起沙临界值试验研究

1引言

土壤风蚀是一个全球性的环境问题，是地球上沙漠形成和演变以及实现物质从陆地向海洋远距离输送的主要机制［1］。全球风蚀过程产生的沙尘气溶胶是对流层气溶胶的主要来源，其通过直接和间接辐射作用影响云和降水的形成，甚至气候变化［2－6］。土壤风蚀是干旱和半干旱地区风沙过程、沙漠化与沙尘暴灾害的首要环节。严重的土壤风蚀，如沙尘暴天气，对沙尘源区和下游地区造成巨大的环境污染，影响人类健康，并对交通、通讯和水利等设施构成危害［7］。临界起沙摩擦速度u＊t是土壤可蚀性的度量指标之一，是表征沙尘颗粒进入大气的重要因子，也是沙尘暴预报模块中最重要的参数之一［8］。u＊t主要受地表特征的影响，包括土壤质地、土壤湿度、土壤颗粒粒径、植被覆盖和土壤硬度等［9－10］。当摩擦速度u＊超过临界摩擦速度u＊t时，沙尘粒子在空气拖曳力的作用下克服重力和粒子间粘性力的阻碍，脱离地表，并通过湍流作用进入大气边界层［10－12］。

目前，获取临界起沙摩擦速度的方法主要包括风洞试验、野外观测试验、模式参数化和统计分析。风洞是研究不同土壤状况和大气条件下临界起沙阈值的有效途径之一［13－15］。刘小平等［16］通过风洞模拟试验给出了不同粒径的沙粒在湿润状态下的启动风速。Xuan［17］的风洞试验结果表明，湍流作用使临界摩擦速度或者临界风速减小，沙尘的水平通量和垂直通量（起沙率）增大。Ravietal［18］的风洞试验结果表明，对沙土、矿质壤土和矿质黏土3种完全风干的土壤而言，当空气的相对湿度达到40％～60％，u＊t随相对湿度的增加而减小；相对湿度在此范围外时，u＊t随相对湿度的增加而增加。但是，风洞试验不能完全、准确地反映真实条件，无法模拟湍流作用、风蚀过程间歇性等对临界起沙摩擦速度的影响。

野外观测试验可以避免风洞试验的不足，有助于对风蚀起沙过程的深入理解。Gilletteetal［19］基于前人的研究，总结了不同土壤地表的临界起沙摩擦速度。申彦波等［20］利用沙尘浓度指数与摩擦速度和风速的关系，估算敦煌沙漠地区沙地和农田的临界起沙摩擦速度分别为0．5m•s－1和0．3m•s－1。张宏升等［21］利用塔层风温廓线资料计算得到浑善达克沙地临界起沙摩擦风速为0．4m•s－1。朱好等［22］利用沙尘浓度探测和塔层风温廓线、湍流脉动资料得到浑善达克沙地、黄土高原和戈壁不同沙源地区的临界起沙摩擦速度分别为0．6，0．35和0．45m•s－1。李晓岚等［23］认为，不同学者的野外观测估算得到不同土壤类型的临界起沙摩擦速度，其结果存在差异，一方面反映了不同下垫面对临界起沙摩擦速度的影响；另一方面说明了不同学者对起沙概念的理解和判断方法不同。此外，大多数野外试验对局地起沙过程的甄别存在难度，无法有效排除远距离输送沙尘的影响，可能会造成起沙阈值的低估。

临界起沙摩擦速度u＊t是众多沙尘模式涉及的最重要的参数之一，用于计算沙尘水平通量和垂直通量［24－26］。早期的沙尘模式中u＊t确定较为粗略，认为结皮土壤表面的临界摩擦速度是结皮厚度的线性函数［27］，或者将大范围地区的临界摩擦速度粗略地作为一个常数处理［28］。目前，多数沙尘模式综合考虑土壤质地、土壤湿度、土壤颗粒粒径、植被覆盖等因素，计算临界摩擦速度［9，18，29－32］。然而，由于准确和合理地确定影响u＊t的各个因子非常困难，导致在实际应用中沙尘释放速率的计算也存在较大的不确定性［33］。采用统计方法［34－36］可估算u＊t，虽然可回避种种不确定因素，但主观因素较大［22］。结合野外观测和卫星遥感获得的归一化植被指数（NDVI），可获得较大区域的临界起沙风速的分布［37－38］。

本文利用内蒙古科尔沁沙地沙尘暴探测与监测试验站2008年和2009年春季不同高度沙尘浓度观测资料，结合近地面层微气象学精细观测，初步判断局地起沙过程，对比分析不同沙尘天气条件下摩擦速度和沙尘浓度的演变规律，获取科尔沁沙地地区的起沙阈值。

