風(fēng)蝕起沙研究的回顧與展望

風(fēng)蝕起沙研究概述沙氣溶解膠是指通過風(fēng)蝕進入中國北方和半干旱地區(qū)的問題。據(jù)估計,我國每年的起沙量大約為0.8Gt。大量的沙塵粒子不僅會直接污染城市環(huán)境,也可作為云凝結(jié)核而影響云的形成和降水,還直接影響日照量,或通過輻射強迫效應(yīng)影響區(qū)域氣候和全球氣候。因此,沙塵氣溶膠及其氣候效應(yīng)的研究已經(jīng)成為繼溫室氣體之后的另一個全球性研究熱點。在沙塵注入大氣的過程中,主要經(jīng)歷起(風(fēng)蝕起沙)、揚(抬升運動)、飄(環(huán)流輸送)、落(大氣塵降)四個階段。所以,風(fēng)蝕起沙研究是開展沙塵氣溶膠及其氣候效應(yīng)研究之淵藪,受社會經(jīng)濟發(fā)展和學(xué)科發(fā)展需求的推動,近年來異常活躍。國外開展風(fēng)蝕起沙的研究始于20世紀初期。最早將沙塵的運動建立在物理學(xué)基礎(chǔ)上的是英國物理學(xué)家拜格諾(R.A.Bagnold)。早在1935年到1936年之間,作為英國軍官的拜格諾對北非等地沙漠的風(fēng)沙現(xiàn)象進行了長期觀察研究,并做了大量的模擬實驗,1941年寫成了《風(fēng)沙和荒漠沙丘物理學(xué)》,書中以空氣動力學(xué)理論為基礎(chǔ),利用風(fēng)洞等實驗手段研究了風(fēng)沙運動規(guī)律。此書為風(fēng)沙運動的物理學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。同一時期,蘇聯(lián)、美國等科學(xué)家,也通過風(fēng)洞模擬和對沙地、農(nóng)田觀測開展了風(fēng)蝕研究,其研究成果有效地指導(dǎo)了風(fēng)沙防治工作。半個世紀來,人們一直在不斷探索風(fēng)蝕起沙的理論和方法,特別是Shao等豐富了前人的理論和實驗成果,進一步闡述了風(fēng)沙物理學(xué)中最新揭示起沙機制的方法,介紹了將大氣模式、地理信息系統(tǒng)和風(fēng)沙模式耦合在一起的風(fēng)蝕數(shù)值模式,為沙塵暴的數(shù)值預(yù)報和起沙量的估算提供了更為有效的手段。我國開展風(fēng)蝕起沙研究較晚,但所具有的得天獨厚的天然觀測實驗研究條件和雷達、衛(wèi)星等觀測技術(shù)的進步,近年來在沙塵暴的天氣分析、觀測研究和模擬研究等方面都取得了許多有特色的結(jié)果。風(fēng)蝕起沙的過程異常復(fù)雜,限于理論發(fā)展期待突破的現(xiàn)實性和觀測實驗研究條件的限制,許多野外觀測研究結(jié)果的可重復(fù)性和可比較性還不是很好。但在風(fēng)蝕起沙基本認識方面,諸如源地、起沙影響因素、動力過程等方面,初步建立了共識。綜合歸納和比較風(fēng)蝕起沙研究結(jié)果異同的目的在于,彰顯先行者的智慧,尋找開展進一步研究的落腳點和突破點。有關(guān)風(fēng)蝕起沙的研究文獻紛繁,本文僅僅涉及幾個方面:沙粒的運動、風(fēng)蝕起沙條件、沙塵源地、沙塵通量等,并側(cè)重于綜述觀測性研究結(jié)果。1沙粒的擊穿運動風(fēng)蝕起沙研究首先關(guān)注的問題是靜止的沙粒如何離開地面成為運動的沙粒。朱朝云等對許多研究工作進行了歸納,認為風(fēng)蝕起沙的機制主要有湍流的擴散與振動、壓差升力和沖擊碰撞三種學(xué)說。拜格諾認為沙粒主要有懸移、躍移和蠕移三種運動方式。他的實驗計算表明,以高速運動的粒子在躍移中通過沖擊方式,可以推動6倍于自身直徑(或200倍于自身重量)的沙粒。另有研究表明,沙粒的跳躍運動一方面可以直接沖擊地表土壤粒子并使其飛濺懸浮于空中,另一方面在碰撞的過程中,較大的集合體受撞擊破裂,覆蓋其表面的塵粒也會被剝落而懸浮于空中。