内蒙古西部一次沙尘暴贴地层物理通量研究
时间：2023-04-24 20:05:03 来源：千叶帆 本文已影响人
邢 彬
阿拉善盟气象局，内蒙古阿拉善盟 750306
沙尘暴是内蒙古多发的一种灾害性天气。通过物理通量来研究沙尘暴是一种应用广泛的方法。杨兴华等[1]研究了新疆塔中地区沙尘暴发生时2 m高度风速与输沙通量之间的关系。代亚亚等[2]分析了塔中地区80米风塔沙尘水平通量随高度的变化特征和沙粒的粒度特征。彭珍等[3]认为一次北京沙尘暴在暴发前和暴发初期湍流通量特征显著。王伏村等[4]认为沙尘暴的强度变化是感热加热增加了大气不稳定性和边界层厚度而实现的。姜学恭等[5]指出地面热通量影响沙尘暴发展的一个重要机制是低层大气形成混合层。李彰俊等[6]分析了地面感热通量与沙尘暴之间存在的关系。王劲松等[7]通过对地面加热场的研究表明，沙尘暴发生区与热汇热源密切相关。袁国波等[8]研究在沙尘暴期间的地面感热通量的日变化特征和地面与大气之间热量转化特征。孙军等[9]认为地面热通量是沙尘暴发生发展的重要因子。借鉴以上论文的研究思路和方法，着眼于陆面与大气之间的能量交换，研究沙尘暴发生时的物理通量特征，为沙尘暴灾害性天气预报提供新的预报思路。
2022年4月20日中午至夜间，在内蒙古西部地区，自西向东，阿拉善盟、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、包头市、呼和浩特市的14个站点出现了沙尘暴天气。此次沙尘暴有150个10 min沙尘暴样本，各站累计持续时间约1 500 min。
所选气象数据来自Micaps4.5气象系统、内蒙古Cimiss气象服务系统和中国气象信息数据网。资料包括能见度、相对湿度、天气现象、平均风速、地表温度、地面温度和本站气压，共7种。
对2022年4月20日11:50—21日01:50的气象资料进行沙尘暴识别，参考国家气象行业标准（GB/T 20480—2006），选择以下条件作为沙尘暴的识别依据：
10 min水平能见度：V＜1 000 m
整点相对湿度：U＜60%
10 min平均风速:W≥6 m/s
3.1 沙尘暴的空气密度和定压比热
空气密度是指在一定的温度和压力下，单位体积空气所具有的质量。在标准大气压下有空气密度ρ：
沙尘暴发生时，空气内存在大量沙尘气溶胶微粒，沙尘暴空气密度必然大于清洁大气的空气密度，则有沙尘暴空气密度ρs为清洁空气密度ρ与沙尘暴气溶胶密度ρa之和：
根据有学者对贺兰山两侧沙尘暴TSP气溶胶密度的研究结果表明，贺兰山地区的沙尘暴气溶胶平均密度为3 212.3 μg/m3。根据学者利用1999—2005年地面常规观测资料对东亚地区沙尘暴、强沙尘暴TSP气溶胶密度研究得到取值范围如下：
沙尘暴：3 000 μg/m3≤ρa＜6 000 μg/m3
强沙尘暴：ρa≥6 000 μg/m3
以上可以得到清洁空气密度比沙尘暴气溶胶密度大106μg/m3，比强沙尘暴气溶胶大105～106μg/m3，因此沙尘暴气溶胶密度可以忽略不计，沙尘暴空气密度约等于清洁空气密度ρs≈ρ。
沙尘暴空气的定压比热Cps是在压强不变的情况下，温度升高1 ℃所需要的热量。由于清洁大气空气密度远大于沙尘暴气溶胶密度，则单位体积内空气质量远大于沙尘暴气溶胶质量，沙尘暴气溶胶质量可以忽略不计，可以得到沙尘暴空气定压比热Cps约等于标准大气下的空气定压比热Cps≈Cp。
3.2 物理通量计算方法
物理通量研究的是感热通量、潜热通量和动量通量，从热力学和动力学两个方面揭示沙尘暴发生时的物理特征。根据丁一汇[10]在空气动力学方面的研究，通量计算公式如下:
