自然粗糙度过渡下大气边界层的介观结构

大气边界层（ABL）中湍流的结构和强度驱动着地表沉积、污染物、热量、水汽和 CO$_2$ 的通量。当 ABL 流动遇到粗糙度变化——如城市、风电场、森林冠层和地貌——时会引入一个新的介观流动尺度：内部边界层（IBL），它代表在数公里范围内发展的近床瞬态流动调整区域。这一重要尺度处于当前 ABL 流动观测能力的一个空白之中，且简化模型未能捕捉湍流对粗糙度几何的敏感依赖。在此，我们利用在高分辨率地形数据上运行并对照野外观测验证的大涡模拟，来考察 ABL 跨越自然粗糙度过渡——白沙国家公园新兴沙丘——的结构。我们观察到 IBL 的发展由从平滑的干盐湖表面到沙丘的突变过渡触发；然而，数公里内沙丘尺寸与间距的持续变化影响了下风处边界应力和近床湍流的模式。相干流动结构在整个 $\sim$10 公里长的沙丘场范围内生长并合并，并调节大尺度大气湍流对床面的影响。模拟得到的发育中 IBL 的边界应力解释了观测到的沙丘迁移的下风减弱，展示了控制地貌动力学的流动与形态之间的介尺度耦合。更广泛地说，我们的发现证明了为理解环境流中的流体-边界相互作用，解析湍流与真实粗糙度的重要性。