并不是粒徑越小的粒子越容易脫離地表,小的塵粒子在黏性力的作用下附著在大的粒子表面或縫隙中,不能被風(fēng)吹開起,或者需要更大的起動風(fēng)速。以上說明,沙粒的跳躍運動是影響地面風(fēng)蝕起沙的重要運動形式,沙塵的排放量取決于能夠進行跳躍運動的沙粒的量。周秀驥等認為,沙粒起動后,隨著風(fēng)力加大,產(chǎn)生沙粒群跳躍、滾動等非常復(fù)雜的運動(圖1a),形成近地面沙粒群的水平移動。揚起的沙粒在邊界層通過湍流擴散和鋒面附近的上升氣流向空中輸送,而在邊界層以上,則主要靠上升氣流帶向高空。圖1b則總結(jié)了不同粒徑的沙塵的起動和傳輸方式。一般而言,懸移的粒徑小于70μm,躍移的粒徑在70～1000μm之間,大于1000μm的粒子因太重而蠕移。懸移高度可以達到平流層,躍移高度最高可以達到3m,平均高度為0.2m。牛生杰等在中國西北沙漠上空不同地區(qū)和高度處觀測到的沙塵粒子最大直徑在13.0～28.0μm之間,在5000m高度觀測到的最大粒子直徑28.0μm。而在沙塵暴天氣條件下,游來光等觀測到銀川上空1400～1900m氣層間存在直徑為350μm的大粒子。取沙塵粒子高度約3000m,水平風(fēng)速10m·s-1,計算結(jié)果表明,沙塵量大約有25%沉降在下游250km范圍內(nèi),有50%沉降在1000km范圍內(nèi),有20%可以輸送到10000km以遠。周秀驥等認為沙塵粒子的起動、搬運過程及其動力條件是研究沙塵暴及其影響的關(guān)鍵問題,指出沙塵暴活動特征可用起沙、揚沙、遠距離輸送綜合物理模型來描述,揭示了沙塵暴天氣在起沙、揚沙、水平輸送以及沉降過程中的關(guān)鍵動力學(xué)問題。2土壤溫度與陣風(fēng)風(fēng)蝕起沙需要具備物質(zhì)和動力兩大基本條件,即沙塵源地和能夠使沙塵脫離地表的風(fēng)力。此外,還與下墊面狀況有關(guān),包括與土壤濕度、土壤類型、植被覆蓋、粒子尺度分布等因素有密切關(guān)系,這些因子會通過影響臨界摩擦速度值而影響風(fēng)蝕起沙過程。王煒和方宗義通過計算分析得出,在沒有比常年顯著增加并使地面植被生長有明顯改善的情況下,大氣動力因素相對地面參數(shù)而言是主導(dǎo)沙塵暴年際變化的主要因子。2.1沙地動態(tài)沙區(qū)我國沙塵的源區(qū)主要分布在中北部地區(qū),包括沙漠、半干旱的沙漠邊緣、干枯的湖河床,以及植被覆蓋很少的干旱、半干旱地區(qū)。地表受到人類活動干擾的地區(qū)也是重要的沙塵源區(qū)。石廣玉等將我國境內(nèi)沙塵源區(qū)概括分為5類,見表1。此外,還有科爾沁、毛烏素、渾善達克、呼倫貝爾等沙地也是境內(nèi)重要的沙塵源區(qū)。根據(jù)對黑河流域干枯湖床沉積物、戈壁、農(nóng)地、嚴重退化草地和流動沙丘5種景觀類型的觀測表明,沙塵排放通量由大到小的順序依次為:干枯湖床沉積物、嚴重退化草地、流動沙丘、戈壁、農(nóng)田。宋陽等的研究結(jié)果則表明,干鹽湖表面光滑、堅硬、凸凹不平的鹽結(jié)皮,不僅增大了地表的粗糙度,還把下層的土壤和沙粒保護起來,使其免受風(fēng)蝕。此外,農(nóng)田的起沙量受土壤質(zhì)地和耕作方式的影響比較大。申彥波等對敦煌戈壁和綠洲的觀測研究結(jié)果表明,人為的翻耕作用可能會使綠洲地表的臨界摩擦速度減小一半以上,使得臨界摩擦速度小于戈壁,即翻耕農(nóng)田比戈壁更易受風(fēng)蝕影響。對敦煌的沙地和農(nóng)田的觀測研究結(jié)果也證實了上述觀點。2.2u3000地表起沙的臨界在風(fēng)蝕起沙中,摩擦速度(u*)表征的是風(fēng)對地表土壤微粒抬升的能力,是確定沙源起沙與否的有效判據(jù)之一。