騰格里沙漠東南緣春季降塵量和粒度特征

張正偲,董治寶 (中國科學院寒區旱區環境與工程研究所,中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室,甘肅 蘭州730000)

騰格里沙漠東南緣春季降塵量和粒度特征

張正偲*,董治寶 (中國科學院寒區旱區環境與工程研究所,中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室,甘肅 蘭州730000)

根據騰格里沙漠東南緣風沙科學觀測場實測的降塵資料,對該地區春季(3～5月)降塵量和降塵粒度特征進行了研究.結果表明:該地區5月的降塵量最大,其次為4月和3月.春季降塵量的平均值為1053.3kg/hm2.研究區降塵平均粒徑較粗,以沙物質為主.分選性較差至很好.偏度近對稱至極正偏.峰度中等至很窄.受風速、地表粗糙度和沙源的影響,降塵粒級分布既有單峰,又有雙峰和三峰,主要以雙峰為主,同時,所有粒徑中躍移顆粒約占90%,近距離輸送的懸移顆粒占7%左右,而遠距離輸送的懸移顆粒僅占不到4%.因此可以認為,該地區躍移顆粒的跳躍高度高于前人的研究結果.同時,在騰格里沙漠東南緣的沙漠地區,大氣降塵主要以局地的沙粒為主,遠源沙塵貢獻并不多.

騰格里沙漠東南緣；降塵量；粒度

降塵是指在重力作用下,沉降在地表的直徑大于 10μm的塵埃物質.目前,在降塵量[1-2],降塵的粒度特征[3-4]和化學組成[5],影響沙塵釋放和沉降的機理[6-7]以及降塵對環境的影響[8]等方面,開展了大量研究.結果表明,沉降過程與常規氣象要素之間關系密切,其中降塵量與氣壓、月平均風速呈正相關,而與月平均溫度、濕度、降水和蒸發量呈負相關[6].大氣降塵與風向和下墊面微地貌之間也有一定關系,如局地微地貌會導致沙塵物質的重新分配[3].然而,目前對降塵粒度時空分布特征的研究還相對比較薄弱.已有研究表明,沙粒在運動過程中,沙物質的粒度組成在時空上存在差異[9],不同粒徑的沙粒輸送高度和距離不同.

大氣中的沙塵主要來源于沙漠和干旱地區的風蝕產物,這些物質一般能夠隨風飄移到較遠的距離[10].騰格里沙漠被認為是我國沙塵暴的源區及沙塵輸移通道之一,同時其西北部的巴丹吉林沙漠所釋放的沙塵也會經過騰格里沙漠向下風向運移.此外,騰格里沙漠內部具有眾多干湖盆,其沉積物質也可成為重要沙塵源區. 由于我國北方沙塵事件多發生在春季,因而該季節也是騰格里沙漠東南緣降塵最多的時期[1].根據沙坡頭地區的降塵監測結果,源于騰格里沙漠的物質貢獻較大[11].樊恒文等[2]認為,在騰格里沙漠東南緣的沙坡頭地區,較高的風速、頻繁的風向變化、稀疏的植被覆蓋和嚴重的土地濫墾,也導致了春末夏初沙塵暴頻發和降塵量增加.因此,對該地區降塵量和粒度特征進行研究,有助于進一步了解沙塵的釋放過程,傳輸形式以及沉降機理.本文根據騰格里沙漠東南緣中國科學院風沙科學觀測場采集的降塵資料,對該地區的降塵量和降塵粒度特征進行分析,旨在說明其時空差異性,為探討沙塵輸送機理提供基本依據.

1 研究區概況

研究區位于在騰格里沙漠東南緣,中衛市西北約 13km處(37°33′N,105°01′E).該區既是沙塵物質的源區,也是巴丹吉林沙漠和河西走廊沙地所釋放沙塵東移南下的輸移通道.研究區流動沙丘表面沙粒的平均粒徑為 0.22～0.26mm;研究區內2005～2008年的常規氣象觀測表明,年平均風速為 2.48～2.79m/s;風向以西北風為主,其次為東北風;年均相對濕度為36.51%～45.40%;年均溫度為11.21～12.65℃;年降水量為71.44～116.60mm.

