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北京地区非均匀湍流对沙尘垂直扩散的作用机理研究

沙尘通量；湍流间歇性；湍流输送规律；象限分析

湍流对沙尘暴天气过程中沙尘气溶胶在垂直方向的扩散有重要作用。本研究利用2021年03月15日我国北方强沙尘暴天气过程期间北京325米气象塔和北京大学大气科学与大气环境实验站大气湍流和大气环境观测资料，基于沙尘气溶胶质量浓度脉动测量系统，计算沙尘通量，分析湍流间歇特征及其对动量、热量和沙尘输送的差异，给出湍流间歇时空演变情况，探究其对沙尘垂直输送的作用机理。结果表明：2021年3月15日05时，沙尘气溶胶气团前缘到达北京上空1000-1500 m位置，06时位于300-800 m，此时低层大气湍流运动存在间歇现象，不同高度之间沙尘气溶胶的垂直交换受阻，低层的沙尘浓度未出现明显增加；07时，随着锋后冷气团到达，低层风速迅速增加，恢复湍流运动状态，上层的沙尘粒子向下混合，沙尘通量高达-376.069μg/m²/s，导致140和280 m高度的沙尘浓度快速增加，08时达到峰值，分别为11959.4μg/m³和10114.9μg/m³。沙尘气团过境后，低层沙尘气溶胶在湍流运动作用下向上层扩散，浓度逐渐降低。相比于动量、热量的湍流输送，沙尘输送受沙尘源汇分布和湍流相干结构的影响较大，即：当存在强烈的沙尘源，且湍流相干结构存在反斜坡结构时，沙尘浓度脉动方差谱在惯性副区服从-2/3幂次律，湍流对沙尘的顺梯度输送明显强于逆梯度输送，湍流输送效率较高，动量、热量和沙尘的湍流输送规律相似；当沙尘源强较弱，且湍流相干结构为斜坡结构时，沙尘浓度脉动方差谱在惯性副区偏离-2/3幂次律，导致湍流对沙尘的逆梯度输送作用增强，湍流输送效率低，动量、热量和沙尘的湍流输送存在差异。湍流间歇性对沙尘暴天气过程沙尘气溶胶的垂直扩散有重要作用，导致低层大气沙尘气溶胶浓度迅速增加。该结果有利于深入理解沙尘输运规律和改进沙尘湍流扩散参数化方案。