塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴和地表沙物质粒度特征_陈京平.pdf
《塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴和地表沙物质粒度特征_陈京平.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴和地表沙物质粒度特征_陈京平.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 43 卷 第 2 期2023 年 3 月中国沙漠JOURNAL OF DESERT RESEARCHVol.43 No.2Mar.2023陈京平,余子莹,杨帆,等.塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴和地表沙物质粒度特征 J.中国沙漠,2023,43(2):150-158.塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴和地表沙物质粒度特征陈京平1,余子莹1,杨帆2,王蜜1,胡涵1,倪观忠1,高鑫3,王鑫1(1.兰州大学 资源环境学院,甘肃 兰州 730000;2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所 新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站,新疆 乌鲁木齐 830002;3.中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆 乌鲁木齐
2、830011)摘要:围绕塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴及沙尘暴前后地表沙物质的粒度特征,对塔中地区的沙尘样品开展了粒度参数计算、粒度组分分离和函数模型拟合分析。结果表明:(1)表沙样品的平均粒径为143 m,细沙和极细沙含量占87.02%;沙尘暴过后表沙样品的平均粒径为97 m,极细沙和细沙含量占79.44%。(2)沙尘暴样品的平均粒径为82 m,粉沙和极细沙含量占80.89%。(3)沙尘暴过后表沙样品的平均粒径减小46 m,黏粒、粉沙和极细沙含量增加,表明沙尘暴携带的大量细粒物质对表沙的粒度特征有重要影响。(4)沙尘暴样品粒度随高度的变化主要受控于风速,风速阈值7.78.4 m s-1,不同高度平
3、均粒径与平均风速的函数关系,在三维空间中采用二阶多项式曲面模型能够很好地拟合。关键词:塔克拉玛干沙漠;沙尘暴;粒度;函数拟合文章编号:1000-694X(2023)02-150-09 DOI:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00112 中图分类号:P931.3 文献标志码:A0 引言 近年来,中国北方地区频现特大沙尘暴天气,对气候、社会经济、人体健康、生态环境等产生了很大影响1-3,沙尘暴由此成为当前全球变化研究领域的热点问题。塔克拉玛干沙漠既是粉尘源区,又是粉尘沉降区,沙漠腹地粉尘物质的迁移循环过程对揭示北半球粉尘循环及其气候环境效应有重要意义4。沙尘暴时粉尘大规
4、模集中释放,是理解粉尘来源、起动、搬运路径、传输和沉降过程的典型事件1-4,而粒度分析也是粉尘研究的重要手段5。因此,沙尘暴及沙尘暴前后地表沙尘物质(简称表沙)粒度的变化研究就显得很有必要。围绕塔克拉玛干沙漠地表沙物质的粒度特征已开展较多研究5-19,但对不同粒级组分的相对含量存在不同认识。一种观点认为表沙中细粒物质的含量相对较少,如在塔克拉玛干沙漠沿84E线采集的各类沙样中不含粉沙或含量极小,无黏粒组分6;另一种观点认为塔克拉玛干沙漠腹地及周边地区的表沙含有大量细粒物质,风沙流输沙以细沙、极细沙和粉沙为主 7-11。此外,对风沙流中沙粒粒径随高度的变化也存在一定认识差异。理论上,沙尘受自身重
5、力等因素的影响随高度升高粒径变小,但实际观测发现沙尘粒径在垂向上会出现不同的变化趋势20:一是沙粒粒径随高度无明显变化21,二是沙粒粒径随高度增加不断变大22-25,三是沙粒粒径随高度增加先减小后增大26,四是沙粒粒径随高度增加而减小18,20,27-28。因此,本文采集地表沙物质样品,主要研究沙尘暴前后表沙的粒度特征及其变化,同时采集沙尘暴06 m高度的样品分析粒径随高度的变化,以期为揭示塔克拉玛干沙漠腹地沙物质的迁移循环过程及环境意义提供新证据,为风沙治理中直立式网格沙障的设计提供数据支撑。收稿日期:20220714;改回日期:20220905资助项目:第三次新疆综合科学考察项目(2021
