0 引言
粉尘释放是干旱、半干旱地区风力作用下普遍发生的自然地理现象。粉尘颗粒在大气中被长时间和长距离搬运，成为大气气溶胶的重要来源［1］。粉尘通过影响大气辐射的收支平衡，影响全球和局地能量分配的变化和生态系统的稳定性［2］。远距离输送过程中的沿途沉降，影响全球生物地球化学循环［3］。中国西北干旱区广布的戈壁和沙漠是亚洲沙尘暴和粉尘释放的主要策源地之一［4］。戈壁地表砾石覆盖、表层沉积物粒度组成、植被覆盖等下垫面条件的差异导致包括地表粉尘释放在内的风沙活动性质和强度发生变化［5］。砾石作为戈壁地表主要粗糙元通过影响空气动力学条件，改变湍流混合效率［6］，直接影响粉尘释放［7-8］；而地表粉尘含量是控制粉尘通量的核心因子，高粉尘含量可显著提升释放强度，PM10释放通量随粉尘含量增加呈指数增长，而跃移颗粒的冲击能量是另一关键动力因素，外部沙源供应下的跃移可使粉尘通量增加5~13倍，凸显了沙-尘耦合作用［9］；地表结皮覆盖则通过提高临界摩阻风速［10］，改变戈壁地表粉尘排放能力。
鉴于此，本文在河西走廊西部阳关镇附近的细戈壁定位观测了不同风向下多个高度不同粒径范围的粉尘浓度，结合上风向沙源分布情况和风速、输沙率观测以及地表沉积物粒度测试，在分析戈壁地表粉尘释放一般规律的同时，从戈壁地表空间异质性的角度，探讨了戈壁粉尘释放的维持机制。
1 研究区和研究方法
观测点位于河西走廊阳关绿洲边缘戈壁（39.968°N、94.083°E，图1）。阳关镇深居西北内陆，属典型暖温带大陆性气候，具有强辐射（年总辐射量5 500~6 700 MJ·m-2）、大温差（年较差30~40 ℃）、少降水（年降水量<50 mm）、多风沙（年沙尘天数30~45 d，集中于春季）等特点［20］。党河水系在该区孕育了多个绿洲，被库姆塔格沙漠和众多戈壁包围，地带性土壤主要分布有灰漠土、灰棕漠土和棕漠土，极易风蚀［21］。植被稀疏，以超旱生灌丛、半灌丛荒漠植被为主，分布有自然生长或人工种植的梭梭（Haloxylon ammodendron）、白刺（Nitraria tangutorum）和柽柳（Tamarix chinensis）等固沙植物。观测点周围地势平坦，砾石（>2 mm）盖度在36%左右，分布较为均一，属细砾质戈壁。观测风向主要为东北和西北两个风向，西北上风向为戈壁，5 km内无流动沙源分布；东北上风向有沙源分布，距观测点100 m（图2）。分别于2024年4月16日和4月19日完成东北和西北风两次风蚀事件前后的风速、风沙流和粉尘观测。
图1
图1
研究区位置及观测点地表实况
Fig.1
Location of the study area and the surface conditions of observation points
图2
在观测点并排放置梯度风速仪、粉尘仪、集沙仪和三维超声风速仪，完成风速、粉尘浓度和输沙通量同步观测。三维超声风速仪（美国RM.YOUNG）测量高度为1.5 m（图2），数据采集频率为5 Hz。地表输沙采用北京师范大学自研平口式集沙仪进行收集（图2），该集沙仪前侧有10个正方形进沙口2 cm×2 cm，进沙口下缘距地面高度依次为0、3、7、11、16、22、29、38、48、58 cm，根据风速大小设置不同的集沙时间。风速廓线仪由8个风杯、支架和数据采集器等组成，风速测量高度依次为0.1、0.25、0.5、0.75、1、1.5、2、3 m（图2）。数据自动采集每30 s间隔的平均风速，并通过CR1000数据采集器自动存储风速数据。粉尘浓度利用Dust Trak粉尘仪（TSI Model 8533，图2）测定，是一种基于米氏散射原理的颗粒群光散射激光光度计，能提供实时气溶胶读数，分辨率0.001 mg·m-3，测量浓度范围0.001~400 mg·m-3，可测粉尘粒径0~15 μm，集尘效率60%~95%。粉尘测量高度为0.25、0.5、1.5、3 m，数据采集频率为1 Hz。
