《Atmosphere》：Numerical Simulation of the Impact of Turbulent Bursting on the Entrainment of Sand and Dust Particles
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理解沙粒与尘埃颗粒如何从地表脱离的机制，一直是风沙物理学与沙尘暴预报中最基础且最关键的问题之一。本研究采用大涡模拟（LES）解析近壁湍流结构。利用第二象限判据识别湍流猝发事件，并在猝发发生位置建立尘埃颗粒卷入的受力平衡方程，从而数值模拟猝发条件下不同粒径颗粒的
理解沙粒与尘埃颗粒如何从地表脱离的机制，一直是风沙物理学与沙尘暴预报中最基础且最关键的问题之一。本研究采用大涡模拟（LES）解析近壁湍流结构。利用第二象限判据识别湍流猝发事件，并在猝发发生位置建立尘埃颗粒卷入的受力平衡方程，从而数值模拟猝发条件下不同粒径颗粒的卷入过程。通过结合沙尘暴期间近壁湍流相干结构的最新观测数据，既提高了流场模拟的准确性，也增强了颗粒受力分析的物理一致性。结果表明，在当前理想化受力平衡框架内，近壁湍流猝发能够提供有助于沙粒和尘埃颗粒卷入的空气动力作用力，且这一结论在所模拟参数范围内成立。在相同摩阻速度下，被抬升颗粒的平均数量随粒径增大呈先增后减变化，表现为抛物线型趋势。对于相同粒径颗粒，被抬升颗粒数量随摩阻速度增大而显著增加。在相同来流风速下，被抬升颗粒的数通量随粒径增大而非线性减小，而质量通量则随摩阻速度和粒径增大持续上升。这些发现进一步证实了空气动力卷入对风沙输运的关键贡献，并为完善沙粒卷入双机制理论提供了数值支持。
该文发表于《Atmosphere》，聚焦风沙起动中长期存在的关键科学问题，即地表沙尘颗粒究竟如何在近地层气流作用下脱离床面。既有经典理论通常将撞击卷入视为主导机制，而把空气动力卷入置于次要地位，但近年风洞实验、理论分析与野外观测表明，这一认识可能低估了近壁间歇性湍流过程的作用，尤其是湍流猝发（bursting）在瞬时动量交换和颗粒起动中的贡献。研究人员据此开展本研究，目的在于在不引入跃移颗粒撞击效应的条件下，单独评估近壁湍流猝发能否为不同粒径沙尘颗粒提供足够的空气动力抬升作用，并进一步厘清风力驱动卷入在风沙输运中的独立贡献。研究结果表明，在设定的理想化床面和参数范围内，近壁湍流猝发可直接促成颗粒卷入；颗粒抬升平均数对粒径表现出单峰响应，对摩阻速度表现出显著正响应；颗粒数通量随粒径增大而下降，而质量通量则在模拟粒径范围内随粒径和摩阻速度增大而上升。该研究的重要意义在于，从数值模拟角度强化了空气动力卷入在风沙起动中的地位，为修正以撞击卷入为绝对主导的传统认识、完善沙粒卷入双机制理论提供了依据，也为风沙输运参数化和沙尘暴预报提供了更具物理针对性的支撑。
研究人员采用的主要技术方法包括：基于Advanced Regional Prediction System（ARPS, version 4.5.2）构建大涡模拟（LES，大尺度湍流显式解析）近壁流场，使用Smagorinsky次网格尺度（subgrid scale, SGS）闭合方案表征未解析应力；依据第二象限判据识别近壁喷射型湍流猝发事件；在猝发发生位置引入颗粒受力平衡模型，综合空气动力升力、颗粒淹没重力与颗粒间黏附/黏滞阻力，计算不同摩阻速度与粒径条件下的颗粒卷入；同时结合沙尘暴期间近壁相干结构的观测认识对流场与受力分析进行物理约束。样本并非生物队列，而是数值计算中设置的1–295 μm颗粒粒径范围及8–12 m/s来流风速条件。
