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

本研究分析了库布齐沙漠的冬季湍流现象，揭示了尽管强稳定的层结化主导着环境并抑制了整体湍流，但间歇性的爆发事件仍是显著增强运动学热交换的关键机制，尽管其持续时间较短。

原作者： Yongjie Chen, Minzhong Wang, Yuhui Yang, Congzhen Zhu, Haoran Si, Rongyi Chen, Ali Mamtimin, Jiantao Zhang

发布于 2026-10-15

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原作者： Yongjie Chen, Minzhong Wang, Yuhui Yang, Congzhen Zhu, Haoran Si, Rongyi Chen, Ali Mamtimin, Jiantao Zhang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在冬日的寂静时刻，近地面的空气表现出的行为往往违背了我们的日常直觉。当太阳落下、大地冷却时，大气层可能会进入一种平静稳定的状态，即较暖的空气位于较冷空气之上，像一个盖子一样抑制了我们通常与风联系在一起的混乱翻腾。这被称为稳定边界层。在这种条件下，空气并不会平滑地混合；相反，它容易产生突然、短暂的运动爆发，这些爆发会搅动空气片刻，然后随即消失。理解这些转瞬即逝的时刻至关重要，因为它们是决定寒冷、静止夜晚期间热量、水分和污染物如何在地面与天空之间移动的重要因素。如果科学家无法解释这些短促的激增，他们的天气和气候模型可能会忽略交换过程中的重要方面，特别是在地面被积雪覆盖且风力微弱的地方。

最近，一支研究小组将注意力转向中国西北部的古尔班通格特沙漠，以调查这种无形的、间歇性的混合在冬季究竟是如何运作的。与夏季酷热干燥的沙丘不同，这片沙漠在寒冷季节通常被白雪覆盖。积雪像一面明亮的反射盾牌，在白天将阳光反射出去，而平滑的表面和晴朗的夜晚则使地面能够迅速散热，从而在地面上方形成一层非常寒冷且稳定的空气层。为了研究这一点，该团队搭建了一座配备了灵敏仪器的观测塔，用于测量不同高度的风速、温度和空气湍流。他们还使用了一种专门的系统，以每秒数千次的频率记录风和温度，从而能够观察到标准气象站会错过的微小、快速的波动。在从2023年12月到2024年2月的三个月时间里，他们收集了数千份半小时记录，以拼凑出这一冰封沙漠景观中的景象。

数据揭示了一个充满对比的世界。在绝大部分时间内，近地面空气确实非常静止，风力微弱，大气具有保持稳定且不动的强烈倾向。事实上，近一半的记录时段被归类为强稳定状态，这意味着空气层理化结构如此分明，以至于自然地抵抗混合。在这种条件下，地面与空气之间通常的、稳定的热量交换几乎完全停止了。然而，研究人员发现，故事并未就此结束。在这些漫长的平静时期中，隐藏着短促、剧烈的湍流爆发。这些事件非常短暂，仅占任何给定半小时窗口的约5%。然而，尽管它们转瞬即逝，却异常强大。当这些爆发发生时，空气与地面之间的热交换速率比其间安静时段强了两倍多。

研究表明，这些爆发的强度并不取决于持续时间的长短，而是取决于大气的稳定性。随着空气变得更加稳定且背景风力减弱，爆发并不一定会持续得更久，但它们在移动热量方面变得显著更加高效。在最稳定的条件下，空气突然翻腾的一小部分时间就能贡献于整个半小时内惊人的总热量传递量。研究人员观察到，这些爆发通常与风速的突然局部增加以及垂直风切变（即不同高度的风以不同速度运动）相吻合，后者产生了一种机械力，短暂地克服了稳定且寒冷的空气。虽然团队指出，增强的局部机械切变可能为这些事件提供了有利的动力学背景，但来自单一案例的证据并不足以让他们确认特定的触发机制或直接的因果关系。

