沙尘暴是一种极端天气事件,通常发生在干旱及半干旱地区。悬移在空气中的粉尘颗粒会对水循环、生态系统、空气质量、人类健康和农业产生很大的影响。一个系统和全面的针对其时空演变过程与潜在物理机制的研究对沙尘暴的预测和防治具有重要意义。促成局部对流型沙尘暴的下击暴流本质上是一种异重流。云层中沉淀物蒸发和升华导致的冷却作用使一部分空气下沉并冲击地表,在背景流体中沿着水平方向传播。在干燥土地上,由强风卷起的大量粉尘会在异重流的前缘形成沙墙,被称为对流型沙尘暴。一方面,目前关于对流型沙尘暴的流体动力学研究很少且网格非常粗糙。因此,局部对流型沙尘暴时空演变过程中湍流运动的作用并不清楚。另一方面,下击暴流缺少成熟的理论和合理的标度方法,且很少关注前缘的性质。大气边界层是一种高雷诺数壁湍流,是区域型沙尘暴的基本流场。高雷诺数壁湍流最主要的特征是大尺度及超大尺度运动,与之相关的相干结构对区域型沙尘暴时空演变过程影响的研究非常少。因此,在不可压缩流体的基本控制方程和针对粉尘浓度的欧拉方法基础上,通过理论和数值模拟手段,发展了能追踪沙尘暴及相关湍流运动时空演变过程的模型。改进异重流的理论模型,以便能对下击暴流给出合理的描述。利用直接数值模拟和大涡模拟来捕捉复杂的湍流结构和粉尘浓度的时空分布。主要进行了以下工作:首先,开展了针对下击暴流的理论研究。提出了考虑横跨密度界面连续速度过渡层的积分模型,用于预测异重流的前缘速度,不需要任何经验参数。通过分析前缘的质量、密度、动量和压力场的唯一性,发现Froude数由前缘高度和下速度过过渡层厚度共同决定,后者的引入将使Froude数增大。结合往闸门方向移动的间断面的性质,新积分模型在开闸式异重流中得到了应用。Froude数随前缘高度的变化关系与涡流模型几乎重合,暗示了在开闸式异重流中下速度过渡层的影响几乎可以忽略。结合冷源区域的条件,新积分模型将前缘的性质与冷源的热力学和几何参数联系起来。同时,提出了一个清晰的标度方法,将冷源的性质包含在其中。通过盒模型与量纲分析,得到了下击暴流的标度律。在惯性浮力平衡下,冷源可以阻止异重流的衰减,使其保持一个稳定向前移动的前缘。在粘性浮力平衡下,相比开闸式异重流,前缘速度的衰减趋势更为缓慢。其次,对下击暴流及其中悬移颗粒的扩散进行直接数值模拟,以检验理论模型的适用性,并得到对流型沙尘暴的时空演变过程。结果显示,盒模型可以较为准确地预测粘性阶段的标度律。积分模型能对惯性阶段前缘性质随冷源几何参数的变化规律给出比较好的估计。理论和数值模拟结果均表明,无量纲前缘速度和前缘高度由冷源的中心高度和水平半径决定,垂向半径的影响非常有限。异重流内部的湍流混合在下击暴流中发挥着重要作用,可以加速前缘的推进,而以往的积分模型不能捕捉到这一特性。用液滴释放标度方法得到的无量纲前缘速度会随冷源的几何参数变化。基于冷源中心高度的Froude数能维持在1左右,几乎不依赖于冷源的几何参数。下击暴流显现出异重流的普遍特征:Kelvin-Helmholtz不稳定性在密度界面上出现,发展成三维的lobe-and-cleft结构。涡动力学分析表明,在冷源的作用下,下击暴流进入粘性阶段,仍然有展向涡在持续不断地生成。瞬时浓度场显示,一个高浓度层沿着壁面在水平方向上移动,平均的推进与异重流几乎重合。前缘的lobe-and-cleft结构也显现出非常强的关联性。高浓度层的厚度沿着水平方向逐渐增加,在前缘位置达到最高。倾斜浓度界面的形成与垂向净通量和水平对流的平衡有关。沉降作用不明显的情况下,前缘的高浓度层厚度会随时间持续增加,颗粒沉降可以限制其增长。新积分模型和基于冷源中心高度的Froude数均用于粗略地估计沙尘暴的特征量,与野外观测结果符合。最后,进行中性大气表面层粉尘输运的数值模拟,基于欧拉方法和大涡模拟技术,用于研究粉尘浓度的相干结构。瞬时场证实了粉尘浓度有非常长的条带结构存在,高低浓度区域交替出现。浓度与流向速度呈很强的负相关关系,与垂向速度呈较弱的正相关关系。浓度结构的空间长度尺度比流体更小,对应的结构倾角比流体更大。高低浓度事件与一对相反方向旋转的半流向涡有关,在低浓度区域的内部是下扫,在高浓度区域的内部是上抛。粉尘的垂向输运与大尺度旋转模式紧密相关,高浓度区域内的上抛是粉尘颗粒向上运动的主要机制。