塔里木盆地塔中地区风蚀起沙过程监测与分析

塔里木盆地塔中地区风蚀起沙过程监测与分析

在风蚀和沉积物形成过程中，风聪可以提供一个可控环境，便于详细研究和系统，但在某些方面，它无法模拟野外自然环境的条件，例如自然状态下的沉积物输送过程、外部风速的轮廓变化、水流和方向的自然变化。因此,有必要开展野外风蚀起沙观测试验,了解不同自然边界条件及土壤状况条件下风蚀起沙发生的过程及其呈现的一系列的复杂变化特征。20世纪30—40年代,Bagnold、Chepil、Milne等通过野外沙漠观测试验与田间试验研究了土壤风蚀的动力机制及影响因子。20世纪60年代,Chepil、Woodruff、Siddoway、Owen、Gillette等学者通过野外观测试验,研究了地表土壤风蚀起沙的物理机制、影响因子及风蚀起沙量风速(或摩擦速度)、地表状况(包括土壤水分和地表植被等)的关系并建立了数学模型。20世纪90年代以来,利用观测试验数据建立风蚀起沙的定量模型成为风沙物理学研究的突出特点。Gillette等研究了沙漠地区的沙尘的水平通量、垂直通量、风速以及他们之间的关系。Stout、Zobeck等通过WOLFFORTH区域的野外试验研究了得克萨斯州西部平原风蚀起沙过程。Shao等学者通过在澳大利亚沙漠开展长期的外场试验,建立了较为完善的起沙输送数值模式。我国学者朱振达、吴正、牛生杰、岳平、黄富祥、成天涛、申彦波等学者[9,10,11,12,13,14,15]对我国不同区域沙漠的起沙风速及临界摩擦速度进行了观测研究,并给出了较为确切的数值。为了了解塔克拉玛干沙漠野外状态下风蚀起沙的特点,在沙漠的腹地塔中地区开展了风蚀起沙观测试验,测量了风蚀发生过程中空气温湿度及土壤湿度的变化、跃移沙粒撞击数的变化、贴地层风速廓线的变化。藉此希望能更好地认识空气温湿度与土壤湿度对风蚀起沙的影响;野外条件下风蚀过程中风速廓线变化及塔中地区的起沙风速与临界摩擦速度。1土壤湿度观测系统利用塔中风沙观测场,对发生在2008年7月21日的一次沙尘天气过程进行了观测。观测场位于两大沙垄之间的平坦沙地上,周边下垫面为流沙地表,地表土壤平均粒径为136μm,粉砂及粘土平均含量1.5%,细砂与极细砂平均为88.8%,中砂以上为9.7%。观测场安装了风蚀传感器(H11-LIN,Sensit),贴地层梯度风速仪(WAA151,Vaisala)(图1)。参照国际惯例,风蚀传感器安装高度为5cm、10cm,用于探测贴地层跃移沙尘颗粒的撞击数量和撞击动能;贴地层梯度风速仪安装高度为5、10、20、50、100、200cm,并在200cm处安装了空气温湿度传感器(HMP45D,Vaisala)。风蚀传感器,贴地层梯度风速仪,空气温、湿度等数据的测量、采集、运算和存储都是24h连续进行,均由数据采集器完成(CR1000,Campbell)。数据分为秒级、分钟平均及小时平均。土壤湿度的观测在塔中气象站开展,该站距离观测试验场的直线距离为2.2km。文中所用时间均为地方时间,与北京时间相差约2.4h。2结果分析2.1年气温和风速特征地表风蚀起沙不仅受风速的影响,还受空气温度和相对湿度的影响,二者通过影响大气的物理属性进而影响沙尘颗粒的运动。图2给出了此次沙尘天气发生过程中2m高度气温与相对湿度。由图2可知沙尘天气在达到沙尘暴(11:29)之前的时段气温变化较大,呈持续上升趋势,从8:00的30.0℃升至33.0℃左右;沙尘暴发生之后,气温变化表现较为平稳,13:30左右达到当天观测到的最高气温33.8℃,随后气温逐步降低。相对湿度与之相反,在天气尚未发展到沙尘暴前迅速下降,沙尘暴发生之后保持相对平稳,然后随着气温的降低逐渐升高。该地区7月晴天的日最高气温一般出现在14:00—15:00之间,而该天我们观测到的最高气温则出现在13:30左右。