对流起沙的研究进展

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-04-0531

干旱气象 ›› 2023, Vol. 41 ›› Issue (4): 531-539.DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-04-0531

对流起沙的研究进展

梁国豪¹(), 毛睿²^,³(), SHAO Yaping⁴, 李晓岚⁵, 龚道溢⁶

1.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875
2.北京师范大学国家安全与应急管理学院，北京 100875
3.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西西安 710061
4.德国科隆大学地球物理与气象研究所，科隆 50923
5.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁沈阳 110166
6.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875

收稿日期:2022-10-26 修回日期:2022-12-30 出版日期:2023-08-31 发布日期:2023-08-29
通讯作者: 毛睿（1980—），男，甘肃兰州人，教授，主要从事气候变化及其影响研究。E-mail： MR@bnu.edu.cn。
作者简介:梁国豪（1996—）,男，山东枣庄人，硕士生，主要从事大气沙尘气溶胶研究。E-mail：lgh@mail.bnu.edu.cn。
基金资助:
环境演变与自然灾害教育部重点实验室项目(2022-KF-04);黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金项目(SKLLQG-2220)

Research progress of convective turbulent dust emission

LIANG Guohao¹(), MAO Rui²^,³(), SHAO Yaping⁴, LI Xiaolan⁵, GONG Daoyi⁶

1. Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster of Ministry of Education， Beijing Normal University， Beijing 100875， China
2. School of National Safety And Emergency Management， Beijing Normal University， Beijing 100875， China
3. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology， Institute of Earth Environment， Chinese Academy of Sciences， Xi’an 710061， China
4. Institute for Geophysics and Meteorology， University of Cologne， Cologne 50923， Germany
5. Shenyang Institute of Atmospheric Environment， China Meteorological Administration， Shenyang 110166， China
6. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology， Beijing Normal University， Beijing 100875， China

Received:2022-10-26 Revised:2022-12-30 Online:2023-08-31 Published:2023-08-29

摘要/Abstract

摘要：

对流起沙是一种由热力对流湍流直接夹卷沙尘进入大气的起沙机制，由于其频繁发生，长期累积的沙尘排放贡献不可忽视。根据国内外研究现状，总结归纳对流起沙的发生机理和影响因素，介绍目前相关的参数化方案，并从发生条件和起沙通量等方面分析对流起沙与跃移起沙、尘卷风的异同。最后，对对流起沙的野外观测和参数化方案改进等方面提出建议：应加强对流起沙潜在活跃区的观测及比较不同沙源地对流起沙的特征，进一步构建土壤湿度、植被覆盖等影响因素的修正函数以提升模式模拟性能。

关键词: 对流起沙, 跃移起沙, 尘卷风, 研究进展

Abstract:

Convective turbulent dust emission (CTDE) is a new dust emission mechanism that thermal convective turbulent directly entrains dust particles into the atmosphere. Due to frequent occurrence, the long-term contribution of CTDE cannot be ignored. In the light of the previous research, the mechanism and influencing factors of CTDE are summarized, the parameterization schemes of CTDE are introduced, and the similarities and differences between CTDE and saltation-bombardment and/or aggregation-disintegration dust emission as well as dust devil are compared in terms of occurrence condition and dust emission flux. Finally this paper provides a reference for studying on CTDE and gives suggestions on field observation and improvement of parameterization for CTDE, including measuring CTDE events in potentially active areas, comparing the characteristics of CTDE between different dust sources, and building further correction functions of soil moisture and vegetation cover to improve the model performance.

Key words: convective turbulent dust emission, saltation-bombardment and/or aggregation-disintegration dust emission, dust devil, research progress

中图分类号:

P425.5+5

梁国豪, 毛睿, SHAO Yaping, 李晓岚, 龚道溢. 对流起沙的研究进展[J]. 干旱气象, 2023, 41(4): 531-539.

LIANG Guohao, MAO Rui, SHAO Yaping, LI Xiaolan, GONG Daoyi. Research progress of convective turbulent dust emission[J]. Journal of Arid Meteorology, 2023, 41(4): 531-539.

