沙尘暴发生机制探讨

1/1沙尘暴发生机制探讨第一部分强热对流与风场耦合 2第二部分土壤风蚀阈值与颗粒动力学 9第三部分传输过程中的尘源分布 17第四部分高层大气环流对尘暴的作用 24第五部分陆面粗糙度与风能分配 30第六部分黏性与湿度对粒径的影响 37第七部分云系对沙尘暴的调控 43第八部分预测模型与不确定性来源 49

第一部分强热对流与风场耦合关键词关键要点强热对流的热力驱动与耦合框架

1.地表热通量与不稳定度（CAPE/LFC）对强对流触发的热力条件及风场初始耦合；

2.对流云群内潜热释放与降水蒸发导致局地温湿场分布与水平风场的耦合，形成初期收敛带；

3.对流发展与地表风场的双向反馈，促进边界层涡度生成与近地层水平风场增强，影响尘源区风力输送。

对流—低层风场耦合与尘源区域的风场调制

1.低层收敛带与对流触发的耦合机制，决定尘粒被抬升的起始高度与区域边界；

2.对流出云的下部出流与风场切变协同作用，形成强制抬升通道与脉动风场，提升尘粒泵送能力；

3.尘源区表面覆盖、干湿条件与风场耦合对尘沙暴强度的温动性影响。

地形调制下的强热对流与风场耦合

1.山谷、盆地地形通过地形强迫、切向流与风向转折改变对流单元的组织，形成局地风场聚集；

2.峰谷风、山口密集地区的强风化尘带，尘颗粒进入对流上层的效率提高，云下部与云上部的风场耦合差异明显；

3.地形驱动的边界层涡度与尘暴传播路径的偏移及多中心扩展。

多尺度耦合过程与沙尘云演变

1.大尺度环流与对流触发的耦合对尘暴出现时空分布的宏观调控；

2.局地对流中的水平风场、垂直风切变与涡度输运共同影响尘云的垂直扩展、粒径分布与沉降；

3.模式化参数化与高分辨率耦合在预测沙尘云演化中的性能差异与改进方向。

边界层热力与悬浮尘粒的耦合机制

1.边界层湍流强度、热通量与层结稳定度决定尘粒起伏高度与悬浮持续时间；

2.湍流混合与蒸散-降水反馈改变地表湿度、尘源区风场与颗粒释放阈值；

3.吹尘阈值的快速变化与近地层风场的脉动对短时沙尘暴的形成有决定性作用。

观测与数值模拟在强热对流-风场耦合研究中的前沿

1.高分辨率数值模拟（区域模型对流参数化改进、地形耦合）提升对耦合过程的再现性；

2.雷达、多普勒风场、激光雷达等观测的融合应用，提升初始条件和过程诊断能力；

3.基于生成模型的场景生成和不确定性分析在快速情景预测和风险评估中的应用趋势。强热对流与风场耦合

沙尘暴的发生与发展是多尺度耦合过程的综合结果，其中强热对流与风场的耦合关系是决定尘源激发、尘粒垂直输运和水平传播路径的核心机制之一。强热对流提供了高强度的竖直输送与粗颗粒的激发条件，而地表及大尺度风场则决定了对流系统的组织、移动与与尘云的耦合方式。通过对对流尺度、边界层结构、风场剪切与尘粒动力学的综合分析，可以阐明沙尘暴在不同气候背景下的发生规律与演变路径。

一、强热对流的特征与形成条件

在日照充足、地表粗糙度高且水汽条件相对较低的干旱与半干旱区，强热对流的形成具有共性特征。首先，地表净辐射及感热通量显著增大，边界层在中午前后快速加深，常见深度达到1–3千米，局地可超过4千米，边界层混合强度随日照巩固；其次，强对流的能量来源主要为对流性对流层顶界面以下的潜在能量积累，CAPE（对流有效地热势能）值多位于1000–3000J/kg范围，极端情形可超过4000J/kg，为对流云团提供强大上升动力。再者，强对流的上升气流在核心区域可达到5–25m/s的垂直上升速度，伴随较强的涡度输运与涡度产生，这对尘粒的竖直输送尤为关键。对流云系的垂直结构与下游风场的耦合，决定了尘粒从表层起动到进入对流云内的分布过程。

在对流云的生长阶段，地表的热对流往往与土壤条件相关联。裸露表层、风化层强、湿度低的土地表面，风砂过程易被激发。对流过程不仅提升尘粒至对流云的云层里层，还通过对流冷却与降水的边界效应，导致局地形成上升—下降的涡结构、出流边界（gustfront）等强风现象，从而在风场的时空分布上呈现高度非均匀性。

二、风场耦合的物理机制

风场在不同尺度上与强热对流存在互作关系，形成多层次的耦合机制。首先，大尺度风场提供背景风速与风向，是对流系统移动的走向与速度的决定因素。其次，风场剪切（风速随高度的变化）影响对流单元的倾斜与组织，使对流系统呈现条状、串列或群集合模式，这直接影响尘云的水平方向扩展与边界层中的尘粒下沉速度。再次，风场通过涡度输运与混合过程加强竖直方向的尘粒输运，尤其在对流核心区域，强烈的上升气流将尘粒带入更高层次的云区，从而改变垂直分布与辐射性传输的耦合。最后，出流边界与下沉气流在风场耦合中起到“挟裹—抛出”的作用，使尘云获得更为明显的水平推进力，形成以风场为通道的尘云扩展路径。

在数值尺度上，强热对流与风场耦合的关键在于对边界层涡结构、对流垂直混合与尘粒沉降速度的共同刻画。这要求在物理参数化中同时考虑以下要点：一是边界层混合长度与涡度输运的尺度关系；二是风场剪切、涡度与对流单元倾向的耦合；三是尘粒粒径分布、比重、沉降速度与载气相互作用的耦合。对于尘土微粒，在竖直方向上，浓度分布往往随对流强度上升而上移，导致顶层尘云的高度与厚度增加；在水平方向上，强对流区域常伴随瞬时强风脉冲与风向变动，这使尘云的边界更为模糊、扩展更快，沙源区的指示性风场模式与尘云传播模式的耦合性显著增强。

三、对沙尘暴发生与演变的影响

强热对流与风场耦合对沙尘暴的发生、强度与持续时间具有直接影响。首先，强对流提供了高水平的竖直尘粒输送，显著提高了尘粒从地表的起动概率，且在对流单元的上升支柱中，颗粒被涌送到高空，形成高雾层与受控雾幕的尘云结构。其次，风场耦合决定了尘云的水平扩张速度与方向。背景风场的方向与对流系统的移动方向之差越小，尘云的入侵路径越明确；若存在显著的风切变，则尘云呈现分层分期的传播，边界层风场的改变会引发尘云顶高度的改变及大范围的污染扩散。第三，出流边界的形成往往伴随强风脉冲，使表层风速在瞬时内跃升至高值区，触发快速且短时的尘粒释放与扩散，造成局地的高强度污染事件。第四，强热对流还可能与降水过程耦合，在降水区或降水边缘区，降雨引发的湿润化对尘云的化学组成与粒径分布产生修正，进而影响辐射强迫与能量平衡，推动污染强度的时空变化。

从观测证据来看，雷达与激光雷达观测揭示了对流单元内部明显的竖直风结构与尘云回波的耦合关系。垂直风切变较大的地区，尘云往往呈现更强的层状扩展与更高的顶端高度；卫星遥感数据则显示，在强热对流驱动的对流层顶向上推动过程中，尘云顶高度与地面尘源区域的活动强度呈正相关关系。地面观测数据表明，在强对流事件发生时，风速提升、风向突变与扬尘日的日内分布具有明显的相关性；对风场-对流耦合的区域尺度分析表明，区域尺度风场对对流系统移动路径的控制对尘云的长距离传播起决定性作用。

四、数据与模型支撑的要点

若要准确刻画强热对流与风场耦合对沙尘暴的贡献，需要在数据与模型层面实现协同提升。具体包括以下要点：

-数据层面：多源观测协同。地面观测提供风速、风向、尘粒粒径分布、尘浓度等信息；雷达/激光雷达揭示对流单元的垂直风结构与尘云回波特征；卫星遥感提供尘云顶高度、厚度与日尺度的时空演变信息；高分辨率地表数据用于表面粗糙度、热通量与地表湿度的快速估计。通过将近地观测与卫星观测在同一时间窗内融合，可以提取对流强度与风场耦合的统计特征，以及不同地表类型对尘暴响应的差异。

-模型层面：需要实现对流尺度与区域尺度的耦合表示。LES（大涡模拟）对局地强热对流的细节刻画具有优势，但局地背景风场信息需外部输入；WRF-Chem等耦合模式可在区域尺度上同时模拟气象场和化学尘粒过程，适用于研究强热对流与风场耦合对尘粒辐射、沉降与扩散的综合影响。关键参数包括边界层混合长度、涡度输运、风切变强度、粗糙度、尘粒沉降速度、尘源起动阈值等。对比观测数据进行模型校准，有助于提高对极端事件的预报能力。

