塔克拉瑪干沙漠塵卷風(fēng)對粉塵氣溶膠貢獻(xiàn)的研究

塔克拉瑪干沙漠塵卷風(fēng)對粉塵氣溶膠貢獻(xiàn)的研究

沙氣溶膠是大氣氣溶膠的主要成分。世界每年約有1000-3000噸沙子氣溶膠的排放量，至少相當(dāng)于總流的氣溶膠總數(shù)的50%。由于其“陽傘效應(yīng)”、“冰核效應(yīng)”和“鐵肥效應(yīng)”對世界的變化和環(huán)境變化產(chǎn)生了重要影響。在以往的研究中，沙氣溶膠主要是受沙漠地區(qū)沙氣候的影響。在天氣系統(tǒng)的大范圍風(fēng)條件下，在附近的風(fēng)中，沙氣將大量的沉積物積聚并向大氣中注入。只有亞洲沙漠地區(qū)才能通過沙進(jìn)入大氣的沙氣溶膠。韓等人提出了一個共同的沙帶沙和一個沙帶沙的聯(lián)合沙帶沙機(jī)制，以及一個沙帶沙的沙帶沙，這共同影響了沙漠地區(qū)沙地中沙子氣的含量。沙機(jī)每年春季都會傳播大量沙機(jī)。在懸浮運(yùn)動波的引導(dǎo)下，它上升到附近空氣的溫度。在偏離邊界層的熱浮力的驅(qū)動下，熱量和空氣量增加，形成一個相對較小的概率。在一定的角度上，形成旋轉(zhuǎn)上升的對稱漩渦，將地板沙和輕小物體向上提升到空氣的相對流層的頂部，即砂帶風(fēng)。對于局部觀測：最大沙量峰直面積超過100m，持續(xù)時間超過30分鐘。在一定的角度上形成一個旋轉(zhuǎn)上升的對稱漩渦，可以將地面沙和輕小物體向上提升到相對流的中上部，被稱為沙帶風(fēng)。對于部分熱相對流，沒有形成標(biāo)準(zhǔn)的沙帶風(fēng)，被稱為沙障風(fēng)。根據(jù)野外觀察，最大沙量峰直徑約100m，連續(xù)30min，形成總循環(huán)趨勢趨勢1.5.7.5m。s。一個大的沙障可以將大約3000公里的沙子顆粒帶到高層，而直徑約100m的沙障峰可以將大約1500公里的沙子流入大氣。炎熱的夏日沙漠區(qū)每100米就會上升約250kg。研究結(jié)果表明，沙障和灰塵吹動風(fēng)對世界沙氣溶膠的貢獻(xiàn)約為35%。美國大陸約65%的沙氣出口來自灰塵和灰塵的羽毛。沙阿拉沙漠區(qū)超過30%的沙子被灰塵和干熱的顆粒輸送至空氣。顯然，沙障風(fēng)對大氣中沙氣溶膠含量的影響不容忽視。本文依據(jù)塵卷風(fēng)熱力學(xué)理論和方法,利用中國北方沙漠地區(qū)地面及大氣邊界層的觀測資料,計算塵卷風(fēng)對大氣沙塵氣溶膠的貢獻(xiàn)并分析了塵卷風(fēng)與太陽輻射之間的關(guān)系.在此基礎(chǔ)上,以我國最大的沙塵源區(qū)—塔克拉瑪干沙漠為例,進(jìn)一步估計該地區(qū)塵卷風(fēng)與沙塵暴過程對大氣沙塵氣溶膠的貢獻(xiàn)比例.1學(xué)習(xí)方法和數(shù)據(jù)收集1.1有效作用面積塵卷風(fēng)熱對流運(yùn)動的熱機(jī)理論指出決定塵卷風(fēng)強(qiáng)度的主要因素是熱力學(xué)效率:式中:ZCBL為對流邊界層的高度;Th為地面溫度;Γad為絕熱遞減率(Γad=10K/km).塵卷風(fēng)發(fā)生時的有效作用面積S=S總uf0d7uf073,S總為塵卷風(fēng)發(fā)生區(qū)域的總面積,uf073為有效起沙面積比率:無量綱的機(jī)械能摩擦損耗系數(shù)μ≈12~24,地面到對流邊界層頂?shù)膲簭?qiáng)差△P=uf072airgZCBL,空氣密度ρa(bǔ)ir=1kg/m3,重力加速度g=9.8g/m2,驅(qū)動塵卷風(fēng)的熱量流Fin≈(11±5)kW/m2,對流邊界層有效太陽輻射時間尺度TR≈9×105s.1.2對流邊界層高度塔克拉瑪干沙漠地表溫度資料來自中國國家氣象局.太陽輻射日變化和月均變化資料分別來自極端干旱荒漠區(qū)的野外觀測試驗(yàn)資料和中國國家氣象中心歸檔的原始?xì)庀笥涗泩蟊砑捌湫畔⒒a(chǎn)品.對流邊界層高度來自塔克拉瑪干沙漠周邊地區(qū)對流邊界層高度的觀測資料[18,20,21,22,23,24,25]其中缺少2月和11月的對流邊界層高度資料(圖1),其擬合函數(shù)為:式中:H表示對流邊界層高度;M表示月份.