其中，Cp为定压比热，ρs为地面空气密度，CH、Cq和CD为无量纲交换系数，Va为10 m地 面 风 速，Tw为0 cm地表温度，Ta为地面2 m空气温度，qw为0 m地表饱和比湿，qa为地面2 m饱和比湿，H为相对湿度，L为蒸发潜热，取Cp=1.004×103J·℃/kg，CH=1.4×10-3，Cq=1.6×10-3。当Va＜5.8 m/s时，CD=1.1×10-3，当5.8 m/s＜Va＜16.8 m/s时，CD=1.1×10-3（0.74+0.46V），Va＞1.68 m/s时，CD=1.1×10-3，（0.94+0.034Va）。
4.1 感热通量、潜热通量变化特征
感热通量是指由于温度变化而引起的陆面与大气之间发生的热量交换。内蒙古西部发生沙尘暴期间的感热通量为-63.10～208.77 W/m2。在2022年4月20日17:00前，感热通量均为正值，18:00后其均为负值，17:00～18:00感热通量在0值附近波动振荡，最大波动振幅为50.53 W/m2，最小波动振幅为0 W/m2。
潜热通量是指由于温度变化引起陆面与大气之间水汽的热量交换，内蒙古西部发生沙尘暴期间的潜热通量为-3～10.02 W/m2。与感热通量相同，在在2022年4月20日17:00～18:00，潜热通量也存波动振荡的特征，最大波动振幅为1.5 W/m2，最小波动振幅为0 W/m2。
4.2 动量通量变化特征
动量通量是指单位时间内通过单位面积所传输的动量。内蒙古西部发生沙尘暴期间动量通量为0.14～5.33 N/m2。在2022年4月20日20:00前，各站平均动量通量为0.96 N/m2，在20:00后，各站平均动量通量为0.29 N/m2。可以明确在贴地层中，白天沙尘暴的动量通量明显大于夜间的动量通量，那么白天湍流对沙尘暴输送能力比夜间强。
取贯穿感热通量和潜热通量0值，将复杂且具有代表性的乌拉特后旗（53324）作为研究对象，对其感热通量、潜热通量进行特征分析（图1）：在2022年4月20日17:00～17:08、17:21～18:03，PH、Fq＞0，Tw＞Ta，则 地 表 释放能量，空气吸收能量，沙尘暴获得能量，同时qw＞qa，则地表水汽释放能量，2 m空气中水汽吸收能量，沙尘暴获得能量；
在2022年4月20日17:09、17:20、18:04，FH、Fq=0，则Tw=Ta、qw=qa，沙尘暴能量不变，2 m高度至地面温度不随高度变化，接近绝热状态，出现3个混合层。在2022年4月20日17:10～17:19、18:05～20:30，FH、Fq＜0、Tw＜Ta，则地表吸收能量，空气释放能量，沙尘暴失去能量，同时qw＜qa，则地表水汽吸收能量，2 m空气中水汽释放能量，沙尘暴失去能量。
图1 2022年4月20日17:00～20:30乌拉特后旗的感热通量和潜热通量演变
由此可知，在2022年4月20日17:00前沙尘暴获得能量有利于沙尘暴的发展，17:00～18:00沙尘暴存在获得能量或失去能量的波动，18:00后沙尘暴失去能量，不利于沙尘暴的发展。单从热力学角度看，在白天（20:00前），沙尘暴先获得能量，感热通量、潜热通量对沙尘暴产生正反馈作用，然后沙尘暴失去能量，其对沙尘暴产生负反馈作用；
在夜间，沙尘暴失去能量，感热通量、潜热通量对沙尘暴产生负反馈作用。由此可知，在白天，感热通量和潜热通量对沙尘暴先有正反馈作用，然后在感热通量和潜热通量0值附近，可能不会出现负反馈作用，也有可能出现1次或多次负正反馈作用循环，在夜间，感热通量和潜热通量对沙尘暴有负反馈作用（图1）。
陆地与大气存在着热量交换，以介质表面的高温介质对低温介质加热传导而实现。热通量是表征单位时间单位面积加热传导热量多少的物理量，是感热通量和潜热通量之和。介质表面加热是感热加热和潜热加热。当感热通量为0时，则潜热通量为0，热通量也为0。分析10 min感热通量与潜热通量的比值特征：海力素17:30和17:40、乌拉特后旗17:20的感热通量和潜热通量均为0，比值不存在。20:00之前，比值为21～41，平均比值为30；
