以热力稳定边界层为显著特征的下降风是十分常见的自然现象，在南极冰盖、北极海冰、格陵兰冰原、山地冰川等环境中时有发生，因此，下降风中的地表-大气相互作用问题受到国内外学者的广泛关注，其中一个比较关心的问题是理解近地面湍流运动在动量、感热及水汽输运过程中的基本规律，从而提升相关地区的天气、气候及空气质量预测水平。为此，中国科学院大气物理研究所科研人员联合中国科学院青藏高原研究所、清华大学、西南大学，以及延世大学（韩国）等，对我国青藏高原东南部的山地冰川下降风开展深入研究，基于边界层湍流的常用分析技术研制了一种用于分析下降风中的湍流动量及标量输运的新方法。

在下降风湍流的分析方法上，我们近年来开展的研究工作解析了为象限分析技术所通用的双曲型象限洞与频谱分析技术中的傅里叶变换频率这两个物理参数之间的量化关系，由此成功架起了象限分析与频谱分析这两种通用分析技术之间的桥梁（图1），我们把研制的新方法进一步拓展到通用的卦限分析技术，解析了动量、感热及水汽输运过程中的八种不同结构对动量及标量通量非相似性的定量贡献，我们的研究为将来在物理上理解、把握热力稳定边界层中的动量及标量输运问题提供了必要的方法指导。此外，我们考察了湍流各向异性的型态变化如何影响动量、感热及水汽输运的相关性强弱，从独特的视角诠释了它们之间的非相似输运现象，实现了分析方法上的创新，由此成功给出了各向异性漩涡结构对通量相关系数的定量贡献（图2），以未曾有的量化方式初步掌握了下降风中的动量及标量输运相关程度的湍流漩涡结构属性，查明了其强弱变化可归因于哪些具体的漩涡结构，突出了该研究工作的原创特征。研究发现：具有扁圆形结构的中等尺度漩涡对动量和感热输运的相关性（图2a）、感热和水汽输运的相关性（图2b）产生最重要的贡献，具有准各向同性结构的小尺度漩涡及具有双分量结构的较大尺度漩涡产生的贡献次之。另三种各向异性结构所产生的贡献相对较低，包括混杂型结构、单分量结构和双分量轴对称结构。尤其特别的发现是：动量和感热输运的相关性强弱变化可主要归因于扁圆形结构的漩涡和准各向同性结构的漩涡，然而，感热和水汽输运的相关性强弱变化则归因于扁圆形结构的漩涡和双分量结构的漩涡。

图1：下降风中的湍流动量及感热输运分析方法研制及其实际运用

图2：下降风中的湍流各向异性型态区分及动量及标量输运的相关性归因研究

这些研究成果以《构成稳定层结流体中的感热和水汽输运非相似性的湍流行为》“Turbulence behaviors underlying the sensible heat and water vapor flux dissimilarity in a stably stratified flow”[1]为题发表在期刊Environmental Fluid Mechanics，同时以《下降气流结构显示稳定层结状况下的输运非相似性》“Katabatic flow structures indicative of the flux dissimilarity for stable stratification”[2]和《构成湍流各向异性的不同尺度漩涡结构显示稳定层结下降气流中的动量、感热及水汽输运的非相似性》“Eddy scale-wise topology underlying turbulence anisotropy illuminates the dissimilar transport of momentum, heat, and moisture in a stably stratified katabatic flow”[3]为题发表在期刊Boundary-Layer Meteorology，论文的第一作者是郭晓峰副研究员。这些研究进展得到了国家自然科学基金专项项目-专家推荐类原创探索计划项目“边界层湍流相干结构的“频率标识”方法与微气象学前沿课题研究”（42150205）以及第二次青藏高原综合科学考察研究项目若干课题等经费支持。

论文审阅：

[1] https://link.springer.com/article/10.1007/s10652-023-09940-2

[2] https://link.springer.com/article/10.1007/s10546-021-00660-y

[3] https://link.springer.com/article/10.1007/s10546-024-00866-w