2 方法

根據 GB/T 15265-94[12],本實驗所用降塵缸為直徑150mm,高300mm的圓柱形平底玻璃容器.降塵收集采用干取法,集塵效率約 0.7.降塵缸均勻布置在人工模擬戈壁之上2m高度,4個降塵缸之間間距分別為 25m(圖 1).觀測時間為 2010年春季(3～5月),采樣頻率為1個月,即在每月的1日安裝降塵缸并稱重,在月底(30日或31日)取下降塵缸并稱重,兩次重量之差為降塵量.粒度分析采用Malvern 2000進行.布設降塵缸的戈壁規格為 80×80m,表面的礫石直徑小于 0.05m,戈壁周圍為流動沙丘(圖1).整個實驗區是在推平沙地上鋪設礫石而成,觀測期間,戈壁外圍沙丘較小,觀測區的西北,西南和東南為＜2m的沙丘,東北面5m以外有一個＞10m的沙丘.

顆粒大小或粒級的表示方法一般有兩種,一種是采用真數,即以mm或m為單位表示顆粒的直徑,這種表示方法比較直觀但不便于作圖和運算.另一種方法是在Udden-Wentworth粒度分級標準(以2為基數)的基礎上,根據 Krumbein(1938)[13]公式[式(1)]進行對數轉化,將粒徑表示為Ф值:

圖1 實驗布置Fig.1 Plot of experiment

式中:d為顆粒直徑.這種方法一個明顯的優點是分界為等間距,可以在較粗或較細的兩端任意延伸至極限,這給作圖和引入數學統計方法帶來極大便利,因此粒度分析資料大多以Ф值進行計算和討論.本文即采用這種方法.根據累積曲線以及Folk和Ward 提出的公式[14],圖解計算粒度參數(平均值Mz、分選系數σI、偏度SkI和峰度KG);同時,根據Folk和Ward(1957)提出的粒度參數分級標準[14](表1),探討降塵的粒度參數特征.

表1 Folk和Wald(1957)粒度參數分級標準Table 1 The grading standard of particle size parameters in Folk and Wald (1957)

3 結果分析

3.1 降塵量的時空分布

由表1可見,5月份的降塵量最大,為1200.48kg/hm2; 3月份最小,為 914.91kg/hm2.該結果與沙坡頭地區多年平均降塵量變化規律相似,但對降塵量而言,不同學者的觀測得到結果有所不同[1-3].本研究的結果在李晉昌等[1]和樊恒文等[2]的結果之間.在空間上,降塵量變化無規律.

在研究區,風速是降塵量時空分布差異的主導因子,5月份是月平均風速最大的季節,大風不僅導致局地沙塵釋放量增大,而且遠距離輸送的沙塵物質也較多,因此,5月份的降塵量最大.微地貌形態對降塵分布也有較大的影響,在戈壁表面不同的測點,降塵量不同且分布無規律.

表2 降塵沉降通量時空分布(kg/hm2)Table 2 Spatial and temporal variations in dust deposition flux (kg/hm2)

3.2 粒度參數及其關系

3.2.1 粒度參數 不同粒徑沙粒的空氣動力學特性不同,沙粒越細,運動高度越高,輸送距離也越遠.平均粒徑、分選系數、偏度和峰度是沙粒的最基本參數特征.平均粒徑代表粒度分布的集中趨勢,因此也是沉積物搬運介質平均動能的體現.分選系數反映了沙粒粒徑的分散程度.偏度可判別分布的對稱性,并表明平均值與中位數的相對位置.峰度度量的是粒度分布的中部和尾部展形之比.由表3可見,3月份降塵平均粒徑最細,其次為5和4月份.分選性在4月份為很好和較好,5月份為中等和較差,3月份為較差(隨著平均粒徑變細,分選性變差).偏度在4月份為近對稱,在3和5月份為正偏和極正偏.峰態在4月份為中等,在3月份為窄,5月份為很窄峰態.粒度參數的時間變化特征反映了沙粒運動隨時間的變化特征:3月份風速相對較小,大氣降塵收集的多是較遠距離的沙塵物質,這些遠源沙塵的平均粒徑較細,隨著風速的增加,大氣降塵中混合了部分局地的粗顆粒物質,所以平均值增加,分選變好.分選系數,偏度和峰度具有很大的時空差異性.總體來看,沙漠地區的降塵粒度比較大(2.50～3.35Φ),以沙為主,這與樊恒文等[2]對沙漠地區的降塵研究結果相似,但要比城市的降塵粗的多[15].分選性在較差和很好之間.偏度在近對稱和極正偏之間.峰度在中等和很窄峰態之間.