比对图4发现,在天气未到达沙尘暴前风速相对较小,跃移沙粒的量也较少,此时空气中的沙尘较少,对太阳辐射的影响较弱,近地面持续增温,空气湿度下降;沙尘暴发生之后,风速较大,跃移沙尘颗粒的量也显著增多,空气中沙尘粒子增加,通过影响太阳辐射而减缓了近地面增温的速度,也使空气湿度维持较稳定的状态;13:30左右出现这次沙尘天气过程的最大风速,而跃移沙尘颗粒数也急剧增加,更多的沙尘颗粒被吹到空气中,对太阳到达近地面辐射的衰减作用更强,从而造成近地面空气温度开始下降,空气湿度增加,空气温湿度的日变化规律被打破。2.2地表及地表风蚀起沙地表土壤湿度是影响风蚀起沙的重要因子,沙尘颗粒在湿润情况下,能增加自身的粘滞性,增强颗粒之间的团聚作用,进而改变沙尘颗粒脱离地表的临界摩擦速度、起动风速以及风蚀起沙量。图3给出了观测期间地表5cm、10cm深度的土壤体积含水率。一般来讲,对风蚀起沙影响最大的应该为地表5cm深度以上土壤的物理特性。由图3可知,沙尘天气发生过程中5cm深度的土壤体积含水率一直为0,地表土壤极为干燥。10cm深度土壤体积含水率虽然达到了20‰以上,但是地表风蚀起沙发生前后几乎没有发生变化,一直维持在23‰~24‰的水平。由此可以说明,观测期间地表土壤湿度对风蚀起沙的影响作用可以忽略不计。2.3显著活动风速下的撞击风是促使地表发生风蚀起沙的最直接动力因素,风速的变化也决定着地表起沙量及沙尘输送的变化。图4给出了沙尘天气过程中风速与跃移沙粒数的变化。由图4可以看出,8:00左右近地面风速很小,仅3~4m/s,此时风蚀传感器没有测到撞击沙粒,地表没有发生沙粒跃移运动。随着时间的推移,风速迅速变大,气温持续升高,空气湿度在降低,在9:20左右风蚀传感器测到了第一个跃移撞击颗粒,此时的风速已升至6.0m/s左右。之后风速维持在7m/s左右的平稳状态,跃移撞击颗粒数也一直在50以下波动。在13:30左右风速突然增大,升至9.0m/s以上,气温也达到一天中的最大值。此时,近地面湍流的热力与动力作用都达到了巅峰,跃移撞击颗粒数也迅速升高,分钟撞击数达到300颗左右。然后风速下降,跃移撞击颗粒数减少。16:00—18:20没有测到跃移撞击颗粒。18:20—18:40风速又增大至9.0m/s左右,但只测到较少的跃移撞击颗粒数。从图2可知,日最高气温出现在13:30以后,空气温度一直处于降温的过程,空气湿度处于增大过程。虽然18:00以后风速再度增大,但是由于热力作用已经衰减,空气湿度增大,抑制了沙尘颗粒运动,导致起沙量比沙尘天气开始时减少。由此可见,起沙能衰减太阳到达近地面的辐射,使空气温度降低,空气湿度增加;空气温度降低,使湍流的热力作用减小,空气湿度增大,增强地表沙尘颗粒间的粘沾性,抑制风蚀起沙的发生。风蚀起沙与空气温湿度之间存在显著的互相影响互相制约关系。为了更加直观地认识沙尘天气过程中风速与风蚀起沙的关系,把观测到的数据分成了四个时段,见图5。图5不但较为清楚地提供了每个时段第一个跃移撞击颗粒出现时的风速,而且出现了一个很有趣的现象。在第一时间段(9:00—11:00),当风速在5.0~6.0m/s时,风蚀传感器测到跃移撞击颗粒,地表开始发生风蚀;在第二时间段,风速小于6.0m/s时,传感器没有测到跃移撞击颗粒,风速在大于6.0m/s时地表才发生风蚀;这样的趋势在下面的两个时段被重复,到第四时间段时,风速在7.0m/s以上地表才出现风蚀现象。这充分说明此次沙尘天气过程中,起沙风速是一个变化的值,随着时间的延续呈现逐步增大的趋势。这与Chepil、Gillette、Stout等人在农田里观测到的结果恰恰相反。农田里风蚀起沙发生时风会逐渐地把地表的结皮破坏,使得地表风蚀发生更加容易,所以农田上的起沙风速是逐渐降低的。沙漠地区出现这种趋势,首先应该与沙尘天气发生过程中空气温湿度等微气象的变化有关;其次与观测场下垫面为流沙,无结皮覆盖有关,在不考虑外部沙源输入的情况下,表层的沙粒更细小,含水率及紧实度也小,所以沙尘天气开始发生时需要较小的风速,沙粒就可以脱离地面而发生风蚀,随着地表细小沙粒被吹走,地表剩下的多为较粗的颗粒,此时需要较大的风速才能被吹离地表,同样的风速下起沙量相应减少。