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博士研究生学位论文博士研究生学位论文 题目 科尔沁沙地科尔沁沙地起沙特征及其参数化起沙特征及其参数化 的的实实验验观测观测研究研究 姓 名 李晓岚 学 号 10904883 院 系 物理学院大气与海洋科学系 专 业 大气物理学与大气环境 研究方向 大气边界层和大气湍流 导师姓名 张宏升 教授 二 一四 年 三 月 版权声明版权声明 任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人 未经本论文作者同意 不得 将本论文转借他人 亦不得随意复制 抄录 拍照或以任何方式传播 否则 引 起有碍作者著作权之问题 将可能承担法律责任 摘摘 要要 风蚀起沙过程是构成沙尘循环的首要环节 是沙尘输送和沉降的基础 对全 球生物 化学和物理循环具有重要影响 精确定量获取沙尘通量是沙尘研究中最 重要的问题之一 风蚀起沙的物理过程非常复杂 获取真实合理的起沙关键参量 存在困难 综合分析风蚀起沙的影响因子尚有不足 不同机制引起的起沙过程 包括跃移起沙和对流起沙的对比研究较少 尤其是对流起沙的观测及参数化的研 究明显不足 中国北方科尔沁沙地地区开展了长期沙尘天气综合观测实验 本研 究利用2010年12月至2011年11月期间的观测资料 定量准确获取沙尘通量 精细确 定起沙阈值参量 综合分析气象 湍流和土壤要素对起沙的影响 对比研究该地 区跃移起沙和对流起沙的起沙特征 建立跃移起沙参数化方案 开展对流起沙参 数化方案的精细验证和对比研究 研究结果表明科尔沁沙地地区 1 沙尘浓度和通量存在明显的季节变化特征 具体表现为春季数值最大 以跃移起沙为主 通量可达 100 g m 2 s 1以上 与春季强风天气有关 夏季偏低 对流起沙发生频繁 通量基本小于 20 g m 2 s 1 冬季最低 土壤冻结可抑制起沙 过程 此外 由于土壤湿度的变化范围较小 对起沙的季节变化影响不明显 2 确定跃移起沙过程临界起沙摩擦速度的范围为 0 40 0 60 m s 1 基于摩 擦速度和对流速度尺度两个变量建立简单的跃移起沙参数化方案 该方案可反映 沙尘通量的变化趋势 数值上存在低估 同时该方案表明跃移起沙受湍流动力作 用的影响远超过湍流热力作用 后者可忽略不计 3 对流起沙受湍流热力作用的影响明显 摩擦速度始终小于临界起沙阈值 利用观测资料对一种新的对流起沙参数化方案开展精细校验 获取适用于该地区 的模式调整参量取值 与基于风洞试验的经验参数化方案相比 该方案得到的沙 尘通量与观测结果较为接近 推荐使用该方案 关键词 关键词 沙尘天气 对流起沙 跃移起沙 起沙临界阈值 参数化方案 科尔沁 Observation and Parameterization on Dust Emission over Horqin Sandy Land Area Xiaolan Li Ph D program for Atmospheric Physics and Atmospheric Environment Approved by Prof Hongsheng Zhang Department of Atmospheric and Oceanic Sciences School of Physics Peking University Beijing 100871 P R China Abstract Dust emission is one of the important components of dust cycle and the basis of dust transport and deposition It has significant influence on the global biological chemical and physical processes The precise estimation on dust emission flux has become the core subject in dust research and it is also difficult to be achieved because the physical processes involved in the dust emission are very complex There are a range of impact factors influcing dust emission however the comprehensive study of the factors is not enough It is rare to comparatively investigate on the chareacteristics of dust emission caused by different physical mechanisms namely saltation bombardment and or aggregation disintegration dust emission SADE and convective turbulent dust emission CTDE and it is even