戈壁区和沙源区表层（0~2 cm）沉积物粒度组成见图3。戈壁区表层沉积物中砾石（粒径分布范围为2~10 mm）含量为28.0%。戈壁区表层沉积物中粉尘（<15 μm）含量为8.3%，沙源区为3.2%。沙源区表层沉积物中PM2.5含量几乎为0，戈壁区为2.0%。戈壁区表层沉积物中PM10-15含量为2.7%，沙源区为1.4%。戈壁区表层沉积物中最易发生跃移运动的细沙（150~250 μm）含量为15.1%，沙源区为26.9%。
图3
图3
戈壁和流沙粒度组成
Fig.3
Grain size composition of the gobi desert and aeolian sands
根据风速廓线仪测定的不同高度风速并参照Dong等［22］的方法，计算摩阻风速和空气动力学粗糙度：
式中：U*表示摩阻风速（m·s-1）；z0为近地表空气动力学粗糙度（m）；k为卡曼常数，通常取0.4；a、b为对数律风速廓线方程uz=a+bln（z）中的拟合系数。
超声风速仪记录3个风向的风速，坐标转换后的正向风速、侧向风速和垂向风速分别用u、v、w表示，主风向的瞬时风速U计算：
风速脉动强度是瞬时风速概率分布函数的标准差，用脉动风速的均方根来表示，湍流强度I是脉动风速标准差与平均风速
式中：U′2为脉动风速；
根据集沙仪各个高度收集的沙粒质量换算为对应高度的输沙通量qh （kg·m-2·s-1），输沙通量qh 与高度h（m）之间的关系可以表示为qh =f （h）。地表以上0~0.6 m内的输沙率q（g·m-1·s-1）可以表示为：
根据不同风速下的输沙率观测结果，建立输沙率与风速（1.5 m高度）之间的经验关系，然后利用该关系式计算输沙率为0时的风速，即临界起沙风速ut，计算得到戈壁区地表临界起沙风速ut为8.35 m·s-1，对应的临界起沙摩阻风速为0.34 m·s-1。
粉尘释放通量野外观测的主要方法为Gillette［23］的浓度梯度法，基于湍流扩散理论计算地表粉尘释放通量：
式中：F为粉尘释放通量（mg·m-2·s-1）；c1、c2为观测高度z1（m）、z2（m）处1 min平均粉尘浓度（mg·m-3）。
粉尘在z高度的水平通量EZ（mg·m-2·s-1）计算公式为
式中：uz为z高度的平均风速（m·s-1）；cz为z高度的粉尘浓度（mg·m-3）。
粉尘释放效率η被定义为粉尘释放通量与跃移通量的比值
2 结果与分析
2.1 输沙率与粉尘通量的变化
东北风观测期间戈壁地表风速变化幅度较大，起沙风持续时间接近3 h。摩阻风速为0.29 m·s-1（0.04 ~0.60 m·s-1）。粉尘释放通量均值0.006 mg·m-2·s-1，峰值0.045 mg·m-2·s-1，对应摩阻风速为0.52 m·s-1。12:00—15:10摩阻风速逐渐超过临界起沙阈值（u*t=0.34 m·s-1），地表可观测到风沙流。输沙率随摩阻风速变化特征显著，时间序列上呈逐渐降低趋势，平均输沙率0.24 g·m-1·s-1，最大值0.48 g·m-1·s-1（图4A、B）。粉尘水平通量随高度增加以对数律降低（Ez=-0.28lnz+0.42，R²=0.95）。0.25、0.5、1.5、3 m观测高度粉尘水平通量均值依次为0.746、0.687、0.258、0.120 mg·m-2·s-1。0.25 m和0.5 m高度粉尘水平通量值波动程度远大于1.5 m和3 m高度（图4C）。
图4
图4
戈壁地表风速与输沙率（A）、粉尘释放通量（B）、水平通量（C）随时间的变化
Fig.4
