兰州市沙尘和非沙尘天气降尘的粒度特征比较_李玉霖

文章编号:1000-694X (2006)04-0644-04
兰州市沙尘和非沙尘天气降尘的粒度特征比较
收稿日期:2005-12-06;改回日期:2006-03-20 基金项目:兰州市科技计划项目(03-2-21);国家自然科学基金(40201010);国家科技攻关计划项目“兰州市郊黄土丘陵雨养生态系统建
植技术研究”(2004BA 901A 15)资助
作者简介:李玉霖(1970—),男(汉族),甘肃靖远人,博士,副研究员,主要从事干旱区环境研究工作。

E -mail :lyulin @
李玉霖,拓万全,崔建垣
(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州　730000)
摘　要:选择兰州市典型沙尘天气和非沙尘天气收集两类降尘,并对其进行粒度测定。

结果表明:两种类型降尘粒度特征差别明显。

总体上看沙尘天气和非沙尘天气降尘都以粉砂为主,但沙尘天气降尘粒度比非沙尘天气降尘偏粗,分选更差。

非沙尘天气降尘粒度频率曲线呈双峰态分布。

而沙尘天气降尘则呈单峰正偏态分布特征,说明沙尘天气沉降物来源比较单一。

沙尘天气和非沙尘天气降尘的粒度分布曲线与兰州黄土的十分相似,说明现代降尘是地质时代风尘活动的继续,现代风积作用仍在进行。

而它们粒度参数之间的差异可能与降尘堆积物的粘土化过程有关。

关键词:粒度特征;沙尘天气;非沙尘天气;降尘中图分类号:X 513
文献标识码:A
降尘是小颗粒物质相互碰撞或其与风致扬尘碰撞形成的、不能悬浮在空中而自然降落到地面的大颗粒物质。

降尘在一定程度上指示着大气污染的程度。

降尘是大气粉尘沉积物,粉尘在地面上的沉降能力不仅取决于自身重量及粒度大小,同时也受风力、降水、沙尘天气等气象因素和地形等条件的影响。

沙尘事件能够加快大气粉尘的尘降速度,同时由于沙尘天气强风的搬运作用直接改变了自然降尘的沉积特征
[1～5]。

兰州市位于黄河逆温河谷,地处河西走廊的东南面,是河西沙尘暴东移的必经之道,加之地处相对高差约500～600m 的黄河河谷盆地,形成特有的盆地气候———风小且大气层结稳定,便成为河西沙尘暴的重要沉降区和污染区。

近年来,有关兰州城区大气污染状况、自然尘降过程及沙尘天气降尘过程进行了许多研究工作
[6～12]
,但对沙尘天气和非沙尘
天气降尘的粒度特征的比较未见报道。

本文选择兰州市典型沙尘天气和非沙尘天气,收集大气降尘,分别对沙尘和非沙尘天气的降尘进行粒度分析,探讨两种降尘机制的沉积特征。

1　研究方法
1.1　样品采集
沿兰州市市区从西向东分别在西固区兰炼什
子、七里河区小西湖和城关区盘旋路附近设置采样点,采样点均在距离地面20～25m 的楼顶,周围100m 范围内没有高层建筑。

采样器为高30cm ,直径15cm 的柱形玻璃降尘缸。

取样时用蒸馏水多次冲洗采样器内沉积的降尘,将每次冲洗后的混浊液体装入塑料桶中,如此反复数次,直至冲净为止.随后在实验室中40℃烘干,称重。

自然降尘采集避开大风、扬沙、浮尘及沙尘暴等天气,即非沙尘天气降尘;沙尘天气降尘在沙尘暴、扬沙、浮尘等天气现象发生时采集,沙尘天气开始前将降尘缸清理干净,沙尘天气结束后收集降尘缸内的样品,即沙尘天气降尘。

