中国西北戈壁区沙尘暴过程中近地层风沙运动特征_张正偲.pdf
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1、第 43 卷 第 2 期2023 年 3 月中国沙漠JOURNAL OF DESERT RESEARCHVol.43 No.2Mar.2023张正偲,潘凯佳,张焱,等.中国西北戈壁区沙尘暴过程中近地层风沙运动特征 J.中国沙漠,2023,43(2):130-138.中国西北戈壁区沙尘暴过程中近地层风沙运动特征张正偲1,潘凯佳1,2,张焱1,2,韩兰英3(1.中国科学院西北生态环境资源研究院 沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃 兰州 730000;2.中国科学院大学,北京 100049;3.甘肃省气象局,甘肃 兰州 730000)摘要:沙尘暴对人类生存的自然环境和社会经济健康发展造成严重影响。近70年
2、来,中国西北沙尘暴天气总体减少,但自2021年开始,沙尘暴发生频率和范围明显增加。沙尘暴的发生和发展是气流与地表可蚀性物质的互馈过程,因此,沙尘在源区的起动过程决定了沙尘暴发生发展的整个过程。尽管目前对沙尘的运动过程进行了大量的数值模拟、遥感解译等研究,但野外实测资料缺乏,难以阐明沙尘暴期间的风沙活动强度及沙尘运动的物理机制。利用2021年1月在额济纳旗附近戈壁的野外实测输沙量和PM10等沙尘资料,解释沙尘物质在源区的运动特征,阐明戈壁风沙运动机理,为沙尘源区风沙灾害防治提供理论依据。结果表明:(1)沙尘源区沙尘暴期间风速可大于19.6 m s-1,远高于同期当地国家气象站数据(10.5 m
3、s-1)。(2)PM10浓度100 mg m-3,远高于同期当地国家环境监测站数据。(3)戈壁输沙量可达10 kg m-1 h-1,最大输沙量位于地表以上0.07 m高度,这一过程导致戈壁沙尘能够远距离运动。(4)1 m高度平均粒径为0.07 mm,意味着戈壁风沙流以极细沙、粉沙和黏粒为主,PM10含量可达8%,粗沙含量可达9%,运动粗沙碰撞破坏戈壁地表,导致更多的沙尘物质进入空气。(5)车辆碾压戈壁地表导致输沙率是原始地表的2倍,PM10浓度增加2.90倍,PM10含量增加1.29倍,说明保护原始戈壁地表不受破坏,是减少戈壁地区风沙灾害的重要手段之一。关键词:沙尘暴;PM10;输沙率;粒度文
4、章编号:1000-694X(2023)02-130-09 DOI:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00096 中图分类号:P931.3 文献标志码:A0 引言 沙尘暴是中国西北干旱、半干旱区的常见自然现象,是强劲气流作用可蚀性地表的结果1,其原因在于西北地区深居内陆,气候干燥,降水稀少,植被覆盖度低,地表裸露。沙尘暴不仅对源区,还对沿途以及沉降区的自然生态系统和人类社会产生深刻影响。沙尘暴向大气输入大量的矿物质粉尘,并随气流向下风向传输,在适当条件下沉降。这一过程造成沿途空气质量下降、能见度降低,严重威胁人们的身体健康2-3,同时改变了地面辐射平衡,影响区域气候变化
5、2。随着细颗粒物质被风蚀,源区地表沉积物粒度粗化,营养元素亏损,生态系统变得更加脆弱。自Bagnold开始,对沙尘释放过程与机理的研究取得了长足发展4-10。对沙尘的研究包括风沙颗粒的起动、输送和沉降过程,而影响这一过程的主要因子为风况、沙源和下垫面特征。风既是影响风沙颗粒物起动、输送的主要动力条件,也影响沙尘物质的扩散范围和运动途径。流沙、戈壁等沙尘源区的地表类型不同,导致近地层摩阻风速、地表粗糙度、输沙量、风沙流通量等不同。比如,流沙地表摩阻起动风速为0.2 m s-1 8,而戈壁地表的摩阻起动风速可达0.4 m s-1 4;流沙地表风沙流通量可以用指数函数来表达,但戈壁地表为高斯函数;流
6、沙地表风沙流平均跃移高度小于0.05 m8,但戈壁地表风沙流平均跃移高度可达0.2 m5。由此可见,戈壁沙尘运动过程与流沙地表明显不同,但收稿日期:20220525;改回日期:20220805资助项目:国家自然科学基金项目(41971014,41930640)作者简介:张正偲(1979),男,甘肃靖远人,研究员,主要从事干旱区地表过程研究。E-mail:中国沙漠第 43 卷目前对戈壁风沙运动研究相对较少,一方面限制了我们对戈壁风沙运动机理的认识,另一方面不能满足对风沙灾害防治的需求。近70年来,河西走廊沙尘暴经历了孕育期(20世纪6070年代,33.59.9 d)高发期(20世纪7080 年代
