粉尘沉降.doc

粉尘沉降

提纲：
一、 粉尘沉降通量的运移模型
二、 粉尘沉降通量与粒径、搬运距离的关系
三、 北太平洋地区沙尘沉降通量随传输距离的变化趋势
四、 中国粉尘的搬运路径与沉降

一、粉尘沉降通量的运移模型
粉尘的沉降分两种：一种是重力作用引起的干沉降；另一种是湿沉降,粉尘作为凝结核吸附水滴而沉降。
秦小光等人[1]建立了粉尘沉降通量的运移模型，公式如下：

推导该公式时，设源区粉尘扬起后粉尘到达高度为ｚ米，在单位面积上方含粉尘空气柱的体积为S，有S＝z，空气柱中粉尘的初始总量为Ｗ，初始粉尘浓度N＝W／S。ＤＴ是T时刻粉尘的沉降通量。B＝A／M，M表示单位面积上方含粉尘空气柱（对地面粉尘沉降有贡献部分）在单位时间内的通过量，表示了含粉尘大气的水平通量，因此可以视为风力强度，单位是。，g是重力加速度，μ是空气粘滞系数，ρｄ是颗粒密度，ρ是空气密度，d是颗粒直径。
该公式刻画了粉尘沉降通量与粉尘粒径、风速、粉尘到达高度和原始粉尘浓度的关系。

二、粉尘沉降通量与粒径、搬运距离的关系
对于给定粒径的粉尘，随搬运距离的增加，粉尘沉降通量呈指数形式迅速减小。越粗的粉尘颗粒其沉降通量初值越大，同时沉降通量下降速度也越快。如果将搬运距离取对数以观察近距离部分的细节，可以看到沉降通量的变化呈Z字形，1km以内，粉尘沉降通量变化较小，10～1000km之内沉降通量迅速降低，尤其是粗颗粒沉降通量下降迅速，而颗粒越细，其沉降通量的降低速率越小，搬运距离也越大。局部放大图2，显示粗颗粒沉降通量的降低速率快于细颗粒的，大约40km以后，粗颗粒的沉降通量开始小于细颗粒的。

图1 不同粒径粉尘沉降通量随搬运距离的变化

图2 对数坐标下不同粒径粉尘沉降通量随搬运距离的变化

小于1μｍ的粉尘，随搬运距离的增加沉降通量变化很小，这说明小于1μｍ细粒粉尘受重力沉降的影响很小，是长期悬浮的粉尘成分。而小于10μｍ的粉尘相比大于等于10μｍ的粉尘，在1000km以内其P值的减小幅度很小，近于稳定，说明在这个距离范围内小于10μｍ的粉尘含量可以作为衡量粗粒粉尘沉降量的标准。
不同的风速对给定粒径颗粒沉降贡献率的影响实际上类似于粒径的影响，公式（1）表明风速增加的影响等同于粒径减小的影响（图3），风速增大，粉尘沉降通量将降低，并以较低的水平维持更远的距离；相反，风速较小时，粉尘会在较短距离内以较高的粉尘沉降通量迅速沉降。同样粉尘可到达高度的影响也与风速相同，高度越大，粉尘沉降通量越小，能被携带的距离越大；高度越小，粉尘沉降通量越大，粉尘搬运距离越小。如果以时刻数T（或搬运距离L）为变量，则由P的定义，可知T服从几何分布，其数学期望（即均值）为：
ET＝（1－p）／p＝（ūS）／Ad２－1＝M／Ad２－1 （1）
它表示粒径为ｄ的粉尘在给定风速和高度条件下能够被搬运的平均距离。该公式表明粉尘的平均搬运距离与风力强度成正比，与粉尘粒径的平方成反比。该公式在理论上刻画了粉尘平均搬运距离、风力强度和粉尘粒径之间的物理学关系。

图3 不同风速下，45.7μｍ粉尘沉降通量随搬运距离的变化

三、北太平洋地区沙尘沉降通量随传输距离的变化趋势
韩永翔等人[2]利用2001年4月6～20日的源自中国西部和蒙古中西部的强沙尘暴过程的观测数据绘出了这次沙尘远程传输过程中沙尘浓度随经度变化的曲线图，如下：

