近地层风沙活动特征与气象要素的变化

近地层风沙活动特征与气象要素的变化

沙漠是风和沙相互作用的自然灾害的天气现象。它的起源与地球温室效应、乙二醇现象、森林萎缩、植被破坏、物种灭绝和气候异常密切相关。同时，人类过度开发自然资源、过度砍伐森林和过度砍伐土地是频繁沙害的主要原因。当沙量发生时，靠近一层的沉积物物质是植物、自然植被、车辆和建筑物（尤其是古生物）受损的重要原因。沙量在附近的流动规律是研究沙量在附近层的高度变化，了解沙量在附近层的活动特征，从而提供合理的防止沙量引起的措施。靠近沉积物的运动方式是沙量物理研究的重要内容。同时，沙量活动在研究过程中的过程对于沙量事件的研究非常重要。总之，在研究沙量过程中的沙量特征对改善人类栖息地具有重要的现实意义。目前,对近地层沙尘物质运动特征研究较多,但多是室内模拟实验或短期的野外观测[1~3],对于在沙漠地区恶劣的沙尘暴天气下的沙尘运动特征研究较少,特别是长时间的野外观测资料则更少.以往对沙尘暴发生过程中近地层特征的研究主要是利用国家标准气象台站的数据,其风速数据都是10min的平均值,这对研究沙尘运动特征来说,其时距太长.国家气象台站多是建设在远离沙漠的地区,这就不能很好的反映沙尘源区的情况.同时,由于沙尘暴发生时的恶劣环境,很少有长期的实测资料来分析沙尘暴发生时近地层的风沙活动特征以及气象要素特征本文就针对研究沙尘暴研究中缺乏沙漠地区的实测的长期资料的问题,利用我们在沙漠地区流动沙丘上建立的风沙科学观测场仪器采集的数据资料,来分析沙尘暴发生过程中近地层的风沙活动特征.其中风速资料为2006年2~5月,风速时距为1s和1min,其他气象数据的时距为1min,风沙流的采集即包括了风沙流随高度的变化,也包括了风沙流的空间变化,其中风沙流随高度变化所用的集沙仪高1m,其空间变化是由高0.5m,16个方位的集沙仪收集,所有数据都是沙尘暴发生期间的实时数据.中国科学院风沙科学观测场是我国乃至于亚洲地区在沙漠地区建立的最大的关于研究风沙科学的长期野外观测站.关于观测场的一些详细资料见参考文献.以中国科学院风沙观测场(以下简称观测场)采集数据为例,选择2006年2月20日、3月9日、3月27日、4月10日、4月18日和5月10日的6次沙尘暴,对沙尘暴发生时近地层风速特征、输沙势、风沙流通量、风蚀强度、空气温湿度和辐射资料进行统计分析,旨在说明沙尘暴发生时近地层的风沙活动特征,沙尘暴对近地层气象要素的影响.从而能够为我国沙漠地区的防沙治沙工程提供依据和评价沙尘灾害,为沙尘暴预防提供基础资料.1内容和方法的研究1.1动态风速影响2006年(1月1日至5月15日,下同),我国北方共出现17次沙尘天气过程,其中8次扬沙,9次沙尘暴(含5次强沙尘暴);沙尘次数少于2001年同期,但多于2000~2006年同期的平均值(14.9次),比2005年同期多7次.2006年沙尘天气主要出现在春季的3月和4月(2月1次、3月5次、4月7次、5月3次),进入5月沙尘影响范围明显减小,强度明显减弱1).其中,4月9~11日,我国北方出现了2006年范围最大、强度最强的沙尘天气过程.此次沙尘暴产生是受西西伯利亚强冷空气南下影响,影响范围包括内蒙古、新疆、宁夏、甘肃、青海、西川、陕西等地.1.2观测场观测方法与数据采集所有数据资料来源于中国科学院风沙科学观测场,观测场位于腾格里沙漠东南缘,中卫市的西北角(37°32′N,105°02′E),如图1所示.