7、,41.18.8 d)减速期(20 世纪 80 年代至2002年,19.77.6 d)平静期(20022020年,6.52.1 d)高发期(2021年至今,7 d,图1)。2021年3月 1418 日的沙尘暴是近 8 年最强的沙尘暴11,2022年以来河西走廊、黑河下游沙尘天气几乎每周都有发生,引起了不同领域学者的极大关注(表1)12-18。由表1可知,目前对沙尘暴的研究主要以宏观或者模拟研究为主,而忽略了沙尘起动的微观机理研究。由于不同地表风沙运动机理的差异,目前的模拟研究均是基于流沙地表发展而来,所以模拟的戈壁风沙运动过程通常可能低估。目前认为,塔克拉玛干沙、河西走廊和黑河流域下游是沙尘暴
8、的主要源区,但不同研究方法所得的研究争议很大。Chen等6认为中国西北的沙漠戈壁是主要的沙尘源区,Zhang等 5 认为并不是所有的戈壁都是沙尘源区。沙尘暴的发生发展是大气环流、局地气流以及近地层气流与地表可蚀性物质互馈作用的结果19-20。因此,沙尘暴具有局地性、区域性和全球性的特征。一般来讲,浮尘、扬沙天气为局地性或区域性沙尘天气的主体,而强沙尘暴和极强沙尘暴为区域性的沙尘,危害性最强。2021年“3.14”沙尘暴属于极强沙尘暴,备受关注,但同年1月也发生了大范围的沙尘暴(影响范围为甘肃、宁夏、内蒙古等地)。本文基于1月沙尘暴期间野外实测的风速风向、输沙量和PM10浓度,分析戈壁地表风沙运
9、动特征,特别是风沙流通量及其粒度的差异,阐明戈壁风沙运动机理。对戈壁风沙运动过程与机理的研究,不仅能为优化沙尘释放模型提供参考,而且能为沙尘源区风沙灾害防治提供理论依据。但目前对戈壁风沙运动过程与机理的研究还明显不足,因此,对戈壁的风沙运动过程研究迫在眉睫。同时,国家近期实施的沙漠、戈壁、荒漠化地区重点的大型风电光伏基地建设,必然破坏图1近70年中国西北沙尘暴日数年际变化Fig.1Dust storm in recently 70 years in Gansu province(A)and Hexi Corridor(B)表1“3.14”沙尘暴研究现状Table 1 The study of“
10、3.14”dust storm作者段伯隆等12史忠林等13张璐等14柳本立等15Filonchyk16Liang等17Qian等18数据/方法气象、风云卫星、植被覆盖及NCEP再分析资料核素示踪HYSPLIT、GDAS数值模拟监测站数据地球化学元素再分析资料主要结论干旱少雨、气温偏高;蒙古气旋的强烈发展;地面冷锋后部的大风过境造成;沙尘主要为外来输入远距离搬运的风尘沉积或附近黄土;西安沙尘来源于农耕地;中卫沙尘来源于毗邻的腾格里沙漠多地PM10峰值浓度超过5 000 g m-3;蒙古气旋及冷锋过境;沙尘源地为萨彦岭和蒙古国南部戈壁沙漠“3.14”沙尘75%来源于蒙古国,16、17日84%起源于
11、北方和西北嘉峪关PM10 浓度可达 10 000 g m-370%来源于蒙古国热动力过程,主要来源于蒙古国131()()()()第 2 期张正偲等:中国西北戈壁区沙尘暴过程中近地层风沙运动特征原始地表,那么如何有效地防治基地建设过程中可能引起的沙尘释放,需要进行针对性的研究。1 研究区与研究方法 1.1研究区概况研究区位于阿拉善高原黑河流域下游(图2A)。阿拉善高原及毗邻地区深居亚洲内陆,远离海洋,属于典型的大陆性气候,干旱少雨,是中国乃至于中亚的主要粉尘源区21,特别是居延海地区,干涸湖盆、干河床、沙地、冲积-洪积砂砾戈壁等不同易风蚀土地集中分布,是中国沙尘暴极易发生区域22-24。研究区年
12、平均气温为8.3,年平均风速为4.4 m s-1。沙尘天气可达 4050 d。戈壁地表广泛覆盖砾石和干湖25-27。1.2研究方法沙尘暴形成原因主要包括动力和热力成因,而天气系统可解释其发生的动力过程,温度场可以解释其热力系统28。西北地区沙尘暴或者扬沙天气频发,且新疆南部的塔里木盆地、内蒙古中西部地区以及甘肃河西地区为沙尘暴高发区,冬春季最盛29。本次沙尘暴过程发生的天气系统背景主要是地面冷锋,贝加尔湖西部形成强大的冷高压,蒙古气旋东移至东北地区,冷暖空气交汇在中蒙边界形成强烈锋区,并自北向南移动。而在高空的乌拉尔山高压脊稳定少动,西北气流携带冷空气堆积在高空槽前,冷涡位于蒙古国并在其附近形
13、成冷中心,形成斜压不稳定结构。温度槽落后于高度槽,冷平流强盛30。沙尘暴天气发生时,气溶胶的浓度增加,其中10 m的颗粒物浓度增加明显。通过PM10浓度的空间分布数据,可以看出1月10日在额济纳旗发生区域性的沙尘暴天气(图3)。2021年1月10日12:1215:32在额济纳旗南部戈壁地表进行风沙流和PM10现场观测,该时间段发生明显沙尘暴。野外试验布置如图2B所示。所用集沙仪如图2C所示。风速风向利用二维超声波风速仪(Gill公司,英国;风速量程为030 m s-1,分辨率为0.01 m s-1;风向量程为0359,分辨率为1;数据记录频率为1 min)测量,在原始地表和破坏地表分别按照0.
