塔里木盆地塔中地区一次风沙天气输沙通量估算

塔里木盆地塔中地区一次风沙天气输沙通量估算

正确估算砂浆机的运送体积是确定砂浆机源并进行有效防治的关键。目前，许多方法可以估计土壤砂浆机的传输总量，但结果差异很大。Tegen等估计全球有1000～5000Tg/a的沙尘粒子从地面输送到大气中,而Duce的研究结果是1000～2000Tg/a。Zhang等用中国12个沙漠站矿物尘的元素浓度(Al,Fe,Mg和Si),估算注入大气的沙尘约为800Tg/a,约为全球地面年沙尘输送量的1/2。中国干旱区是全球大气沙尘的主要源地之一,其中塔克拉玛干沙漠是沙源地的重要组成部分,已有学者从气候、分布特征等方面对该区域的沙尘天气进行了分析,但目前对该地区沙尘天气输沙通量的研究尚少。对输沙通量的计算主要通过直接器测和经验公式两种方式,但受仪器测量功能及理论不完善等的限制,目前仍以经验公式估算居多。本文以塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区2008年7月19日的一次沙尘天气过程为例,通过野外输沙观测,利用经验公式对该次沙尘天气过程中输沙通量进行了计算,并与实测的输沙通量进行了比较。1测量仪器和测点布置气象资料通过塔克拉玛干沙漠塔中大气环境观测试验站80m梯度铁塔探测系统获取,该系统包括10个层次的观测平台,高度分别为0.5m,1m,2m,4m,10m,20m,32m,47m,63m和80m,探测的基本要素为:水平风向、风速、温度和相对湿度。其中,风速仪采用芬兰VAISALA公司生产的WAA151型风速传感器,风速量程为0.4～75m/s,风杯启动风速≥0.35m/s,测量精度为±0.17m/s;温度仪采用芬兰VAISALA公司生产的HMP45D(QMH102)型温度传感器,测量范围-39.2～60℃,测量精度为±0.2℃(20℃)。塔中80m梯度铁塔探测系统数据库类型有秒数据、分钟平均数据和小时平均数据,本文所用数据为分钟平均数据。为了研究塔中地区的输沙量,在平坦沙地和高大沙丘顶部分别布设了BSNE型梯度积沙仪,BSNE积沙仪是目前国际上普遍使用的一种积沙仪,其积沙效率达到90%以上。我们观测试验所用的BSNE型梯度积沙仪的尺寸、外观及进沙口的大小,完全按照国际上惯用的标准研制。积沙盒的安装高度分别为5cm,10cm,20cm,50cm,100cm和200cm,可同时收集6个高度层的输沙量,输沙收集在积沙仪的积沙盒中。观测试验时,每次沙尘天气来临前,把积沙盒清理干净,沙尘天气结束后立即把沙样取出,装入密封袋,并记录采集时间、沙尘天气延续的时间以及风况,然后进行称重。同时,在平坦沙地5cm和10cm高度安装了美国Sensit公司的H11B型风蚀传感器,该类型传感器通过实验室与野外多次试验比对,性能良好,试验结果理想。通过记录沙尘天气过程中的撞击颗粒数、撞击动能,配合梯度风速,可对沙粒的起动进行监测。2垂直输沙通量沙尘通量可以分为水平沙尘通量即输沙率和垂直输沙通量,分别用Q和F表示,Q的物理意义是与水平风向垂直,从地表到观测高度范围内单位宽度单位时间通过的沙粒质量;F的物理意义是某一高度处与地表面平行的单位面积内单位时间地表向大气中输送的尘粒质量。半个多世纪以来,许多学者对气流与沙粒间相互作用的机理进行了研究,通过野外观测试验或者风洞模拟试验,提出了各自的输沙率模型(表1)。关于垂直输沙通量,虽然Lu,Marticorena和Shao的输沙通量模式理论较为完善,但模式形式比较复杂,计算中需要的参数较多且有的参数很难确定,实际运用中难度较大。Gillette等的计算方案在形式上非常简单,只需要u*和u*t两个参数,比较适合简单或近似的估算,其公式如下:F={C2u4*(1-u*tu*)‚u*＞u*t0‚u*≤u*t(1)3计算砂采的累积沙尘通量计算都以摩擦速度u*和临界摩擦速度u*t为关键计算参数,为此我们先确定了此次沙尘天气过程中的这两个参数。3.1khov相似理论对单个土壤颗粒来讲,它能否脱离地表决定于所受空气动力和阻力(包括重力和内部黏性力等)的合力。在风沙物理学中,摩擦速度u*被用来反映颗粒所受空气动力的大小。