poorer on the observation and parameterization of the latter one A comprehensive experiment on dust sand events was carried out in Horqin Sandy Land area in northern China The data from Dec 2010 to Nov 2011 were used to obtaine dust emission flux determine its thresholds and study the effects on dust emission by different meterological turbulent and soil parameters The SADE and CTDE events are selected to investigate their characteristics The paramterization on SADE is established based on two parameters friction velocity u and convective velocity scale w A new CTDE paramterization scheme is validated using Horqin observations and is compared with an old emperical scheme The main conclusions obtained in the Horqin site are as follows 1 Dust concentration and dust emission flux have the seasonal varations The values of them are mostly large in spring mainly due to strong winds and SADE occurs most frequently with SADE flux larger than 100 g m 2 s 1 at times The values are relatively small in summer and the occurrence of CTDE is frequent with flux usually less than 20 g m 2 s 1 The values are the smallest in winter becuase the freezing soil effectively depress dust emission The soil moisture dosen t change enough during the whole period to effect dust emission 2 The threshold friction velocity for SADE is determined to range between 0 40 and 0 60 m s 1 The relationships between SADE flux and u and with or without w are established base on 14 SADE events in 2011 spring The simple paramterizations of SADE can capture the variation trend of SADE flux but have an underestimation at times Meanwhile the two paramterizations indicate that the dynamic effect is more significant than thermal effect by turbulence on the SADE process the latter can be ignored for SADE events 3 The value of u is always less than u t in CTDE events The CTDE flux has positive correlation with w but not with u A new CTDE parameterization scheme is validated throughoutly using the Horqin data The value of an important model parameter is determined for Horqin Sandy Land area In the comparision with an empricial CTDE scheme based on the wind tunnel experiment the new CTDE scheme has a good ability to calculate the CTDE flux in some CTDE events and it is