渾善達克沙地地區(qū)春季風沙天氣過程中湍流作用與粉塵輸送特征

渾善達克沙地地區(qū)春季風沙天氣過程中湍流作用與粉塵輸送特征

1關于砂源地區(qū)從動態(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)獨特的自然災害自然災害。20世紀以來,科學工作者開展了沙漠化及沙塵暴時空分布、成因、結構以及監(jiān)測與對策方面的大量研究,并對沙塵暴的產(chǎn)生條件、環(huán)流形勢、時空分布、分析預報、沙塵粒子的物理化學特征、長距離輸送、局地觸發(fā)機制以及起沙機制的數(shù)值模擬等多方面的研究取得進展[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。近年來,由于觀測手段的不斷改進,提高了沙塵模式中輸入?yún)?shù)的準確性。然而由于缺乏沙源地區(qū)沙塵通量的直接測量和計算,對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,地氣交換過程是影響沙塵進入大氣的重要和關鍵因素之一。研究起沙與微氣象學條件的關系,是理解沙塵暴形成和輸送的重要基礎。目前,對起沙過程的實驗與研究,以及沙塵通量定量測量的報道較少。渾善達克沙地位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟,是中國沙塵暴源地之一,該地區(qū)常年干旱,多大風,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)。本文利用渾善達克沙地南緣地區(qū)2004年春季開展的沙塵暴加強觀測實驗資料,采用空氣動力學方法,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速等氣象要素的關系,為沙地地區(qū)起沙機制研究提供一定基礎。2高效液相氣象觀測平臺沙塵暴加強觀測實驗區(qū)位于渾善達克沙地南緣,平均海拔1250m,東部約10km處為農(nóng)田。沙塵暴加強實驗的觀測平臺為20m高的氣象觀測塔,觀測項目主要包括:風向、4層風速、溫度和濕度廓線、輻射和沙塵濃度探測,以及風速、溫度和沙塵質(zhì)量濃度湍流探測。實驗觀測為24h連續(xù)、自動觀測,自動記錄,在對探測數(shù)據(jù)嚴格的質(zhì)量控制基礎上,進行30min滑動平均處理。3沙區(qū)溫度、濕度特征根據(jù)近地面層Monin-Obukhov相似性理論,近地面層風速、溫度和濕度等氣象要素梯度與湍流通量參數(shù)的關系,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。同時設定:沙塵通量數(shù)值為正值表示沙塵向上輸送,負值表示向下輸送。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)量濃度隨時間的變化關系。3月12—13日和24—25日無云或少云,最大風速在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1000μg/m3以上,27日、28日沙塵暴時段內(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倍比率遞增關系較為一致,3月27日強沙塵暴過程中平均沙塵濃度較錢正安等的結果偏低,這可能與沙塵采樣儀的采集上限為1000μg/m3有關。4.1理論和模擬對比圖2給出了渾善達克沙地地區(qū)3月13—16日和25—28日近地面層湍流粘性率KM和湍流熱傳導率KH隨時間的變化關系。可見,KM和KH呈現(xiàn)明顯的日變化特征,揚沙天氣峰值出現(xiàn)時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,表明渾善達克沙地地區(qū)春季非沙塵天氣過程熱力湍流作用強于動力作用,湍流熱力交換起主要作用,與孫繼明等在沙漠地區(qū)得到的結果類似。3月15—16日揚沙天氣的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,湍流熱力作用略強于動力作用;3月27日強沙塵暴天氣過程KM和KH的峰值出現(xiàn)時間不同,分別出現(xiàn)在16時和12時左右,數(shù)值分別為1.1和1.0m2/s,沙塵暴發(fā)生前3h,即13—16時,KM/KH的值大于1.0,最大值達到1.2,說明沙塵暴發(fā)生前有很強的動量下傳,動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日渾善達克沙地地區(qū)動量通量隨時間的變化曲線。非沙塵天氣近地層動量通量數(shù)值較小,峰值小于0.3N/m2;揚沙天氣動量通量有明顯增加,峰值達到0.8N/m2;沙塵暴天氣動量通量峰值達到0.7—0.9N/m2。孫繼明等給出的沙漠地區(qū)晴空、揚沙天氣和沙塵暴等天氣過程動量通量峰值分別為0.39N/m2、1.08N/m2和1.45N/m2。渾善達克沙地地區(qū)3種天氣條件下動量通量的峰值均小于沙漠地區(qū),從一個側面說明渾善達克沙地地區(qū)較小的動量通量即可產(chǎn)生沙塵。王根緒等亦曾給出中國西北內(nèi)陸不同下墊面風蝕塵的組成和通量,并證明干旱末期的湖床和退化的草場對空氣中沙塵含量增加的貢獻大于沙質(zhì)沙漠。