起沙機制是沙塵暴天氣研究中一個重要問題.本文基于中蒙中區(qū)一次沙塵暴天氣過程,通過提取沙塵源地渦動相關(guān)數(shù)據(jù)中的湍流相干結(jié)構(gòu)（Coherent structure,簡稱為CS）,研究了CS在起沙中的作用.結(jié)果發(fā)現(xiàn):（1）起沙期間存在CS,其典型特征表現(xiàn)為上揚—下掃循環(huán),即暖空氣的輻合上升與冷空氣的輻散下沉相伴;（2）起沙期間,CS具有頻次高、持續(xù)時間短、間歇性適中、連發(fā)頻繁、速度切變大、水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度和尺度變化比較大的特點;（3）CS是重要的起沙機制,它可起動粒徑在0.1～156μm之間的各種沙粒,起動最多的是粒徑低于8μm的粉粒與粘粒,但CS不是唯一的起沙機制;（4）CS的上揚與下掃兩過程均可引起起沙,區(qū)別在于前者通過暖空氣的上升將沙粒向上空輸送,后者則是將上空高速冷空氣拖帶下來引起地表沙粒的起動;（5）CS起沙分為單起式和連發(fā)配合式兩種形式.單起式是單發(fā)CS產(chǎn)生的起沙形式,連發(fā)配合式是連發(fā)的CS產(chǎn)生的躍移—上揚的配合起沙形式.其中,連發(fā)配合式為主要形式;（6）下掃過程對起沙的貢獻是上揚過程的1.8～15倍,上揚過程可將下掃過程中起動沙粒的1/3左右向上輸送到空中;（7）一般情況... 

【文章來源】：地球物理學(xué)報. 2020,63(11)北大核心EISCICSCD

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

一次沙塵暴過程照片(a)和2018年3月19日沙塵天氣中武威荒漠站觀測的氣溫(b)、水平速度(c)的演變

圖2是觀測期間小波方差的結(jié)果.從圖中可以看出,樣本出現(xiàn)了小波方差的極大值,每個樣本幾乎都存在3個極大值(其他2個樣本圖略),一般認(rèn)為第一個極大值對應(yīng)CS,當(dāng)然這個CS指的是發(fā)卡渦,這里發(fā)卡渦延續(xù)Adrian等(2000)的觀點,即它是壁湍流中各種渦的統(tǒng)稱,其它渦都是發(fā)卡渦不同部分、不同階段的表現(xiàn)形態(tài).根據(jù)張靜紅(2013)的研究,2～8 m之間是大尺度結(jié)構(gòu)與特大尺度結(jié)構(gòu)共存區(qū),本文所用儀器的架設(shè)高度為2.5 m,因此后兩個極大值應(yīng)該是大尺度結(jié)構(gòu)和特大尺度結(jié)構(gòu).大尺度結(jié)構(gòu)指的是由發(fā)卡渦以簇群形式構(gòu)成的發(fā)卡渦包,其尺度在3個邊界層厚度以下(Adrian et al.,2000;Balakumar and Adrian,2007);特大尺度結(jié)構(gòu)是發(fā)卡渦包相干排列形成的,其尺度在3個邊界層厚度以上(Balakumar and Adrian,2007;Lee and Sung,2011).陣風(fēng)的時間尺度3～6 min(程雪玲等,2012;李奇龍等,2016),尚不清楚是指的大尺度結(jié)構(gòu)還是特大尺度結(jié)構(gòu),這需要進一步研究.本文主要以第一個極大值研究CS在起沙中的作用.2 起沙中CS特征