recommedented here Keywords Dust sand event Covective turbulent dust emission CTDE Saltation bombardment and or aggregation disintegreation dust emission SADE Threshold dust emission friction velocity Parameterization scheme Horqin 目 录 I 目目 录录 1 引言 1 1 1 研究背景 1 1 2 起沙机制与影响因子 3 1 2 1 物理机制 3 1 2 2 影响因子 4 1 3 起沙关键参量的获取 6 1 3 1 临界起沙阈值 6 1 3 2 水平跃移沙尘通量 10 1 3 3 起沙通量 12 1 4 起沙方案的对比与校验 18 1 4 1 起沙方案的对比研究 18 1 4 2 起沙方案的观测校验 20 1 5 研究目的 21 1 6 论文结构 23 2 实验观测 25 2 1 测站概况 25 2 2 观测项目 26 2 3 数据处理 28 2 4 本章小结 29 3 研究方法 30 3 1 湍流通量的获取 30 3 1 1 空气动力学法 30 3 1 2 涡动相关法 32 3 2 地表粗糙度的获取 33 3 3 对流速度尺度的获取 34 3 4 本章小结 34 4 起沙特征的季节变化 36 目 录 II 4 1 气象要素和土壤环境 36 4 1 1 风速和风向 36 4 1 2 气温 土壤温度和比湿 38 4 1 3 土壤湿度 降水和净辐射 39 4 2 沙尘浓度及其影响因子 41 4 2 1 沙尘浓度 41 4 2 2 沙尘天气等级划分 42 4 2 3 影响因子 44 4 3 起沙关键参量 47 4 3 1 速度尺度和感热通量 47 4 3 2 沙尘通量 49 4 4 本章小结 51 5 不同起沙机制条件下的起沙特征 52 5 1 跃移起沙特征 52 5 1 1 沙尘参量和气象要素的演变 52 5 1 2 临界起沙阈值的确定 55 5 2 对流起沙特征 57 5 2 1 基本特征 57 5 2 2 统计特征 59 5 3 本章小结 61 6 起沙参数化方案的观测研究 63 6 1 跃移起沙参数化 63 6 2 对流起沙参数化 66 6 2 1 方案概述 66 6 2 2 输入参数 68 6 3 观测与模拟 70 6 4 本章小结 74 7 结论和展望 76 7 1 主要结论 77 目 录 III 7 2 创新点 78 7 3 研究展望 78 参考文献 80 研究生期间的主要研究工作 94 致 谢 97 图目录 IV 图目录图目录 图 2 1 科尔沁沙地沙尘天气实验站的地理位置 代表实验站 北京 通辽 26 图 2 2 科尔沁沙地沙尘天气实验站的 a 全景图和 b 测站周围的卫星遥感图 26 图 4 1 科尔沁沙地地区 2010 年 12 月至 2011 年 11 月 a 10 m 高度风速和 b 风向的时间变化 36 图 4 2 科尔沁沙地地区 a 冬季 2010 年 12 月 2011 年 2 月 b 春季 2011 年 3 5 月 c 夏季 2011 年 6 8 月 和 d 秋季 2011 年 9 11 月 各 风速等级 U 3 m s 1 3 U 6 m s 1 6 U 9 m s 1 的风向 玫瑰图 37 图 4 3 同图 4 1 但为 a 4 m 高度的气温 Ta b 5 cm 深度的土壤温度 Ts和 c 4 m 高度的比湿 q 39 图 4 4 同图 4 1 但为 a 5 20 50 cm 深度的土壤含水量 smc b 地面降水 量和 c 净辐射 Rn 40 图 4 5 同图 4 1 但为 a 3 m 和 b 18 m 高度小时平均的沙尘质量浓度和 c 月平均浓度的时间变化 41 图 4 6科尔沁沙地地区 2010年12月至2011年11月观测期间各月发生不同强度沙 尘天气的沙尘日数 沙尘天气强度按每日时均沙尘浓度最大值 Cmax分为三类 200 Cmax 400 g m 3 400 Cmax 500 g m 3 44 图 4 7 科尔沁沙地地区 a 冬季 2010 年 12 月 2011 年 2 月 b 春季 2011 年 3 5 月 c 夏季 2011 年 6 8 月 和 d 秋季 2011 年 9 11 月 日最 大时均沙尘浓度 Cmax 纵轴表示 和气温 Tamax 横轴表示 以及风速 Umax 色 标表示 的关系 46 图 4 8 同图 4 7 但横轴表示每天时均土壤含水量的最大值 SMCmax 46 图 4 9 科尔沁沙地地区 2010 年 12 月至 2011 年 11 月 a 摩擦速度 u b 对流 速度尺度 w 和 c 感热通量 Hs的时间变化 47 图 4 10科尔沁沙地地区实验站附近不同季节不同风向近中性条件下地表粗糙度的 变化 a 冬季 b 春季 c 夏季 d 秋季 北风 风向 270 或风 图目录 V 向 90 南风 90 风向 0 和不稳 定 z L 1000 m 的蠕移运动 沙粒 60 d 1000 m 的跃移运动和尘粒 d 60 m 的悬浮运动 蠕移运动 是指较大尺度的土壤微粒由于所受重力作用大于空气动力的抬升作用而不能脱离 地表 只有当空气动力大到一定程度或微粒受到外力作用 