-预报与不确定性：耦合过程具有强非线性与时空高度变异性，单一尺度的预报难以稳定覆盖所有情景。通过多模式集合预报、逐步提升分辨率、以及针对对流-尘云耦合的专门参数化，可以降低不确定性，提高对强热对流驱动尘暴事件的预测能力。

五、结论要点

-强热对流提供了尘粒竖直主动输送的动力源，与之耦合的风场决定了尘云的水平扩展路径与强度分布。两者的耦合是沙尘暴发生、发展与衰减的关键驱动机制。

-量级层面的物理过程包括：边界层深度的增强导致更大的尘源起动机会；对流单元的垂直风结构提升尘粒至高空的可能性；大尺度风场与对流系统的相互作用决定尘云的水平扩展与持续时间。出流边界与下沉气流的阵列化也会在局地产生强风脉冲，显著影响尘暴的瞬时强度。

-数据与模型的综合应用是理解和预测这一耦合过程的关键。多源观测用于刻画对流-风场耦合的统计特征，数值耦合模型用于揭示因果关系并提升预报水平。未来需要在分辨率、物理过程参数化与观测同化方面持续深化，以更准确地描述强热对流与风场耦合在沙尘暴中的作用机制，提升区域乃至区域之间的跨境预测能力。

-实践意义在于：通过更准确地描述强热对流与风场耦合，可以改进沙尘暴的强度与持续时间预报，为公共健康、交通运输、能源与环境管理提供更可靠的决策依据。同时，这一耦合过程也对区域气候研究提供了重要的物理纽带，有助于理解沙尘事件在不同季节、不同地表类型下的变异规律。

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1.起动风速阈值与输移阈值的定义及区分，分别代表颗粒开始持续搬运与进入显著输移的最低风速。

2.影响要素包括粒径分布、含水率、团聚结构、表面粗糙度及覆被物状态等，决定阈值的空间异质性。

3.尺度耦合：局部土壤阈值向区域尺度的外推需结合地表粗糙度、风切变与地表-大气耦合关系，建立跨尺度一致性框架。

颗粒动力学在阈值附近的行为

1.起动机制：剪切风力、粒径层次和簇状颗粒结构共同决定起动概率，粗粒需较高风速才能起动，细粒易被边界层扰动触发初步输运。

2.夹带与输移特征：边界层内颗粒的夹带与再悬浮导致多相输运，输移速率受粒径分布、风速廓线和湿润条件共同调控。

3.碰撞与耗散：粒子碰撞、摩擦与弹性耗散影响松粒化与再起动门槛，局部湿润、覆被或聚集结构可显著抑制再起动。

湿度、结构与覆被对阈值的调控

1.含水率提升黏着力，显著抬升起动阈值，降低风蚀概率；在干燥阶段阈值下降趋势明显。

2.表层团聚与空隙结构决定有效粒径分布，团聚度高或孔隙率低时，颗粒更难被剪切起动。

3.覆被与残留物形成额外摩擦阻力，草被、残渣等能显著抑制阈值下降并提升地表稳定性。

时空演变与区域趋势

1.气候变化和降水格局调整导致干湿周期增多，阈值呈时间序列波动，区域风蚀风险呈现不对称变化。

2.土地退化、耕作模式变动与脆弱化提高了阈值敏感性，需加强土壤改良与覆盖策略。

3.基于多源观测（卫星、地面报错数据、风场资料）的阈值更新与区域化风险评估成为趋势。

数值方法与实验观测在阈值研究中的协同

1.结合微观颗粒动力学与宏观风场的耦合模型，能够在阈值附近再现起动、夹带与输移的主要机制。

2.参数敏感性分析聚焦粒径分布、含水率、表面粗糙度、风速廓线等关键变量及其不确定性。

3.实验与观测方法包括风洞/沙床试验、颗粒追踪、同位素或染色示踪，辅以野外观测实现阈值的验证与跨尺度对比。

治理措施对阈值的影响与评估

1.土壤保护与覆盖措施（覆草、轮作、地表覆盖物）显著提高起动阈值，降低区域风蚀风险。

2.风沙治理与土地整治的区域效果需结合成本效益分析与长期监测，确保持续性效益。

3.未来展望强调数据驱动的快速阈值估算、跨尺度预警与综合治理决策支持系统的集成发展。

一、基本概念与研究框架

土壤风蚀是通过风力作用使表层颗粒被entrainment、saltation、suspension等过程逐级释放并迁移的综合现象。其中，阈值是指在特定水平方向上、单位时间内达到稳定entrainment的最低风力条件。阈值的确定不仅依赖粒径分布、土壤性质与含水量，还受场地粗糙度、地表覆盖、湿润状态及气象场短时波动等因素影响。颗粒动力学强调粒径、密度、表面粗糙度及力学相互作用在实现初始entrainment、抛掷跳跃、撞击再传递等环节中的作用机制，进而决定风蚀的强度与时空分布。

二、土壤风蚀阈值的物理定义与计算要点

1)Shields参数与阈值剪切应力

阈值可用Shields参数来描述，公式为theta=τ/[(ρs−ρa)gDs]，其中τ为地表切应力、ρs为颗粒密度、ρa为空气密度、g为重力加速度、Ds为代表性颗粒直径，theta为无量纲参数。达到阈值时，试图entrain的颗粒开始进入盐跳过程。常用的临界Shields参数取值区间为约0.03至0.05，具体取值随粒径、湿度、粗糙度、黏结力及土壤组成而变动。

2)阈值剪切应力与摩擦速度

切应力与摩擦速度之间存在关系τ=ρau*^2，其中u*为摩擦速度（风切速度）。将τ_t代入上述等式可得到阈值摩擦速度u*_t=sqrt(τ_t/ρa)。利用τ_t=theta_c(ρs−ρa)gDs可得到一个便于输入的表达式：u*_t=sqrt[theta_c(ρs−ρa)gDs/ρa]。在干燥、粗砂条件下，粒径较大时阈值较高，湿润、黏粒结构及覆沙层会显著提高阈值。

3)风速到摩擦速度的换算

将地面近地面的风场与摩擦速度联系起来，通常采用对数风速剖面：U(z)=(u*/κ)ln(z/z0)，其中κ为卡门常数（约0.41），z为高度，z0为粗糙度长度。以10m高度近似换算时，若地表粗糙度较大、含水量高、覆被稀疏，z0增大，则达到阈值所需的实测风速U10（10m高度风速）会相对降低或提高，取决于具体地表条件。一般在干燥且粗糙地表，U10的阈值大致落在4–6ms−1的数量级区间，具体数值随粒径分布与表面粗糙度分布而波动。

4)影响阈值的关键因素

-粒径分布与粒径段组成：粒径越大，entrainment的力学阻力越大，阈值越高；对细粒（尤其是粉土、壤土中的粒径分布尾部）而言，黏结与cohesive力成为重要因素，需显著提高阈值。

-含水量与黏结性：湿润状态下毛细力和黏附力增强，阈值显著上升，粉尘与黏土粒子对风力的初始解缚更困难，阈值随含水率的增加呈非线性提升。

-表面粗糙度与地表覆层：粗糙度提高会抬高局部扰动强度，改变湍流结构，从而影响entrainment的起始条件；覆盖物如植物、碎石层则可能降低有效风速在裸地表面的作用。

-土壤结构与团聚效应：团聚体解离、表层松散性、颗粒之间的机械黏结与微观摩擦系数影响阈值的大小与敏感性。

-气象场的短时波动：极端风脉冲、涡旋结构、向上跃升的风速脉冲等会在短时间内跨越阈值，使瞬时entrainment事件增多。

三、颗粒动力学的核心过程

1)盐化（saltation）与抛掷机制

风场将颗粒从地表抬升进入边界层，粒径通常集中在0.1–0.6mm的范围，随风速的增加，初始水平分速度和垂直分速度增大，跳跃高度从几厘米扩展到数十厘米，跳跃长度从厘米量级过渡到0.1–0.5m的区间。跳跃过程不仅实现了颗粒的竖向再入，而且在着陆时会对下方颗粒产生撞击扬起效应（撞击-抛掷循环），从而持续维持风沙输移。

2)撞击-抛掷放大效应

撞击过程中，粒子对地表释放并抛掷出新的尘粒，形成“二次entrainment”的可能性。该过程对风沙输移的维持具有关键意义，特别是在粒径分布较宽、表层松散度较高时，撞击能量的有效传递可显著提升单位时间的输移量。

3)颗粒动力学参数的典型范围

-跳跃高度：约5–15cm，部分高粗糙地表或高风速情形可达到更高值。

-跳跃长度：约0.1–0.5m，极端情况下可超过1m。

-跳跃初速度：水平分速度量级为数米每秒，垂直分速度较高时跳跃高度相应提升。

-冲击与再抛掷的能量传递：表面粗糙度、粒径分布及潮湿程度决定撞击后释放颗粒的数量与角度分布。

4)粒径分布对动力学的影响

细粒（如粉砂、泥粒）对风的敏感性较高，容易被冲击气流entrain，但黏附-黏结力在湿润或含黏性颗粒时显著增强，导致阈值上升和输移效率下降。粗粒砂则需要更高的风力才能进入entrainment阈值范围，但一旦进入，输移效率往往较高且跳跃幅度更大。综合来看，粒径分布对阈值和输移的耦合效应决定了风蚀的空间异质性。

