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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
1
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。
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关键词
希尔伯特黄
CEEMD
湍流
森林下垫面
镜像延拓
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职称材料
川南森林冠层上方动量和标量的湍流输送效率
2
作者
丁一
张宇
+4 位作者
范德民
苏有琦
张茜
王严琪
王彦淇
《高原气象》
北大核心
2025年第3期705-719,共15页
利用2021年5月1日至6月30日在川南森林60 m微气象塔测量的3层(20 m、38 m和56 m)湍流数据来研究冠层上方动量和标量的湍流输送特征。相干结构是湍流运动的主要形式,由上升气流(喷射)和下沉气流(扫掠)两部分组成。本文利用象限分析法分...
利用2021年5月1日至6月30日在川南森林60 m微气象塔测量的3层(20 m、38 m和56 m)湍流数据来研究冠层上方动量和标量的湍流输送特征。相干结构是湍流运动的主要形式,由上升气流(喷射)和下沉气流(扫掠)两部分组成。本文利用象限分析法分析了森林冠层上方粗糙副层、粗糙副层和常通量层的边界及常通量层的喷射-扫掠运动特征,包含喷射和扫掠对通量贡献的差异、动量和标量传输之间的差异以及不同标量(T、q、CO_(2))传输之间的差异。结果表明:在不稳定和稳定条件下,喷射在所有三层高度上主导标量传输,而扫掠是在中性条件下粗糙副层之上传输标量的主要涡流运动。对于动量通量,在不稳定条件下,所有三层高度处,喷射都占主导作用,在稳定条件下,在粗糙副层和常通量层处,喷射占主导作用,而在粗糙副层和常通量层的边界,扫掠的作用大于喷射,在中性条件下,除了粗糙副层以外,扫掠的通量贡献都大于喷射。三阶累积量展开法(CEM)可以更准确地表现喷射和扫掠产生的通量贡献,截断累积量展开法(ICEM)对粗糙副层和常通量层边界处的温度模拟较差。通过传输效率的计算,进一步量化了动量和标量传输之间的差异。动量的湍流传输效率随不稳定性的增加而降低,而热量传输效率则相反。大气稳定性是控制动量和标量传输的重要因素,水汽的传输效率受大气稳定性的影响较小。强不稳定条件下,热量传输效率比其他标量传输更有效。
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关键词
象限分析
喷射扫掠
传输效率
森林冠层
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职称材料
川南森林湍流通量质量评价及贡献区分析
被引量：
6
3
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。
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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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职称材料
题名
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
1
作者
王彦淇
张宇
苏有琦
张茜
叶敏
机构
成都信息工程大学大气科学学院/成都平原城市气象与环境四川省野外科学观测研究站
出处
《高原气象》
北大核心
2025年第2期445-461,共17页
基金
国家自然科学基金项目(42275131)
第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK010203)。
文摘
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。
关键词
希尔伯特黄
CEEMD
湍流
森林下垫面
镜像延拓
Keywords
Hilbert Huang
CEEMD
turbulence
forest underlying surface
mirror extension
分类号
P425.2 [天文地球—大气科学及气象学]
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职称材料
题名
川南森林冠层上方动量和标量的湍流输送效率
2
作者
丁一
张宇
范德民
苏有琦
张茜
王严琪
王彦淇
机构
成都信息工程大学大气科学学院/成都平原城市气象与环境四川省野外科学观测研究站
安徽省芜湖市湾沚区
气象
局
四川省
崇州市
气象
局
四川省
德阳市
气象
局
出处
《高原气象》
北大核心
2025年第3期705-719,共15页
基金
国家自然科学基金项目(42275131)
第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK010203)。
文摘
利用2021年5月1日至6月30日在川南森林60 m微气象塔测量的3层(20 m、38 m和56 m)湍流数据来研究冠层上方动量和标量的湍流输送特征。相干结构是湍流运动的主要形式,由上升气流(喷射)和下沉气流(扫掠)两部分组成。本文利用象限分析法分析了森林冠层上方粗糙副层、粗糙副层和常通量层的边界及常通量层的喷射-扫掠运动特征,包含喷射和扫掠对通量贡献的差异、动量和标量传输之间的差异以及不同标量(T、q、CO_(2))传输之间的差异。结果表明:在不稳定和稳定条件下,喷射在所有三层高度上主导标量传输,而扫掠是在中性条件下粗糙副层之上传输标量的主要涡流运动。对于动量通量,在不稳定条件下,所有三层高度处,喷射都占主导作用,在稳定条件下,在粗糙副层和常通量层处,喷射占主导作用,而在粗糙副层和常通量层的边界,扫掠的作用大于喷射,在中性条件下,除了粗糙副层以外,扫掠的通量贡献都大于喷射。三阶累积量展开法(CEM)可以更准确地表现喷射和扫掠产生的通量贡献,截断累积量展开法(ICEM)对粗糙副层和常通量层边界处的温度模拟较差。通过传输效率的计算,进一步量化了动量和标量传输之间的差异。动量的湍流传输效率随不稳定性的增加而降低,而热量传输效率则相反。大气稳定性是控制动量和标量传输的重要因素,水汽的传输效率受大气稳定性的影响较小。强不稳定条件下,热量传输效率比其他标量传输更有效。
关键词
象限分析
喷射扫掠
传输效率
森林冠层
Keywords
quadrant analysis
ejection-sweep
transport efficiencies
forest canopy
分类号
P404 [天文地球—大气科学及气象学]
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职称材料
题名
川南森林湍流通量质量评价及贡献区分析
被引量：
6
3
作者
范德民
张宇
苏有琦
张茜
机构
成都信息工程大学大气科学学院/成都平原城市气象与环境四川省野外科学观测研究站
出处
《高原气象》
CSCD
北大核心
2024年第1期227-240,共14页
基金
国家自然科学基金项目(42275131)。
文摘
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。
关键词
湍流通量
质量评价
通量贡献区
森林下垫面
Keywords
turbulent flux
quality evaluation
flux contribution zone
forest underlying surface
分类号
P413 [天文地球—大气科学及气象学]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
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
王彦淇
张宇
苏有琦
张茜
叶敏
《高原气象》
北大核心
2025
0
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职称材料
2
川南森林冠层上方动量和标量的湍流输送效率
丁一
张宇
范德民
苏有琦
张茜
王严琪
王彦淇
《高原气象》
北大核心
2025
0
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职称材料
3
川南森林湍流通量质量评价及贡献区分析
范德民
张宇
苏有琦
张茜
《高原气象》
CSCD
北大核心
2024
6
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职称材料
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