6、xjkk0302)作者简介:陈京平(1998),男,甘肃临夏人,硕士研究生,研究方向为全球变化与应对。E-mail:通信作者:王鑫(E-mail:)中国沙漠第 43 卷1 研究区概况 塔中地区(3900 N、8340 E)位于塔克拉玛干沙漠腹地(图 1A),年平均气温 13.6,年降水量25.9 mm,年潜在蒸发量则达3 798.5 mm29。塔中地区分布有高大纵向复合型沙垄,沙垄一般长25 km,垄间地宽12 km,沙垄相对高度4050 m,沙垄多为东北-西南走向7,10,29,研究区位于垄间地(图1B)。塔中地区植被覆盖区域主要在沙漠公路旁及石油基地生活区,植被种类少,群落结构简单,植株低
7、矮,原生植物一般生活在地下水较浅的区域7,10,29。塔里木盆地绝大部分地区的盛行风向为东北风,西南部多为西北风19,塔中地区68月盛行风为东北风(图1C)。塔中地区沙尘暴天气集中在春夏两季,且夏季沙尘暴发生频率高于春季,塔中1井临时气象站观测的沙尘暴日数全年可达6888 d 7,10,29。2 样品与方法 2.1样品与气象数据采样点位于塔中气象站附近,表沙样品采集地表2 cm以上沙物质,使用钢铲平行于沙面取样。沙尘暴样品使用圆柱状矿泉水瓶制作的简易降尘缸收集,瓶深12.8 cm,瓶底放置清洗干净的砾石以防止瓶内沙尘风蚀。样品收集器离沙面0.5 m高度开始放置,最高采样高度为6 m。样品信息见
8、表1。风速风向数据由塔中气象站提供,该数据由芬兰VAISALA公司的WAA151型传感器测量,数据分辨率为分钟级,风速量程为0.475 m s-1,测量精度(风速范围 0.460 m s-1)为0.17 m s-1;风向测量范围为0360,测量精度为3。风玫瑰图由WRPLOT View软件绘制。2.2实验测量与数据分析样品在兰州大学西部环境教育部重点实验室做前处理,使用Mastersizer 2000激光粒度仪测量样品粒度。使用中国科学院地球环境研究所开发的沉积物粒度综合分析软件QGrain对样品进行组分分离,用以分析沙尘暴前后表沙组分占比的变化。使用Excel 2016处理粒度数据,使用MA
9、TLAB的软件工具Curve Fitting拟合平均粒径与平均风速的函数关系。常用的粒度参数有众数粒径、平均粒径图1研究区地理位置Fig.1Location of the study area151第 2 期陈京平等:塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴和地表沙物质粒度特征MZ、分选系数、偏度SK及峰度Kg等8,30-31,其中众数粒径为颗粒出现频率最多的分级所对应的粒径,平均粒径能够代表粒度分布的集中趋势8。沙粒粒级的界定标准并不统一10,本文采用 Folk-Ward公式计算粒度参数30-32:=-log2d(1)MZ=16+50+843(2)=84-164+95-56.6(3)SK=84+16-250
10、2(84-16)+5+95-2502(95-5)(4)Kg=95-52.44(75-25)(5)式中:为粒度频率累计曲线各百分位对应的粒径值;d为沙粒直径。粒度参数可以反映沉积物的搬运动力和沉积环境信息,有助于了解风沙环境33-34。颗粒粒级根据研究需要的不同,划分出的标准也不同10。粒级划分采用Udden-Wentworth粒级划分标准,即粒径小于5.5 m为黏粒,粒径5.563 m为粉沙,63125 m为极细沙,125250 m为细沙,250500 m为中沙,粒径大于500 m为粗沙20,35。3 结果 3.1粒度特征沙粒样品的粒度频率曲线为双峰形态,表沙的平均粒径为143 m,众数粒径为
11、138 m,中值粒径为135 m(图2A)。沙尘暴过后表沙的平均粒径为97 m,众数粒径为 96 m,中值粒径为 93 m(图2B)。沙尘暴不同高度样品的众数粒径基本上小于100 m,整体粒径比表沙更小(图 2C)。从粒度组分分离的结果看,表沙样品的主峰组分占比98.1%,次峰组分占比1.9%;沙尘暴过后表沙样品的主峰组分占比87.5%,次峰组分占比12.5%;沙尘暴不同高度样品的主峰组分占比88.9%,次峰组分占比11.1%(图2DF)。沙尘暴过后表沙的粒度频率曲线向左偏移(图2A、图2B),主峰组分的占比减少,次峰组分的占比增加(图2D、图2E),说明沙尘暴过后表沙中细粒物质的增多。前人在
12、塔中地区测量的表沙平均粒径为 136 m7,9,15-16,与本文测量结果相差7 m,测量结果基本一致。从沙尘暴前后表沙的粒度变化来看,沙尘暴过后表沙的平均粒径减小46 m,沙尘暴过后表沙整体变细,表明沙尘暴携带的大量细粒物质对改变表沙的粒度有重要影响。3.2粒度参数表沙的平均粒径值为1.38,说明样品整体偏细;分选系数为-0.65,说明样品分选极好;偏度为-0.07,偏度近对称;峰度为1.07,峰度中等。沙尘暴过后表沙的平均粒径大于3.40,说明样品整体偏细;分选系数都小于0.35,说明样品的分选极好;粒径偏度数值-10.1,近对称至极负偏;粒径峰度数值表1 样品信息Table 1 Samp