2.4风蚀起沙前后的风速变化近地表风速廓线可表征近地表气流运动变化的特点。特别是风蚀起沙过程中,由于运动沙粒参与其中,使得风速廓线成为气固二相流的产物,与净风状态下风速廓线的分布有着显著的区别。图6给出了观测试验期间,地表风蚀起沙发生前(8:00),开始起沙(10:00),发生中(12:00)及风蚀最严重时(14:00)的1h平均风速廓线。由图6可知,风蚀起沙前,风速较小且随高度变化较小,200cm高度与5cm处风速仅相差0.7m/s;随着风蚀起沙的开始,整体风速变大,风速随高度变化的幅度越大,上下层风速的差值也越大,风蚀起沙最严重的14:00时,2m高度与5cm处的风速相差达2.5m/s。特别是5、10、20cm三层风速随着起沙量的增加变化更为剧烈,沙粒运动对风速的影响作用显著。风蚀起沙过程中的风不再是净风,而成为挟沙气流,由于沙粒的密度远大于空气的密度,此时沙粒就会产生较大的阻力,从而影响到风速的分布变化,此时的风速廓线已不再遵循对数分布规律。挟沙气流中大部分沙粒运动主要集中在20~30cm高度以内的范围,且浓度分布变化很大,这就使得5、10、20cm三层风速的变化更为剧烈。2.5塔中地区的风蚀传感器适用性临界摩擦速度ut*是风蚀起沙研究中一个非常重要的参数,对于沙尘天气的预警预报意义重大。对于一定粒径的沙粒,临界摩擦速度与土壤性质、地表植被状况以及土壤湿度有关。图7给出了此次观测试验期间H11-LIN型风蚀传感器所测跃移沙粒撞击数与摩擦速度。由图可知,当u*在0.25m/s左右时,风蚀传感器开始测到沙尘跃移撞击颗粒,意味着地表已经发生了风蚀;随着u*的增大,沙尘撞击颗粒数增加,地表起沙量越大,风蚀越严重。由此,夏季塔中地区的临界摩擦速度在0.25m/s左右。当然,由于风蚀传感器灵敏度的原因,不排除有较小沙粒已经起动脱离地表而风蚀传感器监测不到的情况。为了验证H11-LIN型风蚀传感器在该地区的适用性,利用Shao的理论公式进行了比对,其表达式为:式中,AN、ε为经验常数,分别取0.0123、300kg/s2;σ为沙粒密度(2650kg/m3);ρ为空气密度(1.23kg/m3);g为重力加速度,塔中地区近似地为9.7975m/s2;d为沙粒粒径(单位为μm),塔中地区为136μm;H(ω)、R(λ)分别表征地表土壤水分与植被覆盖对风蚀起沙的阻碍作用,在塔中地区这两者都可以忽略不计,其值取1。把各参数带入(1)式进行计算,得到塔中地区沙粒起动的临界摩擦速度u*t为0.24m/s,与风蚀传感器所测的值几乎一致,由此表明H11-LIN型风蚀传感器可较好地用来监测塔中地区的沙粒运动。3应用风蚀传感器的可行性此次观测试验只是沙漠腹地一次风蚀起沙过程的观测,观测所得的结果也仅仅是这次风蚀事件中表现的一些特征,更多可以更全面地了解风蚀事件中微气象、地表、土壤及风速关系的工作还有待于进一步开展。通过H11-LIN风蚀传感器的观测,初步确定了沙漠腹地野外状态下的最小临界摩擦速度与本次天气过程中不同时段2m高度的最小起沙风速。通过与经验公式计算的结果进行比较证明,利用H11-LIN风蚀传感器确定的最小临界摩擦速度具有一定的可信性。这证实了H11-LIN风蚀传感器在塔中地区有较好的适用性,可以用来开展沙粒跃移运动精细化观测试验,可为野外观测风沙活动提供一种新的方法与手段。具体结果如下:(1)风蚀起沙与微气象是一个互相影响互相制约的变化过程。起沙衰减太阳到达近地面的辐射,使空气温度降低,空气湿度增加。空气温度降低,使湍流的热力作用减小;空气湿度增大,增强地表沙尘颗粒间的粘沾性,抑制风蚀起沙的发生。(2)在此次观测试验过程中,我们观测到的最小起沙风速为6.0m/s左右,同时发现沙尘天气过程中,起沙风速是一个变化的值,随着时间的延续呈现逐步增大的趋势,最小的起沙风速出现在风蚀开始发生的时候。(3)近地表风速廓线及其变化可以揭示近地表气流运动变化及风沙运动特点。风蚀起沙前,风速