我国西北三大沙漠风蚀起沙观测试验进展

我国西北三大沙漠风蚀起沙观测试验进展

沙漠拥有41%的土地，影响着20亿人的生活。全球气候变化引起的干旱区降雨量减少,蒸发量增大,将会导致这些地区沙漠化进一步加剧。中国国家林业局2005年第三次中国荒漠化和沙化状况公报指出中国沙化土地面积为173.97万km2,占国土总面积的18.12%。近些年中国北方地区由于干旱、过度放牧及砍伐等原因,导致土地退化,地表土壤风蚀严重,形成大范围的尘暴区。因此对地表风蚀起沙的研究备受社会和研究人员的关注。野外观测试验是研究地表风蚀起沙的最基础手段和方法。Bagnold早在20世纪30年代就在利比亚沙漠中开展了风沙活动的野外观测试验,结合一系列风洞试验研究所获得的数据资料,总结完成了《ThePhysicsofBlownSandandDesertSandDuned》一书,为风沙物理学研究奠定了基础。20世纪40—50年代,Chepil等通过田间试验,研究了影响颗粒输移的地表特性,包括土壤抗风蚀性、农田间距、垄的高度和植被因子等。以雅库波夫等为代表的前苏联科学家们通过野外观测试验,对土壤风蚀与地形、土壤、植被等环境因素的关系、以及防止土壤风蚀的农业综合措施等作了系统的研究,于1956年出版了《土壤风蚀及其防治》一书。这一时期,河村龙马和Zingg等人通过野外观测和风洞对风沙物理学关键参数单宽输沙率进行了研究。20世纪60—70年代,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80年代后期,特别是20世纪90年代以来,理论推导和观测实验数据建立风蚀起沙的定量模型已成为风沙物理学研究的突出特点。21世纪以来,风沙运动的研究异常活跃,其中,开展野外风沙运动精细化观测试验等是当前风沙运动研究的热点。我国关于地表起沙的野外观测试验开展得相对较晚,20世纪60年代中后期才开始对沙漠地区新垦荒地的土壤风蚀问题作一些野外观测研究,90年代以前几乎都是零散的研究,之后的十几年内随着沙尘暴爆发的频度和强度的增加及其对人民生产生活的巨大危害,科学界对地表起沙的关注和研究才逐渐增多。80年代,朱朝云等学者通过野外观测对起沙动力机制及沙尘粒子运动方式进行了研究。90年代,刘贤万、董治宝、刘连友等通过风洞模拟实验和野外观测,对影响地表起沙的风力等级、风沙流、粗糙元密集度、人为翻耕、牲畜践踏、土壤粒子尺度、植被覆盖等主要因素,开展了系统的研究。进入21世纪,我国风沙研究更是方兴未艾。随着大量野外观测试验的开展,更多有关地表起沙的科学事实得以揭示。黄富祥、成天涛、申彦波、朱好等学者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。张宏升等从边界层湍流通量的角度分析了沙尘暴过程中湍流作用、沙尘输送特征及起沙条件。沈志宝、申彦波、杨兴华等利用野外观测获得的数据,采用不同方法对不同区域沙漠不同天气过程的沙尘通量进行了估算。何清等对塔克拉玛干沙漠地表起沙开展了长期的野外观测试验,获取了一些有关塔克拉玛干沙漠地表起沙的初步结果。从我国的研究现状来看,虽然有关风蚀起沙的野外观测试验开展了不少,也取得了较好的研究效果,但尚缺少系统性、长期性的野外观测试验。本文介绍了国家自然科学基金“西北沙漠地表沙粒运移特性及动力热力参数研究”支持的“我国西北三大沙漠地表风蚀起沙观测试验”的前期工作开展状况、科学意义、试验方案和科学目标,总结了该试验在前期的进展和取得的部分研究成果。1试验计划1.1我国最大风蚀起沙场选择我国西北典型沙漠区域塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠为研究区,开展野外地表起沙观测试验。塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠是我国的三大沙漠,这三大沙漠都处于我国沙尘天气进入路径的上游地区,由此产生的沙尘对下游地区的社会经济、生态环境影响巨大。塔克拉玛干沙漠为世界第二大流动沙漠,我国第一大沙漠,地表裸露,地表沙源物质较细小且丰富。古尔班通古特沙漠是我国第二大沙漠,也是半固定半流动沙漠,高大沙垄广布,在沙垄中上部有流沙分布。近年来由于石油勘探开发及人类放牧活动的加剧,使地表植被、结皮遭到破坏,为地表起沙提供了有利条件。巴丹吉林沙漠是我国的第三大沙漠,以广布的高大沙山闻名,植被极其稀少,也为地表起沙提供了丰富的沙尘源。总的来说,这三大沙漠都是我国沙尘天气的重要源地,在我国沙漠中具有典型的代表性。“我国西北三大沙漠地表风蚀起沙观测试验”自2008年就已逐步开展,以三大沙漠中建立的风沙观测场为试验平台,开展风蚀起沙的野外观测。试验最先在塔克拉玛干沙漠开展,2008年7月分别在沙漠腹地的塔中、北缘的肖塘建立风沙观测场一处,随后在2009年5月,2010年5月分别在沙漠东部的若羌、南缘的策勒建立风沙观测场各一处,以塔中、肖塘为重点试验区。2010年3月在巴丹吉林沙漠北缘的拐子湖地区建立风沙观测场一处,2010年5月在古尔班通古特沙漠南缘滴西建立风沙观测场一处(图1)。至此,“我国西北三大沙漠地表风蚀起沙观测试验”正式启动。1.2沙粒及沿空气象概况塔中风沙观测场深入塔克拉玛干沙漠腹地220km,观测场设在两大沙垄间的平坦沙地上,下垫面为流沙地表。该地区地表土壤的平均粒径为136μm;年降水量25.9mm;年大风日数为10.5d,风向以偏东北和偏西北风为主;年沙尘暴日数为15.8d。肖塘风沙观测场地处塔克拉玛干沙漠北缘荒漠过渡带上,下垫面为平坦的风蚀裸露古河床。北距胡杨林2km,周围有新月形沙丘和复合型新月形沙丘链,一般宽6~15m,高1~10m。该区域地表土壤平均粒径为159μm,由于地处沙漠边缘过渡带和下伏河床沉积土,沙样分选较差。肖塘年沙尘暴日数为41.6d。若羌风沙观测场位于若羌绿洲北缘的沙地上,观测场周边地势平坦开阔,地表裸露。地表沙粒较细且均匀,平均粒径仅103μm。该区高温且气候干旱,年平均气温为11.8℃;年降水量29.4mm;年沙尘暴日数为14.6d。策勒风沙观测场位于中国科学院策勒治沙站西北方向8km左右的绿洲—荒漠过渡带中,观测场下垫面为平坦沙面,周边有稀疏的灌丛沙堆分布。策勒地区气候干旱,年降水量34~37mm,而年蒸发量可达2600mm;年平均气温为11.9℃;土壤主要为风沙土和棕模土,植被稀疏,覆盖度仅15%~30%,是典型的绿洲—荒漠交错地区。由于地处塔里木盆地两大主导风向的下风区域,策勒风沙灾害频繁,多年平均沙尘暴日数为25.2d,最多年份高达59d。滴西风沙观测场位于古尔班通古特沙漠腹地一处沙垄顶部,沙垄中下部较为固定,沙垄顶部有流沙分布,植被覆盖度30%~40%左右。该地区年降水量为80mm左右;极端最高气温40℃以上;全年盛行北风(N)和东北偏北风(NNE);地表土壤粒径主要分布在100~250μm;沙丘的高度一般均在50m以下。拐子湖风沙观测场位于巴丹吉林沙漠北缘,下垫面为平缓沙地,周边有稀疏矮小的梭梭分布。该地区自然环境非常恶劣,干燥、少雨、炎热、多大风。夏季极端最高气温44.8℃,地表温度可达80℃;年降水量41mm,蒸发量为4217.9mm;年平均8级以上的大风近百天,历史极大风速为38m/s;年沙尘暴达30d;地表沙粒平均粒径为480μm。1.3试验方法与仪器观测项目主要包括近地面风、温、湿等主要气象要素;土壤温、湿度;地表沙粒跃移活动及风沙流输沙(图2);塔中与肖塘还有超声观测的风、温、湿脉动量。