兰州黄土样品是在兰州周边山上采集的地表土壤样品。

沙尘天气降尘和非沙尘天气降尘的采集时间见表1。

表1　2004年沙尘天气与非沙尘天气降尘采样期天气状况Tab.1　C limatic condition during dustfall sampling under
dust event and non -dust event at Lanzhou in 2004
日期平均风速
/(m s -1)最大风速
/(m s -1)风向主要天气现象2004-03-09 1.07.0NE 尘暴、扬沙03-210.5 2.0E 浮尘05-270.5 6.0NNE 扬沙06-19
1.58.7NNE 扬沙01-23～26 1.8—W 晴04-17～20
2.2—S WW 晴06-07～11
1.3
—
EES
晴
第26卷　第4期2006年7月 中　国　沙　漠JO U RN A L O F D ESERT RESEA RCH
V ol.26　No.4
Jul.2006
1.2　样品分析
沉降物粒度分析采用英国M alvern 公司生产的Mastersize2000激光粒度分析仪完成,粒度测量范
围0.02～2000μm 。

2　结果分析
2.1　非沙尘天气降尘的粒度特征
兰州自然沉降物以粉砂(4～63μm )为主(表
2),占81.17%,其中粗粉砂(16～63μm )及细粉砂
(4～16μm )分别占19.03%及62.14%;其次为粘土组分(<4μm ),占15.92%。

较粗的砂粒组分(>63μm )占2.91%,其中细砂(63～250μm )占2.07%,中砂(250～500μm )占0.85%,分析中没有测到粗砂组分(500～1000μm )。

根据“砂粒组粉砂组粘粒组”三因分类法三角图解[13],该沉降物可命名为粉质亚粘土。

从非沙尘天气沉降物粒度分布特征的频率曲线(图1)可以看到,粒度分布曲线由众数值向粗粒径
表2　2004兰州沙尘天气和非沙尘天气降尘的主要粒度参数
Tab.2　Main grain size parameters of dustfall samples under dust and non -dust weather at Lanzhou in 2004
降尘众数
/μm 中值
/μm 均值
/μm >63μm
<4Ф63～31.3μm 4～5Ф31.5～15.7μm 5～6Ф15.7～7.8μm 6～7Ф7.8～3.8μm 7～8Ф 3.9～2.0μm 8～9Ф<2.0μm >9Ф非沙尘天气降尘25.623.6624.83 2.91% 3.43%15.6%39.1%35.06% 2.56% 1.41%沙尘天气降尘
36.28
30.25
29.34
0.03%
6.79%
45.7%
23.8%
9.6%
7.61%
6.42%
一侧变化比较迅速,而向细粒径一侧变化相对平缓,
说明兰州市自然降尘中粗颗粒物质含量较少,而细颗粒物质占一定比例。

近似对称型的“S ”型累积频率曲线(图2)与粒度分布特征的频率曲线所反映的特征基本一致,沉降物概率累积曲线在砂粒组份段变化平缓,没有明显的跳跃,同样反映了非沙尘天气沉降物中粗颗粒物质含量少的特征。

此外沉降物粒度曲线呈明显的双峰态分布特征(图1):15.7～7.8μm 粒级的细粉砂组份形成了第一主峰,7.9～4μm 粒级的极细粉砂组份形成了第二主峰。

自然沉降物的双峰态分布特征在以前的研究中也有报道[6,14～16]。

经过分析,我们认为兰州自然降尘粒度的双峰分布首先可能显示地方性的和远程搬运的粉尘混合物特性,其次由于样品是不同季节非沙尘天气降尘的混合物,
不同季节的风速及空气湿度等存
图1　兰州沙尘天气和非沙尘天气降尘粒度频率分布Fig.1　Pa rticle size distributio n o f dustfall under dust
and no n -dust weather in Lanzhou
在一定差异,这些差异必然影响自然降尘的过程及特征,不同时期采集的样品粒度特征可能不同,因此呈现双峰态分布特征。

图2　兰州沙尘天气和非沙尘天气降尘粒度累积频率分布F ig.2　Cumula tive particle size distribution of dustfall
unde r dust and non -dust wea ther in Lanzho u
根据降尘的粒度和垂直分布之间的关系,一种认为地面以上6～10km 对流层的粒度范围是1～100μm ,其中以粒径在1～50μm 的尘为主。