而臨界摩擦速度(u*t)表征的是地表對風(fēng)蝕起沙的阻礙能力。Gillette通過粒子質(zhì)量通量(d<10μm)與地面摩擦速度的測量發(fā)現(xiàn),只有當摩擦速度超過某個臨界值時粒子才能起動,這個臨界值就是臨界摩擦速度。即當u*>u*t時,表示空氣動力大于粒子重力和黏性力的合力,地面起沙;當u*<u*t時,表示空氣動力不能克服粒子重力和黏性力的合力,地面不能起沙。2.2.1下墊面速度u#t的測量方法目前計算摩擦速度最常用的是通過空氣動力學(xué)理論確定參數(shù)求解摩擦速度u*的方法。根據(jù)Monin-Obukhov相似理論,利用兩層的風(fēng)速和溫度資料就可以確定u*值,也可以根據(jù)近地層風(fēng)廓線計算u*值。這類方法簡單易行,但是由于理論上是建立在光滑地表和大氣中性穩(wěn)定的假設(shè)條件下,因此取得的u*值可能與自然狀態(tài)的實際值有誤差,特別是在強穩(wěn)定大氣條件下,u*值離散度比較大。張宏升等用渦度相關(guān)法確定摩擦速度和臨界摩擦速度,隨著該技術(shù)的發(fā)展,可以方便地測得不同下墊面上的摩擦速度。Shao等在不考慮人為因素的情況下,提出了一個自然狀態(tài)的下墊面u*t的計算方法:u*t=Η(w)R(λ)√AΝ(σρgd+ερd)u*t=H(w)R(λ)AN(σρgd+ερd)?????????????√式中,H(w)和R(λ)分別表征地表土壤水分和植被覆蓋對風(fēng)蝕起沙的阻礙作用;ε和AN為經(jīng)驗常數(shù);σρ為土壤微粒密度和空氣密度ρ的比值,根據(jù)土壤類型和氣壓情況取值;d為粒徑;g為重力加速度。根據(jù)Fecan等的研究,H(w)的表達式為:Η(w)={1w≤w′1+a(w-w′)bw＞w′其中,a和b為經(jīng)驗常數(shù);w和w′是土壤水分和對起沙具有明顯阻礙作用的臨界值,為實測值。a、b和w′的大小均取決于土壤類型。根據(jù)Raupach的研究,R(λ)的表達式為:R(λ)={1λ=0(1-mσλ)(1+mβλ)λ＞0其中,σ是植被的根部與葉面積之比,經(jīng)驗值取1.45;β是單個植被元素的拖曳系數(shù)與沒有植被的地表拖曳系數(shù)之比,經(jīng)驗值取202;m是一個小于1的常數(shù),經(jīng)驗值取0.16;λ是植被覆蓋度,決定于植被覆蓋分數(shù)f,由以下經(jīng)驗公式確定:λ={0f=0-0.35ln(1-f)f≤0顯然,臨界摩擦速度(u*t)受粒徑d、土壤水分含量w、植被覆蓋度λ以及土壤硬度等因素的影響。其中粒徑d對粒子所受的重力、空氣動力和內(nèi)部粘性力均有影響;土壤水分含量w取決于降水、蒸發(fā)以及土壤的持水性等;植被覆蓋度會影響地表粗糙度進而影響u*t。2.2.2u3000臨界起沙風(fēng)速自20世紀90年代起,我國持續(xù)在西北沙漠地區(qū)以及北京郊區(qū)等地進行u*t與臨界起沙風(fēng)速的觀測研究,獲得了一些主要沙塵源地的豐富資料(不考慮植被覆蓋率),見表2。從表2可以看到,不同土壤類型的臨界起沙風(fēng)速在3～6m·s-1之間,臨界摩擦速度在0.3～0.5m·s-1之間,都是農(nóng)田小,沙地大。申彥波等對敦煌地區(qū)戈壁和綠洲的觀測計算表明,u*t隨粒子尺度的變化是先減小后增大,在中間某一尺度處有一最小值。對戈壁地表,當粒徑d≈80μm時,u*t≈0.43m·s-1,而對于綠洲地表,u*t≈0.74m·s-1。Shao采取加權(quán)法確定了一個粒子尺度分布的質(zhì)量概率密度函數(shù),來考慮風(fēng)蝕起沙過后一部分微粒被抬升,粒子譜隨時間發(fā)生變化,進而u*t也隨之變化的問題。值得關(guān)注的是,表2中的結(jié)果觀測高度并不一致,這給不同地點、不同時次的結(jié)果直接比較研究帶來一定的困難。