孫鵬飛 范廣洲 王寅鈞 王 超 曲 哲2, 馬宏達
1 五營國家氣候觀象臺,豐林 153036
2 黑龍江省伊春市氣象局,伊春 153000
3 成都信息工程大學大氣科學學院,成都 610225
4 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室,北京100081
5 黑龍江省豐林縣氣象局,豐林 153036
提 要: 利用中國氣象局五營森林生態(tài)監(jiān)測站內(nèi)梯度觀測塔上的渦度相關資料,分析森林下墊面湍流動力特征(湍流強度、湍流標準差等),并計算了零平面位移(d)、空氣動力粗糙度長度(z0)和動量拖曳系數(shù)(CD)。結果表明:研究區(qū)域全年以西南風為主,僅在夏季出現(xiàn)較多東北風。生長季(5—9月)湍流強度較強,非生長季(10月至次年4月)湍流強度較弱,水平風速的平均湍流強度為0.4,垂直風速的平均湍流強度為0.16。d和z0均有明顯的季節(jié)變化,且一致表現(xiàn)為生長季高,非生長季低的趨勢,d和z0平均值分別為18.56 m和1.21 m。不穩(wěn)定條件時,三維風速的標準差均符合1/3次方相似規(guī)律;近中性條件時,無量綱三維風速標準差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。溫度和濕度的標準差在不穩(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)定達到峰值,整體平均值為9.8×10-3,隨粗糙度近似呈線性增長。
大氣邊界層是指距離地面1~2 km的大氣層最底下的一個薄層,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系。地面和大氣間進行著動量、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,進一步影響氣候變化和大氣環(huán)境等。過去的一個世紀,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重自然災害給人類生存和社會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行動量、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,國內(nèi)外眾多學者對森林生態(tài)系統(tǒng)的湍流特征進行了大量研究(Pita et al,2013;Richardson et al,2010)。劉和平等(1997)通過對長白山森林生態(tài)定位研究站內(nèi)氣象塔上湍流及風廓線資料計算了長白山森林空氣動力學粗糙度長度(z0),零平面位移(d)及曳力系數(shù)(CD)、熱力輸送系數(shù)(CH),并對誤差進行了分析。劉樹華等(2003)利用觀測的湍流資料,在對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上,首次給出了森林冠層上的湍渦特征長度尺度、湍流動量和熱量耗散率、湍流動量和熱量結構參數(shù)的特征。李萍陽等(2002)通過對美國威斯康星州北部的Cheqamegon國家森林的兩個氣象塔塔層湍流測量值和特征分布,計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度較大,且湍流強度隨高度增加而減弱;森林的無量綱風速標準差小于林木濕地,無量綱風速標準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準差相似函數(shù)比溫度要分散,并且獨立于穩(wěn)定度,說明在森林冠層上空的大氣湍流運動中,熱量、水汽和二氧化碳的輸送是互不相似的,并對這種不相似現(xiàn)象的可能原因進行了初步的研究和探索。王春林等(2007)應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,并分析各種渦度通量修正方法對能量平衡的影響。趙曉松等(2004)利用廓線法中的牛頓迭代法計算了森林下墊面的零平面位移(d)和空氣動力學粗糙度長度(z0),結果顯示d在生長季較大、z0較小,而在非生長季剛好相反。
小興安嶺地處北溫帶大陸性季風氣候區(qū),是以闊葉紅松林為代表的針闊葉混交林區(qū),是國家重點林區(qū)之一,也是中國天然林生態(tài)系統(tǒng)的核心區(qū)域之一,植被固碳潛力巨大,在中國森林碳匯中占有重要地位(趙溪竹,2010)。但到目前為止,國內(nèi)對于小興安嶺的湍流特征尚未進行深入研究。因此,對小興安嶺地區(qū)的湍流特征進行深入、細致的研究十分必要,無論是為數(shù)值模式的發(fā)展提供基礎,還是對政府決策部門提供相應依據(jù)都有重要意義。
本文利用中國氣象局五營森林生態(tài)監(jiān)測站內(nèi)梯度觀測塔上的2016年12月至2017年11月一年的渦度相關資料,研究小興安嶺森林下墊面湍流的基本特征,為提高對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)律和機理特征的認識提供基礎。
五營鎮(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。整個地勢呈東南略高、西北略低、山地居多、平原較少、地勢平緩,屬于低山丘陵地帶。五營鎮(zhèn)屬北溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫為0.6℃,年降水量為610.7 mm,年日照時數(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℃,全年以西南風和偏南風為主導風向。五營原始闊葉紅松林面積達3.2 hm2,有“紅松故鄉(xiāng)”之稱。