13、les information样品表沙样品第1次沙尘暴样品沙尘暴过后表沙样品第2次沙尘暴样品沙尘暴过后表沙样品第3次沙尘暴样品沙尘暴过后表沙样品第4次沙尘暴样品沙尘暴过后表沙样品第5次沙尘暴样品沙尘暴过后表沙样品第6次沙尘暴样品沙尘暴过后表沙样品采样时间2021-06-252021-07-182021-07-192021-07-312021-08-062021-08-142021-08-16样品数10121121121121121121平均风速/(m s-1)3.17.78.57.16.88.48.5沙尘暴持续时间/h125106163主风向东北风东北风东北风北风东风东北风西北风152中国沙漠
14、第 43 卷都大于1.81,峰态很尖锐。不同高度沙尘暴样品的平均粒径3.34,分选系数都为负值,偏度值都小于-0.1,峰度数值都大于 1.11,说明样品的分选极好(表2)。样品粒度参数的数值特征基本一致,表明沙源的均一性较好13。从图3来看,表沙均以细沙和极细沙为主,二者平均占比分别为 48.88%、38.14%,合计为 87.02%;沙尘暴过后表沙以极细沙和细沙为主,二者平均占比分别为 57.29%、22.15%,合计为 79.44%;沙尘暴样品以极细沙和粉沙为主,二者平均占比分别为48.78%、32.11%,合计为80.89%,未出现中沙。沙尘暴过后,表沙中细沙占比下降 55%,中沙占比下
15、降97%,粉沙占比增加243%。沙尘暴前后表沙中黏粒的平均含量分别为0.85%、2.57%,沙尘暴不同高度样品中黏粒的平均含量为3.26%,相较表沙样品黏粒含量多了2.41%。粒度在一定程度上可以反映采样点附近地表物质的可蚀性36,黏粒含量增多表明采样点附近的沙源对沙尘暴样品中的黏粒含量贡献有限,沙尘暴样品中的部分黏粒可能是远距离大范围搬运而来。3.3沙粒粒径垂向特征塔中地区沙尘暴期间的风向与盛行风向相同或者接近(8月16日除外);风速廓线的拟合最符合指数型函数,在04 m高度风速随高度升高增速较快,410 m高度风速的增幅在逐渐放缓;单次沙尘暴的沙粒粒径随高度升高变化幅度较小(图4)。6次沙
16、尘暴期间,不同高度上样品的最小平均粒径为68 m,出现在8月6日3 m高度,最大平均粒径为96 m,出现在8月16日5 m高度。从沙粒粒径垂向变化的整体趋势看,7月18日、7月31日与8月6日3次沙尘暴的平均风速较低,风速6.87.7 m s-1,风向与盛行风向相同或接近,沙粒的平均粒径随高度增加整体呈减小趋势(图4A)。7月19日、8月14日与8月16日3次沙尘暴的平均风速较高,风速 8.48.5 m s-1,除 8 月 16 日外风向与盛行风向相同或接近,沙粒的平均粒径随高度增加表现出的变化规律不明显(图4B)。7月19日沙粒的平均粒径在2.54.5 m高度有连续减小趋势,8月14日沙粒的
17、平均粒径整体上随高度增加而增大,8月16日沙粒的平均粒径在0.54.5 m高度变化幅度较小,在 4.55 m 高度变化幅度较大。由此来看,在沙源一致、风向大致相近的情况下,风速是影响沙粒粒径垂向变化的主控因素,临界风速阈值7.78.4 m s-1。风速低于阈值时沙粒的平均粒径整体上随高度升高而减小,风速高于阈值范围时沙粒的平均粒径随高度升高整体的变化趋势不明显。3.4平均粒径与平均风速的函数关系沙粒粒径与风速结合才能对其变化有更加精图2样品粒度与组分分离频率曲线Fig.2Diagram of samples particle size and component separation freq
18、uency153第 2 期陈京平等:塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴和地表沙物质粒度特征细的认识7,沙尘暴不同高度平均粒径与平均风速存在函数关系,本文使用 MATLAB中的 Curve Fitting软件进行函数拟合。函数拟合中二阶多项式曲面模型的拟合效果最优(图5),函数模型为:f(x,y)=p00+p10 x+p01y+p20 x2+p11xy(6)式中:p00、p10、p01、p20、p11为函数系数;x为平均粒径;y为平均风速。模型拟合的相关参数见表3。表3中,SSE为残差平方和,值越接近0表示模型误差越小;R2为可决系数,修正R2为调整自由度后的可决系数,值越接近 1 表示拟合优度越好;RM
19、SE为均方根误差,值越接近0表示拟合结果对后续预测更有用。从拟合效果看,二阶多项式曲面模表2样品粒度参数Table 2Particle size parameters of the samples沙尘暴日期7月18日7月19日7月31日8月6日8月14日8月16日粒度参数平均粒径分选系数偏度峰度平均粒径分选系数偏度峰度平均粒径分选系数偏度峰度平均粒径分选系数偏度峰度平均粒径分选系数偏度峰度平均粒径分选系数偏度峰度沙尘暴过后表沙3.41-0.81-0.312.113.47-0.86-0.301.943.43-0.89-0.281.823.61-0.93-0.311.893.40-0.89-0.2