图/表 4

图1 对流起沙示意图（改自Klose and Shao， 2013）

Fig.1 Schematic diagram of convective turbulent dust emission（adapted from Klose and Shao， 2013）

图2 WRF-Chem模式模拟的2016年科尔沁沙地对流起沙通量与对流速度尺度（a）、摩擦速度（b）、感热通量（c）、边界层高度（d）散点图

Fig.2 Scatter plots between dust emission flux and convective velocity scale （a）， friction velocity （b）， sensible heat flux （c）， planetary boundary layer height （d） simulated by WRF-Chem model at Horqin Sandy Land in 2016

图3 WRF-Chem模式模拟的2016年6月1日（a）、2日（b）、3日（c）、4日（d）沙尘柱质量浓度空间分布（单位：mg·m-2）（绿色方框区域为科尔沁沙地）

Fig.3 The spatial distribution of mass concentration of dust column simulated by WRF-Chem model on 1 （a）， 2 （b）， 3 （c）， 4 （d） June 2016 （Unit： mg·m-2）（The green box area represents the Horqin Sandy Land）

表1 对流起沙与其他起沙机制的特征比较

Tab.1 Comparison of characteristics between convective turbulent dust emission and other dust emission mechanism

特征	对流起沙	跃移起沙	尘卷风
排放方式	热力起沙为主（Klose and Shao，2013）	动力起沙为主（Shao，2008）	热力起沙为主（Klose and Shao，2016）
发生条件	同时满足 $u $ < $u t$ 、 $w $ >0、3<（ $w $ / $u *)$ <6 （Li et al.，2014）	$u * > u * t$ （Shao，2008）	同时满足 $u $ < $u t$ 、 $w $ >0、（ $w $ / $u *$ ）>5 （韩超信等，2021）
发生频率	高（Li et al.，2014）	较低（李耀辉等，2004）	高（Balme and Greeley，2006）
主要时段	08：00—15：00（Li et al.，2014）	无明显规律	12：00—18：00（栾兆鹏等，2016）
单次事件时长	大部分小于3 h（Li et al.，2014）	较长（段伯隆等，2021）	大部分小于30 min（栾兆鹏等，2016）
季节特征	夏季>秋季>春季>冬季（Li et al.，2014）	春季最多（元天刚等，2016）	夏季较多（栾兆鹏等，2016）
水平尺度和垂直尺度	尚不清楚	水平范围较大，近地面到对流层中上层（姜学恭等，2014）	水平范围较小，几米至几千米不等（Sinclair，1969；Sinclair，1973）
起沙通量	0.0~10.0 µg·m^-2·s^-1 （Li et al.，2014）	27.7~206.0 µg·m^-2·s^-1 （沈志宝等，2003；沈建国等，2008）	约0.7×10⁶µg·m^-2·s^-1 （Han et al.，2016）
对总沙尘排放的贡献率	27.00%（Ju et al.，2018）	65.17%~76.00%（Ju et al.，2018；刘莹等，2018）	24.00%（刘莹等，2018）

表1 对流起沙与其他起沙机制的特征比较

Tab.1 Comparison of characteristics between convective turbulent dust emission and other dust emission mechanism

特征	对流起沙	跃移起沙	尘卷风
排放方式	热力起沙为主（Klose and Shao，2013）	动力起沙为主（Shao，2008）	热力起沙为主（Klose and Shao，2016）
发生条件	同时满足 $u $ < $u t$ 、 $w $ >0、3<（ $w $ / $u *)$ <6 （Li et al.，2014）	$u * > u * t$ （Shao，2008）	同时满足 $u $ < $u t$ 、 $w $ >0、（ $w $ / $u *$ ）>5 （韩超信等，2021）
发生频率	高（Li et al.，2014）	较低（李耀辉等，2004）	高（Balme and Greeley，2006）
主要时段	08：00—15：00（Li et al.，2014）	无明显规律	12：00—18：00（栾兆鹏等，2016）
单次事件时长	大部分小于3 h（Li et al.，2014）	较长（段伯隆等，2021）	大部分小于30 min（栾兆鹏等，2016）
季节特征	夏季>秋季>春季>冬季（Li et al.，2014）	春季最多（元天刚等，2016）	夏季较多（栾兆鹏等，2016）
水平尺度和垂直尺度	尚不清楚	水平范围较大，近地面到对流层中上层（姜学恭等，2014）	水平范围较小，几米至几千米不等（Sinclair，1969；Sinclair，1973）
起沙通量	0.0~10.0 µg·m^-2·s^-1 （Li et al.，2014）	27.7~206.0 µg·m^-2·s^-1 （沈志宝等，2003；沈建国等，2008）	约0.7×10⁶µg·m^-2·s^-1 （Han et al.，2016）
对总沙尘排放的贡献率	27.00%（Ju et al.，2018）	65.17%~76.00%（Ju et al.，2018；刘莹等，2018）	24.00%（刘莹等，2018）

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