观测场主要是格状沙丘,是由走向NE-SW的主梁和与其近似垂直的副梁SE-NW组成.土壤质地为疏松、贫瘠的流沙,沙尘稳定含水量为2%~3%.年降水量为186.6mm,主要集中在7~9月,年蒸发量达3000mm以上.天然植被以花棒(Hedysarumscoparium)和沙米(Agriophyllumsquarrosum)等为主,盖度仅为1%左右.观测场内是经过平整的水平观测场,分为风沙运动、沙尘暴、风沙地貌动力3个观测区和防沙工程、风沙危害两个实验区.场内有一个综合观测塔和几个独立的分项观测点.分析的数据主要包括风速风向、辐射、温湿度、风沙流通量.其中,风速风向、辐射、温湿度数据来源于观测场综合观测塔实测资料,风沙流通量数据由自行研制的多路方口集沙仪和全方位定点集沙仪所得.由风速资料,以大于起沙风风速为标准,当地的沙尘暴在9:30左右开始.沙尘暴发生期间,风速风向数据采集的时间间隔为1s,采集时间为10:10到13:44,其他时间数据的采集时间间隔为30s.本文所用数据即包括了沙尘暴发生时的所有气象资料,也包括沙尘暴过后的部分数据.温湿度和辐射数据采集间隔为1min.多路方口集沙仪的数据为随机采集;全方位定点集沙仪安装在风沙运动观测区.1.3水平风速的变化风是风沙和风成地貌形态形成的动力因素,但并不是所有的风都对风沙运动、沙丘的形成演变和沙丘的移动起作用.因此在风沙科学的研究中,我们仅考虑能使沙粒起动的风速(起动风速).由风洞实验,该地区的沙粒的起动风速为5.92m/s.湍流应力水平分量是沙粒起动的主要原因,几乎所有的起沙风,不论是在风洞还是在野外,全是湍流的.所以本文仅考虑水平方向的风速变化,计算水平风速的脉动,其计算公式如下:风速随高度的分布反映了空气剪切力的变化.近地层的风速随高度大致呈对数变化,靠近地面,摩擦曳力使风速变为零,气压梯度使风速随高度增大.在半对数图纸上,在静力中性的条件下风速廓线的对数关系是一条直线;在稳定边界层,风速廓线呈凹面向下;在不稳定边界层,则表现为凹面向上.输沙势又称输沙环境,它反映了风速统计中某一个方位风向在一定时间内的搬运能力,在数值上以矢量单位(VU)表示.计算公式采用Fryberger和Dean的方法,输沙势(DP)和合成输沙势(RDP)[8~10]计算公式:其中,DP为输沙势,矢量单位;V为风速(kn);Vt为起动风速(kn);t为起沙风时间数,一般为观测时段内所观测的起沙风时间数与总观测时间数的百分数.2结果与分析2.1空气湍流特征图2是研究区6次沙尘暴和一个晴天(无沙尘发生)时的风速湍流度特征.从图中可以看出,发生沙尘暴时湍流度比晴天明显增大.沙尘暴发生时,近地层的风速湍流随高度增加先增加后减小,在8~12m高度上达到最大值.下面以4月10日的沙尘暴为例进行详细的说明.4月10日沙尘暴瞬时最大风速为14.42m/s,平均值为7.96m/s,空气的湍流度在25.80%~31.54%之间,近地层的风速湍流度在贴近地表为最小,然后随着高度增加而增加,在地面以上12m左右达到最大值,随后又随高度增加而减小,同时,风速湍流在8~12m之间出现明显的转折.在晴朗天空时,平均风速为3.29m/s,最大风速为7.99m/s,空气湍流度在5.41%~8.54%之间,最大值在地表以上2m左右,比在沙尘暴天气降低了10m左右如图2所示.风速湍流特征跟风速大小、下垫面特征、沙粒的粒径等因素有关.