而高度大于10km 处的同温层,尘粒以粒径小于1μm 的悬浮粒子占主导地位
[17,18]。

因此可以认为兰州非沙
尘天气沉降物与在对流层移动的悬浮物质基本一致。

2.2　沙尘天气降尘的粒度特征
与非沙尘天气沉降物类似,兰州沙尘天气沉降物同样以粉砂为主(表2),占86.0%,其中粗粉砂及细粉砂分别占52.5%及33.4%;粘土组分占
645
　4期李玉霖等:兰州市沙尘和非沙尘天气降尘的粒度特征比较
14.0%。

较粗的砂粒组分仅占0.03%。

根据“砂粒组—粉砂组—粘粒组”三因分类法三角图解[17],沙尘天气沉降物同样可命名为粉质亚粘土。

与非沙尘天气沉降物相比,虽然粉砂含量接近,但粗粉砂和细粉砂的比例发生了很大变化,沙尘天气沉降物中的粗粉砂含量远远大于非沙尘天气沉降物,相反,细粉砂的比例相对与非沙尘天气沉降物大幅下降。

从沙尘天气沉降物粒度分布特征的频率曲线(图1)可以看到,这是一条头短而尾细长的单峰正偏曲线,直观反映了沉积物来源单一的特点。

与非沙尘天气降尘粒度分布曲线相似,曲线由众数值向粗粒径一侧变化比较迅速,而向细粒径一侧变化相对平缓。

这与细粒尾较长的“S ”型累积频率曲线(图1)所反映的特征是一致的,说明兰州市沙尘天气降尘中粗颗粒物质含量较少,而细颗粒物质占一定比例。

从中还可以看出,作为主要组分的粗粉砂,沉积物的粒度分布更集中在16～30μm 之间。

研究表明
[17]
,粗砂粒和细砂不能在空气中长途
悬浮搬运,而粉砂颗粒是易浮动、易分散的,为沙尘的基本粒组,可被带入1500m 以上的高空,作较长距离的搬运;粘粒可悬浮于对流层中被搬运到几千
千米以外。

兰州沙尘天气沉降物中粗粉砂比例远大
于非沙尘天气沉降物的原因可能就是强风远距离搬运的结果。

2.3　沙尘天气、非沙尘天气降尘粒度参数比较
结果表明(表2,表3),非沙尘天气沉降物的平均粒径为6.5Ф,众数为6.28Ф,偏度SK 为0.176,介于0.10～0.30之间,属正偏态,峰度K u 为1.30,介于1.11～1.56之间,属尖窄峰态类型。

SD 为1.26,介于1.0～2.0之间,说明非沙尘天气沉降物分选差,分选系数为1.26,明显大于1,同样说明非沙尘天气沉降物分选差。

虽然沙尘天气沉降物和非沙尘天气沉降物的粒度特征有一定的差异,但它们的部分粒度参数比较接近。

沙尘天气沉降物的平均粒径为6.08Ф,众数为5.53Ф,偏度SK 为0.45,属正偏态曲线类型;SD 为1.28,介于1.0～2.0之间,说明沙尘天气沉降物分选差;峰度SK 为0.176,介于0.10～0.30之间,属正偏态,峰度Ku 为1.30,介于1.11～1.56之间,属尖窄峰态类型。

总体来看,沙尘天气沉降物比非沙尘天气降尘偏粗,分选更差,这也正是它在搬运过程中不稳定的大气动力环境的反映。

表3　2004兰州沙尘天气、非沙尘天气降尘与黄土粒度参数比较
Tab.3　C omparison of rain size param eters of dustfall under dust and non -dust weather with loess in Lanzhou
降尘众数/Ф均值/Ф分选系数偏态峰态标准离差粉粘比非沙尘天气降尘 6.28 6.5 1.260.176 1.30 1.26 2.04沙尘天气降尘
5.53
6.08 1.290.45 1.17 1.28 3.73黄土
4.43
5.71
2.00
0.30
1.04
1.18
1.72
2.4　沙尘天气、非沙尘天气降尘粒度特征与兰州黄
土粒度特征比较
沙尘天气和非沙尘天气降尘都可以表述为一种平均粒径6～6.5Ф之间,众数在5.5～6.5之间,正偏态且分选差的粉质亚粘土,这一粒度参数特征与典型黄土(分选差,偏度SK <l 及平均粒径>6Ф)完全可以对比,反映它们在成因上或沉积过程极为类似。

