨界摩擦速度的準(zhǔn)確求解比較復(fù)雜。目前,Shao的計(jì)算公式被認(rèn)為是理論上最為完善的,其表達(dá)式:u*t=Η(ω)R(λ)√AΝ(σgdρ+ερd)(6)式中:AN和ε為經(jīng)驗(yàn)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(fēng)蝕起沙的阻礙作用,詳細(xì)計(jì)算見文獻(xiàn)。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(jì),所以H(ω)和R(λ)的值都等于1。把各參數(shù)帶入(6)式進(jìn)行計(jì)算,得到塔中地區(qū)沙粒起動(dòng)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(yàn)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(shí)進(jìn)行了器測。圖2是H11B型風(fēng)蝕傳感器所測得沙粒撞擊數(shù)與摩擦速度的關(guān)系,由圖2可知,當(dāng)u*大于0.20m/s時(shí)沙粒開始移動(dòng),u*>0.25m/s,沙粒移動(dòng)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(yàn)公式計(jì)算結(jié)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(jié)果比申彥波等計(jì)算的敦煌戈壁地表土壤的臨界起動(dòng)速度0.43m/s小,但與敦煌地區(qū)農(nóng)田起沙的臨界起動(dòng)速度0.3m/s以及王鵬祥等計(jì)算得到的鹽池地區(qū)起沙的臨界起動(dòng)速度0.32m/s接近。敦煌戈壁地表為細(xì)石子和可移動(dòng)的沙粒所覆蓋,粗糙度比較大,所以它的臨界起動(dòng)速度也較大;而塔中地區(qū)的沙粒比較細(xì),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(fēng)速的關(guān)系由于各水平輸沙通量計(jì)算公式預(yù)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(jìn)行了計(jì)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(jì)算方法。將上文中計(jì)算的各參數(shù)分別代入相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見圖3。由圖3可以看出,各輸沙通量計(jì)算的結(jié)果變化趨勢幾乎是一致的,從11:29～17:00時(shí),風(fēng)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(fēng)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(fēng)速的影響,所以風(fēng)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(jì)算出來的結(jié)果與Zingg公式計(jì)算的值最接近,但是總體上Bagnold的結(jié)果要比Zingg公式計(jì)算出來的結(jié)果大,這主要是因?yàn)閮蓚€(gè)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(shí)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(jìn)行積分得到的,而實(shí)際上沒有包括蠕移的沙粒在內(nèi),所以得到的輸沙通量結(jié)果偏小。根據(jù)Kawamura和Lettau公式計(jì)算的結(jié)果比較相近,是因?yàn)閮烧叨伎紤]了沙粒粒徑和臨界摩擦速度的基礎(chǔ)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(jì)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(jì)算的結(jié)果具有較大的差異,Kawamura公式計(jì)算出來的值最大,接近Zingg公式計(jì)算結(jié)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(jié)果分別比沈志寶、申彥波等在敦煌戈壁觀測的結(jié)果和沈建國等在內(nèi)蒙古自治區(qū)干旱草原的觀測結(jié)果大1～2個(gè)量級(jí),這主要是受地表特征及風(fēng)速差異的影響。4平均水平輸沙通量為了檢驗(yàn)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(jié)果,我們用方口積沙儀測量的結(jié)果(只能測量1m高度,一個(gè)方位的輸沙通量)及實(shí)測6個(gè)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(fēng)速和輸沙通量的經(jīng)驗(yàn)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(fēng)速。擬合公式與Bagnold,Zingg,Kawamura和Lettau的公式對比(圖4)可知,當(dāng)風(fēng)速小于12.0m/s時(shí),各公式計(jì)算的輸沙通量與實(shí)測比較相近;但當(dāng)風(fēng)速大于12.0m/s時(shí),結(jié)果差異越來越大,其中Bagnold和Zingg公式的結(jié)果比實(shí)測小,Zingg的結(jié)果最小,而Kawamura公式的結(jié)果偏大,只有Lettau公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測最接近,風(fēng)速小于20.0m/s時(shí),2條曲線幾乎重合,當(dāng)風(fēng)速大于20.0m/s時(shí),實(shí)測結(jié)果又比Lettau的結(jié)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(jié)果與塔中地區(qū)實(shí)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(jìn)行該方面的野外試驗(yàn),缺少可對比的實(shí)測資料,因此本文不對其進(jìn)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(yàn)公式與野外儀器觀測對比分析,對塔中地區(qū)輸沙通量計(jì)算模型的一些參數(shù)進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論:(1)摩擦速度與風(fēng)速的變化具有一致性,當(dāng)風(fēng)速增大時(shí),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(chǔ)上,塔中地區(qū)的臨界摩擦速度為0.24m/s。(3)根據(jù)野外實(shí)測數(shù)據(jù),擬合出塔中地區(qū)2m高度風(fēng)速與水平輸沙通量的經(jīng)驗(yàn)公式為Q=10-6u4.257;由于受到經(jīng)驗(yàn)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