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塔克拉玛干沙漠地表起沙观测与起沙参数化方案改进

10、干旱区环境与风沙科学 > 专题3：风沙（风蚀）动力学与数理模型

沙尘气溶胶的循环包括起沙、输送和沉降三个环节。起沙作为首要环节，影响着输送与沉降，是研究沙尘气溶胶与全球变化的基础。塔克拉玛干沙漠是我国和东亚地区重要的沙尘气溶胶源区，由于缺少对该区域起沙过程的系统研究，各起沙参数化方案对这一区域起沙过程的模拟结果均存在较大不确定性。鉴于此，本研究利用2008年3月-2018年2月的起沙、微气象及土壤环境综合观测资料，详细分析了塔克拉玛干沙漠起沙过程和特征，探讨了降水、土壤湿度、空气湿度和气温等因子对起沙过程的影响作用；确定了地表粗糙长度、起沙阈值、沙尘水平和垂直通量等关键参数；结合风洞模拟实验，建立和修正了土壤湿度对起沙阈值影响的参数化方案、沙尘水平通量参数化方案及沙尘垂直通量参数化方案；开展了起沙参数化方案及新疆沙尘暴数值模式的本地化改进工作。得到如下结论：
（1）研究区10 a间累计发生起沙3609.8 h，约占总观测时长的4.1 %，单次起沙过程最长可持续4 h之久；起沙量和起沙时间均遵循夏季（49.6/45.1 %）>春季（40.0/39.2 %）>秋季（8.7/11.8 %）>冬季（1.7/3.8 %）的季节变化规律；起沙量和起沙时间的日变化均呈现为不完全规则的“钟”型分布，白天（08:00-20:00 地方时）起沙量和起沙时间分别站到全天的79.6和78.7 %，夜间与清晨（20:00-08:00地方时）分别站到全天的20.4和21.3 %；沙尘天气日和非沙尘天气日的起沙量分别占全部起沙量的89.8和10.2 %，起沙时间分别占全部起沙时间的77.4和22.6 %；单次降水过程对起沙的抑制作用长达24 h以上；
（2）研究区2 m高度临界起沙风速变化范围为4.0-6.0 m/s，临界起沙摩擦速度变化范围为0.24-0.36 m/s；土壤湿度对起沙阈值产生影响的临界值约为0.025 m3/m3；单次沙尘暴天气过程，通过100 cm宽×200 cm高截面的沙尘水平通量可达459.4 kg，沙尘垂直通量可达3.69 kg/m2，PM20的垂直通量可达9.79×10-2 kg/m2；
（3）修正了描述土壤湿度对起沙阈值影响作用的参数化方案，并建立了新方案，降低了起沙阈值对于土壤湿度变化的敏感性；修正和建立了沙尘水平通量参数化方案，确定研究区沙尘水平通量计算方案的优选顺序为：White风洞实验修正方案、Owen原方案和基于外场试验拟合的新方案；修正了描述沙质土壤条件下沙尘垂直通量与水平通量关系的参数化方案；
（4）起沙参数化方案中各项因子本地化后，在同样的计算环境下，临界起沙摩擦速度u*t、沙尘水平通量Q、沙尘垂直通量F均发生显著变化。空气密度本地化后，临界起沙摩擦速度u*t原值与现值相差1.5-10.9 %，沙尘水平通量Q相差11.4-299.0 %；地表粗糙长度z0本地化后，临界起沙摩擦速度u*t原值与现值相差19.0-33.2 %，沙尘水平通量Q相差42.2-425.7 %；光滑地表粗糙长度z0s本地化后，临界起沙摩擦速度u*t原值与现值相差0.4-4.6 %，沙尘水平通量Q相差1.8-19.9 %；土壤湿度对起沙阈值影响作用的参数化方案本地化后，当土壤湿度在5.0 %以内时，临界起沙摩擦速度u*t降低32.1-49.5 %，沙尘水平通量Q增大65.8-69.2 %；沙尘水平和垂直通量计算方案本地化后，分别降低300.0和90.0 %左右；地表土壤粒径分布数据本地化后，综合模拟的沙尘水平通量可相差9-15倍；
（5）通过起沙参数化方案本地化和起沙参数化方案中地表粗糙元修正方程的替换，可显著提升沙尘水平通量的模拟效果；利用塔克拉玛干沙漠地表土壤粒度分布数据、地表粗糙长度和起沙阈值修正新疆沙尘暴模式CUACE-SDS-XJ地表数据库和参数后，可有效改善塔克拉玛干沙漠区域沙尘浓度和起沙范围的模拟结果。