閃爍儀法準(zhǔn)確測(cè)算森林生態(tài)系統(tǒng)顯熱通量的湍流理論分析.pdf

1、水熱交換是地氣間相互作用最為直接和顯著的物理過(guò)程，一直是氣象學(xué)、氣候?qū)W、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)科共同關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。顯熱通量(Sensible HeatFlux)是地表湍流運(yùn)動(dòng)和能量交換的驅(qū)動(dòng)因子，準(zhǔn)確測(cè)算區(qū)域顯熱通量顯得尤為重要。但迄今為止，在植被分布非均一和地形起伏的復(fù)雜下墊面條件下，即便是公里尺度的通量觀測(cè)技術(shù)及數(shù)據(jù)代表性的研究工作仍有許多問題需要解決。大孔徑閃爍儀法(LargeAperture Scintillomet

2、ers Methods)在公里尺度水熱通量的測(cè)算研究中，具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前大孔徑閃爍儀法只能直接觀測(cè)到大氣折射指數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(the StructureParameter of the Refractive Index of Air，C2n)，測(cè)算顯熱通量需要進(jìn)一步計(jì)算溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)（the Structure Parameter of Temperature，C2T），并根據(jù)大氣湍流相似理論(Monin-Obukhov Simi

3、larity Theory，MOST)，建立C2T的MOST普適函數(shù)結(jié)合，氣象數(shù)據(jù)才能得到最終結(jié)果。由于MOST要求地表相對(duì)平坦均一，該方法應(yīng)用于山地森林等復(fù)雜或非均一植被顯熱通量的測(cè)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先研究實(shí)際觀測(cè)區(qū)域湍流運(yùn)動(dòng)特征，但至今為止，尚無(wú)詳盡的研究文獻(xiàn)報(bào)道。
　　 本研究以華北南部低丘山地栓皮櫟-側(cè)柏-刺槐混交林為研究對(duì)象，在研究實(shí)際觀測(cè)區(qū)域湍流運(yùn)動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，判別湍流關(guān)鍵參數(shù)是否適合MOST適用條件，再建立適合于實(shí)際觀

4、測(cè)區(qū)域的溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)的普適函數(shù)，并進(jìn)行驗(yàn)證，旨在為該方法有效測(cè)算山地森林生態(tài)系統(tǒng)水熱通量提供理論依據(jù)，以期促進(jìn)公里尺度水熱通量研究的發(fā)展，最終為深入研究了解森林生態(tài)系統(tǒng)在能量平衡和調(diào)節(jié)氣候變化中的作用提供工作基礎(chǔ)。主要結(jié)果如下:
　　 (1)湍流強(qiáng)度和風(fēng)速的相關(guān)性很強(qiáng)。當(dāng)U＜3m/s時(shí)，湍流強(qiáng)度最大，并隨著風(fēng)速的增大明顯減小。一年生長(zhǎng)季中兩個(gè)典型時(shí)段（2011年3月15日至4月15日，葉片萌芽生長(zhǎng)期;2011年7月15日至8月1

5、5日，葉片生長(zhǎng)完全期）的平均湍流強(qiáng)度分別為Iu=0.326，Iv=0.306,Iw=0.189和Iu=0.324,Iv=0.296, Iw=0.173。
　　 (2)各主要?dú)庀笠卦谏降厝斯ち稚鷳B(tài)系統(tǒng)復(fù)雜下墊面條件下基本滿足MOST適用條件。無(wú)因次風(fēng)速方差在不穩(wěn)定和穩(wěn)定條件下均符合1/3次冪相似規(guī)律，垂直方向比水平方向上的擬合效果好，近中性層結(jié)下由σu/u*=A，σv/u*=B，σw/u*=C式計(jì)算得到A、B和C的平均值在春季觀

6、測(cè)期為2.55、2.06和1.30，在夏季觀測(cè)期為2.61、2.45和1.21，以上觀測(cè)結(jié)果均與類似經(jīng)典的陸面實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近;同時(shí)無(wú)量綱湍流動(dòng)能(Turbulent KineticEnergy，TKE)在不穩(wěn)定和穩(wěn)定條件下均符合1/3次冪相似規(guī)律;無(wú)因次溫度方差在春季觀測(cè)時(shí)期不同穩(wěn)定度條件下均符合2/3次冪相似規(guī)律，在夏季觀測(cè)時(shí)期不同穩(wěn)定度條件下分別符合2/3次和1/3次冪相似規(guī)律。湍流譜結(jié)構(gòu)基本符合-5/3規(guī)律，實(shí)際觀測(cè)區(qū)森林冠層上方大

7、氣湍流是非各向同性的。
　　 (3)本研究建立的適合本研究區(qū)域?qū)嶋H條件的溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)的普適函數(shù)準(zhǔn)確性較高。研究MOST適用性發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱力因子較小時(shí)，大氣處于非穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)測(cè)值離散程度最大;當(dāng)熱力作用較大時(shí)，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，離散程度小，說(shuō)明了近中性條件下機(jī)械湍流對(duì)LAS觀測(cè)中的MOST適用性有一定影響，而在對(duì)流不穩(wěn)定時(shí)影響較小或可忽略。熱力湍流越強(qiáng)，MOST適用性越好，反之則越差。湍流結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況可作為MOST適用性的判斷方法

8、，計(jì)算得到的普適函數(shù)為，fT_JiYuan=4.91(1-6.51ζ)-2/3z/L＜0;fT_JiYuan=6.43(1+2.20ζ2/3)z/L＞0;LAS實(shí)際觀測(cè)與湍流譜方法計(jì)算得到的溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)的一致性較好，大部分情況下相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.9以上。
　　 (4)大氣層結(jié)穩(wěn)定時(shí)更要注意觀測(cè)信息的空間代表性分析;在風(fēng)向近似垂直于光徑路線時(shí)，LAS觀測(cè)得到的通量信息最全面完整。在大氣層結(jié)穩(wěn)定條件下，因湍流活動(dòng)較弱，觀測(cè)數(shù)據(jù)的源

9、區(qū)面積相對(duì)較大;非穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，湍流活動(dòng)旺盛，源區(qū)面積較小。大氣層結(jié)穩(wěn)定時(shí)最小的通量源區(qū)面積比不穩(wěn)定時(shí)最大的源區(qū)面積大14.7％。
　　 (5)湍流理論分析對(duì)于提高LAS觀測(cè)森林生態(tài)系統(tǒng)顯熱通量的準(zhǔn)確性具有重要意義。確定了迭代法為該復(fù)雜下墊面條件下LAS測(cè)算顯熱通量的計(jì)算方法。分析重疊區(qū)域印痕權(quán)重比值大小以及各風(fēng)向源區(qū)后，建立了適合本觀測(cè)區(qū)域的基于單點(diǎn)通量觀測(cè)數(shù)據(jù)擴(kuò)展到公里觀測(cè)尺度上的方程為Hec=0.77f1/0.77f1+0.