Analysis of Near-Surface Atmospheric Turbulence and Its Intermittency in the Hinterland of the Gurbantunggut Desert in Winter

技術要約：冬期におけるグルントゥンガット砂漠後背地における近地表大気乱流とその間欠性の解析

問題提起
安定境界層（SBL）は、垂直混合の抑制、弱い乱流強度、および顕著な間欠性を特徴とする複雑なレジームであり、観測やパラメータ化が困難である。モニン・オブホフの類似理論は定常条件下では良好に機能するが、乱流が空間的に不均一で時間的に間欠的となる強安定層流下では、しばしば破綻する。このようなレジームでは、短時間の「乱流バースト」が瞬時的な交換プロセスを支配する場合があるが、その寄与は従来の30分間平均フラックスによって隠されてしまうことが多い。さらに、積雪に覆われた砂漠表面は、高いアルベド、低い粗度、および持続的な安定層流を組み合わせた独特の環境を提示しており、連続的な乱流が抑制される条件下で、間欠的なバーストの相対的な役割が特異なものとなる可能性がある。陸域・大気相互作用および数値モデリングへの重要性にもかかわらず、冬季の積雪砂漠におけるバースト特性と熱交換への寄与に関する観測研究は依然として限られている。

手法
本研究では、2023年12月1日から2024年2月29日までの期間に、中国・新疆ウイグル自治区のグルントゥンガット砂漠後背地にあるカラミリ陸域・大気相互作用観測ステーション（KLML）で収集された高頻度観測データを利用した。データセットは以下で構成される：

• 勾配塔観測： 気象学的背景を特徴付け、独立した安定性の指標として勾配リチャードソン数（$Ri_g$）を算出するため、複数の高度（0.5–32 m）における32mタワーデータ（風、温度、湿度）を使用。
• 渦共分散（EC）観測： ソニックスケールのアネモメータを用いた、3次元風およびソニック温度の10m高度における高頻度（20 Hz）測定。
• データ処理：
  • 安定性分類： $Ri_g$に基づき、不安定（$Ri_g < 0$）、弱安定（$0 \le Ri_g < 0.1$）、遷移的安定（$0.1 \le Ri_g < 0.25$）、および強安定（$Ri_g \ge 0.25$）の4つのレジームに分類。
  • バースト検出： 20 Hzデータから導出された瞬時乱流運動エネルギー（TKE）に対し、5秒間の移動窓を適用。平滑化されたTKEが局所的な平均値 ＋ 2標準偏差（$\mu + 2\sigma$）を超えた期間をバーストとして特定。
  • 熱交換指標： 「バースト時間割合」（$B_f$）、「絶対熱交換へのバースト寄与」（$C_{abs}$）、および「非バーストに対するバースト交換強度比」（$R_{abs}$）を定量化。
    医 スペクトル解析： 風成分の正規化前乗算パワースペクトルを分析し、安定性レジーム全体にわたるスケール依存的な乱流特性を検討。

主な貢献と結果
3,944個の有効な30分間記録および4,322個の一意な30分間セグメントの分析により、以下の知見が得られた：

1. 環境コンテキストと乱流統計：

   • 冬季の環境は、低温（平均2m気温 $\approx -15.8^\circ$C）、弱風（平均10m風速 $\approx 0.72$ m/s）、および高い表面アルベド（$\approx 0.71$）によって支配されていた。
   • 強安定条件（$Ri_g \ge 0.25$）は全記録の46.3%を占め、安定条件を合わせると72.7%に達した。
   • 摩擦速度（$u_*$）は安定性の増加とともに単調に減少した。対照的に、TKEは単調には減少せず、中央値のTKEは強安定下で低かったものの、分布は広範であり、エネルギーの高い乱流イベントが発生していることを示していた。
   • 感熱フラックス（$H$）は強い日変化と安定性依存性を示し、強安定下では右に歪んだ分布となり、少数の激しいイベントが平均フラックスを押し上げていることが示唆された。

2. スペクトル特性：

   • 正規化前乗算スペクトルは、低周波数領域と主要な乱流領域の間に浅いスケール遷移の陥没を示した。
   • 強安定下では、低周波数領域でスペクトルレベルが上昇（サブメソスケールまたは非定常運動の相対的な増加を示す）したが、主要な乱流および高周波数領域では抑制されていた。
   • この抑制は鉛直速度成分（$w$）において最も顕著であり、強安定が水平運動よりも高周波の鉛直変動をより厳しく制約し、水平・鉛直の不均一性を高めていることを示している。

3. 間欠性とバースト特性：

   • 発生： 乱流バーストは短時間であり、各30分間セグメントの平均5.15%（中央値5.12%）を占めた。バースト割合は安定性による系統的な変化をほとんど示さなかった。
   • 熱交換効率： 短い持続時間であるにもかかわらず、バーストは非常に効率的であった。バースト期間中の平均絶対運動学的熱交換強度は、非バースト期間の2.58倍であった。
   • 安定性依存性： バーストの持続時間は安定性レジミズムによらず比較的一定であったが、バーストの「相対的な重要性」は安定性が増すにつれて高まった。安定性が増すと、全絶対熱交換に対するバーストの寄与（$C_{abs}$）およびバースト対非バーストの強度比（$R_{abs}$）の両方が増加した。強安定条件下では、バラストは時間のわずか約5%しか占めていないにもかかわらず、全絶対熱交換の約10%に寄与していた。
   • 時間構造： 代表的な事例分析によれば、弱安定下ではバーストは連続的な乱流の中に埋め込まれていた。強安定下では、バーストは低乱流状態の長い間隔によって隔てられた、孤立した短いパルスとして現れた。

4. 力学的駆動要因：

   • 代表的な強安定イベントの分析により、乱流の強化が近地表風の増加、2–10 mのベクトル風のシアーの強化、および顕著な熱フラックスの変動と一致していることが示された。一方で、安定な熱成層は持続していた。これは、強化された局所的な機械的シアーが、バースト発生に適した力学的背景を提供している可能性を示唆しているが、単一事例の分析では決定的なトリガーメカニズムまでは確認されなかった。

意義
本論文は、積雪砂漠における冬季の近地表交換は、連続的な背景乱流のみによって維持されるのではないと主張している。短時間の乱流バーストが、特に安定層流下で背景乱流が弱い場合に、非定常な運動学的熱交換に対して不釣り合いに大きな寄与を果たしている。本研究は、安定性の増加が背景の交換を抑制する一方で、間欠的なバーストの相対的な効率と寄与を高めることを明らかにしている。これらの知見は、乾燥地域における冬季の陸域・大気相互作用の研究およびパラメータ化において、乱流の間欠性とスケール依存の輸送を表現することの重要性を示す観測的証拠を提供する。本結果は、強安定かつ積雪した砂漠環境において、従来の30分間平均フラックスが実際の瞬時的な交換プロセスを覆い隠している可能性を示唆している。