如跃移颗粒落回地面 时的撞击作用 时 才可能沿地表滚动或滑动 中等尺度的微粒 包括沙粒和由 尘粒聚合形成的小团块 在一定大小的风速 或摩擦速度 下 当空气动力大于 其所受重力和粒子间粘性力的合力时 沙粒可被抬升到离地表一定高度处 几厘 米到几十厘米 但当空气动力减小到不足以克服沙粒所受重力时 沙粒便会以相 对水平线一个很小的锐角迅速下落 此为跃移运动 何清等 2012 较小尺度的 细微粒 主要是尘粒 其内部的粘性结合力起支配作用 在这个力的束缚作用下 尘粒一般不会被空气动力直接抬升脱离地表 Shao et al 1993 但当沙粒做跃移 第一章 引言 4 运动并对地表产生较强的冲撞作用时 尘粒间的粘性力遭到破坏 此时空气动力 取而代之占据支配地位 使得尘粒可以被释放到大气中 尘粒一旦脱离地表进入 大气中便会扩散开来 粒子间粘性力的束缚作用随之几乎完全消失 由于其所受 重力远远小于空气动力的作用 因而会被抬升到很高的地方并悬浮于空中 这就 是尘粒的悬浮运动 这三种运动形式在观测中多次得以证实 Cooke 和 Warren 1973 凌裕泉和吴 正 1980 Anderson 和 Haff 1991 Nalpanis et al 1993 刘贤万 1993 其中 跃移 运动不仅是沙粒最重要的运动形式 而且对能够远距离输送的尘粒也非常重要 空气动力直接拖曳作用 沙粒的跃移撞击和土壤聚合体的分裂是尘粒释放的三个 机制 Shao 2008 研究表明 Shao et al 1993 地表尘粒排放量在很大程度上 并不直接依赖于空气动力的输送 而取决于沙粒的轰击 Shao et al 1993 由于 u t较小 沙粒容易被空气卷入大气边界层 产生跃移运动 沙粒打击地表时克服 小颗粒之间的相互作用力 将小颗粒带入大气边界层 并在湍流作用下扩散到大 气中 由此 对于一定类型的地表土壤 其能否因风蚀而引起尘粒的排放 在很 大程度上取决于地表的沙粒能否进行跃移运动 通常情况下 尘粒不仅直接存在 于地表土壤中 而且还覆盖在较大粒子 沙粒等 的表面 形成土壤聚合体 沙 粒的跃移运动 一方面可以使直接存在于地表土壤中的尘粒因碰撞而悬浮于空中 另一方面 在碰撞过程中 土壤聚合体受到撞击而破裂 覆盖在其表面的尘粒也 会被剥落而悬浮在空中 Shao 2001 曾庆存等 2007 提出了沙尘进入大气边 界层的阵风扬尘机理 阵风三维相干结构可使风沙边界层内的沙尘克服冷锋天气 系统的下沉气流 不断上扬到大气边界层的中上层 再由中上层和其上系统的上 升气流 将沙尘带到对流层 扩散并向远方输送 1 2 2 影响因子影响因子 对于风蚀起沙的诸多影响因子 国内外已有很多研究 Woodruff 和 Siddoway 1965 把地表土壤的风蚀起沙量用土壤侵蚀度 地表粗糙度 气候因子 盛行 风向的田地长度 或宽度 和植被覆盖等五个因子表示 建立了半经验的土壤风 蚀方程 Gillette 和 Passi 1988 认为 地表的风蚀起沙量是风速和地表状况 包 第一章 引言 5 括土壤水分和地表植被等 的函数 已有的许多风蚀起沙模型表明 如 Marticorena 和 Bergametti 1995 Lu 和 Shao 1999 Shao et al 1996 地面风蚀起沙量的计算 主要受摩擦速度 u 或风速 U 和临界起沙摩擦速度 u t 或临界起沙风速 Ut 的 影响 其中 u t主要受风速和地表粗糙度的影响 u 主要受粒子尺度 土壤水分 植被覆盖以及土壤硬度的影响 申彦波等 2005 大气边界层的结构和风速分布是影响风蚀起沙的重要因素 Park 等 2010a 在蒙古戈壁沙漠地区观测到沙尘 PM10 质量浓度与风速的相关系数为 0 80 李 晓岚和张宏升 2012b 研究了科尔沁沙地地区不同沙尘天气 扬沙 沙尘暴 强 沙尘暴 沙尘浓度与摩擦速度的关系 估算了临界起沙摩擦速度 热力不稳定的 大气层结有利于沙尘暴的发生和加强 Shao 2008 朱好和张宏升 2010a 其对大 气边界层高度的影响也决定了沙尘浓度的垂直分布 Park 等 2011 的研究表明 冷季 12 月 次年 3 月 大气边界层高度数值相对较低 对流活动较强时有利于沙 尘粒子脱离地表被释放到大气中 使近地面层沙尘浓度数值有所增加 而暖季 4 11 月 边界层高度增加明显 更多的沙尘粒子向高空输送 导致近地面层沙 尘浓度数值有所降低 冬季气温低于 0 时 土壤冻结作用大大降低了表层土壤的 可蚀性 严重抑制了起沙过程 Li 和 Zhang 2012 Kang et al 2013 起沙过程对地表土壤颗粒的粒径分布非常敏感 地表土壤粒径分布在不同地 区存在较大差异 即使在一次沙尘暴天气过程中 其分布也会随时间发生变化 Shao 2008 沙尘天气过程中 往往随着时间的推移 地表比较松散的土壤颗 粒越来越少 可提供的用于跃移撞击的粗粒子也逐渐减少 Sand Supply Limitation Gillette 和 Chen 2001 Gillette 和 Ono 2008 获取地表土壤粒径谱分布对于准 确描述起沙过程非常重要 也是某些起沙参数化方案 Shao 2001 2004 中所必 需的输入参数 然而 由于地表土壤粒径分布在不同地区的差异较大且不便直接 观测 如何准确描述沙尘粒径谱分布现在仍然是一个难题 