巴丹吉林沙漠北緣風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)分析

巴丹吉林沙漠北緣風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)分析

沙帶的發(fā)生和發(fā)展是根據(jù)特定的天氣背景和基質(zhì)條件產(chǎn)生的。沙塵天氣的形成、加強(qiáng)以及時(shí)空分布,受到很多下墊面因素的影響。影響沙塵天氣過程的下墊面因素主要包括:植被的組成、結(jié)構(gòu)、覆蓋度;土壤的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、含水量(干燥度);土壤侵蝕強(qiáng)度、表面粗糙度;土地利用狀況、沙漠化狀況、地形地貌等[9,10,11,12,13,14]。近些年來由于土壤風(fēng)蝕導(dǎo)致大氣中沙塵氣溶膠增加更是引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注,但是地表風(fēng)蝕過程又是一個(gè)非常復(fù)雜物理過程,國(guó)內(nèi)外做了大量理論和試驗(yàn)方面的研究,有的是根據(jù)實(shí)際觀測(cè)資料擬合的、有的是根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)的,由于受各自試驗(yàn)條件或觀測(cè)條件的限制,所得結(jié)論差異較大,但其共同之處是:沙流量輸送是風(fēng)速的冪函數(shù);沈志寶等根據(jù)大氣中粒子數(shù)濃度的觀測(cè)資料,分別估算了敦煌地區(qū)戈壁地表在沙塵暴和揚(yáng)沙階段的沙塵排放率;成天濤等利用起沙通量模式和地面起沙半經(jīng)驗(yàn)方案,估算了渾善達(dá)克沙地春季地表臨界起沙風(fēng)速及沙塵通量;陳渭南等對(duì)塔克拉瑪干沙漠的起沙風(fēng)速進(jìn)行了研究,并給出了不同觀測(cè)高度、不同時(shí)距的流體起動(dòng)與沖擊起動(dòng)風(fēng)速的相關(guān)方程;Gillette等根據(jù)地表土壤風(fēng)蝕起沙的物理機(jī)制,指出沙塵排放量是風(fēng)速(或摩擦速度)和地表狀況(包括土壤水分和地表植被等)的函數(shù)。拐子湖位于巴丹吉林沙漠北緣,自然環(huán)境非常惡劣,干旱少雨,風(fēng)沙大。年大風(fēng)日數(shù)近百天,年平均沙塵暴日數(shù)達(dá)30d,歷史最大風(fēng)速為38.0m/s;冬季極端最低-30.7℃,夏季極端最高氣溫44.8℃,沙漠地表溫度可達(dá)80.0℃;歷年平均降水量41.0mm,歷年平均蒸發(fā)量為4217.9mm。干燥、少雨、炎熱、多大風(fēng)是這里的主要?dú)夂蛱卣?。劉景濤的研究指出拐子湖地區(qū)是內(nèi)蒙古強(qiáng)和特強(qiáng)沙塵暴的主要多發(fā)區(qū)之一,同時(shí)也是我國(guó)沙塵暴北移路徑的必經(jīng)之地。蔡雪鵬等指出近30a來拐子湖地區(qū)平均年沙塵暴日數(shù)有30.6d,每年的4月份為沙塵暴發(fā)生最多月份。本文利用巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區(qū)2011年3～5月份的沙塵暴強(qiáng)化觀測(cè)資料,計(jì)算了拐子湖地區(qū)平坦沙地的地表粗糙度、臨界摩擦速度、2m高度的臨界起沙速度等參數(shù),希望這些問題的探討可以為進(jìn)一步研究拐子湖地區(qū)以及內(nèi)蒙古中西部干旱地區(qū)風(fēng)蝕起沙機(jī)制及數(shù)值模擬提供參考依據(jù)。1動(dòng)態(tài)風(fēng)速測(cè)量風(fēng)沙觀測(cè)場(chǎng)位于內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠北緣拐子湖氣象站正南約800m處的平坦沙地上(41°22′N;102°22′E;海拔為960m)。觀測(cè)項(xiàng)目包括地表沙粒躍移、貼地層梯度風(fēng)、貼地層水平輸沙通量等。地表沙粒躍移由美國(guó)Sensit公司生產(chǎn)的H11-LIN型風(fēng)蝕傳感器測(cè)量,儀器安裝高度為5、10cm,可測(cè)量沙塵天氣過程的沙塵撞擊顆粒數(shù)、撞擊動(dòng)能及沙粒運(yùn)動(dòng)速度,結(jié)合貼地層風(fēng)速梯度儀,可求出沙塵天氣過程的起沙臨界摩擦速度。貼地層梯度風(fēng)速的測(cè)量高度為5、10、20、50、100、200cm六個(gè)高度層,風(fēng)向測(cè)量高度為20、200cm兩個(gè)高度,可監(jiān)測(cè)沙塵天氣過程中貼地層風(fēng)速廓線特征。200cm高度安裝有空氣溫、濕度傳感器。