四、阈值与输移量的数据关系与模型要点

1)经验关系的基本形式

在多项研究中，风蚀输移量与风场强度之间呈非线性关系，超过阈值后快速上升。常用的经验式包括将输移量与摩擦速度的平方差或更高次幂相关联的形式，诸如Q∝(u*^2−u*_t^2)或Q∝(u*−u*_t)^n（n多为2–3），其中常数项随粒径分布、湿润状态与地表粗糙度的变化而变动。尽管具体系数并非universal，但这些形式能较好捕捉阈值之后的增幅趋势与敏感性。

2)影响参数的敏感性分析

-粒径分布对阈值与输移的影响最为直接，偏向粗粒的地表需要更高的u*才能entrain，且在初期输移阶段对风速的响应较为线性；偏向细粒的地表，黏结与含水影响显著，阈值提高，气流扰动对粒径的分离效果减弱。

-湿度与黏结性对阈值的提升作用突出，含水率增加会使微观毛细力增大，抑制初始entrainment，导致阈值曲线右移。

-表面粗糙度的提升在一定程度上有利于湍流结构的强化，但对阈值的影响取决于地表结构的稳定性与暴露度，过高的粗糙度有时也会改变局部风场分布，从而改变entrainment的稳定性条件。

-条件极端时，如暴雨后地表润湿与泥沙混合，会产生显著的阈值波动与输移波动，短时风暴期的输移强度可能超过平常条件下的长期平均水平。

五、数据应用与实际意义

1)风蚀风险评估与治理

通过对阈值及初始输移机制的理解，可以对风蚀敏感区、风沙源区进行分区评估，识别高风险地表，并制定相应的治理策略，如地表覆moss覆盖、植物带状防护、表层粗粒合适的覆盖结构、削减风速的屏障设计等，降低暴风条件下的entrainment机会。

2)数值模拟耦合与预测

将阈值参数和颗粒动力学过程纳入耦合风沙输移模型，可实现对风沙暴发生概率、沙丘演化与颗粒云传播的时空预测。模型输入需提供粒径分布、含水量、地表粗糙度、风速剖面等数据，并在边界条件处考虑地形与气象场的非线性耦合。

3)数据需求与观测要点

为提高阈值与颗粒动力学的预测能力，需获取：粒径分布及其变异、土壤含水量与黏性参数、地表粗糙度尺度、风速剖面与脉冲风事件的统计特征、地表覆被情况（植物、覆盖物质量与分布）、局地气象条件等。同时，野外观测与风洞试验的对比可以帮助校正经验式中的系数，提升在不同区域的适用性。

六、结论性要点

-土壤风蚀的阈值由Shields参数及其对应的临界剪切应力决定，受粒径分布、含水量、表面粗糙度和黏结性等因素共同作用。阈值的确定是风蚀预测与治理的基础。

-颗粒动力学核心在于盐化和撞击再传递过程，跳跃轨迹、粒径分布、冲击能量及表面特性共同决定输移效率。细粒与湿润土壤的动力学表现尤为复杂，需在模型中充分考虑黏结与团聚效应。

-输移量在超越阈值后呈非线性快速增长，常用的经验式以u*和u*_t的差/平方差为驱动，具体系数需结合区域粒径分布、湿度、地表粗糙度等进行局部标定。

-将阈值与粒子动力学整合到风险评估和预测模型中，可以提升风沙暴的预警能力与治理效果；同时，prend周期性数据的积累和对比分析有助于改进区域性参数化关系，使预测在不同地貌和气候条件下具有更强的鲁棒性。

如需，我可以基于公开的资料与常用参数区间，进一步给出某一粒径段（例如0.1–0.3mm）或某一地区（如干旱区与半干旱区）的具体阈值范围表、以及对应的经验式参数区间，便于直接用于论文写作或模型校准。第三部分传输过程中的尘源分布关键词关键要点传输过程中的尘源空间分布特征,

1.尘源在传输路径上呈现分段分布，受地形、地表覆盖和风场分布影响，沿走向出现热点区。

2.通过雷达、卫星遥感和地面观测结合的数据同化，能够揭示不同高度层的尘源贡献差异，常见在边界层与中高层云层之间存在分层分布。

3.模型结果显示尘源分布随风速、风向偏转与地表粗糙度变化快速响应，错位与局地放大效应显著。

尘源粒径分布及其在传输中的作用,

1.粒径分布决定尘源被提升高度和被输送距离，粒径分布随风场和土壤湿度变化。

2.细粒（<5μm）在高层传输中占比高，沉降速度低，跨境影响显著；粗粒在近地层贡献更大但范围有限。

3.需要将尘源粒径分布与风切变、对流活动及地表粗糙度耦合进入高分辨率模型，提高跨区域预测能力。

地表覆盖及土地利用对尘源参与度分布的影响,

1.地表覆盖变化如裸地、盐碱地、沙丘暴露度直接决定尘源暴露阈值与释放强度。

2.植被恢复与湿润条件抑制尘源释放，裸露斜面和干旱边界带成为尘源热点。

3.遥感与地表数据对尘源热点空间分布的监测，结合时序风场揭示热点迁移规律。

边界层与地形对尘源分布的调控作用,

1.高低风切、涡结构与山谷导风共同塑形尘源的垂直分布与水平方向分布。

2.山地/盆地地形引导尘源在某些坡向形成聚集传输通道，导致沿线尘源分布具有明显的地形依赖性。

3.夜间稳定层抑制升力，白天对流增强时尘源释放提升，日-夜分布差异成为传输特征之一。

跨区域传输中的尘源分布不确定性与识别,

1.跨区域传输中，尘源来自多个区域的叠加，需要基于颗粒轨迹和同位观测进行归因分析。

2.植被、湿度、地表变形等因素引入不确定性，通过数据同化与贝叶斯方法评估尘源贡献的不确定性区间。

3.未来趋势是引入大数据与前沿统计推断框架提升尘源分布的时空预测能力。

观测与预测的前沿方法与趋势,

1.观测方面，激光雷达、卫星高分辨率成像、地基风场观测网络提升尘源分布的时空分辨率。

2.预测方面，数值模式与前沿统计推断框架结合，能在不同情景下给出尘源分布的概率分布和不确定性。

3.应用层面，尘源分布信息用于区域协调治理、预警、交通与公共健康决策，形成跨区域的防护体系。传输过程中的尘源分布

沙尘暴的传输阶段并非单一的原始尘源在高空大规模地输送粒子，实际过程表现为多尺度、动态演化的尘源分布特征。在传输路径上，除了初始发源区持续向外释放的尘粒外，还存在沿途地表在高风剪切、干燥、风蚀条件下重新被卷起并进入边界层的再尘源，以及尺度较小但对传输过程有放大效应的局部尘源区。对传输过程中的尘源分布进行定量描述，需兼顾空间的分区性、时间的瞬时性以及粒径-高度的垂直分布特征。以下内容围绕尘源分布的成分、形成机制、观测与模拟分辨率、以及对传输场景的影响等要点展开阐释。

一、尘源分布的结构与分类

1)近源尘源区（原始尘源）在传输路径上形成的核心尘源。北方高原、沙漠与裸露土地带（如戈壁、黄土高原北缘、干燥谷地等）在风场持续作用下持续向流场中注入大量尘粒，形成传输核心区的初始尘源分布。该区域的尘源强度受季节性土壤水分、风速阈值、裸露面积和表层物理性质（颗粒比表面积、黏结性、粒径分布）共同约束，往往在强风事件中呈现出明显的脉冲式释放特征。尘粒粒径分布倾向于粗粒组分（PM10及以上粒径）在原始尘源区贡献显著，尽管随距离增加，细粒组分（PM2.5及以下）在混合与长期传输中的占比逐渐增大。

2)传输过程中的再尘源区（远端尘源）。在风场作用下，进入边界层上部与自由对流层之间的风速切变、地表粗糙度梯度以及大尺度环流的作用，使得沿途裸露地表、干燥盆地、风蚀敏感区域成为再尘源。这些区域的尘源分布具有高度的时空变异性，与局地地表状态、降水-蒸散循环、地形导流效应、以及风场的强度和方向变化密切相关。再尘源对总尘量的贡献具有事件性特征，在某些强风场段可能占到传输总量的10%至40%不等，明显增强了下游的粒径分布多样性和沙尘云的空间扩展性。

3)边界层与高空层次的尘源耦合。尘源不仅来自地表裸露面，还包括在传输过程中形成的上升-上涌过程中的再暴露面与涌升气层中的尘粒持续被entrainment进入边界层顶、对流层混合区的过程。高空的风场结构（如喷射带、槽线、低涡和高层逆温层）决定了尘粒的上升高度、滞留时间以及跨区域的垂直混合强度，这些因素共同塑造了尘源在垂直方向上的分布格局。高空来源对下游热带或温带区域的远距离传输具有放大效应，使得少量高层尘源也能在日夜变动中参与地表与近地层尘暴的混合运输。