在研究结果部分，作者首先在“3.1. Spatiotemporal Characteristics of Turbulent Bursting”中分析了湍流猝发的时空特征。通过LES解析近壁流场，并用第二象限判据统计单位时间内猝发事件占比，结果显示猝发发生比率随无量纲摩阻速度变化较弱，不同工况差异均处于不确定性范围内。这说明在模拟范围内，喷射型近壁猝发并不受摩阻速度强烈控制，而更像是一种高频、重复出现的近壁湍流过程。进一步通过固定水平面上的猝发影响面积统计，研究得到平均猝发面积比为6.73%，表明湍流猝发具有显著的空间局地性与间歇性。这一结果解释了沙尘颗粒卷入空间分布不均匀的原因，并与野外观测中壁附着涡（wall-attached eddies）局地相干特征相一致。
在“3.2. Dependence of the Mean Number of Lifted Particles on Particle Diameter”中，研究人员讨论了被抬升颗粒平均数对粒径的依赖关系。通过在猝发检测时段内统计不同摩阻速度下、相同采样节点数条件下的颗粒卷入数量，并与Foucaut and Stanislas的实验趋势进行归一化对比，结果发现：对任一给定粒径，摩阻速度越大，被抬升颗粒平均数越多。这说明更高摩阻速度能够增强近壁湍动能，提高猝发事件的空气动力抬升能力，使颗粒更容易克服重力和黏附/黏滞阻力。同时，对任一给定摩阻速度，被抬升颗粒平均数随粒径增加呈先增后减的单峰变化，即倒抛物线趋势。这意味着存在一个中等粒径区间，在该区间内颗粒最易被卷入。对于更细颗粒，黏附/黏滞阻力占主导；对于更粗颗粒，颗粒重力迅速增加，需要更强的猝发抬升作用才能起动；两者之间则对应卷入阻力最小、卷入效率最高的粒径范围。
在“3.3. Variation in the Uplift Flux of Sand and Dust Particles”中，作者将分析扩展到颗粒卷入通量。研究明确指出，此处卷入通量仅指湍流猝发在单位面积、单位时间内从床面卷入的颗粒数或颗粒质量，不包含撞击卷入成分。基于平均猝发面积比与床面可供颗粒数的几何关系，作者建立了颗粒总数、单次猝发抬升颗粒数与猝发事件数之间的联系，并进一步计算数通量与质量通量。结果显示，在不同摩阻速度下，颗粒数通量均随粒径增大而非线性下降。这一趋势不同于前述“平均抬升颗粒数”对粒径的单峰响应，因为随着粒径增大，单位床面积上可供卷入的颗粒数按几何关系减少。因此，即便中等粒径颗粒更易被单次猝发抬升，整体数通量仍会随粒径增大而下降。与此同时，对固定粒径而言，数通量随摩阻速度增大而增大，反映出高能猝发事件更强的卷入能力。质量通量则表现出不同规律：在模拟粒径范围内，对任一给定粒径，质量通量随摩阻速度增大而增大；在相同摩阻速度下，质量通量随粒径增大而上升。其原因在于单颗粒质量与粒径的三次方相关，尽管粗颗粒被卷入的数量较少，但一旦被抬升，对总输运质量的贡献仍然显著。作者同时强调，数通量与质量通量的粒径依赖性部分来源于通量公式本身嵌入的代数尺度关系，因此这些趋势不能被简单理解为仅由LES独立“发现”的现象。
在“3.4. Comparison with Previous Studies”中，研究人员将本研究结果与已有研究进行了两方面比较。其一，与Li等人的野外机器学习分析相比，当前LES表明喷射型猝发可在瞬时尺度上产生足以抬升颗粒的空气动力，而Li等人通过SHAP分析发现，扫掠事件（sweep events）与跃移起动关联最紧密。作者指出，这种差异并不矛盾，而是说明在不同时间尺度和诊断框架下，猝发循环的不同阶段可能表现出不同重要性：毫秒尺度上短时猝发事件构成直接物理触发，而场尺度上近地层流向风速与扫掠活动则提供可观测信号。其二，与You and Wan关于室内再悬浮的研究相比，二者都认定湍流猝发是颗粒脱离的重要机制，但控制因素不同。前者聚焦大气边界层中沙粒空气动力卷入，强调摩阻速度与粒径效应；后者则表明相对湿度升高可通过增强毛细黏附显著提高再悬浮阈值。由此可见，未来风沙卷入参数化需要更明确地考虑表面黏附性与湿度变化对细颗粒排放的调制作用。作者同时提醒，本文关于“猝发诱导空气动力可促成颗粒卷入”的结论依赖于所选升力参数化、理想化床面表征、经验黏附/黏滞阻力以及猝发识别阈值，因此应视为理想空气动力条件下的模型估计，而非自然风沙起动中“湍流猝发单独占主导”的直接证据。