20、81.813.40-1.090.012.24高 度0.5 m3.66-0.78-0.421.933.65-0.66-0.271.513.63-0.63-0.221.443.67-0.67-0.251.503.76-0.63-0.281.593.63-0.69-0.231.601 m3.66-0.79-0.432.043.66-0.69-0.331.613.72-0.65-0.251.473.82-0.67-0.281.513.81-0.66-0.271.513.63-0.63-0.281.581.5 m3.80-0.91-0.381.673.67-0.63-0.311.773.83-0.67-
21、0.271.503.90-0.73-0.311.533.76-0.63-0.251.463.60-0.56-0.271.662 m3.78-0.82-0.341.443.83-1.02-0.511.983.73-0.64-0.261.553.97-0.78-0.331.483.84-0.69-0.311.583.65-0.68-0.361.932.5 m3.88-1.03-0.451.753.82-0.72-0.271.533.80-0.68-0.271.503.83-0.68-0.281.503.87-0.68-0.291.513.58-0.56-0.271.673 m3.73-0.66-0
22、.341.813.64-0.63-0.321.743.92-0.71-0.291.514.06-0.81-0.331.483.80-0.71-0.281.473.57-0.57-0.281.703.5 m3.72-0.67-0.321.663.67-0.66-0.311.713.79-0.68-0.261.494.02-0.79-0.321.493.85-0.68-0.291.513.64-0.62-0.281.614 m3.74-0.84-0.411.733.73-0.73-0.341.653.80-0.65-0.281.574.02-0.81-0.351.543.88-0.69-0.281
23、.483.58-0.55-0.261.624.5 m3.82-0.78-0.341.513.82-0.79-0.321.513.81-0.67-0.281.554.04-0.83-0.341.563.78-0.70-0.291.473.34-0.51-0.342.195 m3.67-0.65-0.331.783.62-0.68-0.361.993.82-0.69-0.271.484.04-0.85-0.351.433.89-0.71-0.291.503.58-0.51-0.382.425.5 m3.79-0.85-0.381.653.68-0.74-0.331.503.87-0.67-0.27
24、1.483.77-0.69-0.251.513.67-0.62-0.251.493.58-0.61-0.281.646 m3.81-0.85-0.351.513.66-0.63-0.301.683.91-0.73-0.291.483.88-0.74-0.311.523.67-0.63-0.251.473.64-0.52-0.281.81图3沙尘暴前后表沙粒级变化Fig.3Changes in surface sand particle size before and after sandstorms154中国沙漠第 43 卷型的拟合优度高,因此该模型能够很好地拟合塔中地区沙尘暴期间不同高度沙粒
25、平均粒径与平均风速之间的函数关系,但模型参数所代表的实际机理还有待进一步研究。图4沙尘暴样品粒度垂向分布特征Fig.4Variation of particle size vertical distribution of sandstorm samples图56次沙尘暴平均粒径与平均风速函数拟合曲面Fig.5Fitting surfaces of mean particle size and mean wind speed in six dust storm events155第 2 期陈京平等:塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴和地表沙物质粒度特征4 讨论 4.1沙尘暴前后表沙粒度的变化及其环境意义表
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 塔克拉玛干 沙漠 腹地 沙尘暴 地表 物质 粒度 特征 陈京平
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。