土壤湿度是影响沙尘释放的另一个重要因子 其影响主要通过以下几方面 第一 土壤湿度的增加可以使土壤颗粒所受到的粒子间粘性力增大 大量研究结 果表明 土壤湿度增加到一定程度时会抑制起沙过程 如 Chepil 1956 贺大良 第一章 引言 6 和申建友 1988 Shao 和 Raupach 1992 Ravi et al 2006 尤其对于粘土成分含量 较高的土壤地区的影响最为明显 F can et al 1998 第二 土壤湿度增加会改变 地表土壤粒径分布 更多的小颗粒粘合成土壤聚合体或直接粘附在土壤聚合体上 使地表土壤粒径分布向大粒径方向移动 Mikami et al 2005 Ishizuka et al 2009 第三 土壤在湿润的情况下 其含有的溶解盐和有机质也会影响沙粒间的内聚力 导致地表出现结壳现象 从而影响沙粒的运动 Zobeck 1991 Sterk et al 1999 Rajot et al 2003 Ishizuka et al 2008 也有学者认为 对于干旱和半干旱地区 由于太阳辐射较强 蒸发作用明显 由降水等过程带来的水分在表层土壤中滞留 的时间较短 土壤湿度通常低于能够明显影响起沙的土壤湿度 在这些地区观测 表明土壤湿度和沙尘暴的发生并不存在明显的关系 Park et al 2010a Li 和 Zhang 2012 Sharratt 等 2013 指出土壤湿度低于 6 14 体积比时对 u t影响很 小 地表植被可以通过改变地表粗糙度影响起沙过程 Tegen 等 2002 的模式敏 感性试验结果表明 亚洲沙尘暴的强度与当地植被的季节变化有很大关系 Engelstaedter 等 2003 利用全球 2400 多个气象台站的能见度观测来研究沙尘暴 发生频率与植被的关系 结果表明 沙漠 裸地 灌木地和低矮草地地区的沙尘暴 发生频率分别为 60 80 20 30 2 4 天 年 观测亦表明 沙尘暴天气与叶面积归 一化指数 NDVI 存在较好的相关性 尤其在内蒙古中部和东部地区呈现出明显 的季节和年际变化 Zou 和 Zhai 2004 Park et al 2010b 植物落叶对来年春季 的起沙过程有抑制作用 Kang et al 2014 沙尘模式中考虑植被的影响及其季节 变化 可在一定程度上改善起沙的模拟结果 Park et al 2010b 1 3 起沙关键参量的获取起沙关键参量的获取 1 3 1 临界起沙临界起沙阈值阈值 临界起沙摩擦速度u t 或临界起沙风速Ut 是地表沙粒开始运动时所需的最小 摩擦速度u 或风速U 早期学者利用风洞实验开展起沙阈值的获取及其影响因 子的研究 Bagnold 1941 Kawamura 1951 Zingg 1953 Iversen and Rasmussen 第一章 引言 7 1994 然而 真实大气中湍流和热力层结的存在限制了风洞实验获取真实大气状 况下的起沙阈值 因此野外试验的开展变得尤为重要 不同的起沙判据导致野外 试验获取起沙阈值方法的不同 方法之一是沙粒跃移撞击法 需要同步观测风速 和沙粒的跃移活动 Belly 1964 Stout and Zobeck 1996 Gillette et al 2004 Mei et al 2006 Gillette and Ono 2008 Sow et al 2009 Ishizuka et al 2009 另一种依据微气象学法 利用近地面层沙尘浓度或者能见度作为判断起沙的指标 沈志宝等 2003 申彦波等 2004 张宏升等 2007 沈建国等 2008 然而 由于沙粒跃移活动的间歇性 地表状况的复杂性及土壤粒径不均一等原因 准确 确定起沙阈值具有难度 目前已有学者通过野外试验观测获取不同沙源地区的起 沙阈值 如戈壁沙漠地区 Ishizuka et al 2005 2009 朱好和张宏升 2010a Li and Zhang 2011 草原下垫面 Shinoda et al 2010 农田地区 申彦波等 2004 等 不同沙源地区的起沙阈值存在差异 不仅反映了不同下垫面的特征 也与起沙阈值定义 仪器架设高度 数据时间分辨率以及所涉关键参数 地表粗 糙度z0和零值位移d和u 的计算方法有关 Ishizuka et al 2009 Stout 1998 此外 也有学者通过统计分析地面气象站风速及沙尘天气的记录资料 Kurosaki and Mikami 2007 或者卫星资料 Shinoda et al 2010 获取区域范围甚至全球范 围的起沙阈值分布 弥补了野外试验观测的不足 沙尘模式中对临界起沙摩擦速度 u t的确定多采用参数化的方法 考虑到土壤 环境等诸多影响因子 u t通常表达为 0 tsctsc ud wsudf w ff s 1 1 其中 0t u是直径为 ds的沙粒在干燥 无植被覆盖等理想状态下的最小临界起沙摩 擦速度 f w f 和 c f s分别是土壤水分 地表粗糙度 地壳硬度 与土壤含 盐量有关 等相关修正函数 这些函数值一般都大于或等于 1 可以根据理论分析 和野外观测确定 对于理想状态下的临界起沙摩擦速度 u t0 Bagnold 1941 提出了一种忽略 粒子间粘性力 仅考虑风力和颗粒所受重力平衡的理想状态下的计算临界摩擦速 度 u t0的方法 该方法得到的 0t u仅与跃移颗粒的粒径 ds和土壤颗粒密度 p有关 