其中,气象要素由2m高度气象塔完成,风速的观测高度为0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0m;空气温度、湿度的观测高度为1.5m;土壤温、湿度的安装深度为0、5、10cm;地表沙粒跃移活动Sensit-H11B/HLIN型压电传感器监测,传感器的感应头安装高度距离地表5、10cm。其工作原理是当地表跃移沙粒撞击在传感器感应头上时,感应器就会发出一个脉冲信号,数据采集器则会记录下此信号,记为监测到一颗跃移沙粒。该仪器虽然可以记录监测到的跃移撞击颗粒数,却不能获取跃移起沙量;超声风温仪传感器安装高度为3m。以上仪器除了超声风温的数据采集频率为20Hz,其余均为1Hz,主要仪器的型号和技术指标见表1。风沙流输沙由BSNE集沙仪、全方位跃移集沙仪、方口集沙仪及贴地集沙仪收集。BSNE的集沙盒进沙口宽2cm,高5cm。集沙盒上方有60目的网筛覆盖,使空气流过时,空气中的沙物质可以留在集沙盒中,集沙效率可达90%。集沙盒的安装高度为0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0m。全方位跃移集沙仪高40cm,集沙盒按16个方位排列,进沙口25层,宽和高分别为1.5cm、2cm,可以收集16个方位的跃移沙粒。方口集沙仪可收集0~100cm单方向的风沙流输沙通量,共50层,进沙口2cm×2cm。贴地积沙仪可监测地面0~5cm的输沙通量与风沙流特征,分为0~0.5cm、0.5~1cm、1~2cm、2~5cm四层(图2)。试验的总体目标是探索在我国西北三大沙漠区域开展地表起沙精细化野外观测试验方法,分析下垫面影响因子、湍流及风沙二相流在地表起沙运移过程中的影响作用,计算不同沙漠区域起沙动力、热力参数,以期改进沙漠陆面模式和起沙模式参数,提高西北沙尘天气预报精度。为了实现总体目标,该试验具体解决以下一些科学问题:(1)地表起沙精细化野外观测试验的有效方法,常规气象仪器和新型起沙探测设备的集成技术,数据的质量控制和格式标准。(2)获取野外自然状态各类沙尘天气下较为精确的起沙动、热力学观测数据。给出沙尘源区地表沙粒运移过程中临界摩擦速度、临界起沙风速、沙粒撞击速度与动能、沙尘粒度形貌、沙尘水平垂直通量、沙尘浓度、降尘量、地表动力和热力粗糙度、动量和热量通量、湍流交换输送与湍流拟序结构等关键物理参数。(3)了解不同沙漠环境下,不同季节,地表风沙活动特征。(4)揭示沙漠地表起沙触发机制,阐明不同沙漠地表沙粒运移物理过程。通过大量的野外起沙观测试验与沙粒运移风洞模拟检验,客观、准确地认识野外不同天气条件下,地表起沙运移地触发机制。(5)利用野外观测数据计算获取的沙漠地表沙粒运移特征参数,优化沙尘参数化方案,改进起沙参数模式,提高起沙参数模拟精度。3一些科学研究3.1沙粒跃移活动强度的变化野外状态下,地表沙粒的跃移活动存在一定的间歇性,这一特点在三大沙漠的观测试验中都有发现。以塔中观测场2008年7月21日发生的一次沙尘天气为例,此次沙尘天气09:00左右开始,至22:00结束,共持续13h。这里利用跃移活动强度来表征沙粒跃移运动的特征,跃移活动强度定义为观测时段内,发生跃移活动的时间与观测时间的比值,又称为跃移活动强度的间歇性系数,用字母γ表示。图3给出了此次沙尘天气过程中24h的沙粒跃移活动强度变化。在沙尘天气发生前(09:00),只有在6:50左右出现了短暂的跃移运动,其余时间Sensit传感器没有监测到地表沙粒发生跃移。沙尘天气结束以后(22:00)直至7月22日0:00地表没有发生跃移。在沙尘天气持续的13h,沙粒跃移活动呈现显著的波动变化。观测期间,Sensit共记录到18538s有跃移运动发生,占整个观测时间的21.5%,占整个沙尘天气过程的39.6%。统计表明,观测期间1min时间步长连续发生沙粒跃移运动的仅28min,出现时间从10:19—18:10不等,有19min出现在13:00—15:00之间。