近日，实验室杨元建教授团队在大气科学领域国际权威期刊《Geophysical Research Letters》上发表了特大城市地区非平稳湍流的特征与潜在机制研究成果。

大气湍流在调控天气演变、能量交换和环境过程中发挥关键作用，准确估算湍流通量对理解边界层过程、揭示地-气相互作用，以及支撑高分辨率数值预报模式的发展具有重要意义。当前广泛使用的边界层理论，如用于通量观测的涡动相关法和用于数值模拟的莫宁-奥布霍夫相似性理论，普遍建立在下垫面平坦均一和气流平稳的理想假设基础上。然而，实际大气广泛存在非平稳性，尤其在地表高度异质性的特大城市区域，对现有理论的适用性提出挑战，加剧湍流通量估算误差。此外，非平稳性还可能增加湍流相干结构的复杂性，并改变它们对动量和标量垂直传输的贡献。因此，理解特大城市地区驱动非平稳湍流的过程和潜在机制，对于改进通量观测质量和开发更合理的边界层参数化方案具有重要意义。

研究团队利用北京325米气象观测塔的高分辨率湍流观测数据，探索了特大城市地区的非平稳湍流特征及其潜在物理机制。结果表明，2017年全年，北京地区非平稳湍流的发生频率达52%，影响湍流通量的准确计算。非平稳湍流主要发生于强稳定和强不稳定层结条件下，其降低了湍流传输效率，并伴随相干结构的瓦解。提出并应用LNST指数，从新的角度量化湍流的非平稳强度。此外，非平稳湍流的发生与次中尺度运动的干扰密切相关，希尔伯特-黄变换方法可以有效地从原始湍流观测中识别并剔除次中尺度分量，并有效降低湍流的非平稳程度。研究结果为合理评估非平稳湍流通量提供了新的视角。

图1（a）不同非平稳等级下各类大气稳定度的比例；（b）动量传输效率，（c）动量通量，（d）湍流动能随非平稳等级的变化关系。（b-d）中的阴影表示标准差

图2（a，d，g）速度分量u的二阶希尔伯特-黄变换（HHT）谱，左轴表示各本征模态函数的二阶HHT谱（彩色线），右轴表示归一化二阶HHT谱（黑线），蓝色和黑色虚线分别表示-5/3和-2/3参考斜率；（b，e，h）原始脉动量u'（蓝线）与提取的次中尺度运动信号（棕线）；（c，f，i）重构的湍流u'（蓝线）时间序列

论文资讯及链接：https://doi.org/10.1029/2025GL114978。