表3 粒度參數時空變化Table 3 Change of particle size parameters in spatial and temporal

3.2.2 平均粒徑,分選系數,偏度和峰度之間的關系 分選系數越小,粒徑分布越集中,反之就越分散.偏度表明平均值與中位數的相對位置,如為負偏,頻率曲線將出現粗尾,平均值位于大于中位數的位置;如為正偏,頻率曲線將出現細尾,平均值位于小于中位數的位置.峰度為正值時,是窄峰態;峰度為負值時,是寬峰態;正態曲線的峰度為零.

圖2為平均粒徑與分選系數和偏度之間的關系.總的來看,分選系數,偏度隨平均粒徑增加而降低.具體為以 3Φ為界,可以劃分為兩部分.＜3Φ時,分選系數和偏度均隨平均粒徑增大整體減小;＞3Φ時,分選系數和偏度隨平均粒徑增大而減小.峰度隨平均粒徑的增大先增大后減小(圖2).

整體上,偏度隨分選系數的增大而增大(圖 2).在分選系數＜0.65時,偏度為近對稱,0.65～0.85之間為正偏,＞0.85為極正偏.峰度和分選系數的關系以0.75為界,可以劃分為兩部分(圖2),＜0.75時,峰度隨分選系數的增大而增大,＞0.75時,峰度與分選系數不相關,在分選系數＜0.65時,峰度屬于中等,＞0.65時,屬于窄和很窄.峰度隨偏度的增大總體增大,在偏度＜0.15時,增加明顯,但在偏度＞0.27時,偏度和峰度不相關.在偏度＜0.1時,峰度屬于中等,在＞0.1時,峰度屬于窄和很窄.

圖2 粒徑與分選系數和偏度的關系Fig.2 Relationships between mean particle size and sorting, skewness, kurtosis

3.3 粒度分布形式

3.3.1 粒級含量 粒徑對沙塵輸送起著重要作用,不同粒徑的風蝕物在空氣中的輸送方式及輸送距離不同,＞500μm主要以蠕移的方式在地表輸送,70～500μm主要以躍移的方式在近地層一定距離范圍內輸送,而＜70μm的主要以懸移的方式在空氣中輸送,輸送距離較遠,其中 20～70μm的以懸移的方式輸送,但輸送距離較近,小于20μm的以懸移的方式輸送,但輸送距離較遠,可達幾千 km[16].在野外環境下,所有運動的沙粒均為混合沙,因此,有必要統計采集樣品中不同粒徑沙粒的含量,尋找占主導作用的沙粒粒徑范圍.根據Udden-Wentworth粒級劃分方法[17],統計了不同測點不同時間降塵的沙粒級配,結果如表4所示.在所有的降塵中,細沙含量最多,其次為極細沙,黏土和粗黏土的平均含量僅占10%左右.研究表明,風蝕物的粒度可以反推風蝕物的來源[16],＜20μm的懸移物屬于遠源物質,20～70μm的屬于區域物質,大于70μm的局地物質.由表3可以看出,騰格里沙漠東南緣降塵的來源絕大部分屬于局地物質,遠源物質很少.

為了便于分析,將所有的沙粒粒級劃分為黏土(懸移沙粒:粒徑＜31μm)和沙(躍移顆粒:粒徑＞31μm)兩種.對于黏土的含量,在時間上,4月份黏土含量最多,其次為5和3月份.在空間上,隨下風向距離的增加(觀測期間的主風向為西北風),黏土含量有增加的趨勢.對于沙的含量,在時間上,3月份黏土含量最多,其次為5和4月份.在空間上,隨下風向距離的增加而降低(觀測期間的主風向為西北風).

