Relationships between soil moisture and dust emissions in a bare sandy soil of Mongolia

This study presents experimental results of the change in threshold friction velocity and dust emission strength as a function of soil moisture content. The dust and soil moisture data were obtained from irrigated plots of a bare, sandy soil （no vegetation） situated in the Mongolian steppe. Dust flux was measured using the PI-SWERL^（R） device, while soil moisture was measured using gravimetric methods. Our results demonstrate the strong controlling effects of soil moisture on both the threshold friction velocity and dust emission strengths. Threshold friction velocity increased from 0.44 m/s for dry soil （0.002 g/g） to 0.67 m/s for wet soil （0.06 g/g）, confirming the importance of soil moisture for controlling dust events. Dust emission strength was significantly depressed for wet soils, starting at a soil moisture value of 0.02 g/g. From these results, we developed a simple dust diagram that may be useful as part of a warning system to identify initial sensitivity to threshold conditions as well as conditions that could lead to potentially significant dust emissions. Overall, the research findings in this study could be used to provide foreknowledge of conditions that would be conducive to high dust emissions for this area of Mongolia.

风蚀起沙的影响因子及其变化特征

以敦煌地区的戈壁和绿洲为例,对地表土壤风蚀起沙的临界摩擦速度及其变化特征和风蚀起沙过程中地表土壤的粒子尺度分布及其对垂直尘粒通量的影响进行了分析研究。结果表明,地表土壤风蚀起沙的临界摩擦速度随土壤水分含量和植被覆盖度的增大而增大,随粒子尺度的变化是先减小后增大,在中间某一尺度处有一最小值;土壤的人工利用和管理对临界摩擦速度也有着相当大的影响;风蚀起沙过程中,地表土壤的粒子尺度分布随时间发生变化,瞬时的粒子尺度分布不同于平均的粒子尺度分布,利用前者计算得到的垂直尘粒通量对摩擦速度的变化更敏感,利用后者计算得到的垂直尘粒通量偏大。

内蒙古科尔沁沙地临界起沙阈值的范围确定

临界起沙阈值可表征地表土壤的可蚀性,是风蚀起沙研究中非常重要的物理量之一。基于微气象学方法,将沙尘浓度和垂直沙尘通量均开始增加且至少持续0.5 h所对应的摩擦速度(或风速)确定为临界起沙摩擦速度u_(*t)(或临界起沙风速U_t)。利用内蒙古科尔沁沙地地区2010—2013年春季大气环境综合观测资料,分析了不同沙尘天气过程(扬沙、沙尘暴和强沙尘暴)起沙阶段沙尘浓度和垂直沙尘通量随摩擦速度的演变特征,精细确定了该地区临界起沙摩擦速度(u_(*t))和临界起沙风速(U_t)的范围分别为0.45±0.20和6.5±3.0m/s,同时讨论了不同起沙判据对确定临界起沙阈值产生的影响。相比而言,采用的起沙判据尽可能地排除了沙尘输送和沉降过程的影响,适用于不同的沙尘天气类型,使沙尘粒子进入大气的起沙结果更趋于合理,其结果可为建立统一、合理的起沙判据提供参考。

WRF/Chem模式中两种起沙参数化方案对东亚地区一次强沙尘暴过程模拟的影响

利用耦合了GOCART和Sha004两种起沙参数化方案的WRF／Chem模式对2002年3月19-22日发生在东亚地区的强沙尘暴过程进行模拟，着重考察了不同起沙方案对沙尘暴过程模拟的影响。结果表明，耦合了两种不同方案的wRF，Chem总体上均能较合理地模拟出主要的起沙区域、起沙强度的变化以及沙尘浓度的时空演变特征，模式对沙尘源地附近及下游地区地面沙尘浓度时间变化特征的模拟与站点观测结果也十分接近。但总体说来Shao04方案对沙尘起沙的发生以及强度变化过程具有更好的模拟能力，该方案模拟的沙尘浓度与观测更为一致，整体性能要优于GOCART方案。进一步分析发现，由于GOCART方案中采用的临界起沙风速偏小，导致该方案下模拟的沙尘分布范围偏大；另外该方案忽略了蒙古东南部和内蒙古中东部的潜在沙尘源地，从而使得耦合了GOCART方案的模式未能模拟出上述区域的起沙过程，使得该区域及下游地区模拟的沙尘浓度也偏小。但在塔里木盆地，Shao04方案计算的起沙通量偏小，这可能与Sha004方案未能考虑风速较小情况下空气拖曳力夹卷作用对起沙的影响有关，也可能与该方案中采用的土壤质地数据不准确有关。

港口散货堆场铁矿粉起尘风洞试验研究

通过风洞试验,确定了铁矿粉的起尘量与表层含水率、风速的关系。得到的结果是,在自然含水率下,铁矿粉起尘量与风速高次方成正比,巴西矿、澳洲矿和南非矿的幂指数分别为1.530、5.189和6.124;风速小于9 m/s时,起尘量很小。起尘量与物料表面含水率成负幂指数关系,幂指数在-1.673^-0.167 3之间。不同矿种的含水率拐点位置不同,澳洲矿含水率拐点约为5%~6%,巴西矿约为2.5%,南非矿拐点位置不明显。洒水固结后,12 m/s风速下各种矿的起尘量降低19~20倍以上,一些组次起尘量为0。