式(3)的擬合值與觀測值相關(guān)系數(shù)R2=0.908,通過SPSS軟件分析得Sig.=0<0.05,即擬合方程顯著.2結(jié)果分析2.1太陽卷風(fēng)熱力效率的日變化塔克拉瑪干沙漠觀測到的塵卷風(fēng)日變化呈單峰型(表1),早上9:00開始出現(xiàn),13:00~15:00出現(xiàn)的最為頻繁,然后開始下降,18:00后基本沒有觀測到塵卷風(fēng)的出現(xiàn).由公式(1)可知塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率是對流邊界層高度和地表溫度的函數(shù)對流邊界層高度和地溫資料來源于2000年5月29日至6月9日敦煌荒漠戈壁夏季晴天進(jìn)行的陸氣相互作用野外加強(qiáng)觀測實(shí)驗(yàn),因此利用這兩個參數(shù)可以計算出塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率日變化(表2).由圖2可知,從9:00~13:00太陽輻射強(qiáng)度不斷增大,在13:00達(dá)到最大值;從13:00之后太陽輻射強(qiáng)度開始逐漸減小.在太陽加熱下,隨著地面熱量累積和釋放,地面溫度從9:00~14:00不斷升高,在14:00時達(dá)到了最大值,14:00之后開始逐漸降低.熱力學(xué)效率從9:00~14:00迅速增大,在14:00達(dá)到了最大值,14:00~17:00迅速減小.對流邊界層高度和地表溫度是決定塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率的主要因素,而對流邊界層高度依賴于地表及太陽的加熱的作用,所以在14:00地表溫度、對流邊界層高度和熱力學(xué)效率同時達(dá)到了最大值,但滯后太陽輻射強(qiáng)度1h.另外,計算的塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率同觀測的塵卷風(fēng)日變化基本一致,表明利用公式計算的塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率可大體反映真實(shí)塵卷風(fēng)的日變化.2.2塵卷風(fēng)的熱力效率與太陽輻射強(qiáng)度的關(guān)系據(jù)1964~1970年南疆戈壁灘上塵卷風(fēng)發(fā)生的統(tǒng)計資料(表3)知:塵卷風(fēng)主要出現(xiàn)在暖季,其中5~8月次數(shù)最多,而12月到次年1月幾乎絕跡.塔克拉瑪干沙漠塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率見表3,其中4月~6月的塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率分別為11%、11.7%和12.2%,美國亞利桑那州圖森地區(qū)4月~6月的塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率分別為10%、10%和12%,兩地計算得出的熱力學(xué)效率值非常接近,說明本文對流邊界層高度的擬合數(shù)據(jù)具有一定有效性.由圖3可知,太陽輻射強(qiáng)度從春季到夏季不斷增大,在春末和夏初達(dá)到最大值,進(jìn)入秋冬季節(jié)后開始逐漸減小.塵卷風(fēng)的熱力學(xué)效率月變化緊密依賴于太陽輻射強(qiáng)度同樣有顯著的季節(jié)性變化規(guī)律:從冬季到夏季熱力學(xué)效率逐月不斷增大,并在夏季7月份達(dá)到最大值12.5%,進(jìn)入秋季后逐月減小,在冬季12月份達(dá)到了最小值2.2%.塵卷風(fēng)的熱力學(xué)效率與太陽輻射強(qiáng)度變化保持了較好的同步性.2.3起沙量的季節(jié)變化一個標(biāo)準(zhǔn)的塵卷風(fēng)和沙塵羽的平均垂直起沙通量分別為0.7g/(m2uf0d7s)和0.1g/(m2uf0d7s),最大起沙通量和最小起沙通量分別為1.13g/(m2uf0d7s)和0.47g/(m2uf0d7s).