李振山等人用天然沙,平均粒径为0.35mm,通过风洞实验发现挟沙气流脉动速度随高度增加先增加随后减小;Dong等人用筛选的4种粒径的天然沙进行风洞实验,发现沙粒粒径在0.2~0.3和0.3~0.4mm,沙粒的湍流度随高度增加而增加.本文所研究区域的沙粒平均粒径为0.29mm,在沙尘暴过程中,近地层的平均风速大于起沙风.其结果与李振山等人的风洞实验结果有一定的相似性,但与Dong等人的研究结果有些差异,这还有待进一步的野外观测进行验证.2.2植物风速特征风速随高度的梯度分布反映了空气剪切力的变化.在近地层,由于受地表摩擦阻力的影响,风速随高度增加而减小.人们利用风洞对气流经过定床面和动床面的研究较多[13~15],而且,风速廓线在近地层的对数关系也被普遍接受.但是,由于风洞实验仅对不同风速单一风向进行研究,使风洞实验很难完全模拟野外多风向、连续变化风速的风场变化.对于沙尘暴这种恶劣的天气条件下的局地风场变化,利用实测资料则更能反映近地层风速特征.本文对6次沙尘暴发生时8个高度(48,32,24,16,12,8,4,2和1m)的风速资料进行统计分析,以起沙风为界,大于起沙风的风速中选择6组风速,小于起沙风的风速中选择2组,如下图3所示.大于起沙风的风速廓线都是沙尘暴发生期间的风速,而小于起沙风的风速廓线是沙尘暴发生过后的风速.从图中可以看出,8组风速廓线均可以划分为3部分:0~4m属于下部,这部分受地表摩擦阻力最大,而且随着风速的增大,风速梯度变化逐渐减小;4~12m为中间部分,此部分风速梯度变化最大;12m以上为上部,其风速梯度变化最小.总的来说,近地层的风速廓线是一个不连续函数,风速与高度之间3个不同的对数函数,它们的斜率和截距不同,从而反映了不同的空气动力学粗糙度和摩阻风速.对8组风速廓线进行分组,大于5.92m/s的风速廓线代表沙尘暴发生时的风速廓线,而小于5.92m/s的风速廓线代表没有沙尘暴时的风速廓线.对于没有发生沙尘暴的风速廓线,随着高度的变化规律与发生沙尘暴时的风速廓线之间存在明显的差异.对于没有发生沙尘暴时的风速廓线,0~4m下部的变化规律与发生沙尘暴时一致;存在差异的主要在4~12m的中间部分,其风速并不是随高度增加而是发生了逆变,如图3所示;在大于12m的上部,其变化规律也有差异,风速梯度比大于起沙风的梯度大的多呈斜线上升.2.3沙粒运动特征(ⅰ)输沙势.输沙势又称输沙环境,反映了风速统计中某一个方位风向在一定时间内的搬运能力在数值上以矢量单位(VU)表示.输沙玫瑰图是反映输沙势的理想手段.根据该观测场2006年气象资料统计,该地区4月份主风方向为西北风,输沙势为21.04VU.我们从6次沙尘暴中选择影响最深刻4月10日为例,对沙尘暴发生时近地层的输沙势进行探讨.在这次沙尘暴中,总输沙势为6.30VU.Wang等人对中国沙漠地区的输沙势进行了分析,得到腾格里沙漠的年输沙势为28~121VU.而我们分析2006年4月10的沙尘暴期间的风速资料得到的输沙势为6.30VU,其占4月总输沙势的29.94%.分析造成不同结果的原因为所用的风速数据的采集频率不同Wang等人所用的数据为国家气象台站的数据,一方面为国家气象台站远离沙漠,其不能代表沙漠地区的实际风速情况,另一方面是受研究手段的限制以前的国家气象台站数据都为10min的平均值.对于研究沙漠地区的输沙势来说,用10min的平均值必然导致降低了计算值.