孫鵬飛 范廣洲 王寅鈞 王 超 曲 哲2, 馬宏達(dá)

1 五營(yíng)國(guó)家氣候觀象臺(tái)，豐林 153036

2 黑龍江省伊春市氣象局，伊春 153000

3 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225

4 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

5 黑龍江省豐林縣氣象局，豐林 153036

提 要： 利用中國(guó)氣象局五營(yíng)森林生態(tài)監(jiān)測(cè)站內(nèi)梯度觀測(cè)塔上的渦度相關(guān)資料，分析森林下墊面湍流動(dòng)力特征(湍流強(qiáng)度、湍流標(biāo)準(zhǔn)差等)，并計(jì)算了零平面位移(d)、空氣動(dòng)力粗糙度長(zhǎng)度(z0)和動(dòng)量拖曳系數(shù)(CD)。結(jié)果表明：研究區(qū)域全年以西南風(fēng)為主，僅在夏季出現(xiàn)較多東北風(fēng)。生長(zhǎng)季(5—9月)湍流強(qiáng)度較強(qiáng)，非生長(zhǎng)季(10月至次年4月)湍流強(qiáng)度較弱，水平風(fēng)速的平均湍流強(qiáng)度為0.4，垂直風(fēng)速的平均湍流強(qiáng)度為0.16。d和z0均有明顯的季節(jié)變化，且一致表現(xiàn)為生長(zhǎng)季高，非生長(zhǎng)季低的趨勢(shì)，d和z0平均值分別為18.56 m和1.21 m。不穩(wěn)定條件時(shí)，三維風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差均符合1/3次方相似規(guī)律；近中性條件時(shí)，無量綱三維風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σi/u*(i=u,v,w)在春季分別為2.81、2.73、1.20，夏季為2.62、2.53、1.10，秋季為2.63、2.51、1.14，冬季為2.74、2.54、1.17。溫度和濕度的標(biāo)準(zhǔn)差在不穩(wěn)定條件符合-1/3次方相似規(guī)律，春季擬合的系數(shù)分別為2.06和2.67，夏季為2.45和2.18，秋季為1.94和2.85，冬季為1.96和3.00。CD在弱不穩(wěn)定達(dá)到峰值，整體平均值為9.8×10-3，隨粗糙度近似呈線性增長(zhǎng)。

引 言

大氣邊界層是指距離地面1～2 km的大氣層最底下的一個(gè)薄層，它是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次，它與天氣、氣候以及大氣環(huán)境研究有非常密切的關(guān)系。地面和大氣間進(jìn)行著動(dòng)量、水汽、熱量和物質(zhì)交換與湍流輸送，其過程直接影響和決定大氣邊界層的形成和發(fā)展，進(jìn)一步影響氣候變化和大氣環(huán)境等。過去的一個(gè)世紀(jì)，地球氣候經(jīng)歷了以變暖為主要特征的顯著變化，由此而導(dǎo)致的海平面升高，冰川退縮，湖泊水位下降以及越來越頻繁的嚴(yán)重自然災(zāi)害給人類生存和社會(huì)安全造成了極大的威脅(郭建俠，2006)。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是地球生物圈的重要組成部分。森林植被改變了下墊面的物理特征，直接影響輻射平衡、熱量平衡、水量平衡和湍流通量等，形成特有的小氣候特征，并與大氣以湍流的形式不斷進(jìn)行動(dòng)量、熱量和水分交換(張一平等，2006；Mengesha et al，2015；謝馨瑤等，2018)，其不僅具有改善和維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的功能，而且在調(diào)節(jié)全球氣候、維持全球碳平衡等方面具有不可替代的作用(蔡慧穎，2017)。