14、05、0.12、0.35、0.80、1.75 m高度安装。温湿度用CS215测量(Campbell公司,美国,温度分辨率 0.1,湿度分辨率2%),放置在地表。PM10用 激 光 粒 度 计 数 器 测 量(Laser particle counter,TSI8532,美国,量程0.001150 mg m-3,精度0.001 mg m-3)。粒度在中国科学院西北生态环境资源研究院进行测试(马尔文3000,英国,量程0.013 500 m)。图2研究区位置(A)、试验布置(B)、集沙仪和TSI(C)Fig.2Location of study region(A),field measuremen
15、ts(B),sand samples and TSI(C)图32020年1月9、10、11日额济纳旗附近的PM10浓度空间分布31Fig.3The spatial distribution of PM10 on January 9,10,and 11,2020 around Ejina Banner31132中国沙漠第 43 卷1.3数据分析方法风速脉动(I):I=u-um(1)湍流度(G)G=I/um(2)摩阻风速(u*,m s-1)和粗糙度(z0,m)根据风速廓线法计算:uz=a+blnz(3)u*=kb(4)z0=e-a/b(5)式中:u为观测瞬时风速(m s-1);um为观测期间的平均
16、风速(m s-1);a和b是风速廓线拟合系数。输沙率为单位时间单位宽度的输沙量(qz,kg m-1 h-1)。为了分析风沙运动过程,本文仅对运动沙尘物质的平均粒径、PM10和粗沙(500 m)含量进行统计分析。所有数据在 Origin 软件中进行处理。2 结果与分析 2.1戈壁地表风速风速及其湍流特征是影响沙尘起动的主要因素。观测期间上风向风速为12.942.09 m s-1(8.7318.3 m s-1),下风向风速为 12.472.14 m s-1(6.6119.62 m s-1,图 4A)。风速脉动明显(上风向为1.691.22 m s-1(0.035.36 m s-1);下风向为 1.
17、712.19 m s-1(0.0047.15 m s-1,图 4B)。风向为 3268(306359,图4C)。温度在整个观测期间变化不大(-6.60.5),相对湿度为 31.4%1.0%(图4D)。同期气象站观测小时风速最大为10.5 m s-1,风向为215,差异的原因在于:本研究点位于平坦的戈壁地表,无高大树木或建筑物的影响;本研究风速采集频率为 1 min,而气象站为小时数据。湍流度上下风向分别为0.130.10(0.0030.48)和 0.140.12(0.00030.89)。尽管平均湍流度值几乎相同,但下风向(破坏地表)的湍流值范围更大,从而导致下风向沙尘更容易起动。脉动风速和湍流
18、度随观测风速先减小后增加,临界值分别为12.9 m s-1和 12.4 m s-1。上风向和下风向风速脉动值和湍流度类似,但下风向脉动小(图5)。2.2戈壁PM10浓度观测期间上风向PM10浓度可达(0.821.42 mg m-3(0.0523.4 mg m-3),下 风 向 为 2.405.37 mg m-3(0.7889.5 mg m-3,图6)。下风向PM10浓度是上风向的2.93倍,说明破坏地表容易产生更多的PM10。图42021年1月10日12:1215:31风速(A)、脉动风速(B)、风向(C)和温、湿度(D)Fig.4Wind velocity(A),wind turbulenc
19、e(B),wind direction(C)and air temperature and humidity(D)during field experiments133()()()()()第 2 期张正偲等:中国西北戈壁区沙尘暴过程中近地层风沙运动特征2.3戈壁输沙率观测期间1 m高度内上风向原始戈壁地表平均输沙率为0.600.61 kg m-1 h-1(各个高度介于0.162.41 kg m-1 h-1),下风向破坏地表为1.221.43 kg m-1 h-1(各个高度介于0.245.74 kg m-1 h-1,图7A)。破坏地表的平均输沙率是原始地表的2倍。最大输沙率在上风向和下风向均为地