Temporal variation of surface wind speed， sand transport rate （A）， dust emission flux （B）， and horizontal flux （C） above the gobi surface
根据摩阻风速大小和输沙强度划分3个典型观测阶段。未起沙阶段，摩阻风速（均值0.16 m·s-1）始终低于临界起沙阈值，粉尘释放通量（均值0.0016 mg·m-2·s-1）维持在较低水平。0.25 m到3 m观测高度水平通量依次平均为0.259、0.197、0.123、0.053 mg·m-2·s-1，随风速变化趋势均不明显。间歇性输沙阶段，摩阻风速（均值0.31 m·s-1）和粉尘释放通量（均值0.0049 mg·m-2·s-1）分别较未起沙阶段提高1倍和2倍，平均输沙率为0.11 g·m-1·s-1，4个观测高度水平通量均值分别较未起沙阶段增大1.5、1.7、0.9、1.0倍。稳定输沙阶段，摩阻风速、输沙率和粉尘释放通量平均值分别为0.41 m·s-1、0.31 g·m-1·s-1和0.0133 mg·m⁻²·s⁻¹，较间歇性输沙阶段分别增加了25%、181%和271%，4个观测高度水平通量均值则分别增加了3.6、4.8、2.0、2.3倍，该阶段观测到输沙率峰值与粉尘释放通量峰值同步。地表输沙强度增大，对不同高度粉尘水平输送均起到了促进作用，但对近地表层（<0.5 m）粉尘水平输送的影响更大。
未起沙条件下，粉尘释放通量与湍流强度显著正相关（P<0.01），说明该阶段风速脉动是促进粉尘释放的主要因子（图5）。超过临界起沙风速后，粉尘释放通量迅速增加，跃移颗粒对戈壁地表的磨蚀击溅促进释尘作用明显，粉尘释放通量随摩阻风速增大呈幂函数规律增长（n=2.1，R²=0.86），随输沙率增大线性增大（R²=0.91）。可见输沙强度是决定戈壁地表粉尘释放通量的重要因素。粉尘释放效率（数量级10-5 m-1）随摩阻风速增大有逐渐降低的趋势（R²=0.61），摩阻风速从0.32 m·s-1增至0.44 m·s-1时，对应粉尘释放效率降低27%左右。戈壁地表因有砾石覆盖且表层沉积物质地较硬，地表跃移颗粒的冲击过程更接近于刚性碰撞，能量损耗较小，碰撞强度大，跃移冲击效率高，但其粉尘释放效率会受限于地表粗化层的遮盖抑制和跃移颗粒以及粉尘颗粒供给不足的问题。
图5
图5
粉尘释放与摩阻风速和输沙率的关系
Fig.5
Relationship between dust emission， friction velocity， and sand transport rate
2.2 不同粒径粉尘释放通量与摩阻风速的关系
戈壁地表释尘过程中较粗（PM10-15）和较细（PM2.5）组分释放通量具有不同的变化规律。观测期大部分时段PM2.5释放通量高于PM10-15。PM2.5释放通量随时间的变化趋势与总粉尘基本一致，随摩阻风速增大呈幂函数规律增长（n=3.9）。PM10-15平均释放通量为0.0002 mg·m-2·s-1，其中未起沙条件下，PM10-15释放通量几乎为0，起沙状态下有小幅增大，与摩阻风速显著正相关（P<0.01），但始终维持在较低水平（图6A）。PM2.5在戈壁地表总粉尘释放通量中的占比高于PM10-15。地表未起沙时，PM2.5和PM10-15平均释放通量占总粉尘释放通量的比例分别为19.6%和12.7%，而地表起沙条件下，PM2.5平均占比可达60%以上，PM10-15只有2%左右。PM2.5在总粉尘释放通量中的占比随摩阻风速增大以对数形式递增（R2=0.92），PM10-15占比则以对数形式逐渐递减至接近于0（R2=0.93，图6B）。可见风蚀事件中跃移颗粒的击溅碰撞主要导致较细粉尘组分的增多，因此较细的粉尘组分应是戈壁释尘研究的重点关注对象。
图6
图6