连续发生时的风速分布在7.4~10.2m/s之间,表明即便风速持续较大时沙粒跃移活动也不是连续的,风速持续较大时其能量也存在一定的间歇性或者其对沙粒的作用存在一定的间歇性。5min时间步长跃移活动强度最大值为0.98,半小时为0.89,1h则仅为0.75,随着时间步长的增大,沙粒跃移活动强度降低。在此次观测试验中,沙粒持续发生跃移运动的时间最长不超过5min。由此表明自然真实环境中沙粒跃移运动连续发生的时刻很少,这与stout和zobeck的研究结果一致。3.2临界起沙风速起沙风速是研究风沙活动最重要,也是最基础的参数之一。当风速增大到某一临界值时,地表的沙粒就会脱离静止而进入运动状态,称此临界风速为起沙风速。只有当风速大于或等于起沙风速时,才会有风沙运动的发生。根据风蚀传感器所测跃移撞击颗粒数,结合同步观测的风速,可确定观测点最小临界起沙风速。图4给出了塔中、滴西、拐子湖风沙观测场各一次沙尘天气过程中跃移颗粒数与2m高度平均风速的关系。为了具有一定的代表性,选择的三次过程都是发生在春夏季,无降雨过程。由塔中2m风速与跃移颗粒数的关系可知,当风速小于4.5m/s时,传感器没有监测到地表沙粒发生跃移运动;当风速达到4.6m/s时,传感器开始监测到地表有沙粒发生跃移运动;随着风速增大,地表跃移沙粒量随之增加,但变化不大,当风速达到10.0m/s时跃移颗粒数急剧增加。在此认定塔中2m高度的最小临界起沙风速为4.6m/s。以此类推,可求得滴西2m高度的最小临界起沙风速约为7.8m/s,拐子湖的约为7.3m/s。由此表明三大沙漠的临界起沙风速存在显著差异。塔克拉玛干沙漠地表土壤粒度较小、且地表为裸露的流沙地表,因此临界起沙风速最小;巴丹吉林沙漠地表虽然也基本裸露,但由于其地表沙粒较为粗大,因此临界起沙风速比塔克拉玛干沙漠大;古尔班通古特沙漠地表土壤粒度虽然小于巴丹吉林沙漠,但其植被覆盖度达30%~40%,增大了地表粗糙度,也增大了土壤湿度,同时植被的根系具有显著的固沙作用,这导致了其临界起沙风速在西北三大沙漠中最大。其实,野外自然状态下,由于地表、大气状态均随时间发生着变化,风速本身的能量也存在一定的间歇性,真实的临界起沙风速是一个变化的值。我们利用Stout提出的TFEM(TimeFractionalEqulvalenceMethod)方法计算了塔克拉玛干沙漠塔中地区2008年7月21日沙尘天气过程中2m高度1min的临界起沙风速,结果见图5。可以看出野外状态下临界起沙风速是一个动态变化的值。观测期间最小临界起沙风速为4.9m/s,最大临界起沙风速为9.2m/s,平均值为7.0m/s。由此表明野外临界起沙风速值很难保持在一个稳定状态。4.3水平输沙通量利用BSNE集沙仪收集了5、10、20、50、100、200cm高度的输沙通量,发现塔克拉玛干沙漠与巴丹吉林沙漠近地表2m高度输沙通量的分布较为符合方程:式中,q(z)为对应高度的输沙通量(kg/m2);z为距离地面的高度(cm);a、b为待定参数,由实测输沙通量的拟合方程确定(图6)。根据方程(1),可以推导出观测点每次沙尘天气过程0~200cm高度,1m宽度截面上的水平输沙通量为:式中,Q为每一次沙尘天气过程的水平输沙通量,单位为kg/m。选择2010年3月在塔克拉玛干沙漠塔中、巴丹吉林沙漠拐子湖收集的水平输沙通量数据,根据公式(1)、(2)分别计算了两个观测点3月0~200cm高度,1m宽度截面上的水平输沙通量(古尔班通古特沙漠滴西观测场在3月没有出现风沙活动)。塔中观测场的输沙量为3.9kg/m,拐子湖观测场为676.5kg/m。由此可以发现两大沙漠虽然都处于我国西北干旱区,但其风沙活动特征存在显著差异。相对于塔克拉玛干沙漠,巴丹吉林沙漠风沙活动出现的月份较早,且风沙活动剧烈,输沙量大,这和观测点多大风天气也有密切关系。4应用