20:00之后，比值为32～56，平均比值为37。沙尘暴期间，平均比值为33。
由此可见，沙尘暴发生时感热通量远大于潜热通量。从热传导看，感热加热的作用远大于潜热加热的作用。相对于感热加热，潜热加热在夜间对沙尘暴的加热作用比白天更小。在白天，潜热通量占热通量的2.3%～4.5%；
在夜间，潜热通量占热通量的1.8%～3.0%，沙尘暴期间，潜热通量仅占热通量的3%。
选取存在感热通量和潜热通量0值的3个站，乌拉特后旗、杭锦后旗（53420）、海力素（53231），对其进行对比分析（图2）：乌拉特后旗感热通量的绝对值、潜热通量的绝对值、水平能见度的线性回归方程分别为y=1.06x+6.8、y=0.03x+0.3、y=7.4x+683，杭锦后旗的线性回归方程分别为y=1.4x+3.9、y=0.04x+0.17、y=5.87x+721,海力素的线性回归方程分别为y=-3.49x+88.39、y=-0.13+3.1、y=-1.6x+774，三线随着时间的变化同时递增或递减，水平能见度随着感热通量绝对值和潜热通量绝对值的增加而增大或减少而减小，呈正相关。
图2 2022年4月20日17:00～20:30，乌拉特后旗的感热通量的绝对值、潜热通量绝对值和水平能见度的变化
（1）沙尘暴在感热通量和潜热通量第一个0值之前为正值，其在最后一个0值之后为负值，中间会出现1次或多次感热通量、潜热通量在0值附近波动振荡。
（2）白天的动量通量明显大于夜间的动量通量，白天湍流对沙尘暴输送能力比夜间强。
（3）在白天，感热通量和潜热通量对沙尘暴先有正反馈作用，然后在感热通量和潜热通量0值附近，可能不会出现负反馈作用，也有可能出现1次或多次负正反馈作用循环；
在夜间，感热通量和潜热通量对沙尘暴有负反馈作用。
（4）沙尘暴期间，感热通量远大于潜热通量，感热加热的作用远大于潜热加热的作用，相对于感热加热，潜热加热在夜间对沙尘暴的加热作用比白天更小，潜热通量仅占热通量的3%。
（5）在感热通量和潜热通量0值附近，感热通量的最大波动振幅大于潜热通量的最大波动振幅，沙尘暴的水平能见度与感热通量绝对值、潜热通量绝对值呈正相关，其随着感热通量绝对值、潜热通量绝对值的增加而增大或减少而减小。
猜你喜欢空气密度潜热沙尘暴可怕的沙尘暴作文小学中年级(2022年1期)2022-03-03考虑空气密度变化的风电机组转矩控制算法研究可再生能源(2020年1期)2020-02-25架空输电线路气象条件设计标准刍议E动时尚·科学工程技术(2019年7期)2019-09-10Effect of moxibustion combined with acupoint application on enteral nutrition tolerance in patients with severe acute pancreatitisNursing Communications(2019年3期)2019-08-30工业革命时期蒸汽动力的应用与热力学理论的关系科学文化评论(2018年2期)2018-05-14大话西游之沙尘暴创新作文(小学版)(2016年23期)2016-12-01天外来客：火星沙尘暴发明与创新(2016年5期)2016-08-21基于空气密度补偿的风电场最优发电控制风能(2016年12期)2016-02-25青藏高原东部夏季降水凝结潜热变化特征分析成都信息工程大学学报(2015年6期)2015-12-02贵州省分散式风电场空气密度计算方法研究中低纬山地气象(2015年1期)2015-05-04 相关热词搜索：通量，地层，内蒙古，
