2.2 表土风蚀机理及模拟计算评述
图2-1为表土风蚀预报的基本框架,该框架包括风沙跃移和粉尘颗粒悬移(包括粉尘的释放、输送和沉降)。除跃移和悬移之外,风沙颗粒的运动还包括蠕移(e.g.Bagnold,1941; Zhang, et al., 2014),但目前学术界对蠕移输送过程、强度及影响因素的理解还很有限。基于高速摄影技术,著者发现蠕移现象经常是床面沙粒跃移过程的中间环节,它是入射沙粒和床面碰撞后再次起跳之前沙粒在床面上滚动或滑行的过程。
图2-1 传统沙尘天气预报的框架
尽管边界层气流可以直接卷吸地表粉尘进入大气之中(Shao ＆amp; Klose, 2016; Wang,2016),但粉尘颗粒很少是分散地存在于表土之中。由于细颗粒之间黏滞力,粉尘主要以土壤团聚体存在,风蚀粉尘释放主要是以跃移颗粒撞击为条件(Shao, et al.,1993; Alfaro, et al.,1997),因而粉尘释放模拟是以跃移输送模型为基础,如Gillette ＆amp; Passi(1988)模型,美国EPA粉尘释放模型(OAQPS,1977; Cowherd, et al.,1979),邵亚平粉尘释放模型(Shao,et al.,1996, 2001; Lu ＆amp; Shao,1999)和DPM 粉尘释放模型(Marticorena＆amp; Bergametti,1995, Marticorena, et al., 1997; Alfaro,et al., 2001)等。沙尘天气的预报模式也是在模拟跃移通量基础上来预测粉尘释放、输送和沉积(图2-1)。
综上所述,跃移是悬移和蠕移的动量和能量的来源,也是风蚀研究的核心问题。
风沙跃移可概括为空气动力学起动、轨迹形成、粒-床碰撞及风廓线调整等(Anderson＆amp;Haff,1988),其中空气动力学起动是跃移发生的初始条件,当边界层气流在床面附近产生的切应力超过颗粒之间黏滞力时,沙粒被气流直接卷吸而起跳(e.g.Bagnold,1941;Owen,1964; Williams, et al.,1994)。沙粒运动轨迹反映了风沙颗粒与边界层湍流的相互作用过程,它是联系风沙跃移微观和宏观过程的桥梁。粒-床碰撞过程是风沙颗粒把从边界层气流中吸收的动量和动能向床面静止沙粒传递的过程,也是风沙跃移从不稳定状态向稳定状态演化的关键。达到稳定状态(经历了风沙两相流互馈过程之后)的粒-床碰撞强度最终决定了跃移强度(见图2-2),因而对粒-床碰撞的理解深度在很大程度上决定了跃移输送和粉尘释放模拟研究的精度。鉴于此,本书结合国内外研究者的成果,分别从跃移起动、粒-床碰撞、跃移通量模拟与观测及粉尘释放模拟等方面总结分析已有研究的得失,以期为今后风沙科学的观测和模拟研究提供参考。
图2-2 经典的跃移数值模型的框架(据Anderson ＆amp; Haff (1988) 改写)
需要说明的是,前人建立的风沙跃移研究的理论框架(Bagold,1941; Owen,1964; Anderson ＆amp; Haff,1988)适合模拟平坦的松散沙质、沙砾质床面上的跃移过程,其对高大起伏沙丘、沙山及半固结/固结床面(如沙化草原与农田、存在结皮的土壤、大量团聚体分布的土壤)是不合适的。美国农业部开发的风蚀预报模型及其思路、方法和框架适合农田土壤风蚀的观测与模拟(e,g.Skidmore ＆amp; Powers,1982; Hagen,1990; Hagen ＆amp; Armbrust,1992)。除松散的沙质土壤外,存在大量团聚体的土壤其风蚀过程是极其复杂的,其跃移输送模式应与松散流沙的输运模式区别开来,这种差异不仅是跃移通量的差异(e.g.Gomes, et al., 2003; Mei, et al., 2006),也是风蚀机理的差异,但目前这方面的比较分析和研究还不够深入。跃移模拟计算在后面章节讨论,下面简要讨论粉尘释放的模拟计算。
早在2000年前中国就有降尘事件的历史记录(Zhang,1984),但风蚀粉尘的科学研究历史仅有200多年(Pye,1987)。学术界关注风蚀粉尘的动因来自以下几个方面:①对自然过程的好奇,这是早期研究的主要动因;②20世纪30年代美国中西部严重的土壤风蚀和苏联20世纪50~60年代干草原的黑风暴促进了美苏等国科学家对土壤风蚀和粉尘释放的研究(董治宝等,1999,2003);③20世纪50年代以来,随着对黄土地质和深海陆源碎屑沉积物气候效应的认识(e.g.Rex, et al.,1958,1969; Ferguson, et al.,1970; Rea, et al.,1985;Liu, et al.,1985),科学家开始更多地关注于粉尘粒度、化学和矿物学特征以及粉尘远距离输送问题 (e.g.Duce et al.,1980; Merrill et al.,1989; Prospero et al.,1989;Zhang et al.,1997; Husar et al., 2001),以期从气候变化角度来探讨风蚀粉尘的释放、输送及沉积意义;④20世纪80年代以来随着人们对粉尘气溶胶在全球大气、陆地和海洋中间扮演的多重重要角色认识的提高(Harrison, et al., 2001),极大地推动了粉尘释放、输送和沉降的实地观测(Duce et al.,1980; Uematsu et al.,1985; Gao et al.,1992; Merrill et al.,1994; Duce,1995;Zhang et al.,1996b; Zhang et al.,1998)、卫星遥感观测(Husar et al.,1997,Herman et al.,1997; Stegmann ＆amp; Tindale,1999, Moulin et al.,1998; King et al.,1999; Prospero et al., 2002)和模拟工作(e.g.Claquin et al.,1999; Ginous, 2001; Marticorena ＆amp; Bergametti,1995;Shao, 2001; Gong, et al., 2003; Zhou, et al., 2008, 2019)。
风蚀粉尘释放的模型可大致分为两类,一类是把粉尘释放理解为空气动力学卷吸(Loosmore ＆amp; Hunt, 2000; Shao ＆amp; Klose, 2016; Wang, 2016),这意味着粉尘释放可能与跃移强度关系不大,因而在模拟计算中采用粉尘释放通量与起动摩阻风速、摩阻风速的半定量关系来模拟粉尘释放(e.g.Gillette ＆amp; Passi,1988;Nickling ＆amp; Gilles,1989,1993),这类模拟工作的不足是缺乏清晰的粉尘释放机制,但比较适合起尘机理复杂的农田土壤。另一类模型把粉尘释放假定为跃移撞击的结果,这类模型是基于量纲分析和半经验跃移通量模式发展而来,其优点是有较为明确的物理机理。但应该看到该类模型适合描述松散床面的粉尘释放过程,当其被应用于草原和农田区域时,就可能出现低估或高估沙尘天气的结果(Zhou, et al., 2019)。下面具体比较分析几类粉尘释放模型的优缺点。