觀測場地為中國氣象局五營紅松林野外生態(tài)監(jiān)測站(海拔高度為 342 m),距離五營鎮(zhèn)西北方向10 km。站內(nèi)建有面積為 50 m×50 m的梯度觀測場,位于次生針闊葉混交林中,平均樹高約為23~25 m(圖1)。觀測場附近地勢略有起伏,整體表現(xiàn)為北高南低(圖1a)。
圖1 五營森林生態(tài)監(jiān)測站梯度觀測塔(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
觀測場內(nèi)建有一個70 m高的梯度觀測塔,50 m 高度處設渦度測量系統(tǒng),由數(shù)據(jù)采集器(Li-7550,Li-cor,USA)、三維超聲風速儀(WindMaster,Gill,USA)、CO2/H2O分析儀(Li-7550,Li-cor,USA)組成,用于地氣間CO2、H2O、動量、顯熱、潛熱和三維風速等要素的監(jiān)測及森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究。
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為儀器測量高度,對于森林下墊面,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-奧布霍夫長度,計算公式如下:
(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為坐標旋轉后的順風、側風、垂直向風速(Stull,1991)。
非中性條件下的近地層風速廓線公式為(Stull,1991):
(3)
式中:z0為空氣動力粗糙度長度,定義為風速為零的高度。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,任何一個量的標準差被特征尺度參數(shù)標準化后就被成為z/L的普適函數(shù)(Andreas et al,1998)。根據(jù)經(jīng)驗擬合與局地自由對流假設(張宏昇,2014):
σX/X*=φX(z/L)=CX1(1-CX2|z/L|)±1/3
(6)
當-z/L→∞,邊界層處于自由對流狀態(tài)時,對于其他變量,式(6)可簡化為:
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),并假定50 m位于常通量層。使用Eddypro軟件對10 Hz 的原始數(shù)據(jù)進行處理,具體處理流程參照王寅鈞等(2013)、龔璽等(2018)、孫鵬飛等(2021)。
對Eddypro軟件輸出的30 min數(shù)據(jù)進行以下篩選:①剔除儀器出錯時的數(shù)據(jù);②剔除夜間弱湍流的觀測數(shù)據(jù)(u*<0.2 m·s-1);③計算z0、d、CD時剔除弱風數(shù)據(jù)(u≤1 m·s1-),篩選大氣穩(wěn)定度范圍為|z/L|≤10。
研究湍流的一般方法,是把溫度和風等變量分解為平均和擾動兩部分。平均部分表示平均溫度和平均風速的影響,擾動部分則表示波的影響或疊加在平均風速上的湍流影響。因此,了解平均場的特征是研究湍流運動及其物質(zhì)和能量交換的前提。研究區(qū)域春、秋和冬季(圖2a,2c,2d)以西南風為主,其次為偏西風和偏南風;夏季以西南風為主,其次為東北風(圖2b);總體上全年基本為偏西到偏南風,西北方向和東南方向的風很少。從圖2中的風速分布可以看到,整個觀測期間以0~4 m·s-1的風速最多,其次是4~6 m·s-1,6~8 m·s-1較少,8 m·s-1以上風速接近于無,表明觀測期間主要以小風環(huán)境為主,強風環(huán)境很少。
圖2 2016年12月至2017年11月五營森林監(jiān)測站各季節(jié)風向和風速分布(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
根據(jù)式(3)~式(5)進行迭代擬合,得到10 d平均的標準化零平面位移(d/h)和粗糙度長度(z0/h)的時間序列(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)為生長季高,非生長季低的趨勢,這與趙曉松等(2004)認為的d和z0呈相反趨勢有很大不同。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,進入非生長季,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)在長白山森林下墊面(平均樹高為26 m)的計算結果較為接近。
圖3 2016年12月至2017年11月五營森林監(jiān)測站10 d平均的(a)標準化零平面位移d/h和(b)標準化粗糙度長度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
圖4顯示,無論夏季還是冬季,觀測區(qū)風速標準差在z/L<0不穩(wěn)定條件下均滿足1/3方相似規(guī)律,且經(jīng)驗常數(shù)Cu1≈Cv1>Cw1,在接近中性條件時趨于常數(shù),在穩(wěn)定和不穩(wěn)定條件情況時,隨著穩(wěn)定度增大,湍流離散度增大。觀測區(qū)在不穩(wěn)定條件時無量綱風速標準差表現(xiàn)為(表略):經(jīng)驗常數(shù)Cu1在春季最大、夏季最小,經(jīng)驗常數(shù)Cv1在春季最大、秋季最小,經(jīng)驗常數(shù)Cw1在春季最大、夏季最小。從表1中可以看到高原、草原、沙漠相對于其他下墊面Cu1和Cv1較大,而Cw1相差不大,說明地形作用對垂直方向的湍流運動影響較小。另外,相對于其他地區(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點周圍地形的影響(張艷武等,2009),和前文描述的觀測區(qū)附近的復雜的地形相符合。