第一章 引言 8 0 p tss a udAgd 1 2 其中 A 是常数 与临界雷诺数 Re t有关 a是空气密度 g 是重力加速度 然而 对于粒径较小的土壤颗粒 粒子间粘性力往往不能忽略 Greeley 和 Iversen 1985 考虑粒子所受空气拖曳力 重力和粒子间粘性力的合力 认为公式 2 中 A 可表 达为 1 ts AAF ReG d 1 3 其中 A1是常数 t F Re是空气拖曳力 与雷诺数有关 s G d是与粒子间粘性力 有关的函数 利用风洞试验结果 Iversen and White 1982 较好地验证了改进后 公式的可用性 得到 1 4 1 5 2 5 1 2 1 0 006 as G dgd 1 6 其中 粒径 ds的单位为 mm g 9 8 m s 2 a 1 2 kg m 3 然而 Greeley Iversen 方案中的粒子间粘性力与雷诺数有关 实际观测中无法 直接获取 Marticorena 和 Bergametti 1995 将干旱地区环境下的雷诺数与颗粒粒 径简化为指数关系 间接描述了粒子间粘性力的影响 而 Shao 和 Lu 2000 则在 理论和观测的基础上直接将粘性力表达为颗粒粒径的线性函数 其结果显示 u t0 随着粒径的减小而迅速增大 u t0的最小值出现在 75 m 附近 表明在 75 m 之后 随粒径减小 粒子间粘性力作用的增强以及粒子所受重力影响的减弱 同时 Shao 和 Lu 2000 指出当沙尘粒径减小时 由于影响颗粒间作用力的因素变得复杂 u t计算的不确定性增大 对于土壤水分修正函数 f w F can 等 1998 利用不同土壤条件下的观测 第一章 引言 9 数据 拟合了土壤湿度与土壤中粘土含量之间的关系 Marticorena 和 Bergametti 1995 基于 F can 等 1998 的结果 提出土壤水分修正函数 认为其与土壤水 分和土壤中粘土成分的含量有关 1 1 r b rr ww f w a wwww 1 7 2 0 0014 0 17 r wclayclay 1 8 其中 w 是土壤水分体积含量 a 和 b 是经验系数 分别取 1 21 和 0 68 Darmenova et al 2009 wr是临界土壤水分含量 与粘土含量有关 当土壤水分含量低于 wr w 对 u t没有影响 Shao 和 Raupach 1992 风洞实验的结果认为土壤水分修正因 子与土壤湿度呈幂指数关系 并给出了另外一种修正函数表达式 Shao 1996 22 7 w f we 1 9 Zhao 等 2006 基于公式 9 进一步修正 22 7 95 32 209 0 03 0 03 w w ew f w ew 1 10 对于地表粗糙度修正函数 f 当风力作用于植被和其它不可蚀粗糙元上时 粗糙元消耗风的动量 即应力分配为作用于粗糙元上的剪切力和作用于地表的剪 切力 Marticorena 和 Bergametti 1995 利用风蚀有效分数 00 s f zz来表征地表粗 糙度的对 u t的影响 00 s f zz是地表的整体空气动力学粗糙度 z0和可蚀地表的空 气动力学粗糙度 z0s的函数 0 0 00 0 8 0 ln 1 ln 0 7 s s s z z f zz h z 1 11 其中 h 为未扰动地表土壤粒径分布中第一模态 粗模态 质量中值粒径的 1 30 单位 cm 该方案仅适用于地表粗糙度较小 z0 1 cm 且粗糙元为固体的下 垫面 Raupach 等 1993 提出了另一种同样考虑固体粗糙元的修正公式 Shao 2004 通过选取合理的系数值 引入植被等非固体粗糙元的影响 将地表分为裸露地表 第一章 引言 10 和植被覆盖地表两部分 扩大了公式的适用范围 0 50 50 50 5 1 1 1 1 11 BB vvvvvvBBBB vv fmmmm AA 1 12 其中 是一个粗糙元的空气拖曳系数与无粗糙元地表空气拖曳系数之比 是粗 糙元前后面积之比的倒数 m 为取值范围为 0 1 之间的常数 与下垫面切应力的时 空变化有关 是粗糙元的密度 上述变量的下标 v 代表植被 B 代表裸地 1 3 2 水平跃移沙尘通量水平跃移沙尘通量 水平跃移沙尘通量 Q 是沙粒跃移强度 q 沿高度 z 的积分 即 0 z Qq z dz 量纲 为 g m 1 s 1 其物理意义是指单位时间内单位宽度从地表到积分高度处所形成平面 与水平风向垂直 内的沙粒质量 Shao and Lance 1997 研究发现 90 的跃 移粒子集中在 0 3 0 87 m 的范围内 60 80 集中在 0 05 0 1 m 平均跃移高度 大约为 0 63 m Dong et al 2004 Butterfield 1999 沙粒跃移撞击是导致起沙 的主要机制之一 沙粒跃移强度 q 的垂直分布影响起沙通量 野外观测或风洞试验通常对不同高度处 q 的观测值进行公式拟合 进而估算 Q Butterfield 1999 Liu and Dong 2004 Liu et al 2006 多数观测表明 q 随 高度变化呈幂指数衰减 Williams 1964 Fryrear and Saleh 1993 风速适中或 较强时 随风速的增大和粒子尺度的增加 衰减率相对减小 但跃移高度有所增 加 Butterfield 