閃爍儀法準確測算森林生態(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程，一直是氣象學、氣候學、水文學、生態(tài)學等相關學科共同關注的重點和難點研究內容。顯熱通量(Sensible HeatFlux)是地表湍流運動和能量交換的驅動因子，準確測算區(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雜下墊面條件下，即便是公里尺度的通量觀測技術及數據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算研究中，具有廣闊的應用前景。但目前大孔徑閃爍儀法只能直接觀測到大氣折射指數的結構參數(the StructureParameter of the Refractive Index of Air，C2n)，測算顯熱通量需要進一步計算溫度結構參數（the Structure Parameter of Temperature，C2T），并根據大氣湍流相似理論(Monin-Obukhov Simi

3、larity Theory，MOST)，建立C2T的MOST普適函數結合，氣象數據才能得到最終結果。由于MOST要求地表相對平坦均一，該方法應用于山地森林等復雜或非均一植被顯熱通量的測算時，應當首先研究實際觀測區(qū)域湍流運動特征，但至今為止，尚無詳盡的研究文獻報道。
　　 本研究以華北南部低丘山地栓皮櫟-側柏-刺槐混交林為研究對象，在研究實際觀測區(qū)域湍流運動特征的基礎上，判別湍流關鍵參數是否適合MOST適用條件，再建立適合于實際觀

4、測區(qū)域的溫度結構參數的普適函數，并進行驗證，旨在為該方法有效測算山地森林生態(tài)系統(tǒng)水熱通量提供理論依據，以期促進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)在能量平衡和調節(jié)氣候變化中的作用提供工作基礎。主要結果如下:
　　 (1)湍流強度和風速的相關性很強。當U＜3m/s時，湍流強度最大，并隨著風速的增大明顯減小。一年生長季中兩個典型時段（2011年3月15日至4月15日，葉片萌芽生長期;2011年7月15日至8月1

5、5日，葉片生長完全期）的平均湍流強度分別為Iu=0.326，Iv=0.306,Iw=0.189和Iu=0.324,Iv=0.296, Iw=0.173。
　　 (2)各主要氣象要素在山地人工林生態(tài)系統(tǒng)復雜下墊面條件下基本滿足MOST適用條件。無因次風速方差在不穩(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，近中性層結下由σu/u*=A，σv/u*=B，σw/u*=C式計算得到A、B和C的平均值在春季觀

6、測期為2.55、2.06和1.30，在夏季觀測期為2.61、2.45和1.21，以上觀測結果均與類似經典的陸面實驗結果接近;同時無量綱湍流動能(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;無因次溫度方差在春季觀測時期不同穩(wěn)定度條件下均符合2/3次冪相似規(guī)律，在夏季觀測時期不同穩(wěn)定度條件下分別符合2/3次和1/3次冪相似規(guī)律。湍流譜結構基本符合-5/3規(guī)律，實際觀測區(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)域實際條件的溫度結構參數的普適函數準確性較高。研究MOST適用性發(fā)現，當熱力因子較小時，大氣處于非穩(wěn)定狀態(tài)，實測值離散程度最大;當熱力作用較大時，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，離散程度小，說明了近中性條件下機械湍流對LAS觀測中的MOST適用性有一定影響，而在對流不穩(wěn)定時影響較小或可忽略。熱力湍流越強，MOST適用性越好，反之則越差。湍流結構的實際情況可作為MOST適用性的判斷方法

8、，計算得到的普適函數為，fT_JiYuan=4.91(1-6.51ζ)-2/3z/L＜0;fT_JiYuan=6.43(1+2.20ζ2/3)z/L＞0;LAS實際觀測與湍流譜方法計算得到的溫度結構參數的一致性較好，大部分情況下相關系數都達到了0.9以上。
　　 (4)大氣層結穩(wěn)定時更要注意觀測信息的空間代表性分析;在風向近似垂直于光徑路線時，LAS觀測得到的通量信息最全面完整。在大氣層結穩(wěn)定條件下，因湍流活動較弱，觀測數據的源

9、區(qū)面積相對較大;非穩(wěn)定層結時，湍流活動旺盛，源區(qū)面積較小。大氣層結穩(wěn)定時最小的通量源區(qū)面積比不穩(wěn)定時最大的源區(qū)面積大14.7％。
　　 (5)湍流理論分析對于提高LAS觀測森林生態(tài)系統(tǒng)顯熱通量的準確性具有重要意義。確定了迭代法為該復雜下墊面條件下LAS測算顯熱通量的計算方法。分析重疊區(qū)域印痕權重比值大小以及各風向源區(qū)后，建立了適合本觀測區(qū)域的基于單點通量觀測數據擴展到公里觀測尺度上的方程為Hec=0.77f1/0.77f1+0.