近些年，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的湍流特征進(jìn)行了大量研究(Pita et al，2013；Richardson et al，2010)。劉和平等(1997)通過對(duì)長(zhǎng)白山森林生態(tài)定位研究站內(nèi)氣象塔上湍流及風(fēng)廓線資料計(jì)算了長(zhǎng)白山森林空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度長(zhǎng)度(z0)，零平面位移(d)及曳力系數(shù)(CD)、熱力輸送系數(shù)(CH)，并對(duì)誤差進(jìn)行了分析。劉樹華等(2003)利用觀測(cè)的湍流資料，在對(duì)森林冠層上下的速度分量和溫度譜、局地各向同性、湍流能量和熱量歸一化耗散率特征研究的基礎(chǔ)上，首次給出了森林冠層上的湍渦特征長(zhǎng)度尺度、湍流動(dòng)量和熱量耗散率、湍流動(dòng)量和熱量結(jié)構(gòu)參數(shù)的特征。李萍陽(yáng)等(2002)通過對(duì)美國(guó)威斯康星州北部的Cheqamegon國(guó)家森林的兩個(gè)氣象塔塔層湍流測(cè)量值和特征分布，計(jì)算分析得出森林的拖曳系數(shù)較以往的平坦地形大得多；與平坦地形相比，森林及林木濕地下墊面的湍流強(qiáng)度較大，且湍流強(qiáng)度隨高度增加而減弱；森林的無量綱風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差小于林木濕地，無量綱風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差隨高度增加而增大。劉罡等(2006)研究表明水汽和二氧化碳濃度的湍流標(biāo)準(zhǔn)差相似函數(shù)比溫度要分散，并且獨(dú)立于穩(wěn)定度，說明在森林冠層上空的大氣湍流運(yùn)動(dòng)中，熱量、水汽和二氧化碳的輸送是互不相似的，并對(duì)這種不相似現(xiàn)象的可能原因進(jìn)行了初步的研究和探索。王春林等(2007)應(yīng)用最小二乘法和能量平衡比率兩種方法，系統(tǒng)分析了廣東省鼎湖山針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)能量平衡特點(diǎn)，并分析各種渦度通量修正方法對(duì)能量平衡的影響。趙曉松等(2004)利用廓線法中的牛頓迭代法計(jì)算了森林下墊面的零平面位移(d)和空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度長(zhǎng)度(z0)，結(jié)果顯示d在生長(zhǎng)季較大、z0較小，而在非生長(zhǎng)季剛好相反。

小興安嶺地處北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，是以闊葉紅松林為代表的針闊葉混交林區(qū)，是國(guó)家重點(diǎn)林區(qū)之一，也是中國(guó)天然林生態(tài)系統(tǒng)的核心區(qū)域之一，植被固碳潛力巨大，在中國(guó)森林碳匯中占有重要地位(趙溪竹，2010)。但到目前為止，國(guó)內(nèi)對(duì)于小興安嶺的湍流特征尚未進(jìn)行深入研究。因此，對(duì)小興安嶺地區(qū)的湍流特征進(jìn)行深入、細(xì)致的研究十分必要，無論是為數(shù)值模式的發(fā)展提供基礎(chǔ)，還是對(duì)政府決策部門提供相應(yīng)依據(jù)都有重要意義。

本文利用中國(guó)氣象局五營(yíng)森林生態(tài)監(jiān)測(cè)站內(nèi)梯度觀測(cè)塔上的2016年12月至2017年11月一年的渦度相關(guān)資料，研究小興安嶺森林下墊面湍流的基本特征，為提高對(duì)小興安嶺森林下墊面湍流輸送特征及陸氣物質(zhì)與能量交換的規(guī)律和機(jī)理特征的認(rèn)識(shí)提供基礎(chǔ)。

1 觀測(cè)場(chǎng)地、儀器簡(jiǎn)介

五營(yíng)鎮(zhèn)位于湯旺河上游地段，小興安嶺南坡腹部，全境地貌除湯旺河沿岸有少量沖積開闊地外，絕大部分屬小興安嶺山地。整個(gè)地勢(shì)呈東南略高、西北略低、山地居多、平原較少、地勢(shì)平緩，屬于低山丘陵地帶。五營(yíng)鎮(zhèn)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為0.6℃，年降水量為610.7 mm，年日照時(shí)數(shù)為2 196.0 h，無霜期為117 d，大于或等于10℃的積溫為2 141.8℃，全年以西南風(fēng)和偏南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向。五營(yíng)原始闊葉紅松林面積達(dá)3.2 hm2，有“紅松故鄉(xiāng)”之稱。