1999 Ni et al 2002 Dong et al 2002 2004 也有学者发 现 q 随高度变化呈指数衰减 Dong et al 2004 Dong and Qian 2007 此外 有学者发现在塔克拉玛干沙漠地区这两种衰减规律都与观测结果不符 Chen et al 1996 对于只包含单一粒径尺度的土壤 表1 1给出了不同学者计算Q的经验公式 何 清等 2012 其多于u 和u t有关 其中Owen方程最常用 Owen 1964 此后 有学者考虑了飞溅效应 Splash effect 对Owen模型的影响 Anderson and Haff 1991 McEwan and Willets 1991 Shao and Li 1999 Shao和Li 1999 发展的 模型得到的风速和动量通量的垂直分布与风洞试验的结果较为一致 并给出了有 第一章 引言 11 效粗糙度的取值 Shao 2005 提出了一种相似性跃移模型 可以确定跃移层内 沙粒浓度和质量通量的垂直分布以及动量输送规律 该规律与粒子尺度 地表粗 糙度和摩擦速度有关 该模型涉及两种极端情况 一种是在弱湍流中大粒子的跃 移 另一种是强湍流中的小粒子的跃移 前者的垂直分布为幂指数分布 后者满 足高斯分布 其余情况下 修正后的跃移兼具两种分布的特点 多尺度情况下的 水平跃移通量垂直分布是不同尺度粒子各自分布的加权平均 根据Shao 2005 的相似性模型 可以建立非均一的跃移模型 该模型可以较好地描述2002年4月塔 克拉玛干沙漠南缘粒子尺度分布和总输沙率 Shao and Mikami 2005 Gillette和 Ono 2008 考虑了跃移过程中随着时间的推移地表沙粒数目减小会使跃移通量减 小 对Owen方程进行了修正 引入的修正因子A的取值范围在1 10之间 A值越小 表明可提供跃移的沙粒数目越不足 风洞实验研究结果表明 富含泥土和粘土的 土壤 A的取值在0 25 1之间 细粒子组成的聚合体或者表面结壳的土壤 取值在 0 0 25之间 表表 1 1 水平跃移沙尘通量水平跃移沙尘通量 Q 的计的计算公式 引自何清等 算公式 引自何清等 2012 作者 公式 参数说明 Bagnold 1941 3 1 d QCu D g d为沙粒粒径 D 250 m 为标准粒径 为空气密 度 s为沙粒密度 g为 重力加速度 P为某种正 态分布概率 b和N为指 数 C1 C2 C7为系 数 分别取1 8 2 78 0 83 0 25 0 025 4 2 0 0004 Kawamura 1951 2 2 tt QCuuuu g Zingg 1953 0 753 3 d QCu Dg Owen 1964 4 2 4 1 t uu QC gu Kadib 1965 3 0 5 5 1 s s gdP QC P Lettau 1978 2 6 N t d QCuuu Dg Sorensen 1991 7 7 6205 tt QCu uuuu 第一章 引言 12 1 3 3 起沙通量起沙通量 野外试验获取起沙通量的方法主要有三种 即沙尘浓度梯度法 粒子数浓度 计算法和涡动相关法 使用梯度法计算沙尘通量最早是由 Gillette 1977 提出的 假设质量较小的 尘粒可以完全跟随气流运动 将尘粒类似看做 CO2等标量气体 Nickling and Gillies 1989 1993 利用不同高度的沙尘浓度梯度资料 结合风速梯度观测资料利用空 气动力学方法计算起沙通量 F 结果显示 F 多于 u 存在 n 次方的关系 n 2 5 张宏升等 2007 采用梯度法计算了浑善达克沙地春季不同天气条件下的沙尘通 量 并得到 F 近似与 u 的 3 次方成正比 Sow 等 2009 利用不同高度的分粒径 的沙尘采样仪基于梯度法计算了多粒径档的起沙通量 并指出在某一风蚀过程中 F 的大小由地表粗糙度和摩擦速度决定 较强的对流沙尘暴过程起沙通量中的极细 粒子含量远高于强度较弱的沙尘暴过程 表明空气动力学条件确实影响风蚀起沙 中沙尘粒子的初始尺度分布和沙尘通量数值 利用单层粒子数浓度观测获取起沙通量需要基于一定假设 即假定在采样高 度上水平方向的粒子数浓度基本相同 由地面向上的沙尘粒子数垂直通量的变化 是造成单位体积元中粒子数变化的唯一原因 进而计算沙尘通量 沈志宝等 2003 利用采样高度为 2 m 的 Yamatronics 便携式粒子计数器测量敦煌戈壁沙地不同粒径 范围的粒子数浓度 计算分析了 2002 年 4 月敦煌地区两次沙尘暴过程中戈壁沙地 的起沙通量 以及地面起沙通量的尺度分布 在两次强度较弱 持续时间较短的 沙尘暴天气过程期间 戈壁地区的平均起沙通量为 1 58 10 8 kg m 2 s 1 最大起沙 通量为 2 77 10 8 kg m 2 s 1 地面起沙通量中 73 以上为粒径大于 5 0 m 的大粒子 沈建国等 2008 参考沈志宝等 2003 的方法 利用宽范围颗粒谱仪 WPS 测量 到的某一高度上的粒子谱 得到朱日和地区 属干旱草原地区 沙尘暴和扬沙两 次沙尘天气期间的平均起沙通量分别为 6 0 10 8 kg m 2 s 1和 4 14 10 8 kg m 2 s 1 利用风速和沙尘浓度的快速响应仪器获取风速和沙尘浓度的脉动 进而直接 采用涡动相关法获取沙尘通量 刘艳华 2006 