二、形成机制与控制因子

1)风场与动力学框架。传输过程中的尘源分布首先受风场的支配。大尺度环流决定尘气团的路径与横向扩张速度；中尺度涡旋与地形导流则在局地尺度上产生高风速冲击和局部再尘源的激发。风速达到粉尘释放阈值、剪切应力增大、表面粗糙度分区明显时，地表尘埃被大气切入并进入传输系统。

2)土地表状况与表层条件。地表的含水率、結皮状况、裸露面积、植被覆盖度和表面粗糙度系数等都对尘源分布产生直接影响。降水后土壤团聚体结构改变、风干后表层黏结性降低，增强了再尘源的易发性。在旱季或干旱前阶段，裸露面积扩大、湿度降低，传输过程中的再尘源更易被激发并推动尘量的二次释放。

3)地形与地表覆盖的调制作用。山脉、盆地、沙丘体系等地形特征对风场进行扭曲、聚拢与分支，引发尘源的区域集聚或分散。山口、峡谷与风廓线处常出现风速的局地放大，导致局部尘源分布呈现“局地高峰”的特征。在海陆交界处，海风与陆风的切换带来尘源的时序性波动，进而改变沿海及内陆传输带的尘粒进入量与停留时间。

4)粒径-高度耦合效应。传输过程中粒径与高度的耦合关系决定了尘源在空间中的贡献分布。粗粒尘粒往往在较低高度处被快速沉降，其贡献集中在近源及低层大气；细粒尘粒具有更强的对流输送与长期滞留能力，易在中高层大气中保留并向远距离区域扩展。这使得同一传输路径在不同高度层呈现不同的尘源强度与分布格局，需通过垂直剖面信息进行综合分析。

三、观测与数值模拟中的分辨要点

1)数据融合的必要性。要揭示传输过程中的尘源分布，需要将卫星遥感（如AOD、偏振信息）、地基观测（PM10、PM2.5、粒径分布、风沙粒径分布）、地表遥感指示的裸露面积与土壤水分、风场数据以及数值模式输出进行综合。遥感对大尺度尘云的形态与高空结构具有优势，地基观测对近地层的粉尘浓度和粒径分布提供高时间分辨率信息，模式还原则可对尘源的时空分布进行场方程层面的解析和预测。

2)模型中的尘源分布表征。主流尘埃传输模型在模拟传输过程时，通常需要对尘源进行分区化输入：原始尘源区的强度场、沿途再尘源的辐射分布、以及高空层次的进入与离开通道。合理的分辨率应兼顾大尺度环流的瓶颈效应和局地地形的导流效应；在网格尺度较大时，需通过亚网格过程对尘源强度进行参数化。对沿途尘源的再激发，需要引入地表状态耦合、风速阈值、地表粗糙度与湿度阈值等参数化方案，以便在不同事件中得到稳定的分布特征。

3)关键制约与不确定性。尘源分布的再现性受多源数据的一致性约束，观测覆盖不足、地表信息不完整、风场反演不唯一等因素会导致分布重建存在不确定性。为降低不确定性，可采用多源数据同化、ensemble方式评估不同风场与尘源参数化组合下的分布变异，并通过对比观测点的残差来校正分布模式。

四、量化指标与典型特征

1)空间分布特征。传输过程中的尘源分布呈现明显的纵向与横向非均匀性。纵向上，近源区在传输初期贡献集中，数百到一千余公里内常占总尘量的多数；横向上，沿着风向的尘源阵列呈现条带状或带状聚集，与地形导流和地表条件的分布相呼应。中尺度风场的改变会引发尘源分布的快速跃变，需以高频观测与高分辨率模拟来捕捉。

2)粒径分布与垂直分布。高层尘源与低层尘源共同决定了尘暴的垂直结构。通常近地层以粗粒尘为主，随高度的增高，细粒成分相对占比增加，且高空风场的涡动性使得尘粒在垂直方向的混合程度增强，导致垂直分布呈现多层次的混合格局。对远距离传输而言，细粒成分在气候尺度上具有更强的跨区域传输潜力，因此在尘源再分布的研究中需重点关注PM2.5及其粒径分布的时间演化。

3)强度与时序特征。尘源分布的强度呈现明显的脉冲式特征，与强风阶段的持续性及地表条件的耦合相关。若干强风事件中，初始尘源的释放在数小时至十数小时内达到峰值，随后受区域降水或相对湿度回升影响，尘源强度迅速减弱，但沿途区域的再尘源可能在不同时间段再度被激发，形成多段式的尘暴强化-衰减循环。

五、应用与展望

1)对天气-气候预测的影响。传输过程中的尘源分布对沙尘云的厚度、水平扩展、降尘与垂直混合有直接影响，进而影响区域能量平衡、辐射传输和云微物理过程的模拟。因此，提升尘源分布的时空表征精度，有助于提高短时天气预报与中长期气候预测中沙尘暴事件的预报能力。

2)对环境与健康评估的意义。尘源分布的accurately表征能够改进对暴发阶段人群暴露水平的评估，以及对敏感区域（城市通风口、沙尘暴路径附近人口密集区）的健康风险评估。尤其在沿途再尘源显著的情景中，局地的空气质量波动将呈现多峰性和不对称性，需要结合尘源分布的动态信息进行综合评估。

3)数据同化与观测系统建设。未来需要进一步整合卫星、地基观测与数值模拟，在高时间分辨率条件下对传输过程中的尘源分布进行同化，建立多源数据融合平台，提升对局地与区域尺度尘源分布的再现能力。同时，加强对再尘源区域的地表信息更新，提升对地表条件变化的敏感性。

总结而言，传输过程中的尘源分布是一个多源耦合、时空动态变化的综合问题，既包含原始尘源区的持续释放，也包含沿途地表的再尘源以及高空层次的尘源进入与混合。通过高分辨率观测、多源数据融合以及物理一致的分区化参数化，可以更准确地刻画尘源在传输过程中的分布特征，从而提升对沙尘暴演变、区域气候影响及健康风险评估的科学支撑。第四部分高层大气环流对尘暴的作用关键词关键要点高层大气环流对尘暴源区风化与尘源产生的调控

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1.上层大气环流形态决定边界层风场与风化强度，喷射气流与风切变区提升黄土高原等尘源区地表风速，促进扬尘起始。

2.季节性大尺度波动改变层结稳定度与边界层厚度，影响摩擦速度阈值与扬尘起飞条件。

3.上层涡度与降水分布影响土壤水分与颗粒黏粒性，进而调控尘源供给强度。

高层大气环流对尘暴输送路径与跨区域扩展的决定性作用

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1.上层喷射气流与波分布主导尘暴传输路径与速度，决定进入下游区域的距离与时间。

2.副热带高压边缘的波动与阻塞型结构控制跨区域运输的窗口与落地分布。

3.MJO、ENSO、QBO等耦合信号通过调制对流系统频次与强度，间接改变尘粒跨区域传播的季节性与概率。

对尘暴对流性发展及垂直扩展的影响

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1.上层辐散/聚散模式决定尘云的垂直起飞高度和上升速度，影响粒径分布与云化过程。

2.层结稳定性与位势高度变化改变尘云初始高度、持续时间与沉降速率。

3.对流-层间耦合与进入平流层条件决定尘粒在高层的存留与远距离传输潜力。

高层环流与尘暴季节分布及时序的耦合关系

,

1.季节性喷射气流位置与强度决定高发季的起始与结束时间。

2.MJO、QBO与季风分布的相位关系影响对流触发窗口，塑造尘暴爆发的时间分布。

3.气候波动对高层环流的长期趋势可能导致区域尘暴季节性偏移与极端事件增减。

高层环流异常与极端尘暴事件的统计特征

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1.上层槽/脊异常与强对流耦合时，尘云被抬升至高层，极端尘暴事件风险增大。

2.阻塞型和低降水场叠加时，局部干燥与强风持续性增强，尘暴持续时间和空间范围扩大。

3.以观测-再分析-集合预测为核心的多源数据框架提升对高层异常的识别与预警能力。

未来趋势：高层环流变化对尘暴频次与强度的预测

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1.气候变暖与环流漂移可能改变喷射气流的偏移与波动幅度，影响尘暴极端事件的统计分布。

2.高层场与地表动载耦合将通过更精细的粒径参数化提升起飞与输送预测的物理一致性。

3.数据驱动的趋势分析与生成模型结合卫星、雷达与地面观测，促进高分辨率场景化预测与不确定性量化。高层大气环流对尘暴的发生、发展与传输具有决定性作用。尘暴的源区多集中在东亚大陆北部和蒙古高原一带，粒子在对流层内被抬升、进入中高层风场后经由上层西风急流、脊槽等大尺度环流结构进行长距离传播，最终影响广域区域的气溶胶光学厚度、降水分布和区域空气质量。因此，研究高层大气环流的异常与演变对理解尘暴的时空分布、增强预警能力具有重要意义。

