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山地森林下垫面湍流通量贡献区时空特征及其影响因素研究
1
作者 张焱 张胤洲 +5 位作者 叶京 张峻搏 潘小乐 刘兰忠 王自发 程雪玲 《气候与环境研究》 CSCD 北大核心 2024年第3期253-266,共14页
通量贡献区是研究地—气间碳水热通量特征的重要内容之一。本文利用FFP(Flux Footprint Prediction)模型分析了2022年6月至2023年5月上黄站通量塔通量贡献区最大贡献度位置距塔体的距离(xcmax)、累计贡献达80%的最大延伸距离(x80)及其... 通量贡献区是研究地—气间碳水热通量特征的重要内容之一。本文利用FFP(Flux Footprint Prediction)模型分析了2022年6月至2023年5月上黄站通量塔通量贡献区最大贡献度位置距塔体的距离(xcmax)、累计贡献达80%的最大延伸距离(x80)及其覆盖面积(S80)的时空特征及其影响因素。研究结果显示:(1)上黄站通量贡献区总体向东南方位延伸为主,西部次之,但夏季西部的通量贡献同样重要。此外,夜间和白天通量均以东南方向的贡献为主,但相对夜间,白天西部的通量贡献有所增加。(2)季节间通量贡献区的xcmax(8.25~14.42 m)、x80(169.38~235.23 m)和S80(24413.18~74723.86 m2)存在明显的差异。夜间xcmax、x80和S80明显大于白天。(3)通量贡献区延伸方向的季节(昼夜)间差异主要受风向变化影响,而xcmax、x80和S80的季节(昼夜)间的差异主要是由风速差异导致。研究结果有助于评估涡动通量塔的空间代表性,控制碳水热通量数据质量,理解通量变化特征,同时可服务于通量观测尺度拓展。 展开更多
关键词 涡动相关法 山地森林下垫面 通量贡献区 FFP模型
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小兴安岭森林下垫面湍流特征研究 被引量：3
2
作者 孙鹏飞 范广洲 +3 位作者 王寅钧 王超 曲哲 马宏达 《气象》 CSCD 北大核心 2022年第8期1020-1031,共12页
利用中国气象局五营森林生态监测站内梯度观测塔上的涡度相关资料,分析森林下垫面湍流动力特征(湍流强度、湍流标准差等),并计算了零平面位移(d)、空气动力粗糙度长度(z_(0))和动量拖曳系数(C_(D))。结果表明:研究区域全年以西南风为主... 利用中国气象局五营森林生态监测站内梯度观测塔上的涡度相关资料,分析森林下垫面湍流动力特征(湍流强度、湍流标准差等),并计算了零平面位移(d)、空气动力粗糙度长度(z_(0))和动量拖曳系数(C_(D))。结果表明:研究区域全年以西南风为主,仅在夏季出现较多东北风。生长季(5—9月)湍流强度较强,非生长季(10月至次年4月)湍流强度较弱,水平风速的平均湍流强度为0.4,垂直风速的平均湍流强度为0.16。d和z_(0)均有明显的季节变化,且一致表现为生长季高,非生长季低的趋势,d和z_(0)平均值分别为18.56 m和1.21 m。不稳定条件时,三维风速的标准差均符合1/3次方相似规律;近中性条件时,无量纲三维风速标准差σ_(i)/u(i=u,v,w)在春季分别为2.81、2.73、1.20,夏季为2.62、2.53、1.10,秋季为2.63、2.51、1.14,冬季为2.74、2.54、1.17。温度和湿度的标准差在不稳定条件符合-1/3次方相似规律,春季拟合的系数分别为2.06和2.67,夏季为2.45和2.18,秋季为1.94和2.85,冬季为1.96和3.00。C_(D)在弱不稳定达到峰值,整体平均值为9.8×10^(-3),随粗糙度近似呈线性增长。 展开更多
关键词 森林下垫面 湍流强度 相似理论 零平面位移 粗糙度
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基于CEEMD的希尔伯特-黄变换算法在森林边界层湍流中的应用
3
作者 王彦淇 张宇 +2 位作者 苏有琦 张茜 叶敏 《高原气象》 北大核心 2025年第2期445-461,共17页