PM2.5和PM10-15释放通量及其在总粉尘中的占比随摩阻风速的变化
Fig.6
PM2.5 and PM10-15 emission flux variations and their proportion of total dust versus friction velocity
2.3 上风向流沙对戈壁地表粉尘释放的影响
戈壁地表各观测高度粉尘水平通量均随摩阻风速增加呈指数规律增长（图7），上风向有沙源条件下粉尘水平通量始终较无沙源时高且随风速增大数值波动程度更大。上风向有沙源分布且未就地起沙时，0.25~3 m各观测高度的平均水平通量分别为0.335、0.241、0.141、0.069 mg·m-2·s-1，较无沙源时分别增加了1.8、1.8、2.4、6.7倍；而地表起沙时，各观测高度的平均水平通量分别为1.397、1.311、0.657、0.171 mg·m-2·s-1，较无沙源时分别增加1.2、2.0、2.8、1.8倍。可见低于地表临界起沙风速时，上风向沙源分布对戈壁地表各高度粉尘水平输送均有所贡献，且距地表高度越大影响越大。这是由于斑块状流动沙源表面粉尘颗粒的起动风速较小，弱风夹带启动的粉尘颗粒被近地面紊流垂直扩散到较高层进行水平输送。戈壁地表起沙时，上风向沙源对粉尘水平通量的贡献除上述远源粉尘输送模式外，还包括了来自沙源区跃移颗粒的供给性输送促进戈壁地表就地释尘。此时沙源对戈壁地表1.5 m（中层）高度粉尘水平通量的贡献明显大于0.25 m（低层）和3 m（高层）。戈壁地表风沙流主要分布的高度层在0.3 m以下，说明跃移运动对低层的粉尘水平输送起到了一定的屏蔽作用，同时地表释尘的垂直扩散在高层有所衰减。
图7
图7
上风向有、无沙源条件下不同观测高度粉尘水平通量随摩阻风速的变化
Fig.7
Variations in dust horizontal flux at different observation heights with friction velocity under upwind conditions with and without sand sources
风速、地表输沙和表层沉积物中粉尘颗粒含量等诸多因素共同决定了戈壁地表的释尘潜力。上风向有、无流动沙源条件下，戈壁地表粉尘释放通量与摩阻风速的关系均符合幂律（图8），n值分别为2.1（R2=0.86）和1.8（R2=0.90）。相同摩阻风速条件下，有流动沙源时粉尘释放通量（均值0.0073 mg·m-2·s-1）显著高于无流动沙源（均值0.0017 mg·m-2·s-1，P<0.01）。以临界起沙风速为界，低于该风速时，粉尘释放通量随摩阻风速增大接近线性规律增长，上风向有沙源时粉尘释放通量约为无沙源时的3倍，说明上风向流动沙源表面和沿途气流夹带的远源粉尘向下风向戈壁地表的输送量大于湍流作用下的就地释放量。超过该风速后，上风向流动沙源分布对粉尘释放量的贡献更加明显，该阶段既有来自流沙区的扬尘输送，也有跃移颗粒对戈壁地表的磨蚀击溅释尘，因流沙表层沉积物中易发生跃移运动的细沙组分较多，使得后者的贡献更大。上风向无流动沙源时，粉尘细颗粒物和跃移颗粒的直接供给相对缺乏，戈壁粉尘释放主要受风速和表层沉积物中粉尘颗粒含量的控制。
图8
图8
上风向有、无沙源情形下粉尘释放通量随摩阻风速的变化
Fig.8
Variations in dust emission flux with friction velocity under upwind conditions with and without sand sources
3 讨论