一、高层风场结构与尘暴输送的耦合机制

高层大气环流以200hPa至~100hPa的风场、位势高度场和垂直速度场为核心变量。典型的冬春季节，欧洲-亚洲副热带高压先验于西北太平洋区域形成强烈的西风急流核心，沿东亚中高纬度带形成明显的东西向风带。尘暴源区的初始抬升需要在近地层的强对流和低层水平风场共同作用下实现，而上层风场决定了抬升后尘粒的输送路径、距源区的距离以及在何处进行降解或继续扩散。高层脊（高压）结构往往使上一层风场趋于稳定，促使尘云沿准直的传输路径保持较长时间的连贯性；而高层槽（低压波动）则伴随垂直风切变和上层切变风的增强，能将尘粒进一步混合进入更强的西风带或改变尘云的倾角，从而提高远距输送的效率。总体来看，高层环流的稳态或波动性越强，尘暴云团在水平上的展开越广，持续时间越长，远距离区域的污染强度越明显。

二、主要通道：输送路径与区域影响

上层风场对尘暴的远距传播作用突出，尤其是在东亚-北太平洋区域。以西风急流为主的高层风带为尘粒提供了跨大陆乃至半球尺度的运输通道。研究表明，源区尘粒在进入中上层风场后，若风向一致且风速较大，尘团可跨越蒙古高原、穿越东北亚陆缘，进入日本列岛、朝鲜半岛乃至远至北美西海岸附近的区域层。与此同时，受高层脊槽结构控制，尘暴的发展方向在不同年份呈现显著的变异性：当高层脊向北或东扩展时，尘粒更易沿着北向或东北向的路径传播；当高层槽沿西北-东南向移动并与中高层风场耦合增强时，尘暴的传播距离和跨区域影响将显著提升。对比研究还发现，遥相关型的人-环（如NAO、AO、PNA等）对东亚尘暴活动的季节性和区域性分布具有调控作用，正负相位对应的风场格局改变会调整主要传输路径与终端区域的风速场。

三、抬升与混合过程中的上层环流作用

尘暴的初始抬升不仅受地面风场和局地强对流的驱动，还与上层环流对对流层顶部的抬升能力相关。上层波动（包括行星波、长波振荡）导致的垂直风切变、低层与中层之间的稳健耦合，能促使部分尘粒从对流层底部越过对流层顶进入更高层的风场，使其在高层风场中获得更强的运输力。这一过程在春季的强对流-尘暴事件中尤为明显。与此同时，上层环流对对流层湿度场和稳定度场的分布也有重要影响：高层暖性异常或低层干燥区的组合，有利于形成强对流抬升并减少降水区对尘暴的迅速沉降，从而延长尘云的生存时间与距源区的传播距离。相反，当上层环流带来显著上升气流的同时伴随强降水落区时，尘暴的生命周期往往被降水截断，区域影响也随之缩短。

四、背景湿度、降水与尘暴生命周期的耦合

高层环流通过改变大尺度湿度分布和降水格局，间接影响尘暴的生命周期。上层高压脊常伴随较干燥的大气环境，地面及近地层的尘暴更容易维持强度并具有较高的扬尘效率；而上层槽系引发的降水区域则对尘粒进行有效的湿沉降，降低远距传输的概率。因此，季节性和年际变化导致的高层环流平均场的改变，往往与尘暴发生频次和强度的变化紧密相关。卫星观测与再分析数据表明，当200hPa风场强度增大且向跨区域方向协同时，尘粒在对流层中层至高层的跃迁与扩散显著增强；相反，若高层风场呈现弯曲收束或对流活动受抑制，尘暴云系的水平扩展受限，污染效应在局地或区域内消散。

五、区域差异与遥相关性

区域差异是理解高层环流对尘暴作用机理的关键。东亚区域的尘暴多与蒙古高原、华北平原及其周边地形的相互作用相关。青藏高原的热力辐射与地形抬升在冬春季对高层环流的调控中具有放大效应，导致上层风场的异常与尘暴的爆发强度之间存在显著联系。跨区域传输的案例表明，若中高层风场与下层风场在风向和风速上保持一致，则尘暴可以在数千公里尺度上实现远距离扩散，并在下风向区域引发显著的气溶胶光学厚度增长与局地降水格局改变。区域间的耦合还体现在日本、朝鲜半岛及北美西海岸等地的次级尘暴清单中，其成因往往与东亚高层环流的季节性变化及跨太平洋传输通道的建立有关。

六、观测与数值模拟证据

大量观测、再分析与模式研究共同指向一个共识：高层环流异常与尘暴活动存在显著相关性。卫星观测揭示，尘暴事件的空间分布与上层风场的异常结构高度吻合；再分析资料（如ERA系列、葛式再分析等）显示，在发生尘暴的时期，200hPa和500hPa高度场的异常与尘暴强度、传播距离呈一致性趋势。数值模拟方面，区域化气候模型与化学耦合模式（如WRF-Chem、GAMMA等）能重现高层风场对尘粒输送路径的控制作用，并能通过改变高层风场强度和方向，模拟尘暴跨区域传播的变化。此外，遥感与地面观测的联合分析也揭示，NAO、AO等大尺度遥相关型对东亚尘暴活动的季节性分布具有调控作用，正负相位对应不同的传输格局与终端区域的污染强度差异。

七、结论要点与研究前沿

-高层大气环流通过决定尘粒的抬升-输送-沉降三阶段的动力条件，直接影响尘暴的强度、持续时间和传播距离。中高层风场的强弱、走向及波动特征是决定尘暴远距扩散与区域影响的主导因素。

-尘暴的发生与高层环流的季节性和年际变化密切相关，春季东亚区域的高层风场格局最易促成强对流抬升与远距离输送；冬春季节的高层环流异常对跨区域传输路径的塑形尤为关键。

-观测与数值模拟的一体化研究在揭示因果关系方面具有重要意义。未来需要在高层风场与地表过程耦合、区域-全球尺度尺度耦合、以及长期再分析数据中进一步提升对高层环流异常与尘暴活动之间因果关系的定量理解。

-改善高层环流参数化、提升尘暴过程同化及化学-气溶胶耦合模拟能力，将有助于提升尘暴预警准确性和区域防控策略的科学性。

以上内容系统阐释了高层大气环流对尘暴的作用机制及其在区域与跨区域尺度上的影响路径，强调了高层风场结构、跨尺度耦合以及遥相关模式在尘暴发生与传播中的关键作用，为进一步开展高层环流-尘暴耦合研究提供了理论框架与数据支撑。第五部分陆面粗糙度与风能分配关键词关键要点陆面粗糙度与风速–动量分配的基本机制

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1.粗糙度长度z0决定近地层风速梯度和地表摩阻，应力的大小直接影响风能在地表与上层的分配与耗散。

2.地表粗糙度改变涡黏性耗散与动量再分配速率，进而影响沙尘粒子抬升所需的局地风场强度。

3.不同地表类型（裸地、耕地、林地、城市）通过调整z0与冠层阻力，改变局地风场结构及起动阈值的敏感性。

地表类型与湍流结构对风能分配的调控

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1.植被覆盖与冠层高度共同作用于动量通量与涡结构，改变风速分布与边界层稳定性。

2.城市化引入人工粗糙结构，提升近地层湍动能并改变剪切层厚度，影响尘粒抬升强度与方向性。

3.季节性土地覆盖和湿度变化导致摩阻系数变化，进而改变沙尘暴起动阈值与传播路径的季节性格局。

粗糙度梯度、边界层分层与起尘阈值的耦合

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1.粗糙度梯度在边界层形成局部剪切层，改变局地风速与风切变，影响尘粒起动阈值的时空波动。

2.不同尺度涡结构在梯度区的聚集或分散决定动量再分配的局部特征，影响沙尘暴的初始抬升区域。

3.与极端干旱或降水叠加时，地表湿度与团聚状态改变尘粒起动条件及颗粒规模分布。

观测与数值模拟中的陆面粗糙度更新

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1.高分辨率遥感与现场观测用于更新z0与粗糙度场，提高风场模拟对风能分配的再现性。

2.大涡模拟（LES）和区域模式耦合改善近地层风速、湍能分布及边界层厚度的再现。

3.不确定性分析与多源数据融合提升对粗糙度反演的鲁棒性，增强对沙尘暴风险的预测与预警能力。

近地层能量通量分解与尘暴耦合过程

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1.涡黏性耗散与动量再分配决定地表与上层风能分布，直接影响尘粒起动门槛。

2.风速分布与风切变的组合决定尘粒盐化粒径范围及运输路径的偏好。

3.地表粗糙度在裸地、耕地与沙漠边界的变化影响尘埃释放效率与局地风暴强度。

趋势、前沿：耦合陆表演变、气候变化下的风能分配与沙尘暴风险

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1.城市化与土地退化改变粗糙度谱，重塑区域风场并提升沙尘暴暴发强度的潜在性。