觀測(cè)場(chǎng)地為中國(guó)氣象局五營(yíng)紅松林野外生態(tài)監(jiān)測(cè)站(海拔高度為 342 m)，距離五營(yíng)鎮(zhèn)西北方向10 km。站內(nèi)建有面積為 50 m×50 m的梯度觀測(cè)場(chǎng)，位于次生針闊葉混交林中，平均樹高約為23～25 m(圖1)。觀測(cè)場(chǎng)附近地勢(shì)略有起伏，整體表現(xiàn)為北高南低(圖1a)。

圖1 五營(yíng)森林生態(tài)監(jiān)測(cè)站梯度觀測(cè)塔(a)位置和(b)周圍環(huán)境(★為梯度塔位置)Fig.1 (a) The location and (b) surrounding environment of the gradient observation tower (★) at Wuying Forest Ecological Monitoring Station

觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)建有一個(gè)70 m高的梯度觀測(cè)塔，50 m 高度處設(shè)渦度測(cè)量系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集器(Li-7550,Li-cor,USA)、三維超聲風(fēng)速儀(WindMaster,Gill,USA)、CO2/H2O分析儀(Li-7550,Li-cor,USA)組成，用于地氣間CO2、H2O、動(dòng)量、顯熱、潛熱和三維風(fēng)速等要素的監(jiān)測(cè)及森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究。

2 觀測(cè)資料及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

以ξ=z/L表示大氣穩(wěn)定度，z/L>0為穩(wěn)定大氣，z/L<0為不穩(wěn)定大氣。z為儀器測(cè)量高度，對(duì)于森林下墊面，需要引入零平面位移(d)，以高度z-d置換高度z(Kustas and Brutsaert，1986；張宏昇，2014)；L為莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：θ為虛位溫，u*為摩擦速度，k為卡曼常數(shù)(取0.4)，g為重力加速度，u,v,w為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后的順風(fēng)、側(cè)風(fēng)、垂直向風(fēng)速(Stull，1991)。

非中性條件下的近地層風(fēng)速廓線公式為(Stull，1991)：

(3)

式中:z0為空氣動(dòng)力粗糙度長(zhǎng)度，定義為風(fēng)速為零的高度。ΨM為穩(wěn)定度函數(shù)，在穩(wěn)定和不穩(wěn)定條件下可分別表示為：

(4)

(5)

式中:x=[1-(15z/L)]3/4。

根據(jù)莫寧-奧布霍夫相似理論，任何一個(gè)量的標(biāo)準(zhǔn)差被特征尺度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后就被成為z/L的普適函數(shù)(Andreas et al，1998)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)擬合與局地自由對(duì)流假設(shè)(張宏昇，2014)：

σX/X*=φX(z/L)=CX1(1-CX2|z/L|)±1/3

(6)

當(dāng)-z/L→∞，邊界層處于自由對(duì)流狀態(tài)時(shí)，對(duì)于其他變量，式(6)可簡(jiǎn)化為：

σX/X*=φX(z/L)=CX(-z/L)±1/3

(7)

σT/|T*|=CT(-z/L)-1/3

(8)

σq/|q*|=Cq(-z/L)-1/3

(9)

式中:CT和Cq為擬合確定的參數(shù)(Stull，1991)。

觀測(cè)資料選取2016年12月至2017年11月一年的數(shù)據(jù)(因儀器故障原因，9月5—9日、10月11—18日、10月30日至11月1日數(shù)據(jù)缺測(cè))，并假定50 m位于常通量層。使用Eddypro軟件對(duì)10 Hz 的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體處理流程參照王寅鈞等(2013)、龔璽等(2018)、孫鵬飛等(2021)。

對(duì)Eddypro軟件輸出的30 min數(shù)據(jù)進(jìn)行以下篩選：①剔除儀器出錯(cuò)時(shí)的數(shù)據(jù)；②剔除夜間弱湍流的觀測(cè)數(shù)據(jù)(u*<0.2 m·s-1)；③計(jì)算z0、d、CD時(shí)剔除弱風(fēng)數(shù)據(jù)(u≤1 m·s1-)，篩選大氣穩(wěn)定度范圍為|z/L|≤10。