为解决传统经验模态分解算法(Empirical Mode Decomposition,EMD)中存在的模态混叠现象,引入了互补集合经验模态分解算法(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD)和镜像延拓算法对EMD算法分解中存在的缺陷进行改... 为解决传统经验模态分解算法(Empirical Mode Decomposition,EMD)中存在的模态混叠现象,引入了互补集合经验模态分解算法(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD)和镜像延拓算法对EMD算法分解中存在的缺陷进行改进。本文选取四峨山人工森林区的湍流观测的个例数据,首先对比分析了两种方法的差异,明确CEEMD算法的优势;随后选取了不同高度下稳定层结和不稳定层结的个例数据,应用希尔伯特-黄变换算法对该个例下的风速u和温度T序列的湍流特征进行了分析,探讨了希尔伯特黄变换算法的应用。结果表明:CEEMD的算法分解结果更加精细,模态函数的模态混叠缺陷得到了更好的压制,模态能量分布更集中,希尔伯特边际谱存在更多的能量尖峰,能量分布更加清晰。不同的模态函数存在有各自的特征频率,分解所得的模态函数中包含着不同尺度的运动,其中包含有满足-2/3斜率的惯性副区的湍流运动,以及对应着含能区的低频大尺度模态,且CEEMD分解得到的边际谱能量尖峰很好的反映了各模态函数的含能特征。个例分析表明:CEEMD算法可以作为一个典型的二分滤波器,经CEEMD分解后,该个例湍流信号中u风的各模态函数中存在有3~6 min的阵风波动,不同高度、不同稳定层结下湍流特征表现有所差异,正午不稳定层结下相比夜间稳定层结下希尔伯特边际谱幅值更高,三维风速在各个高度混合更好,且较低高度由于冠层的作用,存在对大尺度湍涡的破碎作用,边际谱相比其他高度表现出低频小而高频大的特征,而温度T在该个例下与三维风速表现有所不同:稳定层层结下不同高度湍涡混合更好,而不稳定层结下由于不同高度热力吸收的差异,较低高度边际谱幅值较高,并随着高度的升高而减小。 展开更多
关键词 希尔伯特黄 CEEMD 湍流 森林下垫面 镜像延拓
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川南森林湍流通量质量评价及贡献区分析 被引量：7
4
作者 范德民 张宇 +1 位作者 苏有琦 张茜 《高原气象》 CSCD 北大核心 2024年第1期227-240,共14页
由于通量观测容易受复杂下垫面和仪器精度影响,需基于涡动相关系统观测原理对原始数据进行严格的预处理和质量控制。本研究选用2021年5-12月来自于川南地区四峨山森林下垫面的涡动相关系统的湍流观测资料,观测设备架设在不同高度包括粗... 由于通量观测容易受复杂下垫面和仪器精度影响,需基于涡动相关系统观测原理对原始数据进行严格的预处理和质量控制。本研究选用2021年5-12月来自于川南地区四峨山森林下垫面的涡动相关系统的湍流观测资料,观测设备架设在不同高度包括粗糙副层内、粗糙副层与常通量层边界以及常通量层内。利用上述观测数据量化了两种坐标旋转方案下湍流通量计算结果的差异性,并结合湍流稳定性和发展性检验对通量资料序列进行了质量评价,最后分析了不同大气稳定度和不同观测高度下足迹函数所表示的通量贡献区域变化范围。结果表明:二次坐标旋转校正后的通量数据大于平面拟合后的数据,且两者的校正差距随观测高度的增加而增大。从通量数据质量等级分布特征来看,感热通量数据质量优于潜热通量及CO_(2)通量,且低层数据质量优于高层。38 m和56 m观测高度主风向在东北-西北方向上呈现昼夜相反的变化,其中5-9月尤为明显。不同大气稳定度下的通量贡献范围存在一定的差异,在大气稳定条件下,38 m观测高度的通量信息80%来源于距离观测塔西侧50~1400 m区域;在大气不稳定条件下,通量测量的源区水平范围在0~500 m之间。在56 m观测高度且大气稳定条件下,通量贡献80%的源区边界距测点可达1500 m;不稳定条件下,源区范围在0~750 m之间。冬夏两季在稳定大气条件下贡献区范围有明显差异,在38 m观测高度上,夏、冬季节最大湍流通量信息分别来于1320 m、 700 m。在相同大气稳定度下,通量贡献区的分布受观测高度的影响,56 m观测高度通量源区大于38 m的通量源区。 展开更多