根据Stout等人野外观测的结果,由于风速的间隙性,在5min的时间间隔里,能造成沙粒运动的的风速很少有超过50%的.同时,Pearce等人利用1a的风速资料来分析使用“Fryberger”方法计算输沙势的误差来源,使用连续和时间间隔小的风速能够很好的降低误差.本文所使用的风速数据时间间隔很短(1s(30s)),这样就能够更加真实的反映该地区的输沙势.由于地形等因素对风速和风向的影响,在沙尘暴事件中,风速风向并不是单一的,也就导致存在不同方位上的输沙势,在此次沙尘暴中,输沙势主要集中在西与西北之间,占总输沙势的88.06%,而又以西北方向为主,为4.25VU,占中输沙势的67.43%.如图4所示.(ⅱ)风沙流通量.风沙流通量,也称为风沙流结构,表征空气中沙粒随高度的变化特征,在风沙科学中占据重要位置,是风沙理论和防沙工程实践的重要内容.人们对风沙流特征的研究方法有室内风洞实验和野外观测,室内风洞实验能够模拟单风速风向情况下的风沙流通量,但在实际自然环境中,单一风速风向环境很少;而对于野外观测,由于观测手段不一,时间序列短,所得数据难以进行对比.目前,输沙量模型大致可以分为3类:指数分布型、上部符合指数分布但近床面偏离指数分布;后者又可以分为偏大型和偏小型.指数分布型表达式可以表示为其中,q为高度h处的输沙率;h为高度;a,b为系数,随着风速变化而变化.对6次沙尘暴期间所观测的风沙流通量数据平均,所得结果如图5所示.并对观测值进行拟合,结果完全符合指数分布型.拟合曲线与实测值相关性好,R2都大于为0.98.拟合函数的系数如表1.(ⅲ)风沙流方位变化.在野外实际环境中,由于地形等因素的影响,风速、风向具有多变性,这给野外实际观测风沙流通量带来诸多不便.为了避免这些因素的影响,我们使用全方位定点集沙仪,定量的研究风沙流空间分布特征及规律.由图6可以看出,6次沙尘暴发生时,不同方向所收集的沙尘质量不同.分析其原因主要是由于在沙尘暴发生时,风向脉动造成的.在沙漠地区,近地层风向的脉动主要受地形的影响.在收集积沙数据时,全方位定点集沙仪在地面以上0.5m,当地沙丘高度为3~20m,这就造成近地层的风向在一定的范围内摆动.(ⅳ)风蚀风积特征.风蚀是沙尘暴发生的前奏地表沙粒在风力作用下形成风沙流,风沙流在运动过程中在风力和颗粒相互碰撞作用下在地表运动运动的沙粒既有堆积,又有侵蚀,当风速大于起沙风时,沙粒脱离地表,形成风蚀,当运动沙粒遇到沙丘或障碍物时,风速降低,风沙流开始堆积.在流动沙地和沙漠化严重的地区,年风蚀深度一般大于3mm,最强者大于5mm,按照扎切尔(D.Zachar,1982)的分级标准,处于重度风蚀.地表的风蚀和风积过程不仅受风速的影响,而且还受地表形态、沙粒特征、下垫面特征的影响.沙尘暴发生的时间不同,其对地表的风蚀和风积作用也不一样.表2是2006年6次沙尘暴对沙漠地区地表的风蚀和风积深度统计结果.地表风蚀和风积在一定范围内存在变异性,风蚀和风积同时存在,我们选择4月10日的沙尘暴来说明这个问题.图7是观测场内200m×200m面积内观测的风蚀和风积特征,由图7可以看出,沙尘暴发生时,地表的风蚀和风积交替进行.在一定范围内,既有风蚀又有风积.2.4太阳辐射和暴雨(ⅰ)近地层温湿度变化特征.温度是空气的重要热力特性之一,也是影响气流运动的主要因素,空气中的温度梯度直接影响空气密度,既可以造成空气的湍流运动,也可以加大风速,从而引起地表的风沙运动.