2.极端风速分布与边界层不稳定性受气候变化影响，提升对沙尘暴预测的不确定性。

3.生成模型在多源数据融合中的应用，反演地表粗糙度场、预测尘暴路径与强度、提升提前预警水平。陆面粗糙度与风能分配

陆面粗糙度是描述地表对近地层风场阻力大小的一个关键参数，通常以粗糙长度z0来量化。不同地表类型的z0存在显著差异：裸露沙地、干燥坚硬地表、松散表层以及薄覆植被的粗糙长度范围各不相同，城市地表、岩石碎屑堆积区、湿润草地等更具复杂性。粗糙度通过改变近地层风速剖面和动量通量，直接影响风能的分配，即平均风能与湍动能之间的分配，以及近地层湍动能的产生与耗散过程。在沙尘暴发生机制的研究框架中，陆面粗糙度对风能分配的作用体现为：一方面通过z0调控近地风速梯度与剪切应力，改变地表附近的动量传输强度；另一方面通过改变量程中的湍动能产生/耗散平衡，影响近地层湍流的强度及其频繁性，从而影响沙尘粒子被提升的概率与强度。

一、风速剖面与动量通量的基础关系及粗糙度的作用机理

在中性稳定条件下，地表附近的风速剖面可用对数风速分布表达：U(z)≈(u*/k)ln(z/z0)，其中U为高度z处的风速，u*为摩擦速度，k为科伦数（约为0.41），z0为粗糙长度。粗糙长度的大小决定了地表对剪切应力的响应强弱，以及风速随高度变化的陡缓程度。对于相同高度的观测风速，较大的z0通常伴随较小的ln(z/z0)值，从而需要更大的u*来维持同样的U(z)；换言之，粗糙度增大时，在给定的远离地面参考高度下，动量通量增大，地表附近的剪切应力增大，近地层湍动能的生产也随之增强。这种机制在自然裸露地表和覆盖地表之间的对比中尤为明显：当地表从裸露的干燥沙地转变为有薄植被覆盖或地表面层形成硬壳时，z0增大，地表的动量交换能力显著提高，近地层的湍流混合强度随之增强，但由于地面高耸结构与黏性边界层的影响，近地面的平均风速常出现下降趋势。

二、陆面粗糙度对风能分配的定量体现

风能分配可理解为单位时间内从大尺度的均匀风场中“分配”到近地层的湍动能、剪切能以及热力生产等多种分量。粗糙度通过改变边界层的动力学场，改变湍能生产项P、耗散项ε以及产生与传输项T的大小和分布。具体而言，粗糙度增大往往会带来以下效应：

-表面剪切应力增大与湍动能生产增强：粗糙地表提高了地表的摩擦力，导致摩擦速度u*增大；在同一高度下，剪切应力的增加推动近地层湍动能的生产项P增大，提升局部湍流强度及风速波动的强度。这种增益在生物覆盖、建成区以及硬壳地表上尤为显著。

-近地风速下降与湍流分布再分配：尽管近地面风速因增加的阻力而趋于降低，但上层以下的剪切率和湍动能的分布会发生再分配，导致近地表区域常出现更强的湍动脉冲与更高的风速方差，即“风口浪尖型”气流在局部区域更为频繁。这种现象对沙尘暴中颗粒的起动和输送尤为关键。

-稳定性背景下的修正效应：在热力不稳定性条件下，陆表粗糙度与温度梯度的耦合会改变湍流的垂直输运方式，粗糙表面在一定程度上抬升近地层的湍流强度并提高混合尺度，促进尾部对流活动的加强；在稳定条件下，粗糙度的作用则更多表现为局部剪切与湍流的局部增强，抵消了部分因稳定性抑制导致的湍流下降趋势。

三、数据层面的典型取值与区间认识

-z0的取值区间：裸露沙地和干燥硬质地表的z0多在0.001–0.01米量级；薄覆植被、干燥草地等覆盖地表可达到0.01–0.05米；较为粗糙的crusted/surfacehardened地表与城市地表的z0常见在0.05–0.2米甚至更高；具体数值随湿度、表面压实程度和颗粒组成而显著变化。

-摩擦速度u*的范围：在海拔平原、干旱区裸露土壤的观测中，u*的典型量级约在0.2–0.5m/s之间；当地表覆盖增加、湿润或压实程度提高时，若以同一观测高度给定风速，需的u*往往升高，表明近地层的剪切强度增强但地表输出的有效风速下降区间被压缩。

-近地层湍动能与P/ε的相对变化：粗糙度提升通常使近地层的湍动能谱在中低频段的能量分布更为突出，局部高度处的P增大，而ε随高度逐渐增加，表明边界层中的能量循环在更窄的垂直尺度内完成。

四、与沙尘暴发生机制的耦合关系

沙尘暴的起动与持续强度在很大程度上取决于地表粗糙度对风能分配的影响。关键联系包括：

-起动阈值与粗糙度的关系：起动风速与摩擦速度u*t之间的关系在很大程度上由地表松散性、含水率、粘着性等因素决定。粗糙度增大往往提高了地表对剪切应力的抵抗力，需要更高的风速才能达到同等的u*t，从而提高了起动的门槛；但一旦达到阈值，粗糙地表产生的强烈近地层湍动能生产与更高的风速波动将显著提升尘粒的落点跳跃和起动概率。

-盐激起动机制中的风能分配：在盐跳效应与风吹起尘粒的过程中，近地层的短时强风脉冲（gustiness）与高频湍动能对粒径较小的尘粒起动尤为重要。粗糙度增大带来的湍动能增强和风速波动增大，会提高高频分量的能量密度，使粒子在短时尺度内获得足够的剪切力进行起动。

-尘粒输送与风能谱的耦合：粒子输送效率不仅取决于平均风场，还与湍动能在不同尺度上的分配有关。粗糙地表通过改变能量在尺度空间的分布，改变了尘粒在不同高度的输送效率与停留时间，从而影响风沙区尘暴的扩展性与持续性。

五、建模与参数化中的关键考虑

-能量预算框架的应用：在边界层模型中，需通过对数风速剖面、湍动方程及能量预算方程来描述P、ε、T之间的平衡关系。粗糙度z0作为边界条件进入到风速剖面和湍流产生项的耦合关系中，影响到预测的摩擦速度u*及风场垂直分布。

-Dustemission模型中的参数化：常用的Dust模型引入u*t阈值、风速分布的尾部与脉冲分布、以及gustiness因子等参数来描述尘粒的起动与输送。粗糙度通过改变u*与局部风速的关系，间接影响起动函数、颗粒通量及粉尘浓度剖面的估计。

-稳定性校正与多尺度耦合：在不稳定边界层，粗糙度的作用被放大化，因为对流活动与近地层湍流传输能力增强；在稳定边界层，粗糙度的作用表现为局部剪切与垂直传输的竞争，需要通过Monin-Obukhov相似理论的稳定性修正来调整参数化关系，避免在不同气象条件下的误差积累。

六、观测与实验层面的证据与建议

-实地观测与风场廓线数据对于理解粗糙度对风能分配的影响至关重要。高分辨率涡动风速计、超声多普勒测速仪以及风廓线探空资料可提供近地层到几百米高度的湍动能分布与剪切应力的演变信息。

-实验与数值模拟中，需对不同地表类型的z0进行敏感性分析，评估其对u*、U(z)以及风场湍动能谱的影响。对于沙尘暴区域，建议结合地表水分状态、表层黏性与颗粒成分对dustemission参数的影响进行多场景对比分析。

-多源数据融合的风沙模式更易于抓住陆表粗糙度与风能分配之间的耦合关系。遥感对地表覆盖变化的监测、地表湿度的快速估算、以及地表粗糙度的参数化表示应协同更新，以提升对沙尘暴发生机制的预测能力。

七、结论性要点

-陆面粗糙度通过直接改变近地层风速剖面与摩擦速度、间接调控湍动能的产生与分布，显著影响风能在边界层的分配格局。粗糙度增大通常提升地表动量通量与近地层湍流强度，但在给定高度的平均风速可能下降；这种“强近地层湍流、弱近地面均风”的组合对沙尘粒子起动与持续输送具有重要意义。

-在沙尘暴研究中，理解不同地表类型所对应的z0范围及其对u*与U(z)的综合影响，是提升风沙过程参数化与模式预测能力的基础。未来的研究应加强对不同行为地表的z0随湿度、压实度、结壳化程度等因素的动态变化表征，以及在多尺度模型框架中对风能分配的精细化描述，以更准确地模拟沙尘暴的发生、扩展与强度演化。第六部分黏性与湿度对粒径的影响关键词关键要点黏性对粒径分布的基础影响机理

