退化绿洲与沙漠之间粉尘内循环过程研究

本项目选择塔里木河下游干涸湖泊-罗布庄西侧的塔克拉玛干沙漠纬向横断面，自东向西设置沙漠表面定期取样点与尘暴过程观测点。通过风洞实验，野外观测和矿物与元素示踪分析，主要研究退化绿洲干涸湖泊-罗布庄沙尘释放及其向沙漠表面输送粉尘的内循环过程。阐明沙尘事件与非沙尘事件，沙尘季节与非沙尘季节不同尘暴过程在近沙漠表面的尘流结构，认识沙漠沙丘表面不同部位距强沙尘源（罗布庄）不同距离处的沙尘含量，粒径分布及其指示矿物（高岭石/伊利石）和指示元素（Ai/Si）比率的空间分布特征与季节变化规律, 建立退化绿洲干涸湖泊强沙尘源区地表沙尘释放向近源和远源沙漠表面迁移输送粉尘过程的二维理论模式,定量评价退化绿洲与沙漠表面粉尘内循环过程对沙漠表面沙尘形成及释放的贡献率。

沙漠是陆地表面重要的沙尘源，其释放沙尘不仅形成黄土地貌景观，而且显著地影响大气辐射、陆地及海洋生物地球化学循环。尽管沙漠沙尘一直受到广泛关注，但是沙漠沙尘产生的动力机制目前尚不清楚。研究指出，沙粒磨蚀作用可能是沙漠表面关键的产尘过程。然而，磨蚀实验指示有棱角颗粒能够磨蚀产尘，但随着颗粒磨圆度的增加，磨蚀产尘率很快减少。本项目结合风洞实验、理论模拟、野外观测、及元素示踪方法，发现外源沙尘的输入是沙漠表面重要的产尘机制，指出有外源沙尘输入时，沙漠表面沙尘释放率随之增加；没有外源沙尘输入时，沙漠表面沙尘释放率随之减少。研究结果指出沙漠表面的沙尘释放与其周边沙漠化过程存在密切关联，气候变化和人为扰动诱导的沙漠化过程近距离调控沙漠表面沙尘物质循环，是磨蚀产尘率极低的沙漠表面能够持续释放沙尘的根本原因。风洞实验表明，应用玻璃微珠床面（GBB），实验风速为8-16 ms-1，GBB表面PM10浓度约为0.13-0.20 mg m-3，该浓度代表风洞PM10背景值，指示GBB表面没有沙尘释放。但是，降低风速，加入沙尘流后，GBB表面随之覆盖一薄层沙尘物质。增加风速至初始值8-16 ms-1，GBB表面PM10浓度增加为3.49-6.09 mg m-3，是初始沙尘浓度的20-35倍。这一结果指出，磨蚀产尘率极低的玻璃微珠床面通过外源输入仍然能够释放出高浓度的沙尘流。沙尘异重流输移沉降理论分析表明，沙漠周边通过局地沙尘过程向沙漠输运沙尘，形成了沙漠沙尘内循环过程。若沙尘源面积不变，沙尘释放通量或浓度增加，将导致下风向沙漠表面沙尘沉降通量增加。同样，若沙尘释放通量或浓度不变，沙尘源面积扩大或减少直接影响下风向沙漠表面沙尘沉降通量增加或降低。这一结果指出，在气候变化和人类活动的影响下，沙漠周边的沙漠化过程或水文过程变化引起局地沙尘过程是沙漠重要的沙尘来源。集成塔克拉玛干沙漠不同地表沙漠、戈壁、干河床及湖盆、洪积扇及其它沙漠化地表155个观测点近2年连续观测资料指出沙漠周边沙尘潜在释放率高，而降尘量低；相反，沙漠腹地降尘量大，而沙尘潜在释放率小，这一结果指示沙漠周边沙漠化地表向沙漠腹地输送沙尘。稀土元素和常量元素分析进一步指出，该沙漠与周边沙漠化地表沙尘的地球化学特征具有相似性和同源性，揭示塔克拉玛干沙漠与周边沙漠化地表不断进行沙尘物质交换和内循环过程。