圖4給出了2004年3月13—17日和25—29日期間渾善達克沙地地區(qū)感熱通量和凈輻射隨時間的變化關系。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。對比3月15—16日和27—28日兩次沙塵天氣過程,揚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,一方面由于揚沙天氣時天空多云,而沙塵暴天氣時天空少云或無云;另一方面,揚沙過程持續(xù)時間長,包括太陽輻射和感熱交換最強烈的中午和午后,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間的變化關系。揚沙天氣,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。揚沙和沙塵暴兩次不同類型沙塵天氣過程均顯示:開始時刻有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。沙塵暴天氣的結果相對明顯。其可能的原因有,沙塵天氣發(fā)生時,沙塵粒子脫離地表處于運動狀態(tài),沙塵粒子的運動主要受重力和空氣動力學拖曳力的影響,而空氣動力學拖曳力主要與風速大小有關。風速較大,空氣動力學拖曳力較大,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。隨著風速逐漸減小,空氣動力學拖曳力亦逐漸減小,較大粒子在重力的作用下沉降,較小的粒子則繼續(xù)在空中隨風搬運。因此,沙塵天氣過程開始時,3m高度處沙塵濃度高于15m高度處濃度;隨著風速的減小,3m高度處的沙塵氣溶膠質(zhì)量濃度低于15m高度處濃度。這里為了簡化,假設了渾善達克沙地沙塵粒子密度均勻,粒子重力主要與粒徑有關,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。揚沙和沙塵暴天氣,強度不同,向上輸送的凈沙塵通量亦不同。沈志寶等對2002年4月敦煌地區(qū)兩次強度較弱的沙塵天氣過程中戈壁沙地的起沙率進行了估算,最大起沙率為2.77×10-8kg/(m2·s),與渾善達克沙地2004年3月15—16日揚沙天氣的最大起沙率相當。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、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動態(tài)與風速、速度的關系地表摩擦速度(u*)是確定沙源地區(qū)地表能否起沙的有效判據(jù)之一。風蝕起沙觀測和實驗結果顯示:當u*超過某一閾值時,粒子便會脫離地面進入大氣,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等對比研究土壤可侵蝕性和適應壓力后指出:比較堅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*關系的實驗數(shù)據(jù)一般有較大的分散性,因而F∝u4*和F∝u3*的關系都可以觀測到。渾善達克沙地地區(qū)沙塵通量F的絕對值與摩擦速度的擬合關系(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到的起沙率F與u2*線性關系最好。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速、摩擦速度的關系。圖中虛線右側:沙塵濃度隨風速或摩擦速度的增加而增加;虛線左側,3月16日沙塵濃度分布主要集中在風速小于3m/s和大于7.5m/s兩個區(qū)域,3月27日也有類似的分布。對于前者風速較小的情況,反映了沙塵濃度的背景值;后者風速較大時,與臨近起沙階段相對應。由圖10可以得到揚沙天氣和沙塵暴天氣的臨界起沙風速分別為6.5和5.6m/s,臨界摩擦速度分別為0.43和0.39m/s。可以認為:渾善達克沙地地區(qū)的臨界起沙風速約為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到的臨界起沙風速和臨界摩擦速度分別為7和0.5m/s,略大于渾善達克沙地地區(qū)起沙的臨界值,這與兩個沙源區(qū)不同的土壤粒子尺度分布特征有關,渾善達克沙地的土壤粒子較敦煌沙地的更細。5非砂天氣、揚沙天氣和沙塵天氣過程比較本文利用渾善達克沙地地區(qū)2004年春季沙塵暴加強觀測實驗資料,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,給出了臨界起沙風速和臨界摩擦速度的量值,得到以下主要結論:(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于動力作用,湍流交換以感熱交換為主;沙塵天氣湍流的動力作用明顯增加,較強沙塵暴天氣過程中動力湍流強于熱力湍流,湍流動量交換和感熱交換對湍流交換均有較大的貢獻。在揚沙和沙塵暴天氣過程中,動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,3m高度沙塵濃度數(shù)值高于15m高度,沙塵向上輸送。沙塵濃度達到極大值之后,3m高度沙塵濃度與15m高度數(shù)值相當或偏小,