因塵卷風(fēng)主要出現(xiàn)在白天,所以本文用晝長代表塵卷風(fēng)的起沙時間.塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率由公式(1)計算得出,有效起沙面積比率由式(2)計算得出,有效起沙面積由塔克拉瑪干沙漠總面積(大約33.76×1010m2)與有效起沙面積比率相乘得出,利用塵卷風(fēng)的以上參數(shù)和垂直起沙通量進(jìn)行估算塵卷風(fēng)在塔克拉瑪干沙漠起沙量的月變化(表4).在塔克拉瑪干沙漠中塵卷風(fēng)在不同季節(jié)的平均起沙量分別為:夏季0.4×108t、春季0.3×108t、秋季0.2×108t、冬季0.1×108t.塵卷風(fēng)的年均起沙量、最大起沙量和最小起沙量分別為1.1×108t,1.5×108,0.6×108t.由圖4可知,塵卷風(fēng)的起沙量有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律,春季到夏季起沙量不斷增大,并且在夏季7月達(dá)到了最大值,進(jìn)入秋冬季節(jié)后起沙量顯著減小.地面溫度與塵卷風(fēng)起沙量的月變化保持了顯著的一致性關(guān)系,可以斷定:依賴于太陽輻射強(qiáng)度,塵卷風(fēng)起沙量有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律.沙塵暴是沙漠地區(qū)特有的天氣現(xiàn)象,在塔克拉瑪干沙漠沙暴日數(shù)為5~60d.在塔克拉瑪干沙漠腹地,68%沙塵暴發(fā)生在4~7月份,20%左右發(fā)生于夏季末和秋季,10%以下出現(xiàn)在冬季,但其每次發(fā)生的持續(xù)時間不同.在1997~2002年這6a中,共發(fā)生沙塵暴88次,總持續(xù)時間為306.61h年平均為51.10h.沙漠中的平均垂直輸沙通量的計算差異非常大,從最大40.07×10-7kg/(m2uf0d7s)(塔克拉瑪干沙漠腹地塔中,2008年7月19日)到最小9.95×10-9kg/(m2uf0d7s)(敦煌,2002年4月8日),相差近3個數(shù)量級,因無實(shí)際觀測的垂直輸沙通量,所以無法斷定哪個更符合實(shí)際,但后者同其他地區(qū)在沙塵暴期間計算的輸沙通量更接近,如1.58×10-8kg/(m2uf0d7s)(敦煌,2002年4月13日)、7.52×10-8kg/(m2uf0d7s)(朱日和,2006年3月26日)和4.27×10-8kg/(m2uf0d7s)(朱日和,2006年4月6日).雖然無法確定塔克拉瑪干沙漠沙塵暴期間平均垂直輸沙通量的具體數(shù)值,但根據(jù)以上文獻(xiàn),可大體估算出塔克拉瑪干沙漠中沙塵暴的垂直起沙量的變化范圍(表5).假定沙塵暴波及整個塔克拉瑪干沙漠,那么計算得出塔克拉瑪干沙漠中沙塵暴可能的年最大起沙量為2.5×108t,而最小的年起沙量為0.6×106t.塵卷風(fēng)的年最大起沙量為1.5×108t,最小起沙量為0.6×108t,塵卷風(fēng)起沙量與沙塵暴最大垂直輸沙通量計算的年起沙量相當(dāng),但比其余垂直輸沙通量計算的年起沙量大2個量級,因此塵卷風(fēng)對中國北方沙塵氣溶膠總量的貢獻(xiàn)具有非常重要的作用.3不同季節(jié)動態(tài)3.1依賴于太陽輻射強(qiáng)度變化,塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率有明顯的日和季節(jié)性變化.塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率日變化:熱力學(xué)效率從9:00~14:00迅速增大,14:00達(dá)到最大值,14:00~17:00迅速減小,有與地面溫度同步的日變化規(guī)律,且同觀測的塵卷風(fēng)日變化基本一致;塵卷風(fēng)熱力學(xué)效率季節(jié)變化:從冬季到夏季熱力學(xué)效率逐月不斷增大,并在夏季7月份達(dá)到最大值,然后進(jìn)入秋季和冬季之后開始逐月減小,在冬季12月份達(dá)到了