已有的观测和试验结果表明,当u*超过某一阈值(临界摩擦速度)时,沙尘颗粒便会脱离地面进入空气中。关于u*的计算,拜格诺和冯·卡曼都给出了相应的计算公式,但是2个公式仅仅依靠2层风速来确定u*的值,很容易产生较大误差。本文根据Monin-Obukhov相似理论,利用2层的风速和温度资料,运用空气动力学方法来计算摩擦速度u*,计算公式:kzu*∂u∂z=φm(2)式中:u*为摩擦速度(m/s);k是Kerman常数,一般取0.4;z是高度(m);u是风速(m/s);φm是风的Monin-Obukhov相似性函数,可以利用(3)式计算得到。φm(ζ)={(1-16ζ)-0.25‚ζ≤0(1+5ζ)‚ζ＞0(3)式中:ζ是Monin-Obukhov大气稳定度参数,即z/L;L是Monin-Obukhov大气稳定度长度,可用Businger-Dyer关系式近似确定,即ζ={Ri‚Ri＜0Ri(1-5Ri)‚Ri≥0(4)式中:Ri是梯度Richardson数,可以用(5)式计算:Ri=g√z1z2ˉΤΔΤ(Δu)2lnz2z1)(5)式中:ˉΤ是所取气层(z1和z2层)的平均绝对温度(K),ΔT和Δu是气层上下2个高度的温度差和风速差。利用塔中80m梯度铁塔探测系统提供的1m和2m高度的温度和风速资料,借助以上公式,计算得到了塔中地区2008年7月19日11:29～23:55时沙尘暴过程中的摩擦速度u*(图1)。由图1可知,摩擦速度与风速的变化具有一致性,当风速增大时,摩擦速度也变大。摩擦速度主要受风速的影响,风速越大,近地面湍流就越强,u*也越大,此时输沙强度就越大。这一结果与何清等在肖塘地区的研究结论一致。3.2塔中地区的临界击穿速度与临界撞击速度的关系临界摩擦速度u*t是摩擦速度能否引起地表起沙的临界值,它表征的是地表对起沙的阻碍能力。由于地表特征包含了机械和矿物组成、植被和其他粗糙元的覆盖、水分和盐分的含量、地形和坡度的走向以及人工的管理和利用等诸多因素,它们对起沙影响非常复杂,不同条件下地表u*t也有很大差异。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的含水量有关,因此,临界摩擦速度的准确求解比较复杂。目前,Shao的计算公式被认为是理论上最为完善的,其表达式:u*t=Η(ω)R(λ)√AΝ(σgdρ+ερd)(6)式中:AN和ε为经验常数,分别取0.0123kg/s2和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,塔中地区近似为9.7975m/s2;d为沙粒粒径(单位为μm);H(ω)和R(λ)分别表征地表土壤水分和植被覆盖对风蚀起沙的阻碍作用,详细计算见文献。根据观测,塔中地区地表沙粒粒径d平均为136μm,0～10cm地表沙粒的平均含水率为3.2‰,低于临界值5‰,而塔中地区的植被覆盖率可以忽略不计,所以H(ω)和R(λ)的值都等于1。把各参数带入(6)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。由于公式估算具有一定的经验性和区域限制性,为了更加精确求得塔中地区的临界摩擦速度,同时进行了器测。图2是H11B型风蚀传感器所测得沙粒撞击数与摩擦速度的关系,由图2可知,当u*大于0.20m/s时沙粒开始移动,u*>0.25m/s,沙粒移动速度加快,撞击颗粒数增加。由此我们可以确定塔中地区临界摩擦速度的取值区间在0.20～0.25m/s之间。利用Shao的经验公式计算结果也在此区间内。综合考虑,塔中地区的临界摩擦速度取u*t=0.24m/s。这一结果比申彦波等计算的敦煌戈壁地表土壤的临界起动速度0.43m/s小,但与敦煌地区农田起沙的临界起动速度0.3m/s以及王鹏祥等计算得到的盐池地区起沙的临界起动速度0.32m/s接近。敦煌戈壁地表为细石子和可移动的沙粒所覆盖,粗糙度比较大,所以它的临界起动速度也较大;而塔中地区的沙粒比较细,并且地表无植被覆盖,地表沙粒含水率也比敦煌绿洲和盐池地区的低,所以临界摩擦速度相对较小是合乎情理的。