3 結(jié)果分析

3.3 風(fēng)向、風(fēng)速特征

研究湍流的一般方法，是把溫度和風(fēng)等變量分解為平均和擾動(dòng)兩部分。平均部分表示平均溫度和平均風(fēng)速的影響，擾動(dòng)部分則表示波的影響或疊加在平均風(fēng)速上的湍流影響。因此，了解平均場(chǎng)的特征是研究湍流運(yùn)動(dòng)及其物質(zhì)和能量交換的前提。研究區(qū)域春、秋和冬季(圖2a，2c，2d)以西南風(fēng)為主，其次為偏西風(fēng)和偏南風(fēng)；夏季以西南風(fēng)為主，其次為東北風(fēng)(圖2b)；總體上全年基本為偏西到偏南風(fēng)，西北方向和東南方向的風(fēng)很少。從圖2中的風(fēng)速分布可以看到，整個(gè)觀測(cè)期間以0～4 m·s-1的風(fēng)速最多，其次是4～6 m·s-1，6～8 m·s-1較少，8 m·s-1以上風(fēng)速接近于無，表明觀測(cè)期間主要以小風(fēng)環(huán)境為主，強(qiáng)風(fēng)環(huán)境很少。

圖2 2016年12月至2017年11月五營(yíng)森林監(jiān)測(cè)站各季節(jié)風(fēng)向和風(fēng)速分布(a)春季，(b)夏季，(c)秋季，(d)冬季Fig.2 Distributions of wind direction and wind speed in each season at Wuying Forest Ecological Monitoring Station from December 2016 to November 2017(a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

3.3 湍流強(qiáng)度

3.3 零平面位移和粗糙度

根據(jù)式(3)～式(5)進(jìn)行迭代擬合，得到10 d平均的標(biāo)準(zhǔn)化零平面位移(d/h)和粗糙度長(zhǎng)度(z0/h)的時(shí)間序列(圖3)(其中h為林木平均高度，取值為23 m)。d/h和z0/h均有明顯的季節(jié)變化，且一致表現(xiàn)為生長(zhǎng)季高，非生長(zhǎng)季低的趨勢(shì)，這與趙曉松等(2004)認(rèn)為的d和z0呈相反趨勢(shì)有很大不同。具體表現(xiàn)為：①2016年12月至2017年4月，為林木非生長(zhǎng)季，葉片脫落，d/h和z0/h較小，平均值分別為0.67和0.049；②2017年5月至9月下旬，為林木生長(zhǎng)旺季，葉片密度增加，使得d/h和z0/h迅速增大，平均值分別為0.966和0.056；③2016年10—11月，進(jìn)入非生長(zhǎng)季，d/h和z0/h平均值分別降到0.749和0.051。d和z0平均值分別為18.56 m和1.21 m，與劉和平等(1997)(d=19.5±1.38 m，z0=1.60±0.25 m)和趙曉松等(2004)(d/h值為0.642～0.861，z0/h值為0.0466～0.0736)在長(zhǎng)白山森林下墊面(平均樹高為26 m)的計(jì)算結(jié)果較為接近。

圖3 2016年12月至2017年11月五營(yíng)森林監(jiān)測(cè)站10 d平均的(a)標(biāo)準(zhǔn)化零平面位移d/h和(b)標(biāo)準(zhǔn)化粗糙度長(zhǎng)度z0/h的季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variation of 10 d averaged (a) d/h and (b) z0/h at Wuying Forest Ecological Monitoring Station from December 2016 to November 2017

3.3 無量綱風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差隨穩(wěn)定度變化特征

圖4顯示，無論夏季還是冬季，觀測(cè)區(qū)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差在z/L<0不穩(wěn)定條件下均滿足1/3方相似規(guī)律，且經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Cu1≈Cv1>Cw1，在接近中性條件時(shí)趨于常數(shù)，在穩(wěn)定和不穩(wěn)定條件情況時(shí)，隨著穩(wěn)定度增大，湍流離散度增大。觀測(cè)區(qū)在不穩(wěn)定條件時(shí)無量綱風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差表現(xiàn)為(表略)：經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Cu1在春季最大、夏季最小，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Cv1在春季最大、秋季最小，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Cw1在春季最大、夏季最小。從表1中可以看到高原、草原、沙漠相對(duì)于其他下墊面Cu1和Cv1較大，而Cw1相差不大，說明地形作用對(duì)垂直方向的湍流運(yùn)動(dòng)影響較小。另外，相對(duì)于其他地區(qū)的森林下墊面，本文的Cu1和Cv1更大一些，Cu1和Cv1大小主要反映局地觀測(cè)點(diǎn)周圍地形的影響(張艷武等，2009)，和前文描述的觀測(cè)區(qū)附近的復(fù)雜的地形相符合。