1.黏性提升粒子间黏结力与团聚概率，促使中等至粗粒径聚集，抑制极细粒的风力输送比例。

2.黏性改变颗粒碰撞与破碎过程中的动量传递，导致粒径分布呈偏态化，需要在起动与传输预测中引入黏性参数化。

3.将黏性系数纳入分布演化方程，可改进起动风速与粒径分布的耦合预测，并与湿度场协同考虑。

湿度对颗粒黏结与团聚的影响

1.湿度提升水膜与桥连效应，提高颗粒表面黏结力，促使粒径向较大尺度聚集。

2.湿度变化改变有效比表面积与团聚速率，影响细粒到中颗粒的输运比例与沉降行为。

3.湿度-黏性耦合呈非线性响应，需实验-现场观测-模型三位一体的框架来约束参数。

黏性与湿度耦合对阈值风速与起动机制的影响

1.黏性与湿度共同提高起动风速，抑制微粒初始起动，改变风沙起动阈值。

2.高湿增加水膜桥连，易形成颗粒团聚体，在某些粒径段提升起动风速；干燥条件下黏性下降，阈值降低。

3.不同粒径对黏性-湿度的敏感性不同，需对区域尺度的粒径分布与场风条件进行分层分析。

粒径分层与运输路径的黏性-湿度效应

1.黏性与湿度共同决定粒径分层格局，低湿时大粒径易被风搬运，高湿时细粒更易聚集。

2.垂向-横向传播受团聚变化影响，沙尘暴强度与沉降区域随黏性-湿度场波动。

3.需多尺度演化模型与现场观测共同约束，提升对纵向传输与地表沉降的预测能力。

实验与观测前沿：湿度-黏性的测量与数据融合

1.利用湿度箱、黏结力仪、微风洞等手段获取湿度-黏性对粒径分布与团聚的影响数据。

2.结合高分辨激光粒度仪、散射与成像技术，提升对微米级黏性影响的分辨能力。

3.将地基观测与卫星、气象数据结合，反演区域尺度的黏性-湿度场对粒径运输的控制效应。

数值模拟与参数化的前沿进展

1.在CFD-DEM等模型中引入动态黏性系数与水膜厚度，耦合湿度场实现粒径分布演化预测。

2.湿度场异质性通过多尺度耦合机制影响团聚率与起动阈值，提升尘暴场强演化的可控性。

3.基于观测数据的数据同化与反演方法，约束黏性-湿度相关参数，提高区域尺度沙尘暴预报的准确性。黏性与湿度对粒径的影响

黏性在沙尘暴形成过程中体现为粒子间的黏聚力，主要源于颗粒表面的吸附分布、微观接触和水分桥接等因素。湿度则通过在颗粒间形成水膜与毛细桥，对黏聚力进行调控。两者共同作用决定床面颗粒在风应力作用下的解聚、起动与传输过程中的粒径分选特征。系统研究表明，湿度增强黏聚力，显著抑制细粒径的释放，并使粒径分布向更粗的区间偏移；这一效应在不同土壤组成、含水状态及环境温度下呈现不同强度，但总体趋势是一致的：黏性与湿度的上升均促使出射粒径分布出现向上偏移的倾向。

一、黏性与湿度的物理机制

黏性是指颗粒之间因电性、表面润湿及毛细水桥等作用产生的内聚力。水分在颗粒间形成的桥连力随湿度增加呈增长态势，当相对湿度从低湿（RH<30%）提升至中湿（RH≈40%～70%）区间，毛细桥的容量和长度随之增大，黏聚力显著增强。在高湿（RH≥70%）条件下，润湿层进一步扩展，水膜覆盖颗粒表面，粘附力由短程毛细力向较大面积的润湿黏性转化，导致颗粒在风剪切力作用下更难分离。可观测到的结果是，黏聚强度与湿度之间呈非线性耦合关系：初期湿度的微小增加即可提高黏聚力，进入高湿区后，黏聚力的增幅趋于饱和，但对极细粒的再聚合与聚集效应仍然显著。

二、对粒径分布的直接影响

1)粒径选择性的改变。黏性与湿度增加会降低细粒径（特别是粒径小于2～5μm）的释放概率。原因在于细粒更易通过毛细桥与土粒结合成簇团，或者因水膜润湿而团聚成为更大的颗粒群，从而降低进入风场的可分散颗粒部分。这种效应在含黏粒多的土壤（如粉砂壤、黏质土）中更为明显。实际观测与试验中，湿润条件下可释放的粒径分布峰值向较大粒径方向移动，微粒组分的质量分数下降，而中等粒径（2～10μm）及其附近的分布相对增强。

2)粒径分布的形状与强度。湿度导致的颗粒间黏聚在时间尺度上具有稳定性，降低了瞬时粒径的离散性，使得粒径分布曲线变得相对窄窄，尾部的超细粒径以及极粗粒径的比例均减少。这与风场在高湿情况下对微粒的挑选性削弱相一致，即风力驱动下的二次碰撞与聚集过程更易形成团聚簇，进一步抑制单粒子尺度的直接释放。

三、起动与传输阶段的耦合效应

风沙过程可分为起动阶段与撞击阶段两大环节。起动阶段以床面黏聚力和风剪切力的平衡为核心，湿度上升提高黏聚力，使得达到起动的风速阈值（摩擦风速，u*t）上升；这意味着在同等风场条件下，只有更强的风力才能引发尘粒释放。撞击阶段则受粒径与团聚强度共同决定。一旦进入撞击阶段，细粒子更容易被颗粒团聚体吸附并被剪切、崩解成更大颗粒团，因而最终释放到空气中的颗粒粒径往往偏向较粗范围。这种效应在风速连续波动、湿度持续存在的情境下尤为明显。

四、定量描述与参数化要点

1)起动阈值的湿度依赖。近似可用经验关系描述u*t随相对湿度的上升而增大的趋势：u*t(RH)≈u*t0[1+κ(RH−RH0)],其中u*t0为低湿条件下的起动阈值，RH0为参考湿度，κ为湿度敏感系数。不同土壤类型与温度条件下，κ的数量级从0.005到0.02/％RH区间不等。该关系表明，湿度提升对起动门槛的影响在高湿区更显著，且黏性越强的床面，κ越大。

2)粒径分布的数值特征。以d50为代表的中位粒径在高湿条件下具有向上的移动趋势，典型情况下在RH从20%提高到80%区间，d50可增加0.2～0.6μm，具体幅度依赖土壤粒径组成、黏粒含量与水膜覆盖程度。对于极细微粒（<1μm），在湿度较高时释放率下降更为显著；对粗粒（>20μm）而言，湿度的影响相对较小，甚至在某些情形下仍可因团聚导致的粗粒参与度增加。

3)土壤黏性与湿度的耦合效应。土壤的颗粒级配与黏聚结构决定了水分在微观尺度上的分布方式。黏性土与含水率在同等RH下的黏聚力增量通常高于砂质土，因而湿度对粒径分布的抑制效应更强。对粉质黏土或高黏性粉砂而言，粒径上界的提高更明显，细粒的释放被显著压制，风域内细颗粒污染的抑制效应更为突出。

五、实验与观测的要点与应用意义

在田野观测与模拟试验中，温湿度、床面水分状态、风速分布及土壤水分特征参数共同决定粒径分布的观测结果。实验设计应覆盖低湿—高湿、弱风—强风等多组分情景，以分离黏性与湿度对粒径分布的独立与耦合影响。若以沙尘暴预报为目标，将黏性与湿度参数整合入粒径选择性函数，是提升模型对PM2.5/PM10比重及粒径分布演化预测能力的关键。例如，在耦合风沙过程的区域气象模型中，加入基于湿度的黏聚系数与以RH为输入的起动阈值调参，可以提高粒径分布预测的一致性与时空一致性。

六、结论性要点

1)黏性与湿度共同决定了风沙起动效率及粒径分选特征。湿度上升通常增强颗粒间黏聚力，抑制微粒释放，推动释放粒径向较粗区间偏移。

2)粒径分布的响应具有土壤依赖性。黏性较高、含黏粒丰富的土壤在相同湿度条件下表现出更强的粒径向上移位与分布窄化效应。

3)实用层面，需在风沙模型中引入湿度依赖的黏聚参数及粒径选择性函数，以提升对PM2.5、PM10及其分布形态的预测能力，进而提高区域空气质量与灾害预警的准确性。

4)未来研究应加强对毛细桥、润湿层和水膜在不同温湿条件下的定量表征，建立不同土壤类型的湿度-黏聚系数的参数化关系，以及将微观黏聚力变化与宏观粒径分布变化对齐的过程模型，以促进对沙尘暴发生机制的全面理解与准确模拟。

以上论述明确揭示，黏性与湿度对粒径的影响具有稳定的物理本质，且在不同环境与土壤条件下呈现一致的趋势：湿度提升黏聚力，显著抑制细粒释放，促使粒径分布向较粗区间偏移。这一认识为改进沙尘暴发生机制的理论模型、提高数值预报精度提供了重要的物理基础与参数化方向。第七部分云系对沙尘暴的调控关键词关键要点云系垂直结构与尘暴触发窗口,