在“3.5. Model Assumptions and Limitations”中，作者系统讨论了模型假设与局限性。首先，颗粒被假定为在理想化床面上均匀分布，但天然风沙地表通常具有粗糙度、堆积结构、结壳和微地形等空间异质性。其次，颗粒间阻力被简化为有效黏附/黏滞力，未显式纳入湿度诱导毛细力、静电作用、颗粒棱角性、矿物组成差异及接触面积分布。再次，模拟仅考虑代表性粒径，而非完整天然粒径谱。这些假设有助于隔离湍流猝发的空气动力作用，但也限制了将模拟通量直接外推至复杂野外环境的能力。因此，本文结果应被理解为理想化床面条件下的模型估计。未来工作需进一步纳入表面水分、非均一粗糙度、黏附力分布以及实测粒径分布，以提升模型在天然沙尘排放与风沙输运环境中的适用性。
讨论与结论可概括为：本研究通过LES成功再现了近壁湍流猝发的主要时空特征，表明其发生频率对摩阻速度不敏感，但空间分布高度局地化；在理想化纯空气动力框架下，猝发诱导升力在部分粒径范围内足以克服颗粒重力与黏附/黏滞阻力，从而直接促成风沙颗粒起动；颗粒卷入效率对粒径呈中间粒径最优的单峰特征，对摩阻速度则呈稳定增强趋势；在模拟粒径范围内，数通量随粒径增大而减小，质量通量则随粒径和摩阻速度增大而上升，但这一趋势受公式尺度关系制约，不能外推至更粗颗粒区间。总体而言，研究结果为“近壁湍流猝发影响空气动力卷入”提供了数值评估，提示风沙颗粒起动模型应明确纳入猝发诱导空气动力卷入，同时必须认识到相关估计建立在理想化床面与简化黏附处理基础之上。
研究结论部分可译为：本研究采用大涡模拟（LES）解析近壁流场，利用第二象限判据识别湍流猝发，并在猝发位置借助受力平衡模型评估尘埃颗粒卷入。在本文所考虑的摩阻速度和颗粒粒径范围内，主要结论如下。第一，LES结果再现了近壁湍流猝发的主要时空特征。猝发发生比率随摩阻速度仅表现出微弱变化；猝发在空间上呈间歇性并局限于近壁区域，平均猝发影响面积比为6.73%。第二，在当前理想化建模框架下，猝发诱导的空气动力作用被估计可在部分模拟粒径范围内达到颗粒卷入所需水平，说明在本研究所涉及参数范围内，猝发诱导空气动力卷入能够对风沙颗粒起动产生直接贡献。第三，在给定摩阻速度下，被抬升颗粒平均数随粒径增大呈先增后减变化，表明存在一个卷入效率最高的中间粒径；在给定粒径下，被抬升颗粒平均数随摩阻速度增大而增加。第四，在模拟粒径范围内，基于数量的卷入通量随粒径增大而减小，而基于质量的卷入通量随粒径增大而增加。这些趋势既反映了LES得到的粒径依赖卷入响应，也反映了通量公式中的代数尺度关系，包括床面可供颗粒数对粒径的依赖以及单颗粒质量对粒径的依赖。在1–295 μm的模拟粒径范围内，数通量随粒径增大而下降，而质量通量随粒径增大而上升；这一趋势不应外推至更大颗粒，因为在更大粒径条件下，重力阻力和阈值效应最终可能降低颗粒卷入概率及相应质量通量。总体上，这些结果从数值角度评估了纯空气动力条件下近壁湍流猝发对沙尘颗粒空气动力卷入的影响，表明在风沙颗粒起动模型中应明确考虑猝发诱导空气动力卷入，同时也应认识到当前估计基于理想化床面条件和简化黏附处理。未来研究需要纳入更多地表控制因素，包括粗糙度效应和颗粒粒径分布，并应将模拟结果与野外或风洞观测开展更直接的比较。
