2.2.5 全球粉尘循环模型中粉尘释放的模拟
近年来先后发展了很多大气环流模式驱动的全球粉尘循环模型以评价风蚀粉尘的气候和环境效应。 这些模型包括了全球粉尘的释放、输送、清除和沉降子模块。就大多数粉尘释放模式而言,受全球粉尘源区地表资料分辩率及计算量等因素的影响,主要采用了Gillette ＆amp; Passi(1988b)的模型和思路,仅考虑风速和起动风速对粉尘释放的影响,以简化地表特征对粉尘释放的影响。这些模型在计算粉尘通量时,先根据地表类型分辨出潜在源区和源区,并引入一些反映地表特征的经验参数来鉴别粉尘源区。
在Joussaume(1990)粉尘循环模型中,主要以土壤水分作为鉴定源区的依据,把2月份和8月份平均土壤水分含量＆lt;2 mm和无冰雪覆盖的地区作为潜在源区;把含有轻质、细粒、松散的黏土颗粒的干旱洪积扇视为粉尘的优选源区;沙漠中心和沙丘因为经历长时间风蚀后而几乎损失了所有的细粒物质,故为非优选源区。冬季和夏季各取了一个阻力系数,借以反映地表空气动力学粗糙度的变化。在此模型中主要考虑了土壤水分和地表粗糙度的影响,但定量化程度不够。
在Tegen ＆amp; Fung(1994)的模型中,确定粉尘源区的条件比Joussaume的模型要严格一些,其分别考虑了土壤含水量、植被的影响,并排除雪被区域,把土壤基质势大于104 J·kg-1作为风蚀起尘的重要条件,把植被稀疏的草原、沙漠、灌丛地区作为起尘源区。
在GOCART粉尘输送模型中(Ginous, et al., 2001),把地球表面所有裸露、地势低洼并堆积了松散沉积物的地面作为粉尘潜在的排放源区,并引进源函数S来表示可能的粉尘源区,即把1°×1°格子内的平均海拔高度与周围10°×10°的格子内最大和最小海拔高度比较,来反映源区地势高差的变化,即S=(Zmax-Zi)/(Zmax-Zmin),S表示第i个1°×1°格子与它相邻10°×10°格子的海拔高度差,Zmin与Zmax分别为周围10°×10°格子内最大与最小海拔高度;以1°×1°的AVHQR植被覆盖数据确定裸露地表。仅以低洼的裸地来确定粉尘源区的位置是不完善的,如洼地常常是盐碱化的、不易风蚀而植被盖度低的地方也可能是风蚀粉尘的源区。
与区域粉尘释放模型比较,全球粉尘循环模型中的粉尘释放模式显得过于简化。从而给模拟结果带来了诸多的不确定性。随着全球风蚀地区地表特征资料的积累和粉尘释放模型的优化,相信会逐步地减小地表参数化的不确定性。
比较上述粉尘释放模型,可以看到近年来粉尘释放模拟取得的主要进展:邵亚平模型(Shao, 2001)对此做了概括:湍流直接携带释放,跃移磨蚀、溅射及粉尘团聚体粒的分离是粉尘释放的主要机制。DPM模型也包含了上述机理。
跃移是粉尘释放的关键环节,起动摩阻风速是决定跃移通量的关键参数,其反映了地表特征对跃移通量的影响。邵亚平模型和DPM模型是通过对土壤粒度分布、空气动力学粗糙度、土壤水分等地表特征的参数化,实现了定量地模拟地表特征在跃移输沙和粉尘释放中的作用。
粉尘的粒度分布和粉尘颗粒结合能是影响粉尘释放的理要因素,邵亚平模型和DPM模型都基于此机理,但这两个模型关于结合能存在截然相反的观点,说明这个问题还没有彻底地解决,这暗示着粉尘粒度区间不一样,结合能随粒度分布的变化规律就不同,粗粉尘颗粒可能是直径越大,粉尘结合能越大,而细粉尘颗粒结合能的变化与此相反,至于是否成立,还需要实验验证。对DPM模型而言,把粉尘的结合能设置为3个定值似有不妥之处,相信随着实验研究的深入,粉尘结合能可以表示为粉尘粒度的函数,以便更好地反映实际的情形。
另外, 在邵亚平模型中认为粉尘释放强度与土壤中的粉沙和黏粒的含量成正比,而DPM模型则认为与此无关,由于关于粉尘释放的实验研究数据有限,还很难断定二者谁是谁非,2个模型今后需要通过进一步的实验验证和改进。
通过比较上述粉尘释放模型可以看到,DPM模型和邵亚平模型可以相对较好地模拟粉尘释放强度。