沙尘暴对大气的影响过程实质上是沙尘消光冷却和吸收加热两个相反过程的共同作用.定性而言,这两种作用的最终效果基本上使边界层大气降温.下面仅对4月10日的沙尘暴对近地层温湿度的影响进行分析.4月10日的沙尘暴发生在上午9:30左右,空气的温度逐渐上升,当沙尘暴发生后大概在上午10:00左右,温度就开始下降,而在下午14:50至15:50之间,温度上升大概1℃左右.这主要与太阳辐射有关,如图8所示,在这个时段内太阳总辐射增加了,空气加热,温度上升.在15:50分以后空气温度一直下降,大概到11月4日凌晨2:30左右气温急剧下降,这主要与降雨有关.在沙尘暴事件中,由于强对流过程的动力贡献常引起一定的降水过程发生.同时由于冷锋过境和大气的辐合作用,沙尘暴到来时大气湿度也会猛增,如图9所示.空气相对湿度在沙尘暴发生前一直下降但是在沙尘暴发生后大概10:31~10:50之间湿度开始上升,在10:50之后湿度持续下降,但下降的趋势比较平缓,在4月11日凌晨2:30左右开始降雨,空气的相对湿度又开始上升.开始降雨,空气的相对湿度又开始上升.(ⅱ)太阳辐射变化.由于大量的沙尘物质弥漫在大气中,形成了一个“沙罩”,这个“沙罩”可以散射和吸收太阳辐射,从而改变地球表面的辐射平衡,这种由于“沙罩”而改变地球辐射平衡的程度与沙尘物质的浓度、组成、物理特性以及沙层的垂直通量等因素有关.在沙尘暴过程中,沙尘暴对辐射影响的动态过程研究结果还存在分歧,这主要是由于对沙尘过程中空气中的沙尘物质的特性缺乏定性的了解,但总的来说,沙尘过程能降低太阳辐射.沙尘暴发生时,空气中的尘埃物质增加,不仅造成能见度下降,同时尘埃物质增加了对太阳光的反射和散射.由图8可以看出,在未发生沙尘暴之前,太阳总辐射一致处于上升状态,在早上8:00时总辐射为222.1W/m2,到沙尘暴发生时(9:30左右),达到558.1W/m2,当发生沙尘暴时,太阳的总辐射开始下降,一直减小到0以下.3风速与沙流的关系沙尘暴对近地层环境的影响是局地的、短期的,随着沙尘暴的爆发或到达而表现出来,并随着沙尘暴的结束或过境而很快消失.但这种短期的灾害性天气,它对整个天气动力过程产生影响,同时对人们生产和生活所带来的危害无法估量.为此,在沙尘暴发生过程中,局地近地层的环境特征如何变化?怎样变化?则值得我们去探讨和研究.本文仅就从这个角度出发,探讨沙尘暴发生时近地层的变化特征,这对于制定沙尘暴防御措施提供理论和技术上的依据.在沙尘暴发生时,近地层的空气特性发生明显变化,主要表现在空气湍流度增加,空气湍流度最大值的高度比没有发生沙尘暴时高.同时,在发生沙尘暴时,近地层的风速廓线随高度的变化规律与未发生沙尘暴时的风速廓线之间存在明显的差异.对于没有发生沙尘暴时的风速廓线,0~4m下部的变化规律与发生沙尘暴时一致;存在差异的主要在4~12m的中间部分,其风速并不是随高度增加而是发生了逆变;在大于12m的上部,其变化规律也有差异,风速梯度比大于起沙风的梯度大得多,呈斜线上升.输沙势是评价一个地区风力搬运沙子潜在能力的一个重要指标,但以往的研究在评价沙漠地区的输沙势时,主要采用远离沙漠地区的国家气象台站的资料,这就容易造成计算误差.本文通过对沙漠地区沙尘暴发生期间输沙势的计算,得到了与前人不同的结果,分析造成不同结果的原因为所用的风速数据的采集频率不同,前人所用的数据为国家气象台站的数据,一方面为国家气象台站远