2资料选取及处理方法

2．1试验场地和仪器介绍

沙尘暴探测与监测试验站位于内蒙古科尔沁沙地南部，地理位置为42°58′N，120°43′E，平均海拔363m，全年降水量为200～300mm左右，属于典型的半干旱地区。试验站周围全年植被覆盖度不到10％，零星生长着沙蓬，地面基本。流动沙丘以沙丘链为主，呈带状分布。试验站周边的风成沙主要以中、细沙为主，沙粒半径主要集中于1．0～0．25mm和0．25～0．55mm，约占90％以上［39］。表1为试验站周围土壤颗粒组成［15］。观测平台为20m高度气象观测塔，主要观测项目有：4层风速、温度和湿度廓线；风向；3层土壤温度和湿度；太阳辐射、地面反射辐射和净辐射；两层沙尘浓度，以及风速和温度的湍流观测。表2为主要观测项目、观测仪器及其技术指标。本文选取2008年和2009年春季沙尘浓度资料进行分析。观测期间2008年3月23～24日、4月2，5日和2009年4月14日有沙尘天气发生。按照韩国黄沙强度分级标准［40－41］，可以分为扬沙、沙尘暴和强沙尘暴天气。所有观测均为连续自动观测。观测的采样间隔为10min，对观测数据进行了30min的滑动平均。

2．2处理方法

科尔沁沙地下垫面均一平坦，根据Monin－Obukhov相似性理论［42］计算摩擦速度u＊，得：u＊＝κ珔u［2lnz2z（）0－ΨMz2（）］L－1，（1）其中：κ是冯－卡曼常数，取0．4；L＝－珋θ1u3＊κg（w′θ′）s＝珋θ1u2＊κgθ＊（2）是Obukhov长度；珔u2是z2高度的风速；z2＝4m；z0是空气动力学地表粗糙度，利用4层风速测量，采用近中性廓线拟合法得到2008年3、4月和2009年4月科尔沁沙地的地表粗糙度分别为0．0075m和0．0070m；ΨM为速度稳定度修正函数，根据Dyer－Businger公式［43－44］：ΨM＝2ln1＋x（）2＋ln1＋x2（）2－2arctanx＋π2－5z烅烄烆LzL＜0zL≥0，（3）其中：x（＝1－16z）L1／4；θ＊＝κ（珋θ2－珋θ1［）lnz2z（）1－ΨHz2（）L＋ΨHz1（）］L－1为温度特征尺度；z1＝2m；珋θ为位温；ΨH为位温稳定度修正函数，即：ΨH＝2ln（1＋x2）［］2－5z烅烄烆LzL＜0zL≥0．（4）结合公式（1）～（4），采用迭代法可以得到4m高度的摩擦速度。

3结果分析

3．1扬沙天气起沙阈值

图1给出了2008年3月23～24日扬沙天气过程前后近地层沙尘浓度、摩擦速度、两层高度沙尘浓度差和风速，以及到达地面的短波辐射和净辐射随时间变化。从图1中可看到，3月23日沙尘浓度呈双峰结构，沙尘浓度极值分别出现在15：50（北京时，下同）和19：10，数值分别为265μg•m－3和328μg•m－3。23日06：00以前，风速较小，约为2m•s－1；06：00以后，风速逐渐增大，14：00达到7m•s－1左右。起沙前，沙尘浓度数值约为50μg•m－3；15：00～15：50为第一次起沙阶段，摩擦速度明显增加，约为0．6m•s－1，沙尘浓度也明显增大。随后，风速减小，沙尘浓度迅速回落。16：50～19：10为第二次起沙阶段，沙尘浓度再次随摩擦速度的增加而增大。临近傍晚，由于风速的减小和热力作用的减弱，沙尘浓度有所降低。24日02：30开始，风速＞10m•s－1，03：00～07：00再次出现扬沙天气。此次沙尘天气持续时间较短，沙尘浓度最大值为282μg•m－3。23日扬沙天气过程，由于大气中沙尘粒子群散射和反射太阳辐射，导致到达地面的短波辐射和净辐射均减少，尤其是扬沙天气爆发时，12：30～14：50到达地面的短波辐射从810W•m－2迅速减小到106W•m－2。3月24日，入射短波辐射和净辐射均较低，应与云有关。由两层高度的沙尘浓度差ΔDC，可初步判断局地起沙和远距离输送沙尘的贡献程度。起沙过程中，当ΔDC＝DC18－DC3＞0时，表明沙尘从高层向低层输送，沙尘的远距离输送占主导地位；反之，表明沙尘从低层向高层输送，局地起沙对沙尘浓度的贡献较大。从图1b中可看出，3月23～24日扬沙天气起沙阶段，ΔDC均为负值，应属于局地起沙。临界起沙摩擦速度u＊t是指风蚀发生所需的最小摩擦速度［1］。根据已有的研究［20，22］，当沙尘浓度＞200μg•m－3时，定义为一次起沙过程。图2给出了2008年3月23～24日科尔沁沙地扬沙天气4次起沙阶段沙尘浓度随摩擦速度的变化。除24日04：40～06：00起沙阶段摩擦速度始终保持较高的数值外，其余起沙阶段均存在沙尘浓度随摩擦速度的增加而增加的特点。随摩擦速度的增加，当空气动力学力矩超过沙粒的摩擦力矩时，沙粒开始滚动，遇到障碍物发生弹跳，脱离地面；粗沙粒由于重力作用落回并撞击地面时，将地面的细沙粒释放到空中，湍流将这些细沙粒垂直向上输送，使沙尘浓度增加。沙尘天气减弱阶段，摩擦速度先保持不变，沙尘浓度急剧减少。由于扬沙天气，沙尘浓度相对降低，将起沙阶段沙尘浓度超过200μg•m－3一定范围内（＋10μg•m－3）最小的摩擦速度作为扬沙天气的临界摩擦速度，由此可得，2008年3月23～24日科尔沁沙地扬沙天气4个起沙阶段的临界起沙摩擦速度阈值分别为0．59，0．55，0．59和0．66m•s－1。