关键词 湍流通量 质量评价 通量贡献区 森林下垫面
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青藏高原东坡高冠层植被大气间的储存项对地表能量闭合度的影响研究 被引量：1
5
作者 刘禹辰 李茂善 +3 位作者 常娜 江永濠 王婷 胥佩 《高原气象》 北大核心 2025年第2期435-444,共10页
近地层能量不闭合现象普遍存在,尤其是山地湖泊等复杂下垫面,由于地表的非均一性,能量闭合情况较差,其中山地高冠层植被大气间能量储存项对能量闭合度的影响往往被忽略。本文基于2022年6-10月成都信息工程大学峨眉山大气与环境综合观测... 近地层能量不闭合现象普遍存在,尤其是山地湖泊等复杂下垫面,由于地表的非均一性,能量闭合情况较差,其中山地高冠层植被大气间能量储存项对能量闭合度的影响往往被忽略。本文基于2022年6-10月成都信息工程大学峨眉山大气与环境综合观测试验站(以下简称“峨眉山站”)梯度塔气象资料、辐射观测资料和涡动协方差系统湍流观测资料。利用Ogive函数分析了适合于该森林站点湍流通量计算的平均时间,计算了地表热通量土壤热通量、各植被大气间的能量储存分项,并分析了考虑植被大气间的储存项后近地面能量平衡的变化。结果表明:延长计算湍流通量平均时间至60 min,一定程度上能够捕捉到某些时刻更大的湍涡,但和平均时间30 min相比,能量平衡比率降低,因此认为以30 min的平均时间计算湍流通量仍然适用于峨眉山站。植被大气间能量储存项对能量平衡比率的提升幅度约为3.65%,考虑此项在绝大部分时间有提升能量闭合度的作用,其中光合作用的能量储存项对提升能量闭合度的贡献最大,植被冠层储热项次之,然后是感热储存项,潜热储存项的贡献最小。高冠层植被大气间的能量储存项各项均具有明显的单峰日变化特征,植被冠层储热项峰值最高可达26 W·m^(-2),考虑植被冠层储热项的情况下能够提升1.57%的能量平衡比率;光合作用储存项峰值可达8 W·m^(-2)左右,日平均存储量约为141.6 W·m^(-2),是主要的能量储存项,考虑光合作用储存项后能够提升1.65%的能量平衡比率,占总体影响效果的45%。感热储存项峰值5 W·m^(-2)左右,潜热储存项量级很小,对能量闭合度的影响效果也很小。植被能量储存项除量级很小的潜热储存项外,其余项也不可忽略。在考虑植被大气间能量储存的情况下,能量闭合问题依旧存在,因此除了能量储存项外,山地下垫面诱发的大尺度涡旋的对近地面的能量收支等的影响也需要深入研究。 展开更多
关键词 能量闭合度 能量储存项 涡动相关法 光合作用 森林下垫面
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广州城市森林及不同地表垫面对暴雨径流与PAHs、TOC的影响 被引量：3
6
作者 陈步峰 王莘仪 +1 位作者 肖以华 吴巧花 《生态环境学报》 CSCD 北大核心 2021年第9期1865-1878,共14页
为了系统地计量城市不同地表垫面暴雨产流及有机毒性物负荷,连续3年在广州市帽峰山林区开展了森林及不同地表垫面的暴雨径流及PAHs、TOC质量浓度和水文通量的定位对比观测研究。结果反映出:22次暴雨水泥地表的平均产流率达(90.0%±3... 为了系统地计量城市不同地表垫面暴雨产流及有机毒性物负荷,连续3年在广州市帽峰山林区开展了森林及不同地表垫面的暴雨径流及PAHs、TOC质量浓度和水文通量的定位对比观测研究。结果反映出:22次暴雨水泥地表的平均产流率达(90.0%±3.2%),分别是草被及针阔叶混交林、常绿阔叶林地表相应的13.9、24.5、27.2倍;年均90.8%的暴雨量在水泥地表形成为径流,草被、森林的年暴雨地表径流量则相对水泥地表相应平均减小分别为92.5%、95.8%。水泥地表应对暴雨的径流响应关系为极显著的线性关系(R^(2)=0.998),而草被及针阔混交林、常绿阔叶林地表相应的均呈极显著的对数关系(R2=0.90、0.94、0.93);草被覆盖度增长与其地表暴雨产流率负相关性显著。