觀測(cè)試驗(yàn)為24h持續(xù)進(jìn)行,測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)采集器中,所有的數(shù)據(jù)以小時(shí)、分鐘、秒,三種形式記錄,本文采用分鐘數(shù)據(jù)。觀測(cè)場(chǎng)所在地及周邊下墊面地形平坦,地表為流沙覆蓋,沙紋較大,周邊有極其稀疏,高度約10～30cm的梭梭。對(duì)觀測(cè)場(chǎng)及周邊地表沙樣的粒度測(cè)量表明地表沙樣以中砂、粗砂為主,沙樣平均粒徑為480μm。2參數(shù)的計(jì)算和分析2.1粗糙度的測(cè)量結(jié)果地表粗糙度是現(xiàn)代流體力學(xué)和大氣科學(xué)的一個(gè)非常重要的概念,也是大氣邊界層理論研究的一個(gè)重要參數(shù),指在邊界層大氣中,近地層風(fēng)速向下遞減到零時(shí)的高度(以零值位移為高度起點(diǎn))。它表征地表與大氣的相互作用,反映了地表特征對(duì)大氣湍流的阻抗作用以及對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)的影響。在微氣象學(xué)、小氣候?qū)W、空氣污染氣象學(xué)、動(dòng)力氣象學(xué)以及風(fēng)沙科學(xué)、流體力學(xué)、大氣科學(xué)中占有極其重要的地位并被廣泛地應(yīng)用。確定地表粗糙度z0的方法有多種,包括對(duì)數(shù)廓線法、風(fēng)速比法、曳力法、質(zhì)量守恒法等。根據(jù)試驗(yàn)條件,本文利用風(fēng)速比法來計(jì)算觀測(cè)期間的地表粗糙度。在無風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的床面上大氣呈中性時(shí),風(fēng)速與高度的對(duì)數(shù)值成正比,風(fēng)速對(duì)數(shù)廓線才存在:u=u?klnzz0,(1)u=u*klnzz0,(1)u=5.75u?lgzz0,(2)u=5.75u*lgzz0,(2)式中:u為高度z處的風(fēng)速,u*為摩阻速度,z為高程,z0為地表粗糙度,當(dāng)z=z0時(shí),則u=0,即在高程等于粗糙度時(shí),風(fēng)速為零。根據(jù)上面公式,利用兩個(gè)觀測(cè)高度的風(fēng)速差推導(dǎo)出如下計(jì)算公式:lgz0=u1lgz2?u2lgz1u1?u2lgz0=u1lgz2-u2lgz1u1-u2,(3)觀測(cè)期間無風(fēng)沙運(yùn)動(dòng),大氣呈中性層結(jié)時(shí)的數(shù)據(jù)共有983組。通過比較,本文選取了50、200cm兩層高度的風(fēng)速資料,根據(jù)公式(3)進(jìn)行了計(jì)算。983組粗糙度值z(mì)0的取值范圍為1.0×10-7～9.0×10-1cm,平均值為0.942cm。該值與左洪超在黑河和高志球在巴丹吉林南緣所測(cè)的結(jié)果為同一數(shù)量級(jí)。相比一般流沙地表0.007～0.093cm的地表粗糙度值偏大,考慮到觀測(cè)場(chǎng)周邊地表沙粒粒徑較粗,且沙紋較大,因此本文的計(jì)算結(jié)果是合理的。2.2臨界起沙臨界速度參數(shù)臨界摩擦速度u*t是摩擦速度能否引起地表起沙的臨界值,它表征的是地表對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙能力。由于地表特征包含了機(jī)械和礦物組成、植被和其他粗糙元的覆蓋、水分和鹽分的含量、地形和坡度的走向以及人工管理和利用等諸多因素,對(duì)風(fēng)蝕起沙的影響非常復(fù)雜,在不同條件下的地表其也有很大差異。對(duì)于一定粒徑的沙粒,臨界摩擦速度與土壤性質(zhì)、地表植被狀況以及土壤的含水量有關(guān),所以臨界摩擦速度的準(zhǔn)確計(jì)算比較復(fù)雜。有關(guān)臨界摩擦速度的計(jì)算公式有很多,較為常用的Bagnold和Shao的計(jì)算公式表達(dá)式為:u*t=Aσ?ρρgd?????√,(4)u*t=Aσ-ρρgd,(4)u*t=H(ω)R(λ)AN(σgdρ+ερd)?????????????√,(5)u*t=Η(ω)R(λ)AΝ(σgdρ+ερd),(5)式中:A為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值為0.1,σ為沙粒的密度(2650kg/m3),ρ空氣密度(1.23kg/m3),g為地球重力加速度,近似為9.7975m/s2,d為沙粒的粒徑(μm),觀測(cè)場(chǎng)周邊地表沙粒平均粒徑d為480μm;H(ω)、R(λ)分別表征地表土壤水分與植被覆蓋對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙作用,詳細(xì)計(jì)算見文獻(xiàn)。