采用涡动相关法获取了浑善达克 第一章 引言 13 沙地地区的起沙通量 并分析了沙尘的湍流宏观统计规律 Fratini 等 2007 采用 涡动相关法获取了中国北方阿拉善沙漠地区 0 26 7 00 m 间不同粒径档的起沙通 量 结果表明 该地区的起沙通量的粒径贡献主要集中在 1 5 3 0 m 间 其次为 0 7 1 0 m 该方法具有一定的局限性 在沙尘浓度较高且湍流较强时结果较为可 信 而在浓度较低或者湍流较弱时的观测精度明显降低 这一缺陷可以通过探测 沙尘浓度时取消粒子稀释操作而部分抵消 通常情况下 将粒子束浓度增加 20 倍 即可得到满足需求的探测精度 此外 该方法的局限性还表现在湍流较强时 光 学粒子计数器本身在粒径区分上的能力有限以及粗粒子接头动态取样 sub kinetic sampling 存在的误差有所升高 Fratini et al 2007 Schmidt 和 Klemm 2008 采用涡动相关法得到了德国西北部 M nster 城内的粒子数通量的谱分布 实际在沙尘模式中计算起沙通量需要依赖起沙参数化方案 按照不同起沙方 案的复杂程度可分为 和 三类 Shao 和 Dong 2006 按照单一粒径还是多 粒径范围 可分为整体起沙方案 bulk dust emission scheme 和分粒径起沙方案 size resolved dust emission scheme 按照起沙方案的物理机制可以分为以下几种 1 半经验的起沙参数化方案 表 1 2 给出了一些学者基于观测和理论研究得到的半经验的参数化方案 Gillette 和 Passi 1988 在考虑地表土壤风蚀起沙物理机制的基础上 试验研究了 在不同条件下地表的临界起沙摩擦速度 并按照 Bagnold 1941 提出的指数关系 通过拟合试验资料 给出了相应的起沙模型 Westphal 等 1987 1988 得到了 F 与 u 成 4 次方正比的关系 并满足谱分布形式 1 5 d dlogFrr 其中 r 为沙尘粒径 Marticorena 和 Bergametti 1995 基于 Gillette 1977 的观测数据 通过拟合 F Q 的比值和粘土含量比例提出了一种基于土壤中粘土成分含量的起沙方案 Liu 等 2003 考虑了热力稳定度对起沙通量的影响 这一因子包含在 u 的计算中 In 等 2002 2003 借鉴 Westphal 等 1987 沙尘 PM10 通量和谱分布结果 根 据美国地质调查局 USGS 对植被类型的分类 定义不同植被类型的沙尘释放消 减因子 R 给出了模式网格内 0 1 30 m 粒径范围的起沙通量 刘伟东等 2007 综合考虑地表条件 如土地利用 土壤类型 植被覆盖和土壤湿度等 定义了起 第一章 引言 14 沙系数 S 用于改进沙尘模拟中的起沙通量 Zender 等 2003 考虑了大尺度范围 的气候因子的影响 可利用卫星数据来调节公式中的某些参数 控制模式的输出 表表 1 2 起沙通量起沙通量 F 的半经验参数化方案的半经验参数化方案 作者 公式 当 t uu 参数说明 Gillette 和Passi 1998 Westphal 等 1987 4 1 t FCuuu 经验常数 C 约为 1 4 10 15 g cm 6 s3 Marticorena 和 Bergametti 1995 0 01exp 0 30813 82 c FQ c 为土壤中粘土成分含量百分比 Liu 等 2004 54 1 42 10FAu A 为模式网格中可蚀性土壤所占比例 In 等 2002 2003 144 1 5 2 10 ii i Ff Ru fi和Ri分别为第i种类型植被的覆盖面 积比例和植被消减因子 刘伟东等 2007 4 FKS u K 为比例系数 为 u 非线性影响系 数 为地面比湿参数 S 为起沙系数 表示土壤类型和植被状况等的影响 Zender 2003 1 I jmi j i FTA S QM i 为模态 j 为粒径级 I 3 T 为全球 调和因子 与气候学模拟有关 Am为 可蚀地表百分比 为跃移冲击效率 S 为沙尘源区可蚀性因子 2 基于粘合能量概念的起沙参数化方案 考虑到尘粒间的粘合能量对起沙过程的影响 Shao 等 1993 提出了粘合能 量 的概念 并给出了公式 d e k m gQ F 1 13 其中 系数 e 等于两个因子的乘积 一个因子表示跃移撞击能量中用于破坏粒子 间粘性力所需的能量比例 另一因子表示跃移撞击的强度 e 的大小实质上取决 于 u 和跃移粒子的大小 ds 和 k 分别为粘合能量和尘粒释放时具有的初始动能 公式 1 13 的难点在于粘合能量 无法通过观测或理论研究得以精确估算 基 于一定的观测事实 Shao et al 1996 和假设条件 可将公式 1 13 简化为如下 第一章 引言 15 形式 2 t d FQu 1 14 其中 ds dd 是跃移粒子尺度ds和土壤尘粒尺度dd有关的无量纲的经验函数 k 与尘粒的临界摩擦速度有关 基于风洞试验结果 Shao 等 1996 给出 5 10 1 25ln 3 28 exp 140 70 37 sd dd 1 15 Alfaro 等 1997 2001 考虑到尘粒之间的结合能 将沙粒跃移通量模式和跃 移冲击作用模式结合 建立了一个沙尘释放模型计算给定土壤