这项发现之所以特别重要，是因为其独特的环境设定。在许多其他环境中，如森林或城市，地面本身是粗糙且不平整的，会不断产生湍流。而在古尔班通格特沙漠中，积雪平滑了表面，寒冷的空气抑制了运动，创造了一个背景湍流异常微弱的情景。在这种安静的环境中，偶尔出现的爆发显得尤为引人注目。研究人员发现，空气的混合并非以一种稳定、可预测的方式进行，而是由长期的、静止的停顿和剧烈的、短促的活动交替组成。这种模式挑战了热交换是一个连续过程的传统观点。相反，它表明在冬季沙漠中，大气依靠这些罕见的、充满能量的时刻来完成热量移动的重任。

这些发现的影响超出了沙漠本身。通过了解这些极端稳定条件下的湍流行为，科学家可以改进用于预测天气和气候的计算机模型。这些模型通常难以表现夜间（特别是在雪面上方）空气运动那种复杂、断断续续的特性。该研究提供了确凿的证据，证明这些短促的爆发是不可平稳热交换的重要贡献者，这表明如果忽略它们，可能会导致对实际热量在陆地与天空之间移动程度的理解是不完整的。研究人员得出结论，为了准确描述干旱地区的冬季天气，我们必须考虑到大气并不总是像一条平滑流动的河流，而是一个偶尔会伴随突然、强力震荡而“苏醒”的系统。这些短暂的混沌时刻不仅仅是数据中的噪声；它们是一种至关重要的机制，帮助维持冬季大气与地面的联系。

技术摘要：关于冬令时期古尔班通古特沙漠腹地近地表大气湍流及其间歇性的分析

问题陈述
稳定边界层（SBL）是一个复杂的机制，其特征是垂直混合受抑制、湍流强度弱且间歇性显著，这使得观测和参数化变得十分困难。虽然 Monin–Obukhov 相似理论在平稳条件下表现良好，但在强稳定层结下往往会失效，因为此时的湍流具有空间异质性和时间间歇性。在这些机制中，短暂的“湍流脉动”（turbulent bursts）可能主导瞬时交换过程，然而其对热量输送的贡献往往被传统的 30 分钟平均通量所掩盖。此外，被积雪覆盖的沙漠表面呈现出一种独特的环境，结合了高反照率、低粗糙度和持续的稳定层结，在这种条件下，连续性湍流受到抑制，而间歇性脉动的相对作用可能与众不同。尽管这些过程对于陆气相互作用和数值模拟至关重要，但关于积雪沙漠冬季脉动特征及其热交换贡献的观测研究仍然有限。

研究方法
本研究利用了采集自中国新疆克拉玛依陆气相互作用观测站（KLML）的高频观测数据，观测时间为 2023 年 12 月 1 日至 20 24 年 2 月 29 日，地点位于古尔班通古特沙漠腹地。数据集包括：

梯度塔观测： 32 米高度塔的多层（0.5–32 米）风速、温度、湿度数据，用于表征气象背景并计算作为独立稳定性指标的梯度 Richardson 数（ $Ri_g$ ）。
涡度协方差（EC）观测： 利用声学风速仪进行的 10 米高度三维风速和声学温度的高频（20 Hz）测量。
数据处理：
- 稳定性分类： 根据 $Ri_g$ 将样本分为四种机制：不稳定（ $Ri_g < 0$ ）、弱稳定（ $0 \le Ri_g < 0.1$ ）、过渡稳定（ $0.1 \le Ri_g < 0.25$ ）和强稳定（ $Ri_g \ge 0.25$ ）。
- 脉动检测： 对基于 20 Hz 数据计算出的瞬时湍动能（TKE）应用 5 秒移动窗口。当平滑后的 TKE 超过局部平均值加两个标准差（ $\mu + 2\sigma$ ）时，将其识别为脉动。
- 热交换指标： 研究量化了“脉动时间占比”（ $B_f$ ）、“脉动对绝对热交换的贡献”（ $C_{abs}$ ）以及“脉动与非脉动交换强度比”（ $R_{abs}$ ）。
- 谱分析： 分析了风分量的归一化预乘功率谱，以研究不同稳定性机制下的尺度相关湍流特性。