表1 不同地區(qū)近中性條件下無量綱風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差Table 1 Dimensionless wind speed component variance under near-neutral conditions in different regions

圖4 2016年12月至2017年11月(a～f)夏季,(g～l)冬季五營(yíng)森林監(jiān)測(cè)站無量綱水平風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)差：(a,d,g,j)σu/u*和(b,e,h,k)σv/u*以及(c,f,i,l)垂直風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差(σw/u*)與穩(wěn)定度(z/L)的關(guān)系(a～c，g～i)不穩(wěn)定情況，(d～f,j～l)穩(wěn)定情況Fig.4 Relationship between dimensionless horizontal wind speed component variances： (a, d, g, j) σu/u* and (b, e, h, k) σv/u* and (c, f, i, l) vertical wind speed standard deviation (σw/u*) and stability (z/L) at Wuying Forest Ecological Monitoring Station in (a-f) summer and (g-l) winter from December 2016 to November 2017(a-c, g-i) unstable conditions, (d-f, j-l) conditions

3.3 無量綱溫度、濕度標(biāo)準(zhǔn)差隨穩(wěn)定度變化特征

在不穩(wěn)定條件下(圖5a，5c)，σT/|T*|隨z/L變化基本滿足-1/3次方相似規(guī)律，在強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)自由對(duì)流條件時(shí)，兩者的擬合關(guān)系更為明顯。越接近中性條件，點(diǎn)的離散度越大，主要是因?yàn)榇藭r(shí)熱通量接近于零，難以被測(cè)量且測(cè)量誤差較大(張艷武等，2009)。春、秋、冬季擬合參數(shù)CT的差異不大(表略)，分別為2.06、1.94、1.96，夏季擬合參數(shù)CT相對(duì)較大，為2.45。在穩(wěn)定條件下(圖5b，5d)，σT/|T*|隨z/L不滿足-1/3次方相似規(guī)律，點(diǎn)較為離散。強(qiáng)穩(wěn)定和強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，σT/|T*|的值均較小，隨著穩(wěn)定度向中性條件靠近，σT/|T*|的值逐漸增大。

圖5 2016年12月至2017年11月(a,b)夏季，(c,d)冬季五營(yíng)森林監(jiān)測(cè)站無因次溫度標(biāo)準(zhǔn)差(σT/|T*|)與穩(wěn)定度(z/L)的關(guān)系(a，c)不穩(wěn)定情況，(b,d)穩(wěn)定情況Fig.5 Relationship between dimensionless temperature standard deviation (σT/|T*|) and stability (z/L) at Wuying Forest Ecological Monitoring Station in (a, b) summer, (c, d) winter from December 2016 to November 2017(a, c) unstable conditions, (b, d) stable conditions

在不穩(wěn)定條件下(圖6a，6c)，σq/|q*|隨z/L變化也基本滿足-1/3次方相似規(guī)律，但濕度標(biāo)準(zhǔn)差離散程度明顯大于溫度標(biāo)準(zhǔn)差。春、夏、秋、冬季擬合參數(shù)Cq的差異較明顯(表略)，分別為2.67、2.18、2.85、3.00。在穩(wěn)定條件下(圖6b，6d)，σq/|q*|隨z/L也不滿足-1/3次方相似規(guī)律，點(diǎn)相對(duì)溫度標(biāo)準(zhǔn)差更為離散，與張艷武等(2009)的結(jié)果較為一致。

圖6 同圖5，但為無因次濕度標(biāo)準(zhǔn)差(σq/|q*|)與穩(wěn)定度(z/L)的關(guān)系Fig.6 Same as Fig.5, but for relationship between dimensionless humidity standard dwiation (σq/|q*|) and stability (z/L)

從表2不同地區(qū)不穩(wěn)定條件下擬合的系數(shù)CT和Cq可見，不同下墊面CT和Cq相差較大，其中本站CT小于美國(guó)威斯康星州北部國(guó)家森林的森林下墊面(李萍陽(yáng)等，2002)和河北固城平原下墊面(郭建俠，2006)，大于其他下墊面，Cq沒有明顯的比較規(guī)律。以上特征不僅與下墊面有關(guān)，還和不同觀測(cè)高度以及不同觀測(cè)季節(jié)和氣候條件都有很大關(guān)系。