2.3植被覆蓋率對風(fēng)蝕輸沙率的影響黃富祥等從理論研究、觀測實驗和定量模型等三個方面進行過評述,認為植被的存在分解了風(fēng)對地面的作用,抬高了風(fēng)速廓線方程中地面粗糙度高度是植被保護地表不被風(fēng)蝕的機理。植被覆蓋一方面增大了地面粗糙度,加大了u*t值,另一方面可使植被根部附近的土壤粒子結(jié)合得更緊密,不易因風(fēng)蝕而脫離地表,風(fēng)蝕率隨植被覆蓋率的減少呈指數(shù)增加。黃富祥等建立了毛烏素沙地植被覆蓋率與風(fēng)蝕輸沙率定量關(guān)系模型,隨著植被覆蓋率的提高,沙粒起動風(fēng)速也隨之增大,當植被覆蓋率達到40%～50%時,沙粒起動風(fēng)速也相應(yīng)增大到8～10m·s-1,使得風(fēng)蝕輸沙率大為降低。而2003和2004年對北京郊區(qū)不同土地利用類型進行的觀測表明,在同等風(fēng)速條件下,可起沙性從大到小分別為翻耕地、留茬地、經(jīng)濟林地、荒地、防護林地和草地。風(fēng)洞模擬表明,當風(fēng)速為12.7m·s-1時,只要植被覆蓋率大于60%,風(fēng)蝕率幾乎為零;而當植被覆蓋率小于20%時,出現(xiàn)強烈的風(fēng)沙流,風(fēng)蝕率陡增。不同的植被覆蓋對u*t的影響也不同,汪萬福等對敦煌莫高窟頂?shù)娘L(fēng)沙綜合防護體系固沙效果進行數(shù)值模擬,結(jié)果表明,灌木林帶的建立,使地表風(fēng)蝕起沙的u*t的值提高了4.1倍,達到1.15m·s-1,完全抑制了地表風(fēng)蝕起沙;草方格設(shè)置則使u*t的值提高了1.9倍,達到0.53m·s-1,為沙地的最高值。開展植被覆蓋對風(fēng)蝕起沙影響的研究不僅具有學(xué)術(shù)價值,還為防風(fēng)固沙工程的植被選擇和實施密度提供科學(xué)依據(jù),因此還具有重大經(jīng)濟價值。3風(fēng)蝕起沙研究由于沙塵氣溶膠的氣候效應(yīng),計算地表沙塵向大氣的排放量一直是風(fēng)蝕起沙研究的一個重點。沙塵通量與地貌、土壤類型、植被覆蓋率、風(fēng)速等密切相關(guān),通過理論計算和觀測資料擬合,最終可以建立沙塵通量與摩擦速度的關(guān)系。3.1地表沙質(zhì)量分數(shù)p的確定Gillette等在考慮地表土壤風(fēng)蝕起沙物理機制的基礎(chǔ)上,通過擬合實驗資料,給出了相應(yīng)的起沙模型:FG={C2u4*(1-u*t/u*)u*>u*t0u*≤u*t其中,C2是經(jīng)驗常數(shù),取1.4×10-5g·cm-6。Lu等在考慮土壤的侵蝕性和塑性壓力的基礎(chǔ)上,從理論上計算了沙粒碰撞所產(chǎn)生的凹坑的體積,并建立了一個沙塵排放模式:FL=cagqρb2p(0.24+cβu*√ρpp)Q其中,ca和cβ是兩個經(jīng)驗常數(shù),近似取5.0和1.37;q是地表土壤中粒子的質(zhì)量分數(shù),取決于粒子尺度譜;ρb和ρp是土壤的體密度和微粒密度,p是土壤的塑性壓力,由土壤的致密程度確定,ρb和p根據(jù)不同土壤類型取值;Q為水平方向沙塵通量,可用Owen方程確定。Shao等在充分考慮地表風(fēng)蝕起沙的物理機制和起沙過程中地表土壤粒子尺度分布的基礎(chǔ)上,提出了起沙計算方案:FS(di,ds)=cy[(1-γ)+γpm(di)pf(di)]Qgu2*(ρβηfiΩ+ηcim)其中,cy=cs/7;di是第i個粒子的直徑;pm(d)是地表土壤受最小破壞時粒子尺度分布的概率密度函數(shù),pf(d)是地表受最大程度破壞時粒子尺度分布的概率密度函數(shù);γ和(1-γ)分別是pm(d)和pf(d)所占權(quán)重,γ=exp[-t(u*-u*t)n],t和n為經(jīng)驗系數(shù);m是直徑為ds的粒子質(zhì)量;ηf是土壤能排放的塵粒的質(zhì)量分數(shù),ηc是覆蓋于集合體表面的塵粒的質(zhì)量分數(shù);Ω是沙粒碰撞土壤表面時產(chǎn)生的凹坑的體積,根據(jù)Lu等方法確定。