图3是兰州黄土土壤粒度分布特征的频率曲线和累积频率曲线。

可以看出,沙尘天气与非沙尘天气降尘粒度分布特征与兰州黄土土壤有一定相似性,这是现代降尘是地质时期风尘活动的继续又一佐证。

但两类粒度参数仍存在差别(表3),三类粉尘粒度以兰州黄土的最粗,次为沙尘天气降尘,最细的是非沙尘天气降尘。

各类粉尘分选都不好,兰州黄土和非沙尘天气降尘粒度曲线为双峰态,沙尘天
气降尘为单峰态。

粉粘比以沙尘天气降尘的最高,
图3　黄土土壤粒度频率分布及累积频率Fig.3　Par ticle size and cumulative par ticle
size distributio n o f lo ess
次为非沙尘天气降尘,兰州黄土的最小。

粉粘比值的大小与物源区粘粒的产出率及生物气候条件有关,一般认为粉粘比值大,反映气候干冷、地表植被差或生态环境退化,有利于干燥风化剥蚀和沙尘吹扬,而不利于粘土物质的生成,粉粘比值小,则相反。

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中　国　沙　漠 26卷　
兰州沙尘天气及非沙尘天气降尘的粉粘比均大于兰
州黄土,初步表明沉积物源于更为干燥的地区。

当然黄土堆积后通过粘土化作用会产生一定数量粘粒也可能是兰州黄土粉粘比低的原因之一[13,18,19]。

3　结论
(1)沙尘天气与非沙尘天气沉降物粒度特征存
在一定的差异,总体上沙尘天气降尘粒度比非沙尘天气降尘偏粗,分选更差。

(2)非沙尘天气降尘粒度频率曲线呈双峰态分布。

而沙尘天气降尘则呈单峰正偏态分布特征,说明沙尘天气沉降物来源比较单一。

(3)沙尘天气和非沙尘天气降尘粒度分布曲线与兰州黄土的十分相似,说明现代降尘是地质时代风尘活动的继续,现代风积作用仍在进行。

而他们粒度参数之间的差异可能主要与降尘堆积物的粘土化过程有关。

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Comparison of Particle Size between Aeolian Dusts Collected
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LI Yu -lin 牞TUO Wan -quan 牞CUI Jian -yuan
牗C o ld and Ar id Reg ions Environmenta l an d Eng ineering Research Institute 牞Ch inese Academy o f Sciences 牞Lanz hou 730000牞Ch ina 牘
A bstract 牶The dustfall samp les co llected under typical dust and non -dust weather were made particle size analysis in Lanzhou 牣The results s howed that there are many differences between twosamples 牣In general 牞twotypes o f dustfall are mainly co mpo sed of silt 牞b ut the dustfall collected under dust weather is poor s orting and m ore co urser than that under no n -dust weather 牣Frequency curve of aeo lian d usts un der d ust and no n -dust weather exhibit bim odal andposi -tively b iased distributio ns 牞respectively 牞which s howed that the so urce of aeolian dust under dust weather was rela -tively single 牣The distrib utions of particles size o f two samp les are largely similar with that of Lanzho u loess 牞which
s hows that m o dern aeolian sedim entary pro cess co ntinues from geological histo ry an d m o dern d ust accum ulation has in -generated relatio nship with the ancient s ed im ent 牞ho wever 牞the differences o f grain size param eters between aeolian dusts un der dust an d non -d ust weather and Lanzh ou lo ess are pro bably in relatio n with argillation p ro cess of aeolian d ust 牣Key words 牶particle size 牷d ust weather 牷non -dust weather 牷d ustfall
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