戈壁地区作为现代沙尘暴的重要源区，其地表特征对粉尘释放具有显著控制作用。本研究表明，低砾石覆盖度、富细颗粒的冲积-洪积细砾质戈壁因其较低的地表起动风速［24］，表现出较强的粉尘释放潜力。沈志宝等［25］基于敦煌地区沙尘暴过程的观测数据，得出戈壁区平均粉尘释放率为1.58×10-8 kg·m-2·s-1，与本文估算的地表起沙过程中粉尘释放通量值处于同一数量级，但在颗粒物粒径分布上存在显著分歧。前者认为PM5以上粗颗粒贡献了超过73%的释放量，而本研究显示PM2.5在粉尘通量中占据主导地位。这种差异可能源于戈壁地表砾石覆盖和沉积物中黏粒含量分布的空间异质性，而风蚀过程中砾石粗糙元对不同粒径范围粉尘颗粒的选择性捕获，改变了地表沉积物的粒度分选特征，最终影响不同粒径范围粉尘的释放效率。
本研究发现PM2.5占比随风速增大而呈现对数律增长趋势（从4%增至65%），这一现象与Hagen［26］提出的PM2.5/PM10比值线性增长模型形成对比，也挑战了Kok［18］脆性破碎理论中粒径分布与风速无关的假设。戈壁区PM2.5/PM15比值（0.04~0.65）显著高于Feng等［27］在农田土壤中观测的0.03~0.55，暗示尽管农田土壤黏粒含量更高，但戈壁沉积物颗粒间较弱的黏结力降低了粉尘颗粒的起动临界风速［28］，从而提升了PM2.5的释放效率。Wang等［29］的风洞实验进一步揭示，沙质与壤质农田土的释尘机制存在风速依赖性差异，这对理解戈壁区特殊释放过程具有启示意义，戈壁粉尘释放既依赖于跃移颗粒供给，又受砾石和结皮等地表特性的制约［30］。
不同下垫面粉尘释放效率的差异为对比理解多种地表释尘潜力提供了参考。本研究表明细砾质戈壁粉尘释放效率（10-5 m-1）高于中砾质戈壁（10-6 m-1）和沙漠（10-8 m-1），且呈现出随风速增大而减小的趋势，这与流沙［31-33］和农田土壤［34-35］的响应模式形成鲜明对比。其原因主要是，戈壁跃移颗粒的刚性碰撞特征导致高冲击效率［36-37］，但受限于粉尘含量和跃移通量的动态平衡；流沙通过持续粒度分选维持稳定的释放效率；农田土壤则因团聚体发育和跃移供给不足呈现效率递增特征。左小锋［38］观测到草地土壤粉尘释放效率（10-3 m-1、10-4 m-1）显著高于戈壁，这与其较高的松散物质供给和团聚体破碎机制密切相关［39-40］。而干涸湖盆的盐尘释放［41-42］虽与戈壁地表存在相似性，但水盐交互作用增加了释尘过程的复杂性。
本文通过系统观测揭示了戈壁粉尘释放规律，为改进区域粉尘模型参数化方案提供了数据支撑，然而野外观测固有的不确定性要求后续需结合风洞实验和数值模拟研究。未来的研究应重点关注风速-粒径分布的动态响应机制，跃移通量与粉尘释放的耦合关系，不同下垫面（沙漠、戈壁、干涸湖盆、退化草地和农田）粉尘释放的对比建模等。同时应加强多源遥感数据同化和过程模型优化，以提升沙尘天气的预测能力，为评估戈壁粉尘的气候环境效应提供科学依据。
4 结论
戈壁地表粉尘释放的连续观测表明，PM15和PM2.5释放通量分别与摩阻风速呈2次幂和4次幂函数关系，与输沙率线性正相关，粉尘释放效率随摩阻风速增大而呈降低趋势。随摩阻风速和输沙率的增大，PM2.5在总粉尘释放通量中的占比呈对数律增大而PM10-15占比减小，表明跃移颗粒的击溅碰撞主要导致较细粉尘组分的增多。戈壁区斑块状分布的流动沙源对戈壁粉尘释放和输移具有重要影响。地表未起沙情形下，戈壁表面粉尘水平通量主要受上风向流沙斑块吹扬释放粉尘的影响，粉尘释放通量与摩阻风速接近线性关系，与湍流强度显著正相关。地表风蚀起沙情形下，戈壁表面的粉尘既有来自流沙区的扬尘输送，也有风沙流击溅磨蚀产生的粉尘释放，且以后者为主。上风向无流动沙源分布时，戈壁粉尘释放主要受风速和表层沉积物中粉尘颗粒含量的控制。上述结果体现了戈壁地表粉尘释放的复杂性。
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