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沙尘暴中近地表湍流-粉尘-电场的相互作用

沙尘暴、湍流、颗粒、电场

虽然沙尘暴中存在强度达100kV/m的强电场已经被大量实验观测所证实，但是湍流-粉尘-电场的多尺度特征和相互作用的定量规律尚不清楚。本文基于兰州大学青土湖野外观测站的风场、粉尘浓度场、电场的大量观测数据，采用小波（预乘）功率谱、小波相干谱、小波双相干谱等分析方法，探讨了近地表风场、粉尘浓度场、电场在不同尺度下的特征和相互作用规律。结果表明流向风速（粉尘浓度和电场强度）功率谱在0.001-1Hz（0.001-0.01Hz）频率范围内表现出-1幂律，在1-25Hz（0.01-0.5Hz）频率范围内表现出-5/3幂律。此外，风场、粉尘浓度场、电场表现出相同的时空间歇模式；在不同尺度下，粉尘浓度场和电场的间歇性近似相等但强于风场，且随着尺度的增加，风场、粉尘浓度场、电场的间歇性均逐渐增大。进一步，在不同尺度下，粉尘与湍流和电场均存在强线性耦合，在0.35Hz左右最弱，且粉尘-电场线性耦合作用强于粉尘-湍流线性耦合。对于非线性二次耦合，也表现出类似规律，即粉尘-电场小波双相干谱比粉尘-湍流谱分布更广，这意味着粉尘-电场在更大的尺度范围内具有较强的非线性二次耦合。