图4 中亚-北太平洋-北美净沙尘浓度随经度的变化

沙尘浓度随经度的增加而减小，其函数为：
y=4336．5e-0.0223x,R2 =0.9104
式中：x为经度；y为最大沙尘净通量；R2 为相关系数。
沙尘浓度随经度的增加(传输距离的增加)呈指数衰减，相关非常显著，通过了0．001置信度检验。其在源区沙尘浓度下降较快，这主要是因为粉尘粒子约有一半因重力作用下的干沉降又沉降到源区及其附近的地区，而距离源区越远，沙尘经过长距离的传输和大气中的扩散，重力作用下的粗粒子已经因干沉降而除去，大气中的粉尘粒子已经变得非常均匀而且主要为细粒子(<10m)，因而在北太平洋地区沙尘浓度下降变得缓慢，而且同降水格局有关，这个结果同Gao等模拟并得到观测事实支持的北太平洋地区沙尘中平均铁通量随传输距离的变化的曲线完全一致，证明在北太平洋地区沙尘沉积通量(与铁通量密切相关)随传输距离的增加呈指数衰减的结果有普遍意义。
另外，在传输路径上粉尘有较高的沉降通量，粉尘过境时的降水空间格局将在很大程度上决定粉尘的沉降空间格局。

四、中国粉尘的搬运路径与沉降
孙继敏[3]研究了中国粉尘的搬运路径与沉降情况。中国沙尘暴的发生主要与西伯利亚冷空气爆发后形成的蒙古气旋或自蒙古地区南下的单独活动冷锋密切相关，而沙尘在扬起后向东南的移动过程则与强冷锋过后的反气旋活动或与西风带有关。扬起后的粉尘既可以被近地面风（高度基本在3000m以下）也可以被西风急流(高度在5000m以上)搬运。但不同的物源区及不同高度的粉尘其搬运路径、距离及沉积贡献和气候效应都是不一样的。
源自准噶尔盆地、柴达木盆地的粉尘主要被近地面风搬运, 堆积在下风方向的山脉迎风坡上。源自塔里木盆地的粉尘, 既可以被近地面风搬运至昆仑山的迎风坡, 又可以被抬升到5000m以上的高度, 从而被西风急流带出盆地。源自蒙古国南部及与之相邻的包括巴旦吉林、腾格里、乌兰布和、库布其、毛乌素等在内的戈壁、沙漠地区的粉尘,在多数情况下(约90%)是由近地面的西北风搬运的, 主要堆积在黄土高原、日本、朝鲜半岛和北太平洋近海地区。这些低空气流携带的粉尘多数会很快地在下风方向降落, 因而对区域气候的影响不大。但在少数情况下(约10%)粉尘也可以被西风急流搬运至太平洋甚至美国大陆。例如发生在2001年4月6～20日的源自中国西部和蒙古中西部的强沙尘暴所产生的粉尘不仅在韩国和日本有沉降，而且还到达了北太平洋、北美大陆甚至达到大西洋。

结语：
粉尘的沉降分两种：一种是干沉降；另一种是湿沉降。
对于给定粒径的粉尘，随搬运距离的增加，粉尘沉降通量呈指数形式迅速减小。
粒径为d的粉尘在给定风速和高度条件下，粉尘的平均搬运距离与风力强度成正比，与粉尘粒径的平方成反比。
在传输路径上粉尘有较高的沉降通量，粉尘过境时的降水空间格局将在很大程度上决定粉尘的沉降空间格局。

参考文献

[1]秦小光，蔡炳贵，穆燕等.黄土粉尘搬运过程的动力学物理模型.第四纪研究,2009,1154-1161
[2]韩永翔，赵天良，宋连春等.北太平洋地区春季粉尘的空间分布特征——观测及模拟.中国环境科学，2005，25(3)：257—261
[3]孙继敏.中国黄土的物质来源及其粉尘的产生机制与搬运过程.第四纪研究，2004，175-183
[4]张小曳.亚洲粉尘的源区分布、释放、输送、沉降与黄土堆积.第四纪研究，2001，29-40