表2 不同地區(qū)不穩(wěn)定條件下擬合的系數(shù)CT和CqTable 2 Fitting coefficients CT and Cq under unstable conditions in different regions

3.3 湍流輸送系數(shù)

總體輸送系數(shù)包括動(dòng)量拖曳系數(shù)系數(shù)(CD)、熱量輸送系數(shù)(CH)和水汽輸送系數(shù)(CE)，它們是陸面過程中計(jì)算不同下墊面地-氣間物質(zhì)和能量交換的重要參數(shù)，因此，獲得準(zhǔn)確的總體輸送系數(shù)是陸面過程參數(shù)化研究的關(guān)鍵(王慧等，2008；張海宏等，2019)。本文采用渦動(dòng)相關(guān)法對(duì)CD進(jìn)行計(jì)算：

(10)

式中U為通量塔50 m高度處的平均風(fēng)速。

如圖7所示，與其他下墊面研究中(Wang et al，2016)認(rèn)為的CD隨著不穩(wěn)定性的增加而單調(diào)增加不同，本文中CD先從強(qiáng)不穩(wěn)定到弱不穩(wěn)定逐漸升高，直到達(dá)到弱不穩(wěn)定條件的峰值(z/L≈-0.47)后，再隨穩(wěn)定度的增加而減小，這與Srivastava and Sharan(2015)的研究相似。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定時(shí)(z/L<0)，CD平均值為13.6×10-3，近中性時(shí)(-0.10)，CD平均值為7.3×10-3，整體CD平均值為9.8×10-3。本文計(jì)算出的CD值相比其他下墊面較大(王慧等，2008)，可能是研究區(qū)地形起伏，森林冠層的粗糙程度在各個(gè)季節(jié)變化較大，從而對(duì)各個(gè)方向的湍流風(fēng)速造成較大影響(張功等，2018)。

圖7 2016年12月至2017年11月五營(yíng)森林監(jiān)測(cè)站動(dòng)量拖曳系數(shù)(CD)與穩(wěn)定度(z/L)的關(guān)系(矩形為中位數(shù)，上限為75%處值，下限為25%處值)Fig.7 Relationship between momentum drag coefficient and stability at Wuying Forest Ecological Monitoring Station from December 2016 to November 2017(The rectangle is median, and the upper limit is 75% value, the lower limit is 25% value)

圖8給出了CD與風(fēng)速之間的關(guān)系。在不穩(wěn)定情況下，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，大氣湍流主要以熱力湍流為主，因此冠層以上大氣處于局地自由對(duì)流狀態(tài)，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致CD較大；而隨著風(fēng)速增加，湍流的剪切作用增強(qiáng)，風(fēng)切變的增加會(huì)產(chǎn)生更多的機(jī)械湍流(Wang et al，2015)，使CD逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速超過6 m·s-1時(shí)，CD隨風(fēng)速的變化變得很小。在穩(wěn)定情況下，在低風(fēng)速時(shí)，CD隨風(fēng)速而增加，隨著風(fēng)速增大，大氣層結(jié)逐漸變?yōu)橹行?，CD變得穩(wěn)定。z0是影響CD的重要因子(王慧等，2008)，圖9中顯示CD隨z0的增加而增加，且近似呈線性變化。

圖8 2016年12月至2017年11月五營(yíng)森林監(jiān)測(cè)站不同穩(wěn)定度條件動(dòng)量拖曳系數(shù)(CD)與風(fēng)速的關(guān)系(點(diǎn)/矩形為中位數(shù)，上限為75%處值，下限為25%處值)Fig.8 Relationship between momentum drag coefficient and wind speed under different stability conditions at Wuying Forest Ecological Monitoring Station from December 2016 to November 2017 (The point/rectangle is median, and the upper limit is 75% value, the lower limit is 25% value)

圖9 2016年12月至2017年11月五營(yíng)森林監(jiān)測(cè)站動(dòng)量拖曳系數(shù)(CD)與粗糙度(z0)的關(guān)系Fig.9 Relationship between momentum drag coefficient and roughness at Wuying Forest Ecological Monitoring Station from December 2016 to November 2017