20、表以上 0.07 m 高度。0.07 m以下,输沙率随高度增加而增加,0.07 m高度以上输沙率随高度增加而线性减小(图7A,R2=1.00,P0.001)。原始地表的输沙率降低速度比破坏地表更快(斜率值更大)。上述现象表明:在车辆碾压的戈壁地表,由于车辆碾压范围小和戈壁风沙流平均跃移高度大的双重因素,车辆碾压区域风沙流通量也可以表达为高斯函数。戈壁破坏地表粉沙和黏粒大量裸露,在运动沙粒的碰撞作用下,输沙率(图7A)和PM10含量(图7B)均增加。最大输沙率以上部分输沙率变化系数(斜率)可能反映沙源供应变化。斜率越大,沙源供应越充足,斜率越小,图5观测期间风速与脉动风速的关系(A)、脉动风速频
21、数分布(B)、风速与湍流度的关系(C)、湍流度频数分布(D)Fig.5Wind velocity and turbulence wind velocity(A),wind turbulence frequency(B),wind velocity and turbulence(C)and wind turbulence frequency(D)during field experiments图6观测期间PM10浓度Fig.6PM10 concentration during field experiments图7观测期间输沙率(A)和PM10含量(B)Fig.7Sand transport r
22、ates(A)and PM10 concentration(B)during field experiments134()()中国沙漠第 43 卷沙源供应不足。如破坏地表沙源供应大于原始地表,所以斜率更大。2.4戈壁运动沙尘粒度特征运动沙粒粒度能够反映沙尘运动特征,并影响沙粒起动过程。集沙仪收集的沙尘物质PM10含量、平均粒径和粗沙含量可以划分为3层:近地层、过渡层和减小层(图7B,图8)。上风向和下风向1 m高度内平均 PM10含量分别为 5.27%0.66%(4.00%6.80%)和 6.79%0.42%(5.79%7.84%),说明地表破坏后,PM10的释放量明显增加(图7B)。上下风向
23、近 地 层 分 别 为 5.44%0.89%(4.00%6.80%)和6.60%0.66%(5.79%7.84%),过渡层分别为5.00%0.64%(4.13%5.71%)和 6.60%0.37%(5.91%7.19%),减 小 层 分 别 为 5.30%0.57%(4.13%6.16%)和6.92%0.27%(6.38%7.33%)。上风向原始地表和下风向破坏地表1 m高度内平均粒径分别为 0.1100.026 mm 和 0.1080.026 mm。近地层平均粒径变化不大,原始地表和破坏地表分别为0.1310.014 mm(0.0970.167 mm)和 0.1310.016 mm(0.09
24、80.155 mm)。减小层为 0.0890.015 mm(0.0720.120 mm)和 0.0860.009 mm(0.0730.104 mm,图8A)。1 m高度内粗沙含量上下风向过渡层分 别 为 3.78%1.98%(0.01%7.65%)和 3.29%1.85%(0.29%8.61%),近地层分别为3.42%2.29%(0.08%7.65%)和3.90%1.87%(0.09%8.61%),减小层 分 别 为 3.42%2.29%(4.12%1.61%)和 2.72%1.67%(0.29%7.95%,图8B)。3 讨论 3.1戈壁风沙运动过程与机理风沙流通量是风沙科学研究的重要内容。常
25、用BSNE32和多路方口集沙仪33来观测。BSNE由于安装高度稀疏,难以准确近地层风沙流的运动过程。而多路方口集沙仪在1 m高度能够收集50个输沙量数据,所以对于准确判断风沙流特征具有优势33。戈壁风沙流具有“象鼻子效应”(高斯函数)33-34是与流沙表面的最大区别,也是导致戈壁风沙流具有过境特征的原因。戈壁风沙流输沙率可达5.72 kg m-1 h-1,最大输沙率位于地表以上0.07 m高度(图6),这与我们2018年4月在居延海使用相同集沙仪的观测结果类似(输沙率为9.71 kg m-1 h-1,最大输沙率高度为0.050.09 m)33。运动沙粒粒度特征能够反映沙尘运动特征,并影响沙粒起
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