2.2.1 Gillette ＆amp; Passi (1988)模型
从现有的资料来看,较早开展粉尘释放通量野外和室内研究的是Gillette小组(Gillette,et al., 1972; 1974a,b, 1980, 1982; Gillette, 1977, 1978, 1988)。20世纪70年代到80年代中期,他们先后通过室内风洞实验和野外观测实验,分别研究了土壤质地、土壤盐分、土壤碳酸盐和有机质对土壤起动摩阻风速的影响,建立了粉尘通量与风速及土壤质地的关系,提出了跃移冲击作用。粉尘释放的主要机制是利用湍流动量输送的原理,他们提出了根据观测粉尘浓度梯度和湍流通量计算粉尘释放通量的方法(Gillette, et al.,1972),该方法被很多研究者引用和借鉴(Rajot, et al, 1996, 2003; Gomes, et al, 2003a,b; Nickling ＆amp; Gilles, 1989,1993 )。此外,在这些实验的基础上,结合前人的观测数据(Borrman ＆amp;Jaenicke, 1987; Fairchild ＆amp; Tillery, 1982)Gillette ＆amp; Passi (1988)提出了一个粉尘释放模型,其可以表述为式(2-1):
其中,Fv 为粉尘释放通量,C为经验常数,U∗t为起动摩阻风速,Ut为某个高度的起动风速(常选择当地10 m高度风速作为参数)。U∗t或Ut均是反映土壤性质和地表覆盖等地表特征对粉尘释放影响的重要参数,它们来自野外风洞的测定值(Gillette, et al.,1980, 1982, 1988)或半经验模型计算(e.g.Bagnold, 1941; Marticorena, et al., 1997)。Cd为地表的阻力系数,其与空气动力学粗糙度有关。U∗为摩阻风速,反映了大气边界层湍流的平均切应力。式(2-1)似乎更像一个风沙跃移输送的模型,因为它涉及的摩阻风速和起动摩阻风速均是直接影响跃移过程而非粉尘释放过程。虽然Gillette较早提出粉尘释放的可能机制是跃移冲击作用过程(Gillette, 1977,1978),但式(2-1)并没有反映这个微观机制,而只是近似地把粉尘通量看作是摩阻风速/风速的4次方,这显得缺乏粉尘释放的力学机理。
通过观测不同土壤质地、植被覆盖、土地利用和人类扰动等情况下土壤粉尘释放通量与摩阻风速的关系,前人发现尽管数据存在很大的分散性,但粉尘释放通量仍可以表示为摩阻风速的幂函数(Nickling ＆amp; Gilles, 1989, 1993),即满足Fv∝
, 2＆lt;n＆lt;5,其因地表形态而异。中国敦煌的野外实验也展示了类似的趋势(沈志宝等,2003;申彦波等,2003)。这些实验结果一方面显示摩阻风速和粉尘通量的关系与Gillette ＆amp; Passi(1988)模型预测的相似,另一方面也暗示式(2-1)所模拟的Fv∝
存在显著的不确定性。
由于该模型输入参数少,其适合模拟全球粉尘释放强度(e.g.Joussaume, 1990; Tegen ＆amp; Fung, 1994; Ginous, et al., 2001)。