3．2沙尘暴天气起沙阈值

图3给出了2008年4月2～3日科尔沁沙地沙尘暴过程沙尘浓度和气象要素的演变规律。从图3中可看到，4月2日沙尘暴爆发前，风速和沙尘浓度的数值都较低。04：00，风速开始迅速增大，临近中午，风速达到12m•s－1，沙尘浓度也明显增加，最大值为342μg•m－3。起沙阶段，ΔDC出现明显的负值，表明沙尘由低层向高空输送，局地起沙占主导地位。此次沙尘暴持续到19：00左右，沙尘浓度随风速的减小逐渐恢复到起沙前的背景浓度。与3日晴天天气相比，2日沙尘暴过程到达地面短波辐射和净辐射明显降低，日变化规律不明显。图4给出了2008年4月2～3日科尔沁沙地沙尘暴过程不同阶段沙尘浓度随摩擦速度的变化。从图4中可看到，起沙前，摩擦速度和沙尘浓度数值较小。临近起沙阶段，摩擦速度不断增大，沙尘浓度仍较低，＜50μg•m－3，表明摩擦速度尚未达到可以克服沙尘粒子所受的各种阻力，使沙尘粒子脱离地面进入大气的强度。起沙阶段，摩擦速度继续增加，数值保持在0．7m•s－1附近，大量沙尘粒子在强而持续的空气动力作用下被抬升到空中，沙尘浓度迅速增大。沙尘天气减弱阶段，沙尘浓度随摩擦速度近似呈线性减小。可以认为，2008年4月2日科尔沁沙地沙尘暴天气临界起沙的摩擦速度为0．65m•s－1。图5给出了2008年4月4～5日科尔沁沙地沙尘浓度和气象要素的时间变化曲线。从图5中可看到，4月5日，沙尘浓度存在3次明显的涨落，最大值为378μg•m－3。结合图1b，13：00和20：00左右，沙尘浓度增大阶段对应的ΔDC出现明显的正值，表明远距离输送的沙尘对局地沙尘浓度的影响较大。18：00左右，沙尘浓度随风速的增加迅速增大，对应的ΔDC为负值，应属于局地起沙。与4日晴天天气相比，5日沙尘气溶胶增加，其散射作用使得到达地面的短波辐射和净辐射数值有所降低。图6给出了2008年4月5日科尔沁沙地局地和非局地起沙阶段沙尘浓度和摩擦速度的变化。从图6中可看到，局地起沙阶段，沙尘浓度随摩擦速度的增加而增大，沙尘浓度首次达到200μg•m－3，对应的摩擦速度为4月5日的临界摩擦速度0．62m•s－1。非局地起沙阶段，沙尘浓度明显增大，而摩擦速度数值变化不大，当沙尘浓度达到200μg•m－3时，对应的摩擦速度分别为0．22m•s－1和0．46m•s－1，小于局地起沙过程时的结果。这表明，利用两层沙尘浓度观测甄别局地起沙和非局地起沙，可以有效地排除远距离输送沙尘的影响，从而获取更加准确和合理的起沙阈值。

