Izvestiya, Atmospheric and Oceanic PhysicsIzvestiya, Atmospheric and Oceanic PhysicsИзвестия РАН. Физика атмосферы и океана0002-35153034-6487The Russian Academy of Sciences68294010.31857/S0002351525010086HEXNDKArticlesСтатьиResearch ArticleVertical turbulent fluxes of aerosol and heat in a desertified area during intermittent emission of dust aerosolВертикальные турбулентные потоки аэрозоля и тепла на опустыненной территории при всплесковой эмиссии пылевого аэрозоляGorchakovG. I.ГорчаковГ. И.
Russian Federation
gengor@ifaran.ruKarpovA. V.КарповА. В.
Russian Federation
gengor@ifaran.ruGushchinR. A.ГущинР. А.
Russian Federation
gengor@ifaran.ruDatsenkoO. I.ДаценкоО. И.
Russian Federation
gengor@ifaran.ruKurbatovG. A.КурбатовГ. А.
Russian Federation
gengor@ifaran.ruObukhov Institute of Atmospheric Physics RASИнститут физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН2801202561111112005062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0https://journals.eco-vector.com/0002-3515/article/view/682940

According to measurements in September 2021 in a desertefied area in the Astrakhan region components of wind speed, air temperature and concentration of aerosol particles in the surface layer of the atmosphere, vertical heat turbulent fluxes and dust aerosol were determined. A statistical analysis of variations in meteorological parameters and aerosol particle concentrations was performed. The temporal variability of the horizontal and vertical components of wind speed, air temperature and aerosol particle concentration was analyzed using spectral analysis. A comparison has been made of the empirical distribution functions of heat flux density and the temporal variability of the rate of heat removal from the underlying surface according to synchronous measurements using acoustic weather stations Meteo-2 and Metek. Significant differences in the spatiotemporal variability of the vertical turbulent transfer of heat and dust aerosol in a desertified area were revealed. The 30-minute average values of the friction velocity, the Monin-Obukhov scale, turbulent heat fluxes (90–160 W/m2) and dust aerosol (7.2–27.5 cm–2 s–1), as well as the heat removal rate (14–21 cm/s) and dust aerosol (10–16 cm/s) from the underlying surface. It is shown that the temporal variability of the dust aerosol flux density is caused by a superposition of convective “low-frequency” movements with a scale of approximately 3–15 minutes and “high-frequency variations with a duration of less than approximately 10 s.”

По данным измерений в сентябре 2021 г. на опустыненной территории в Астраханской обл. компонент скорости ветра, температуры воздуха и концентрации частиц аэрозоля в приземном слое атмосферы определены вертикальные турбулентные потоки тепла и пылевого аэрозоля. Выполнен статистический анализ вариаций метеопараметров и концентрации частиц аэрозоля. Проанализирована временная изменчивость горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, температуры воздуха и концентрации частиц аэрозоля с использованием спектрального анализа. Выполнено сопоставление эмпирических функций распределения плотности потоков тепла и временной изменчивости скорости выноса тепла с подстилающей поверхности по данным синхронных измерений с помощью акустических метеостанций Метео-2 и Metek. Выявлены существенные различия пространственно-временной изменчивости вертикального турбулентного переноса тепла и пылевого аэрозоля на опустыненной территории. Определены 30-минутные средние значения динамической скорости, масштаба Монино-Обухова, турбулентных потоков тепла (90–160 Вт/м2) и пылевого аэрозоля (7.2–27.5 см–2с–1), а также скорости выноса тепла (14–21 см/с) и пылевого аэрозоля (10–16 см/с) с подстилающей поверхности. Показано, что временная изменчивость плотности потока пылевого аэрозоля обусловлена суперпозицией конвективных «низкочастотных» движений с масштабами примерно 3–15 мин и «высокочастотных вариаций с длительностью меньше примерно 10 с.