施工扬尘空间扩散影响因素数值模拟研究

围挡高度和来流风速是影响施工扬尘空间扩散的主要因素。以北京市某工地为例,选取某个时期的施工扬尘数据进行数值模拟,并与工地实测扬尘浓度数据进行对比验证。通过分析工地施工期间的气象风速资料,选取2,3,4,5,7 m/s和9 m/s共6种指数律剖面来流风速,以及1.8,2.0,2.2,2.5,2.8 m和3.0 m共6种围挡高度,进行施工扬尘空间扩散的数值模拟,对比分析不同围挡高度和来流风速下施工扬尘的空间分布与扩散特性。为综合评估施工扬尘对人体及外界环境的影响,提出将呼吸高度0.5~1.5 m范围内的平均扬尘排放率和扬尘的逃逸比作为评估指标。结果表明:6种来流风速下,3.0 m围挡高度的平均扬尘排放率指标整体最低,扬尘污染对人体的危害最小;相同风速下,6种围挡高度的扬尘逃逸比基本一致,对外界环境的影响程度相同;来流风速为3 m/s时,施工扬尘对人体的危害最大;来流风速为5 m/s时,施工扬尘对外界环境的危害最大。

矸石山风蚀扬尘起尘风速确定研究

利用实测空气颗粒物数据和颗粒物体源扩散模式推导扬尘实际排放强度,根据扬尘实际排放强度突变比例确定不同地区矸石山风蚀扬尘起尘风速。

露天煤场静态起尘量的实验研究

颗粒物源排放的定量研究是控制和治理大气颗粒物污染的基础和前提.本文以煤尘颗粒为例,采用风洞实验方法,测定了煤尘颗粒的起动风速:u*=2.65e0.00014dw0.2629,其计算值与起尘量外推法获得值相比,相差仅为3.9%,这为颗粒起动提供了定量判定方法.在此基础上,实验测定了静置煤堆在不同风速和含水率下的起尘量,得出了煤堆起尘量的数学模式:Q=0.132(u-u*)2.4e-0.3825wg/(s·m2),起尘量随含水率呈负指数变化,当含水率增加到4%时,起尘量减少率可达72.7%～97.8%.

塔克拉玛干沙漠塔中地区春夏季风蚀起沙研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的观测资料,对塔中地区春夏季地表土壤风蚀起沙的临界摩擦速度及其变化特征和起沙风速进行了分析研究,并计算了2008年4月19日和7月19日两次沙尘暴天气过程沙漠地表的风蚀起沙量。结果表明:塔中地区春夏季地表起沙的临界摩擦速度为0.26m·s-1;2m高度的临界起沙风速约为4.1m·s-1;两次沙尘暴过程的顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量的平均值分别为17.44×10-4kg·m-1·s-1、13.8×10-8kg·m-2·s-1、164.69×10-4kg·m-1·s-1和799.77×10-8kg·m-2·s-1;沙尘通量的变化与风速及摩擦速度的变化具有一致性。

粉尘释放和沉积机制的研究进展

风蚀地表释放的粉尘气溶胶在其输送和沉积过程中产生的直接和间接环境效应促进了对其释放和沉积机制的研究。随着土壤风蚀研究的发展,对粉尘释放机制有了较为深入地研究,从简单的经验方程模型发展到目前考虑粉尘释放微观过程的具有清晰物理机制的释放模型,并在大尺度沙尘预报研究中得到了广泛应用。粉尘沉积主要集中于对干沉积和云下清除过程的研究,而对云内清除过程认识不足。简要回顾了粉尘释放和沉积机制研究的发展历史,系统地评述了研究的现状,提出了粉尘释放和沉积模拟研究中存在的问题和今后的发展趋势。

一个基于粗糙元方向比率和空气动力学粗糙度的起动摩阻风速模式

粉尘释放模型对风蚀粉尘气候、生态效应的评价和沙尘天气的预报有重要意义。条件试验表明,MB模式和SL模式存在高估或低估起动摩阻风速的情形,但未得到观测数据的支持。鉴于此,利用风洞实验测量了不同密度(0.0072~0.51)、方向比率(4~25)、孔隙率(0.15~0.75)的粗糙元覆盖的中粗沙床面的起动摩阻风速。结果表明:当空气动力学粗糙度大于1 mm时,MB模式存在高估(相对误差率80%~100%)起动摩阻风速而失效的情形,SL模式存在低估(相对误差率-50%^-20%)起动摩阻风速的情形。基于观测数据本文提出了一个基于粗糙元方向比率、粗糙和光滑床面空气动力学粗糙度比值及裸沙起动摩阻风速的新模式,可以模拟低、中、高密度的粗糙元覆盖床面的起动摩阻风速,模拟的误差在±0.1 m·s-1以内。

塔克拉玛干沙漠空气动力学粗糙度对粉尘释放的影响

探究空气动力学粗糙度对粉尘释放的影响,有助于评估区域土壤风蚀及大气环境质量和气候效应.采集塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站2014~2016年4月梯度气象站的风、温等资料,通过风速比法计算了中性大气层结及无风沙运动条件的空气动力学粗糙度,借助风蚀传感器监测地表跃移颗粒数,根据DPM模型计算粉尘释放通量,综合分析了空气动力学粗糙度与摩阻风速及粉尘释放通量的相互关系.结果表明:(1)中性层结大气条件下稳定床面的空气动力学粗糙度取值范围为0.3×10~7.8×10m,平均为5.4×10m;(2)摩阻风速数量级变化在10~10m·s,跃移起动摩阻风速达到0.21m·s时,粉尘释放/悬移事件发生;(3)实测跃移通量约为模拟值的123%,二者相关性较好,决定系数R~2为0.91.因此,DPM粉尘释放模型可以表征模拟值和实测值的相关性,得出的研究结果能较好地反映空气动力学粗糙度与摩阻风速分布特征及其对粉尘释放的影响,对定量评估区域乃至全疆的粉尘释放通量等具有重要意义.