[论文解读] Equal Susceptibility and Size-selective Mobility in Aeolian Saltation

Raleigh L. Martin, Jasper F. Kok|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2017

Aeolian processes and effects参考文献 34被引用 2

一句话总结

本研究挑战了混合粒径风成床体可视为非相互作用单一阵粒径系统的普遍假设。通过在三个地点的野外测量，发现所有沙粒粒径范围在单一临界风剪切应力下表现出对跃移的同等敏感性，而活动性则具有强烈的粒径选择性——在粒径为床面中值直径0.4–0.8倍时达到峰值，并在此范围以上急剧下降。这些发现表明，现有模型过度简化了跃移动力学，若改用单一代表性颗粒粒径而非将混合床体视为独立粒径类别，可显著提升模型性能。

ABSTRACT

Natural wind-eroded soils generally contain a mixture of particle sizes. However, models for aeolian saltation are typically derived for sediment bed surfaces containing only a single particle size. To treat natural mixed beds, models for saltation and associated dust aerosol emission have typically simplified aeolian transport either as a series of non-interacting single particle size beds or as a bed containing only the median or mean particle size. Here, we test these common assumptions underpinning aeolian transport models using measurements of size-resolved saltation fluxes at three natural field sites. We find that a wide range of sand size classes experience equal susceptibility to saltation at a single common threshold wind shear stress, contrary to the selective susceptibility expected for treatment of a mixed bed as multiple single particle size beds. Furthermore, we observe strong size-selectivity in the mobility of different particle sizes, which is not adequately accounted for in current models. At all field sites, mobility is enhanced for particles that are 0.4-0.8 times the median bed particle diameter, while mobility declines rapidly with increasing particle size above this range. We further observe that the most mobile particles also experience the largest saltation heights, which helps to explain variations in size-selective mobility. These observations refute the common simplification of saltation as a series of non-interacting single particle sizes. Sand transport and dust emission models that use this incorrect assumption can be both simplified and improved by instead using a single particle size representative of the mixed bed.

研究动机与目标

• 检验在跃移模型中将混合粒径风成床体简化为非相互作用单一阵粒径系统的有效性。
• 探究自然混合床体中不同粒径颗粒是否表现出对跃移的选择性敏感性。
• 量化跃移中的粒径选择性活动性，并评估其对输沙与粉尘排放模型的影响。
• 评估使用单一代表性粒径是否可相较于多粒径非相互作用假设，提升模型准确性。

提出的方法

• 在具有混合颗粒粒径分布的三个自然风蚀场地开展粒径分辨的跃移通量野外测量。
• 测量多个颗粒粒径类别在跃移启动时的临界风剪切应力，以评估敏感性。
• 通过比较跃移通量与颗粒粒径的关系，分析活动性趋势，重点关注颗粒直径与床面中值直径之比。
• 将颗粒活动性与观测到的跃移高度相关联，以解释粒径选择性输沙行为。
• 利用实测数据比较非相互作用单一阵粒径假设与统一代表性粒径方法的模型性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在混合风成床体中，不同粒径颗粒是否在单一临界风剪切应力下表现出对跃移的同等敏感性？
• RQ2 在自然混合粒径床体中，颗粒粒径如何影响跃移中的活动性？
• RQ3 跃移高度在不同粒径类别间与活动性相关联的程度如何？
• RQ4 假设非相互作用单一阵粒径床体的现有模型在混合粒径环境下的表现与实测野外数据相比如何？
• RQ5 使用单一代表性颗粒粒径能否准确捕捉混合床体中的跃移动力学，从而在简化模型的同时提升准确性？

主要发现

• 混合风成床体中所有粒径范围的颗粒在单一临界风剪切应力下表现出对跃移的同等敏感性，这与非相互作用单一阵粒径模型的预测相矛盾。
• 活动性具有强烈的粒径选择性，峰值活动性出现在粒径为床面中值直径0.4至0.8倍的颗粒中。
• 当粒径超过中值直径的0.8倍时，活动性迅速下降，表明存在显著的粒径依赖性输运效率。
• 最具活动性的颗粒也达到最高的跃移高度，这有助于解释观测到的粒径选择性活动性模式。
• 观测到的粒径选择性活动性与同等敏感性否定了跃移建模中非相互作用单一阵粒径系统的假设。
• 采用单一代表性颗粒粒径的模型在混合床体中可实现更简化且更准确的建模，相较于多粒径非相互作用假设具有优势。