Stout等[18]的研究表明,近地層的沙粒運動主要受地表粗糙度的控制,地表粗糙度影響躍移沙粒的運動與否,而懸移沙粒幾乎與樣品采集點的地表狀況無關,其反映的是上風向地表的特征.以躍移為主導的沙塵高度小于1m[18-19],在研究區,降塵缸的上風向為流沙,受風速,地表粗糙度和沙源的影響,懸移沙粒和躍移沙粒的含量不同.對于懸移沙粒,隨下風向距離的增加,風速降低,沙源增加(有部分遠距離的懸移沙粒),導致懸移顆粒的含量增加.對于躍移沙粒,風速降低,沙源減少,所以隨著距離的增加躍移沙粒的含量降低,但由于沙粒與地表礫石之間的碰撞作用,導致部分沙粒躍移至更好的位置.所以,戈壁風沙流的高度較大,部分躍移顆粒進入 2m高度的位置,在收集的降塵中,躍移顆粒平均占90%左右,近距離輸送的懸移顆粒僅占 7%左右,而遠距離輸送的懸移顆粒不到4%左右.因此,躍移顆粒的主導高度應該高于前人所研究的結果.同時,由于以躍移顆粒為主,因此可以認為,在騰格里沙漠東南緣的沙漠地區,大氣降塵主要以局地的沙粒為主,遠緣沙塵貢獻并不多,這個結果與劉立超等[11]的結果相似.

表4 沙粒級配時空變化 (%)Table 4 Change of grain size frequency in spatial and temporal (%)

3.3.2 粒徑分布 由圖3可見,降塵粒徑主要為雙峰,但只有極個別情況有單峰和三峰.在空間上,單峰主要分布在第2和3點,雙峰在各點都有分布,三峰在1點和2點.在時間上,3月份既有單峰也有雙峰,4月份主要為雙峰,5月份既有雙峰也有三峰.峰值粒徑在時空上變化很小,第一峰值粒徑分別在 126～159μm,第二峰值粒徑分別在 20～25μm,第三峰值粒徑在4～5μm.已有研究表明,沙子的峰度一般為單峰,塵埃的峰度為雙峰或三峰[17].降塵的粒徑頻率曲線中有單峰存在,可能原因是受風速,地表粗糙度和沙源兩方面的控制,沙子與地表礫石發生碰撞,導致粗顆粒沙粒進入更高的位置,隨著距離沙源越遠,風速降低,沙源越少,沙粒與礫石的碰撞減少.

4 結論

4.1 沙漠地區降塵的平均粒徑比較粗,并以躍移運動的沙粒為主,懸移運動的塵埃的含量不足10%.降塵的來源絕大部分屬于局地來源,遠源物質較少.

4.2 5月份是春季降塵量最大的月份,其次為 4月和3月.降塵量的平均值為1053.3kg/hm2.

4.3 粒徑參數之間的關系表現為,分選系數,偏度隨平均粒徑增大而減小,峰度隨平均粒徑的增大先增加后降低;偏度隨分選系數的增加,總體增加;峰度隨分選系數的關系以0.75為界,可以劃分為兩部分,＜0.75時,峰度隨分選系數的增大而增大,＞0.75時,峰度與分選系數不相關;峰度隨偏度的增大總體增大.

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Characteristics of dust deposition and particle size in spring in the southeastern Tengger Desert.

ZHANG Zheng-cai*, DONG Zhi-bao (Key Laboratory of Desert and Desertification, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China). China Environmental Science, 2011,31(11)：1789～1794

Detailed data acquired on shifting dune field in the southeast of Tengger Desert was used to analyze the amount of dust deposition and particle size distribution. Results indicated that dust deposition was the greatest in May, and followed by April and March, and mean dust deposition amount being 1053. 3kg/hm2in spring. Mean particle size was greater and mainly of sand, and belonged to the poor and well sorted, skewness belonged to the nearly symmetrical and very positive, and kurtosis belonged to the platy-kurtic and very leptokurtic. Due to the wind speed, surface roughness and sand supply, the particle size distribution mode was mainly of bi-mode. Saltation was dominant, accounting for about 90%, shorter distance suspension accounting for about 7%, and long distance suspension accounting for about 4%. Thus, the sediment deposition was mainly of local origin.

southeastern Tengger Desert；dust deposition；particle size

X831

A

1000-6923(2011)11-1789-06

2011-02-16

國家自然科學基金資助項目(41101007,41130533, 41171010)

? 責任作者, 博士, zhangzhsi@sina.com

張正偲(1979－),男,甘肅靖遠人,助理研究員,博士,主要從事風沙物理和風沙儀器研究.發表論文20余篇.