4 結(jié) 論

利用中國(guó)氣象局五營(yíng)森林生態(tài)監(jiān)測(cè)站內(nèi)梯度觀測(cè)塔上的2016年12月至2017年11月的渦度相關(guān)資料，分析小興安嶺森林下墊面的風(fēng)向、風(fēng)速特征，主要研究近地層湍流動(dòng)力特征(湍流強(qiáng)度、湍流方差等)，并對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)(d、z0和CD)進(jìn)行了計(jì)算。主要結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)整個(gè)觀測(cè)期間以0～4 m·s-1的風(fēng)速最多，夏季以西南風(fēng)為主，其次為東北風(fēng)；春、秋、冬季風(fēng)向以西南風(fēng)為主，其次為偏西風(fēng)和偏東風(fēng)；全年基本為偏西到偏南風(fēng)，西北方向和東南方向的風(fēng)很少。u，v，w方向的湍流強(qiáng)度均在5—9月較強(qiáng)，在10月至次年4月較弱。水平風(fēng)速的平均湍流強(qiáng)度為0.4，垂直風(fēng)速的平均湍流強(qiáng)度為0.16。

(2)研究區(qū)d和z0均有明顯的季節(jié)變化，且一致表現(xiàn)為生長(zhǎng)季高，非生長(zhǎng)季低的趨勢(shì)，d和z0平均值分別為18.56 m和1.21 m，與長(zhǎng)白山森林下墊面的結(jié)果接近。

(3)在不穩(wěn)定條件，各個(gè)季節(jié)的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差均符合1/3次方相似規(guī)律，且Cu1≈Cv1>Cw1，夏季近中性條件，無量綱三維風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σi/u*(i=u，v，w)為2.62、2.53、1.10；溫度和濕度的標(biāo)準(zhǔn)差在不穩(wěn)定條件符合-1/3次方相似規(guī)律，夏季擬合的系數(shù)分別為2.45和2.18，在穩(wěn)定條件不符合相似規(guī)律，且濕度相對(duì)溫度較為離散。在近中性條件時(shí)，σu/u*和σv/u*值相對(duì)高原、草原、沙漠和極地下墊面較小，比其他下墊面和其他地區(qū)的森林下墊面大，而σw/u*相差不大。

(4)本文中CD先從強(qiáng)不穩(wěn)定到弱不穩(wěn)定逐漸升高，直到達(dá)到弱不穩(wěn)定條件的峰值(z/L≈-0.47)后，再隨著穩(wěn)定度的增加而減小，當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定時(shí)(z/L<0)，CD平均值為13.6×10-3，近中性時(shí)(-0.10)平均值為7.3×10-3，整體平均值為9.8×10-3。在不穩(wěn)定情況下，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，CD較大，而隨著風(fēng)速增加，CD逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速超過6 m·s-1時(shí)，CD隨風(fēng)速的變化變得很小。在穩(wěn)定情況下，在低風(fēng)速時(shí)，CD隨風(fēng)速而增加，隨著風(fēng)速增大，大氣層結(jié)逐漸變?yōu)橹行?，CD變得穩(wěn)定。CD隨粗糙度近似呈線性增長(zhǎng)。

本文采用梯度觀測(cè)塔50 m處的渦度觀測(cè)資料進(jìn)行分析，由于觀測(cè)塔只有一層渦度觀測(cè)系統(tǒng)，且各層梯度數(shù)據(jù)誤差較大，無法驗(yàn)證50 m高度處是否存在常通量層，文中假定50 m位于常通量層，后續(xù)會(huì)對(duì)此進(jìn)行深入分析。文中采用50 m處的渦度觀測(cè)資料對(duì)d和z0進(jìn)行了計(jì)算，得出的結(jié)果和其他研究結(jié)果較為相似，但是在個(gè)別月份d數(shù)值偏大，可能與計(jì)算方法有關(guān)，也可能和觀測(cè)場(chǎng)地附近的地形有關(guān)，需要進(jìn)行更加深入的分析。

致 謝：感謝中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所提供了研究所需的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于“東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科研試驗(yàn)基地”。