暴雨及各地表垫面径流PAHs质量浓度20次检测结果对比统计,相对于沥青地表暴雨径流Σ16PAHs总的质量浓度(154.4±52.2)ng·L^(−1),相应的草被、针阔混交林及常绿阔叶林的地表径流中净减少在42.0%—31.7%之间、地表径流6种PAHs(FLA、BbF、BkF、BaP、IcdP、BghiP)的每种质量浓度的减小率平均在55.9%—47.9%之间;相对暴雨中Σ16PAHs及6组代表物的质量浓度,草被及2类森林的地表径流相应减小分别在12.1%—23.5%和17.6%—6.2%之间,且对暴雨中10种PAHs组分中依次有7、6、6种组分的质量浓度均产生更显著的去除效应。暴雨—地表径流中TOC的质量浓度17次检测结果的对比,草被、2类森林相对水泥地表径流中TOC质量浓度的增加范围在61.9%—75.7%间,而相对于暴雨中TOC质量浓度则增加在1.58—1.80倍间。依据2年暴雨径流统计,草被及森林地表垫面净储存年暴雨中Σ16PAHs、TOC通量的平均范围分别在94.2%—97.0%和82.4%—90.2%间,而相对水泥地表则年径流中Σ16PAHs通量净减少范围在92.3%—96.4%间、TOC通量净减少在87.9%—93.3%间;同时,其相对于年暴雨、水泥地表径流中PAHs各组分通量的储滤率均值分别大于93.0%、95.0%、96.0%。由此解析出,草被及森林地表垫面应对暴雨可显著减小地表产流及有机污染物流失,尤其是森林的冠层截留及土壤水持续下渗生态性能,更有效地消减暴雨径流量、储滤PAHs及TOC,而相比于地表硬质垫面则消减储滤影响效应更为显著;这对于城市区域的极端暴雨水患及水质毒性物危害的防治具有不可替代的生态环境效益。 展开更多
关键词 城市森林不同下垫面 暴雨地表径流及PAHs、TOC 径流消减 PAHs及TOC储滤
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单株树的阻力系数模式 被引量：8
7
作者 关德新 朱廷曜 韩士杰 《林业科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2001年第6期11-14,共4页
利用伯努力方程和气流穿过单株树时风速衰减规律 ,推导出单株树的阻力和阻力系数模式分别为=u2 4κ2 kC′ρD′( 1-α2 )H ln Hz02 - 2Hln Hz0+ 2H - 2z0CT ≈ 12 A( 1-α2 )模式与风洞模拟实验结果很好地吻合。
关键词 单株树 阻力 阻力系数 伯努力方程 风速衰减规律 森林冠层 森林下垫面
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小兴安岭近地层湍流能谱特征 被引量：4
8
作者 孙鹏飞 范广洲 +3 位作者 曲哲 刘星光 王寅钧 袁潮 《高原气象》 CSCD 北大核心 2021年第2期374-383,共10页
利用小兴安岭南麓五营地区涡动相关系统的观测资料,分析不同大气稳定度条件的湍流速度谱、温度谱、湿度谱、协谱及局地各向同性特征。结果表明:三维速度(u、v、w)谱和垂直速度(w)与水平纵向速度(u)、温度(θ)的协谱(uw、θw)的谱峰均随... 利用小兴安岭南麓五营地区涡动相关系统的观测资料,分析不同大气稳定度条件的湍流速度谱、温度谱、湿度谱、协谱及局地各向同性特征。结果表明:三维速度(u、v、w)谱和垂直速度(w)与水平纵向速度(u)、温度(θ)的协谱(uw、θw)的谱峰均随稳定度的增加而向高频端移动。湍流速度(u、v、w)谱、温度(θ)谱和湿度(q)谱在惯性副区均满足-2/3定律。uw协谱、θw协谱和垂直速度(w)与湿度(q)的协谱(qw)在惯性副区并不完全遵循-4/3定律,尤其是uw协谱的拟合斜率更接近-1。水平方向湍流谱峰波长范围为130~1820 m,垂直范围为49~113 m。温度谱谱峰波长范围为149~260 m,湿度谱谱峰波长范围为198~455 m。uw协谱谱峰波长范围为228~455 m,θw协谱谱峰波长范围为172~260 m,qw协谱谱峰波长范围为172~346 m。v谱在惯性副区基本满足局地各向同性,w谱在惯性副区不满足局地各向同性,可能与森林下垫面对垂直方向湍流大涡的破碎作用有关。 展开更多
关键词 森林下垫面 湍流谱 湍流协谱 局地各向同性
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