3.3输沙通量与风速的关系由于各水平输沙通量计算公式预测值相差较大,用Bagnold,Zingg,Kawamura和Lettau的公式,对塔中地区沙尘天气的水平输沙通量进行了计算,对于本次沙尘天气过程的垂直输沙通量我们选择Gillette的计算方法。将上文中计算的各参数分别代入相应的公式进行计算,结果见图3。由图3可以看出,各输沙通量计算的结果变化趋势几乎是一致的,从11:29～17:00时,风速不稳定,所以起沙在曲线中是不连续的;从17:00～23:00风速相对较大且稳定,起沙一直持续,且起沙量较大。与图1相比可知,输沙通量的变化与摩擦速度的变化一致,而摩擦速度又受风速的影响,所以风速是影响输沙通量的决定因素。从水平输沙通量来看,Bagnold公式计算出来的结果与Zingg公式计算的值最接近,但是总体上Bagnold的结果要比Zingg公式计算出来的结果大,这主要是因为两个公式都是直接以沙粒粒径为主要参数,但Zingg在确定沙尘通量时是根据跃移沙粒质量在垂线上的分布延伸到床面以后进行积分得到的,而实际上没有包括蠕移的沙粒在内,所以得到的输沙通量结果偏小。根据Kawamura和Lettau公式计算的结果比较相近,是因为两者都考虑了沙粒粒径和临界摩擦速度的基础上得来的,从理论上来讲,这两者也相对较为完善。这次沙尘天气过程中,Bagnold,Zingg,Kawamura和Lettau模式计算的平均水平输沙通量分别为191.67×10-4kg/(m·s),92.17×10-4kg/(m·s),522.5×10-4kg/(m·s)和258.67×10-4kg/(m·s)。可见,各家公式计算的结果具有较大的差异,Kawamura公式计算出来的值最大,接近Zingg公式计算结果的6倍。塔中地区垂直输沙通量的变化与水平输沙通量一致,本次沙尘暴天气过程的平均垂直输沙通量为40.07×10-7kg/(m2·s),这一结果分别比沈志宝、申彦波等在敦煌戈壁观测的结果和沈建国等在内蒙古自治区干旱草原的观测结果大1～2个量级,这主要是受地表特征及风速差异的影响。4平均水平输沙通量为了检验理论输沙通量公式在塔中地区的适用性,根据前人的研究结果,我们用方口积沙仪测量的结果(只能测量1m高度,一个方位的输沙通量)及实测6个高度层的输沙通量建立了指数方程,求得2m高度的水平输沙通量,然后拟合出了2m高度风速和输沙通量的经验公式:Q=10-6u4.257,R2=0.9975式中:q为地表面2m高度以内1m宽度的水平输沙通量,单位为kg/(m·s);u为2m高度的起沙风速。拟合公式与Bagnold,Zingg,Kawamura和Lettau的公式对比(图4)可知,当风速小于12.0m/s时,各公式计算的输沙通量与实测比较相近;但当风速大于12.0m/s时,结果差异越来越大,其中Bagnold和Zingg公式的结果比实测小,Zingg的结果最小,而Kawamura公式的结果偏大,只有Lettau公式的计算结果与实测最接近,风速小于20.0m/s时,2条曲线几乎重合,当风速大于20.0m/s时,实测结果又比Lettau的结果稍微偏大,不过仍然很接近。即使考虑了积沙仪积沙效率问题,Lettau公式的结果与塔中地区实测输沙通量仍然最为接近。由此,我们确定本次沙尘暴天气过程的平均水平输沙通量近似为258.67×10-4kg/(m·s)。至于垂直输沙通量,由于还没有进行该方面的野外试验,缺少可对比的实测资料,因此本文不对其进行讨论。5塔中地区水平输沙通量本文以塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区夏季一次沙尘暴天气过程为例,通过经验公式与野外仪器观测对比分析,对塔中地区输沙通量计算模型的一些参数进行了研究,得出以下结论:(1)摩擦速度与风速的变化具有一致性,当风速增大时,摩擦速度也变大。摩擦速度又影响着输沙通量的变化。(2)根据公式估算和仪器测量,在综合考虑塔中地区下垫面状况、地表以及空气湿度等因素的基础上,塔中地区的临界摩擦速度为0.24m/s。(3)根据野外实测数据,拟合出塔中地区2m高度风速与水平输沙通量的经验公式为Q=10-6u4.257;由于受到经验性以及区域环境的限制,Bagnold,Zing,Kawamura和Lettau等的沙尘通量公式并非都能较好地适用于塔中