[论文解读] Field measurements demonstrate distinct initiation and cessation thresholds governing aeolian sediment transport flux

Raleigh L. Martin, Jasper F. Kok|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2016

Aeolian processes and effects参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究基于三个站点的高频率测量，首次提供了控制风成跃移的独立流体阈值和撞击阈值的实地估算。结果表明，尽管流体阈值控制跃移的启动，但在持续输运条件下，撞击阈值主导了通量预测，且时间平均通量主要受撞击阈值控制。

ABSTRACT

Wind-blown sand and dust models depend sensitively on the threshold wind stress. However, laboratory and numerical experiments suggest the coexistence of distinct "fluid" and "impact" thresholds for the initiation and cessation of aeolian saltation, respectively. Because aeolian transport models typically use only the fluid threshold, existence of a separate lower impact threshold complicates the prediction of wind-driven transport. Here, we derive the first field-based estimates of distinct fluid and impact thresholds from high-frequency saltation measurements at three field sites. Our measurements show that, when saltation is mostly inactive, its instantaneous occurrence is governed primarily by wind exceedance of the fluid threshold. As saltation activity increases, so too does the relative importance of the impact threshold, until it dominates under near-continuous transport conditions. Although both thresholds are thus important for high-frequency saltation prediction, we find that the time-averaged saltation flux is primarily governed by impact threshold.

研究动机与目标

• 利用实地数据量化不同启动与停止阈值在风成沉积物输运中的作用。
• 解决实验室获得的阈值与真实世界输运动力学之间的差异。
• 确定在自然条件下，流体阈值或撞击阈值中哪一个对时间平均跃移通量具有最强控制作用。
• 通过整合两种阈值类型，提高风成输运模型的预测准确性。

提出的方法

• 在三个风力和沉积物条件各异的实地站点收集了高频率跃移测量数据。
• 持续监测风应力，以识别其何时超过跃移启动的流体阈值。
• 分析跃移活动以检测从活跃到非活跃状态的转变，从而确定停止的撞击阈值。
• 通过统计分析将风应力超过阈值与跃移发生及通量关联，区分启动与停止动力学。
• 将时间平均跃移通量与两种阈值相关联，以确定其相对影响。
• 将实地获得的阈值数值与实验室及模型估算的值进行比较，以验证实地观测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自然环境中，流体阈值与撞击阈值对风成跃移启动与停止的相对影响是什么？
• RQ2 流体阈值与撞击阈值在控制瞬时通量与时间平均通量方面有何差异？
• RQ3 在接近连续输运条件下，撞击阈值在通量预测中占据主导地位的程度如何？
• RQ4 实地获得的阈值是否与实验室或模型估算的阈值风应力一致？

主要发现

• 流体阈值控制跃移的开始，跃移活动主要在风应力超过该值时触发。
• 随着跃移活动增强，撞击阈值在决定停止行为方面变得日益主导。
• 在接近连续输运条件下，撞击阈值对时间平均跃移通量起主要控制作用。
• 实地估算证实了流体与撞击阈值的独立存在，验证了理论与实验室预测。
• 撞击阈值始终低于流体阈值，表明跃移动力学存在滞后效应。
• 时间平均跃移通量的最佳预测应基于撞击阈值，而非流体阈值，这挑战了传统建模方法。