desertificationwind-sand fluxdust aerosolburst emissionturbulent heat flowturbulent aerosol fluxaerosol uplift rateheat uplift rateопустыниваниеветропесчаный потокпылевой аэрозольвсплесковая эмиссиятурбулентный поток теплатурбулентный поток аэрозоляскорость выноса аэрозоляскорость выноса теплаРоссийский научный фондRussian Science Foundation20-17-00214Алоян А.Е. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере // М.: Наука, 2008. 416 с.Белоцерковский О.М., Андрущенко В.А., Шевелев Ю.Д. Динамика пространственных вихревых течений в неоднородной атмосфере. М.: Янус-К, 2000. 456 с.Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения воздуха. Л.: Гидрометео-издат, 1975. 448 с.Бызова Н.Л., Иванов В.И., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометео-издат, 1989. 263 с.Вазаева Н.В., Чхетиани О.Г., Максименков Л.О. Организованная валиковая циркуляция и перенос минеральных аэрозолей в атмосферном пограничном слое // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55, № 2. С. 17–31.Горчаков Г.И., Карпов А.В., Гущин Р.А. Турбулентные потоки пылевого аэрозоля на опустыненной территории // Доклады РАН. Науки о Земле, 2020, Т. 494. № 2. С. 53–57.Горчаков Г.И., Чхетиани О.Г., Карпов А.В., Гущин Р.А., Даценко О.И. Квазипериодическая эмиссия пылевого аэрозоля на опустыненной территории // Метеорология и гидрология. 2023. №8. С. 62–73.Карпов А.В., Горчаков Г.И., Гущин Р.А., Даценко О.И. Вертикальные турбулентные потоки пылевого аэрозоля // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57. № 5. С. 565–574.Обухов А.М. Турбулентность и динамика атмосферы. Л.: Гидрометеоидат, 1998. 914 с.Alfaro S.C., Gaudichet A., Gomes L., Maille M. Modeling the size distribution of a soil aerosol produced by sandblasting // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 11239–11249.Bagnold R.A. The Physics of Blown Sand and Desert Dunes. London: Methuen, 1941. 265 р.Brunekreef B., Holgate S.T. Air pollution and health. Lancet. 2002. V.360. P.1233–1242.Gorchakov G.I., Koprov B.M., Shukurov K.A. Vertical turbulent aerosol fluxes over desertized areas // Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2002. V. 38. Suppl. 1. P. S138–S147.Gryanik V.M., Hartmann J. A Turbulence Closure for the Convective Boundary Layer based on a two-scale mass-flux approach // J. Atm. Sci. 2002. V. 59. № 18. P. 2729–2744.Kader B.A., Yaglom A.M. Mean fields and fluctuation moments in unstably stratified turbulent boundary layers // J. Fluid Mech. 1990. V. 212. P. 637–662.Kaimal J.C., Wyngaard J.C., Haugen D.A., Cote O.R., Izumi Y., Caughey S.J. Readings C.J. Turbulence Structure in the Convective Boundary Layer // J. Atm. Sci. 1976. V. 33. № 11. P. 2152–2169.Krishnamurthy A., Moore J.K., Mahowald N., Luo C., Zender C.S. Impacts of atmospheric nutrient inputs on marine biogeochemistry // J. Geophys. Res. 2010. 115. No G1, G01006.Li X.Y., Klose M., Shao Y., Zhang H.S. Convective Turbulent Dust Emission (CTDE) Observed over Horqin Sandy Land Area and Validation of a CTDE Scheme // J. Geophys Res. V. 119. P. 9980–9992.Maher B.A., Prospero J.D., Mackie D. Global connections between aeolian dust, climate and ocean biogeochemistry at the present day and at the last glacial maximum // Earth Sci. Rev. 2010. V. 99. P. 61–97.Mahowald N., Albani S., Kok J.F., Engelstalder S., Scara R., Ward D.S., Flanner M.C. The size distribution of desert dust aerosols and its impact on the Earth system // Aeolian Research. 2014. V. 15. P. 53–71.Miller R.L. Tegen I. Climate Response to Soil Dust Aerosols // J. Climate.1998. V. 11. P. 3247–3267.Stout J.E., Zobec T.M. Intermittent saltation // Sedimentology. 1997. V. 44. P. 959–970.Vulfson A.N., Nikolaev P.V. Classical and local similarity in problems of turbulent convection: Extension of Prandtl semi-empirical theory for horizontal layers of water and air mediums // Physics of Fluids. 2024. V. 36. P. 026612.