主要贡献与结果
通过对 3,944 条有效的半小时记录和 4,322 个唯一的 30 分钟片段进行分析，得出以下发现：

环境背景与湍流统计：
- 冬季环境以低温（平均 2 米气温 $\approx -15.8^\circ$ C）、弱风（平均 10 米风速 $\approx 0.72$ m/s）和高地表反照率（ $\approx 0.71$ ）为特征。
- 强稳定条件（ $Ri_g \ge 0.25$ ）占总记录的 46.3%，稳定条件总体占比为 72.7%。
- 摩擦速度（ $u_*$ ）随稳定性增加而单调递减。相比之下，湍动能（TKE）并未单调递减；虽然在中等强度稳定性下中值 TKE 较低，但其分布依然较宽，表明仍存在高能湍流事件。
- 感热通量（ $H$ ）表现出显著的日变化和稳定性依赖性，在强稳定条件下呈右偏分布，这表明少数强烈的事件提升了平均通量。
谱特性：
- 归一化预乘谱显示，在低频和主湍流范围之间存在一个浅层的尺度转换凹陷。
- 在强稳定条件下，谱水平在低频处升高（表明亚中尺度或非平稳运动相对增加），但在主湍流和高频范围内受到抑制。
- 这种抑制在垂直速度分量（ $w$ ）上最为显著，表明强稳定对高频垂直波动的约束比对水平运动的约束更为严重，从而增强了水平-垂直的异质性。
间歇性与脉动特征：
- 发生频率： 湍流脉动是短促的，在每个 30 分钟片段中平均占据 5.15%（中位数为 5.12%）的时间。脉动比例随稳定性变化不大。
- 热交换效率： 尽管持续时间短，但脉动具有极高的效率。脉动期间的平均绝对运动热交换强度是非脉动期间的 2.58 倍。
- 稳定性依赖性： 虽然脉动持续时间在不同稳定性机制下保持相对恒定，但其相对重要性随稳定性增加而提高。随着稳定性增加，脉动对总绝对热交换的贡献（ $C_{abs}$ ）以及脉动与非脉动强度比（ $R_{abs}$ ）均有所上升。在强稳定条件下，尽管脉动仅占据约 5% 的时间，但其对总绝对热交换的贡献接近 10%。
- 时间结构： 代表性案例显示，在弱稳定条件下，脉动嵌入在连续湍流之中；而在强稳定条件下，脉动表现为被长时间低湍流间隔分隔的孤立、短促的脉冲。
动力驱动因素：
- 对一次代表性的强稳定事件的分析表明，湍流增强与近地表风速增加、2–10 米矢量风切变增强以及显著的热通量波动相吻随，同时热力层结保持稳定。这表明增强的局部机械剪切可能为脉动的发生提供了有利的动力背景，尽管单案例分析未能确认明确的触发机制。

意义
本文认为，冬季积雪沙漠的近地表交换并非完全由连续的背景湍流维持。相反，短促的湍流脉动为非平稳运动热交换提供了不成比例的贡献，尤其是在背景湍流因稳定层结而微弱时。研究强调，增加的稳定性在抑制背景交换的同时，也增强了间歇性脉动的相对效率和贡献。这些发现为在研究和参数化冬季干旱地区陆气相互作用时，如何表征湍流间歇性和尺度相关输送提供了观测证据。研究结果表明，传统的 30 分钟平均通量可能会掩盖强稳定、积雪沙漠环境下真实的瞬时交换过程。

技术摘要：关于冬令时期古尔班通古特沙漠腹地近地表大气湍流及其间歇性的分析

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