申彥波等對敦煌的觀測資料用上述三種計算方案計算結(jié)果表明,在u*較小時,存在FG>FL>FS的關(guān)系,隨著u*的增大,三種計算方案的F趨于一致。他們分析認為:FG形式簡單,只需要u*和u*t兩個參數(shù),但該方案主要依賴大量的實驗數(shù)據(jù),經(jīng)驗成分較多;FL理論上較精確,但該方案在考慮起沙機制時,只考慮了垂直通量的一部分,而且其中的ca和p兩個參數(shù)也不易確定;FS詳細考慮了起沙機制的物理過程的同時,還考慮了粒子尺度分布隨時間變化對垂直通量的影響,使得FS值對u*的變化響應(yīng)敏感,但該方案表達形式復(fù)雜,所需參數(shù)多且有的較難確定。在敦煌莫高窟窟頂?shù)囊巴庥^測表明,沙質(zhì)地表輸沙量隨高度呈指數(shù)規(guī)律遞減。沈志寶等則估算了2002年4月敦煌地區(qū)兩次強度較弱、持續(xù)時間較短的沙塵天氣過程中,戈壁沙地的平均起沙率為1.58×10-8kg·m-2·s-1和9.95×10-9kg·m-2·s-1,最大起沙率為2.77×10-8kg·m-2·s-1。這與申彥波等的順風(fēng)向沙塵通量和垂直沙塵通量平均值的量級分別為10-4kg·m-1·s-1和10-8kg·m-2·s-1的結(jié)果基本一致。3.2f與u2#的線性關(guān)系理論研究和觀測結(jié)果表明,沙塵垂直通量(F)與摩擦速度(u*)存在F=C(u*)n的關(guān)系。式中C為經(jīng)驗常數(shù),n的變化范圍從2到5。Gillette提出F∝u4*;Shao等則認為F∝u3*;Lu等通過對土壤的可侵蝕性和適應(yīng)壓力的研究,提出在比較堅硬的地表,沙塵近似于F∝u3*,而對于比較松軟的地表,則近似有F∝u4*的關(guān)系。而沈志寶等通過對敦煌的觀測結(jié)果分析表明,似乎在戈壁沙地上F與u2*的線性關(guān)系更好。張宏升等用渦度相關(guān)法計算渾善達克沙地的F與u*發(fā)現(xiàn)兩者的關(guān)系有較大的分散性,擬合關(guān)系為F=101.72×u2.93*。F與u*的高冪次關(guān)系,決定了F值對u*值的變化具有高度敏感性,而冪次n的高分散度(2～5),又給估算沙塵排放量帶來很大的不確定性。1994年IPCC對全球沙塵的排放量的估算值范圍不在一個數(shù)量級上,也就是說相差10倍以上,對人類活動影響造成的沙塵排放量占總排放量的比例的估算值在30%～70%之間。直到現(xiàn)在,也沒有更令人信服的、更完善的估算方法縮小以上數(shù)值區(qū)間。估算量的不確定和沙塵氣溶膠輻射強迫過程的復(fù)雜性,更增加了沙塵氣溶膠的氣候效應(yīng)問題的不確定性。因此,提高沙塵排放量估算值的準確性是既困難而又重要的問題。曾慶存等提出,準定常和非定常急流情況下應(yīng)該使用修訂的u*計算起沙率,不同頻率的擾動和脈動的起沙效率不同,在計算沙塵通量時,應(yīng)以1min做統(tǒng)計平均為宜。這對于提高沙塵通量計算的精度非常有益。利用衛(wèi)星遙感觀測估算沙塵量的方法將會有非常大的發(fā)展?jié)摿?但是也需要深入認識沙塵粒子的物理特性,如復(fù)折射指數(shù)、粒譜分布等參數(shù),還要盡可能詳細地獲得地表溫度、發(fā)射率、大氣溫濕度廓線等參數(shù),模式及其檢驗也需要這些參數(shù)。目前還不能夠精細掌握這些參