觀測(cè)場(chǎng)周邊只有零星的低矮的梭梭,因此植被覆蓋度可視為零;觀測(cè)場(chǎng)地表含水量約為3.0‰,小于沙粒含水量是否對(duì)地表起沙起阻礙作用的臨界值5.0‰,即H(ω)和R(λ)值可以視為1。將數(shù)據(jù)代入(4)和(5)式,計(jì)算出觀測(cè)場(chǎng)所在地的臨界摩擦速度u*t分別為0.32m/s和0.36m/s,二者計(jì)算結(jié)果相差不大。這兩個(gè)結(jié)果均比申彥波等得到的敦煌戈壁起沙臨界摩擦速度0.43m/s小,但與敦煌地區(qū)農(nóng)田起沙臨界摩擦速度0.3m/s以及王鵬祥等計(jì)算得到的鹽池地區(qū)起沙臨界摩擦速度0.32m/s接近。敦煌戈壁地表被細(xì)石子和可移動(dòng)的沙粒所覆蓋,粗糙度比較大,所以臨界摩擦速度偏大是正常的。在本文中,我們?nèi)agnold和Shao兩種計(jì)算方法所得結(jié)果的平均值0.34m/s為觀測(cè)期間拐子湖地區(qū)平坦沙地的臨界起沙摩擦速度?？紤]到公式估算具有一定的經(jīng)驗(yàn)性與區(qū)域限制性,為了更加精確的求得拐子湖地區(qū)的臨界摩擦速度,我們同時(shí)進(jìn)行了器測(cè)。圖1是H11-LIN型風(fēng)蝕傳感器所測(cè)躍移沙粒數(shù)與摩擦速度的關(guān)系,從圖中可以看出在摩擦速度小于0.30m/s時(shí),沒有躍移運(yùn)動(dòng)發(fā)生;當(dāng)摩擦速度大于0.30m/s時(shí)沙粒開始發(fā)生躍移運(yùn)動(dòng);摩擦速度達(dá)到0.40m/s時(shí),地表躍移顆粒數(shù)迅速增多。由此我們可以基本確定觀測(cè)期間拐子湖地區(qū)臨界摩擦速度的取值區(qū)間為0.30～0.40m/s,利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果均在此范圍內(nèi)。2.32臨界起沙風(fēng)速大氣邊界層的氣流在運(yùn)動(dòng)過程中,使地面的沙物質(zhì)受到風(fēng)力的作用,并在風(fēng)力增大到一定閾值時(shí),地表顆粒物脫離靜止?fàn)顟B(tài)而進(jìn)入運(yùn)動(dòng),這個(gè)閾值風(fēng)速被定義為臨界起沙風(fēng)速。臨界起沙風(fēng)速是研究風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、解決風(fēng)沙工程問題的關(guān)鍵指標(biāo)之一。它與土壤濕度、植被覆蓋條件等因素有關(guān),同時(shí)因觀測(cè)高度、起動(dòng)性質(zhì)的變化而不同。Bagnold給出了均勻沙的流體臨界起沙速度的計(jì)算方法如下:Ut=5.75Aσ?ρρgd?????√logzz0,(6)Ut=5.75Aσ-ρρgdlogzz0,(6)式中:U*t為起沙風(fēng)速;A、σ、ρ、g、d的含義與取值與上文同;z為計(jì)算高度。把各參數(shù)值代入方程(6),計(jì)算得到拐子湖地區(qū)2m高度臨界起沙風(fēng)速的數(shù)值為4.6m/s。2.4空氣速度的變化摩擦速度是確定地表能否起沙的有力判據(jù),在近地面氣層大體上不隨高度變化,常用u*表示。地表土壤風(fēng)蝕起沙過程實(shí)質(zhì)上是運(yùn)動(dòng)的氣流與地表微粒在界面上相互作用的動(dòng)力過程。對(duì)單個(gè)土壤微粒來講,它能否脫離地表決定于所受空氣動(dòng)力和阻力(包括重力和內(nèi)部黏性力等)的合力。風(fēng)沙物理學(xué)中,摩擦速度u*被用來反映微粒所受空氣動(dòng)力的大小,已有的風(fēng)蝕起沙觀測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果指出,當(dāng)u*超過某一閾值(臨界摩擦速度)時(shí),粒子便會(huì)脫離地面而進(jìn)入空中。關(guān)于u*的計(jì)算,拜格諾與馮·卡曼都給出了表達(dá)公式,本文就利用兩層風(fēng)速來確定。由公式(2)可以求得:u?=u2?u15.75(lgz2?lgz1),(7)u*=u2-u15.75(lgz2-lgz1),(7)文章選取2011年4月5日一次沙塵暴過程,根據(jù)50、200cm兩層風(fēng)速資料,利用公式(7)計(jì)算出了這次沙塵暴過程中摩擦速度的變化(圖2)。從圖中可以看出摩擦速度與風(fēng)速變化一致,隨著風(fēng)速的增大而增大,并呈現(xiàn)顯著的日變化,總體上白天大于夜間,高值區(qū)主要出現(xiàn)在8:00～16:00。在本次沙塵暴天氣過程中,最大摩擦速度達(dá)0.8m/s左右,最小幾乎接近0值,呈現(xiàn)較大的變化幅度,本次沙塵暴過程中平均摩擦速度為0.37m/s。3春季臨界起沙速度(1)本文通過實(shí)地觀測(cè)資料,