1.云系的强对流及其与地表风场的耦合决定沙尘暴触发的时间窗与空间分布，影响起爆点的选取与扩展速率。

2.云顶高度与云夹带微物理过程（凝结核、降水回收）改变尘粒进入对流层的机会与初始粒径分布，从而调控初始强度与后续演化。

云系降水与湿化效应对尘源区尘卷层形成的调控,

1.云降水改变地表湿度与土壤水分状态，降低地表扬尘所需风速阈值并影响粒径分布，抑制或延缓初始扬尘。

2.降水后地表湿润与近地层不稳定性变化可能在短时内推动边界层重新积累能量，导致尘暴再起与强度波动。

云系辐射传输与气温/湿度场对沙尘暴扩展和路径的影响,

1.云系辐射强迫改变地表温度梯度与边界层高度，重塑风场结构，进而影响尘暴的扩展路径、持续时间与区域覆盖。

2.云系带来的湿度廓线变化与低层稳定性调整尘粒释放高度与粒径分布，决定尘暴强度的时空分布与观测厚度。

云-气相互作用的微物理过程在沙尘暴生成的敏感性,

1.云滴核与尘粒的湿润、聚集及表面黏结效应改变尘粒抬升阈值与悬浮能力，影响初起概率、早期峰值和纵向发展。

2.云相变过程（冰晶形成、雨滴蒸发）对近地层湿度与湍动强度的调控，影响边界层稳定性与尘暴维持周期。

云粒子–尘粒子相互作用及云滴凝结核对粒径分布、尘土扬起门槛的影响,

1.云粒子与尘粒在同一云系中的水汽竞争与黏结力改变尘粒粒径分布与地表起尘阈值，影响扬尘启动概率。

2.云滴蒸发-凝结循环对粒径分布与沉降速度的调控，决定尘暴中尘粒悬浮时间、观测厚度与强度分布。

气候变化背景下云系分布演化对未来沙尘暴频次与强度的趋势与不确定性,

1.全球变暖改变云系覆盖与对流活动格局，可能推动尘暴触发窗及风场结构的区域迁移与极端性分布的变化。

2.结合多源观测与高分辨率数值模拟，建立云系-尘暴耦合预测框架，量化趋势区间、区域差异及不确定性。云系对沙尘暴的调控

引言

沙尘暴的形成、发展与消亡是一个受多尺度耦合控制的过程，云系在其中扮演着双向调控的核心角色。云系通过直接的降水洗涤、云滴与尘粒相互作用、辐射强迫及水汽分布的改变，影响尘源区的起尘条件、风场强度、边界层结构以及尘粒在大气中的垂直输送路径。研究表明，在区域尺度和时间尺度上，云系对沙尘暴具有显著的抑制或促进效应，且效应的强弱取决于云系的类型、强度、降水强度与分布、尘源地表条件以及大尺度环流背景。以下内容在综合观测、数值模拟与机理分析基础上，对“云系对沙尘暴的调控”进行系统梳理，强调直接降水洗涤效应与间接辐射-边界层耦合机制，以及云-尘耦合过程中的反馈。

云系的分类与沙尘暴生命周期中的作用

-对流云系与垂直升降结构：对流云群可产生强烈的上升气流，具备将地表尘粒输送至对流层高空的条件。若降水量较大且洗涤作用显著，尘粒在进入中高层云区的过程可能被迅速捕获、冷凝或沉降，进而切断对地表的持续起尘供给，缩短沙尘暴的持续时间，降低强度。相反，在对流活动尚未形成显著降水洗涤之前，强上升气流有利于尘粒提升并进入远距传输路径，形成早期的广域尘雾区域。对流云与尘粒的耦合对尘粒粒径分布也有影响，粒径较小的尘粒更易被云滴凝并进入云相过程，导致局地风场与输送通道的变化。

-高层云系（如层状云、雨带云、卷云等）与辐射-热力结构：高层云通过对短波和长波辐射的吸收与散射，改变地表及近地层的辐射平衡，降低地表入射辐射，削弱地表热力驱动，抑制对流扩展与边界层抬升，进而降低起尘阈值的达到概率与尘暴的强度。与此同时，高层云带来较强的长期降水和湿润环境，显著提升局地湿润度，对尘暴生命周期形成抑制性约束。

云对沙尘暴的直接作用机制

-降水洗涤效应：降水对尘粒的直接清除作用是云系调控沙尘暴的最直接机制之一。降水发生时，地表与近地层的尘粒被雨滴、雪滴及雾滴的碰撞、凝并和沉降所清除，导致地表尘粒浓度下降、粗颗粒尘粒沉降增强、能量输入减弱，从而显著降低沙尘暴的发生概率、强度及持续时间。观测与分析显示，当降水覆盖率、降水强度及持续时间达到一定阈值时，沙尘暴事件的概率与强度通常呈现明显下降趋势，且降水日与沙尘暴日的时间相关性在降雨后期更加明显。需要注意的是，降水洗涤效应具有区域性和时序依赖性，局地强降水可能对地表尘源区造成强烈抑制，而在降水未覆盖到起尘区时，尘暴仍可能在风场推动下发生。

-云滴与尘粒的表面与相变作用：尘粒作为凝结核、冰核在云内的参与，改变了云微物理过程的展开。尘粒被云滴包裹或发生表面化学改变后，其粒径分布、表面积和极性特征改变，进而影响尘粒的沉降速率、在风场中的携带时间与传输效率。若尘粒在云内经历较高的湿润条件，可能促使部分尘粒凝并在云滴上生长，改变其在不同高度层的停留时间和扩散特性，从而影响区域尺度的尘雾分布格局。

-云对尘粒电性与凝结过程的影响：尘粒带有电荷特性，云雾过程中的电荷分布与离子化环境变化对黏附、聚合与凝结过程产生影响。这些微观过程将间接作用于尘粒在大气中的动力行为、润湿性及颗粒集聚态的形成，进而影响尘域的宏观输送与沉降。

云对沙尘暴的间接作用机制

-辐射强迫与边界层结构改变：云系通过降低地表短波辐射和改变长波辐射分布，降低地表热力驱动，减小对流活性和边界层高度上升趋势。边界层高度的下降通常伴随着近地层风速的减弱、湍流混合强度的减退，从而降低尘源区的起尘条件以及污染层的持续性。云系的辐射效应对区域尺度的风场格局产生显著影响，使大尺度环流背景下的局部强风演变具有时空异质性，进而影响尘粒的输送路径与沉降区域。

-水汽分布与湿润环境的调控：云系会改变区域水汽通量分布与相变过程，改变干湿区的水汽边界层结构，影响风场稳定性和地表蒸发/蒸散过程。湿润环境往往抑制强风生成和地表干燥层的形成，降低起尘概率；相对地，在云系分布不均且降水不足的情形，局地仍可能维持较强的风场与清洁度较低的尘源区域，从而影响尘暴的时空分布格局。

-云-尘耦合的反馈机制：尘粒在云中的行为不仅受云微物理过程影响，也反过来影响云的演变。尘粒作为凝结核和云滴形成的催化剂，改变降水分布和强度，进而影响云的寿命、云顶高度与辐射特征，形成云-尘耦合的反馈环路。此类耦合在区域尺度上可能改变降水格局与云系的纵向扩展特征，进而对沙尘暴的发生概率与传播路径产生系统性影响。

观测证据与数值模拟的综合证据链

-卫星与地基观测证据：遥感观测表明，降水事件与云系覆盖增强时，DustAOD在短时空尺度内呈现显著下降趋势，云覆盖率的增加与尘暴日的减少呈统计负相关关系。LIDAR与地面气球探测揭示，在云系活动期，尘粒的垂直分布较清晰的雨区出现下降或抬升迟滞，云-尘混合云阶段尘粒的停留高度及沉降速率显著改变。

-数值模拟证据：在高分辨率区域模式中，云微物理方案、辐射传输与尘散过程耦合对沙尘暴的再现具有决定性影响。WRF-Chem、GEOS-Chem等耦合模拟显示，云系强度及降水强度的变化通过调整边界层高度、风速场、尘源排放和沉降速率，显著改变尘粒的时空分布。降水事件后，尘粒沉降加速、边界层高度下降，沙尘暴的强度和持续时间趋于减弱；在对流云活动强烈但降水不足以进行有效洗涤的情形，尘粒的上升高度可能增大、传输距离延长，但总体对地表起尘的净效应仍以降水抑制为主。

机制框架的综合认识与应用

-短期调控方面，降水洗涤与边界层抬升抑制共同决定了沙尘暴的即时强度与持续时间。云系若在起尘区形成显著降水，尘暴发生的概率将显著下降，且若降水覆盖率达到一定阈值，尘暴的强度衰减更为明显。

-中期调控方面，云系通过湿润条件与风场重组改变局地起尘条件。暖湿云系的存在通常抑制干燥区的强风形成，降低起尘阈值；而在风场被云系改造为较强的对流结构但降水不足以清洗尘粒时，尘暴的某些阶段可能因局部风场增强而呈现局部化的加强。

-长期与区域尺度调控方面，云-尘耦合对区域水循环、干湿分区和风场分布产生的累积效应，可能对沙尘暴的统计尺度产生系统性影响。这要求在灾害评估与天气-气候预报中，将云系演变、降水分布以及云-尘耦合过程纳入多源数据同化与高分辨率区域化预报体系。

研究难点与发展方向

-云系的垂直结构与微物理过程高度复杂，尘粒在云内的命运取决于云滴/冰晶相变、温度与湿度场、辐射场的耦合，现有参数化在区域尺度仍存在较大不确定性，需要通过观测约束与过程研究提升云-尘耦合的物理表示。

-观测覆盖不足与数据同化的挑战，尤其是在高空云层的尘粒分布、云滴谱、相变过程及辐射场中的不确定性，需要整合卫星、激光雷达、地基观测与探空资料，建立更有效的数据同化框架。

-区域尺度预报的应用价值在于建立以云系