圖3是各脈動量的條件平均值隨歸一化時間的演變,橫坐標(biāo)[-1,0)代表上揚過程,[0,1]代表下掃過程.可見,檢測結(jié)果完整再現(xiàn)了氣溫在白天典型的緩升陡降模態(tài)(圖3a),所以,CS在起沙中是客觀存在的.水汽密度也呈現(xiàn)了緩升陡降模態(tài)(圖3b),水平速度(圖3c)為平穩(wěn)的先降后升的模態(tài),垂直速度(圖3d)為先升后降的模態(tài).顯然,結(jié)果揭示了很多試驗與多種檢測方法得到的上揚—下掃循環(huán)(Lu and Fitzjarrald,1994;Krusche and De Oliveira,2004;Barthlott et al.,2007;Zhang et al.,2011;趙建華等,2019b),即暖空氣的輻合上升之后為冷空氣的輻散下沉運動.這種循環(huán)應(yīng)是沙塵天氣中渦旋結(jié)構(gòu)的反映.表1是起沙期間與潔凈大氣中各物理量的一些統(tǒng)計特征.從表中可以看出,起沙期間的80 min內(nèi),共檢測到168個CS,平均為56個/30 min;CS的平均持續(xù)時間為16.3 s,平均間隔時間(定義為相鄰兩個CS中點時間之差)為27.8 s,平均間歇因子(定義為CS在時間序列中所占的份額,Krusche and De Oliveira,2004)為51%,斜坡強度(定義為變量在上揚和下掃兩過程的最大幅度的絕對值之和,Zhang et al.,2011)分別是氣溫0.3 ℃、水平速度5.0 m·s-1和垂直速度2.3 m·s-1.對于潔凈大氣,其典型值分別是:CS數(shù)目30～44個/30 min(Krusche and De Oliveira,2004;Zhang et al.,2011;趙建華等,2019b),持續(xù)時間24～98 s(Lu and Fitzjarrald,1994;Krusche and De Oliveira,2004;Barthlott et al.,2007;Zhang et al.,2011),間隔時間18～109 s(Barthlott et al.,2007;趙建華等,2019b),間歇因子45～85%(Qiu et al.,1995;Krusche and De Oliveira,2004;Feigenwinter and Vogt,2005;Zhang et al.,2011;趙建華等,2019b),斜坡強度分別是氣溫0.25～1.6 ℃、水平速度0.37～2.0 m·s-1和垂直速度0.21～1.2 m·s-1(Zhang et al.,2011;趙建華等,2019b).可見,與潔凈大氣相比,起沙期間的CS具有發(fā)生頻次高、持續(xù)時間短、間歇性適中和速度斜坡強度很大的特點.其中,速度斜坡強度很大,表明起沙中速度切變很大,這正是起沙的有利條件.

【參考文獻】：
期刊論文
[1]河西走廊東部“2018·3·19”強沙塵暴特征分析[J]. 李玲萍,李巖瑛,劉維成.  沙漠與綠洲氣象. 2020(02)
[2]大氣邊界層湍流相干結(jié)構(gòu)研究進展[J]. 趙建華,張峰,梁蕓,劉世祥.  干旱區(qū)研究. 2019(06)
[3]小波檢測湍流相干結(jié)構(gòu)方法的改進與其應(yīng)用[J]. 趙建華,張強,王勝.  土壤通報. 2019(04)
[4]2018年春季甘肅省一次區(qū)域性大風(fēng)沙塵天氣分析[J]. 徐志龍.  科技經(jīng)濟導(dǎo)刊. 2018(25)
[5]沙塵和生物氣溶膠的環(huán)境和氣候效應(yīng)[J]. 石廣玉,檀賽春,陳彬.  大氣科學(xué). 2018(03)
[6]沙塵天氣及沙塵氣溶膠影響的研究進展[J]. 張寶林.  氣象科技進展. 2018(01)
[7]大氣邊界層陣風(fēng)相干結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生條件[J]. 李奇龍,程雪玲,曾慶存.  氣候與環(huán)境研究. 2016(06)
[8]內(nèi)蒙古科爾沁沙地臨界起沙閾值的范圍確定[J]. 李曉嵐,張宏升.  氣象學(xué)報. 2016(01)
[9]強風(fēng)天氣下邊界層結(jié)構(gòu)特征[J]. 程雪玲,房小怡,盧俐,胡天潔,洪鐘祥,曾慶存.  氣候與環(huán)境研究. 2016(01)
[10]國內(nèi)部分[J].   中外建筑. 2016(01)

博士論文
[1]紊流相干結(jié)構(gòu)及對推移質(zhì)運動特性影響的研究[D]. 王浩.清華大學(xué) 2016
[2]近地表的流場結(jié)構(gòu)及其對沙塵輸運的影響[D]. 張靜紅.蘭州大學(xué) 2013

碩士論文
[1]沙粒起動風(fēng)速的研究[D]. 孫煥青.蘭州大學(xué) 2010



本文編號：3385440