3．3强沙尘暴天气起沙阈值

2009年4月14日受冷锋系统影响，科尔沁沙地出现了一次强沙尘暴天气。图7给出了2009年4月14～15日科尔沁沙地近地层沙尘浓度、沙尘浓度差和摩擦速度等微气象要素随时间的变化。从图7中可看到，强沙尘暴来临前，风速逐渐增加，沙尘浓度数值一直较低。强沙尘暴爆发阶段，随着风速的增加，沙尘浓度迅速增大，最大值可达1730μg•m－3；对应的沙尘浓度差ΔDC出现较大负值，表明此次强沙尘暴过程以局地起沙为主。强沙尘暴过程持续约4h，至20：00沙尘暴过程结束。考虑此次强沙尘暴过程伴随着大尺度的锋面系统过境，较强的风力有利于沙粒的跳跃轰击和土壤聚合体的分裂。另外，沙尘暴发生在热力对流较强的午后，沙尘粒子在强热力对流和锋面附近的上升气流的混合作用下更容易进入大气，并向远处输送［22］。张强等［45］也曾指出，强沙尘暴的动力效应表现为水平风速剧增，水平和垂直方向风速切变加剧，出现强对流过程。而一般沙尘暴或扬沙天气，由于缺少强对流过程，没有足够的动力将强风卷起的大量沙尘输送到较高层的大气。2009年4月14日科尔沁沙地强沙尘暴过程爆发在下午地表加热最强的时刻，局地近地层大气不稳定，强边界层自由对流运动对天气尺度的冷锋能够产生较显著的强迫作用，应有助于激发起对流运动。针对科尔沁沙地不同植被覆盖度的土壤临界起沙风速，胡孟春等［14］的风洞试验结果表明：植被盖度分别为69．7％，58．5％，27．4％和10．75％时，对应的临界起沙风速分别为10．23，8．7，8．27和7．84m•s－1。移小勇等［15］的风洞试验得到科尔沁流动沙丘的临界起沙风速为4．3m•s－1。由此可见，这些临界起沙风速的风洞试验结果均小于本文。其可能的原因是，风洞试验测量的临界起沙风速一般是指沙粒的临界跃移风速，也就是使沙粒脱离静止状态而开始运动的最小风速；而本文结果是反映能够使粒子脱离跃移层进入近地面层的起沙阈值。因此，相比沙粒的起动风速，沙粒的垂直输送需要更强的水平和垂直方向的风速切变。该结果验证了文献［45］中“水平风对大粒径沙粒主要起近距离搬运作用，向上的输送主要靠对流和湍流运动输送”的结果。同扬沙天气和沙尘暴天气相比，强沙尘暴过程沙尘浓度较高，沙尘粒子对到达地面的短波辐射和净辐射的削弱程度更加明显。图8给出了2009年4月14日强沙尘暴天气过程摩擦速度和沙尘浓度的变化。起沙前（00：00～14：40），摩擦速度数值逐渐增至0．5m•s－1，沙尘浓度数值变化较小。起沙阶段（14：40～16：30），摩擦速度迅速增加至0．7m•s－1以上，90min内沙尘浓度增加1400μg•m－3，达到1730μg•m－3。随后，沙尘浓度随摩擦速度的减小而减小。临界起沙摩擦速度u＊t可以认为是0．7m•s－1。表3给出了科尔沁沙地晴天天气、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴天气过程起沙阈值和日平均辐射量的对比。强沙尘暴天气的临界起沙摩擦速度u＊t和临界起沙风速ut大于扬沙和沙尘暴天气。分别取u＊t和ut的平均值，得到科尔沁沙地春季的临界起沙摩擦速度和临界风速分别为0．62m•s－1和9．5m•s－1。同晴天天气相比，沙尘天气过程的日平均入射短波辐射和日平均净辐射数值明显减小。

4结论与讨论

利用内蒙古科尔沁沙地沙尘暴探测与监测试验站2008年和2009年春季沙尘和微气象学观测资料，分析了扬沙、沙尘暴、强沙尘暴天气沙尘浓度和摩擦速度的变化特征，对比了不同天气入射短波辐射和净辐射的变化规律，估算了科尔沁沙地春季的起沙阈值，得到以下主要结论：

（1）沙尘天气过程中，起沙前，摩擦速度和沙尘浓度数值都较低；临近起沙前，摩擦速度迅速增大而沙尘浓度基本保持不变；起沙时，摩擦速度数值较高，沙尘浓度迅速增大；沙尘天气减弱阶段，沙尘浓度随摩擦速度近似呈线性减小。

（2）利用近地层两层高度沙尘浓度差，可以初步区分局地起沙和非局地起沙过程，在较大程度上减小了因沙尘水平输送对起沙阈值的低估。

（3）科尔沁沙地春季临界起沙摩擦速度u＊t和临界起沙风速ut分别为0．62m•s－1和9．5m•s－1；随着扬沙、沙尘暴和强沙尘暴天气的沙尘天气强度的增强，起沙阈值略有增加。这表明水平风、垂直对流和湍流运动输送对沙粒近距离搬运和向上输送作用的异同。另外，沙尘暴的不同成因机制无疑会影响起沙过程和起沙阈值，是否沙尘天气越剧烈，所需的起沙阈值越大，还需要更多的观测来验证。