表1 不同地區(qū)近中性條件下無量綱風速分量標準差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)冬季五營森林監(jiān)測站無量綱水平風速分量標準差:(a,d,g,j)σu/u*和(b,e,h,k)σv/u*以及(c,f,i,l)垂直風速標準差(σw/u*)與穩(wěn)定度(z/L)的關系(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
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,在強不穩(wěn)定層結自由對流條件時,兩者的擬合關系更為明顯。越接近中性條件,點的離散度越大,主要是因為此時熱通量接近于零,難以被測量且測量誤差較大(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,點較為離散。強穩(wěn)定和強不穩(wěn)定層結時,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)冬季五營森林監(jiān)測站無因次溫度標準差(σT/|T*|)與穩(wěn)定度(z/L)的關系(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,但濕度標準差離散程度明顯大于溫度標準差。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,點相對溫度標準差更為離散,與張艷武等(2009)的結果較為一致。
圖6 同圖5,但為無因次濕度標準差(σq/|q*|)與穩(wěn)定度(z/L)的關系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小于美國威斯康星州北部國家森林的森林下墊面(李萍陽等,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,還和不同觀測高度以及不同觀測季節(jié)和氣候條件都有很大關系。
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
總體輸送系數(shù)包括動量拖曳系數(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,獲得準確的總體輸送系數(shù)是陸面過程參數(shù)化研究的關鍵(王慧等,2008;張海宏等,2019)。本文采用渦動相關法對CD進行計算:
(10)
式中U為通量塔50 m高度處的平均風速。
如圖7所示,與其他下墊面研究中(Wang et al,2016)認為的CD隨著不穩(wěn)定性的增加而單調(diào)增加不同,本文中CD先從強不穩(wěn)定到弱不穩(wěn)定逐漸升高,直到達到弱不穩(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)計算,當大氣處于不穩(wěn)定時(z/L<0),CD平均值為13.6×10-3,近中性時(-0.1
圖7 2016年12月至2017年11月五營森林監(jiān)測站動量拖曳系數(shù)(CD)與穩(wěn)定度(z/L)的關系(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與風速之間的關系。在不穩(wěn)定情況下,當風速較低時,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流狀態(tài),此時會導致CD較大;而隨著風速增加,湍流的剪切作用增強,風切變的增加會產(chǎn)生更多的機械湍流(Wang et al,2015),使CD逐漸減小,當風速超過6 m·s-1時,CD隨風速的變化變得很小。在穩(wěn)定情況下,在低風速時,CD隨風速而增加,隨著風速增大,大氣層結逐漸變?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月五營森林監(jiān)測站不同穩(wěn)定度條件動量拖曳系數(shù)(CD)與風速的關系(點/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月五營森林監(jiān)測站動量拖曳系數(shù)(CD)與粗糙度(z0)的關系Fig.9 Relationship between momentum drag coefficient and roughness at Wuying Forest Ecological Monitoring Station from December 2016 to November 2017
利用中國氣象局五營森林生態(tài)監(jiān)測站內(nèi)梯度觀測塔上的2016年12月至2017年11月的渦度相關資料,分析小興安嶺森林下墊面的風向、風速特征,主要研究近地層湍流動力特征(湍流強度、湍流方差等),并對空氣動力學參數(shù)(d、z0和CD)進行了計算。主要結論如下:
(1)研究區(qū)整個觀測期間以0~4 m·s-1的風速最多,夏季以西南風為主,其次為東北風;春、秋、冬季風向以西南風為主,其次為偏西風和偏東風;全年基本為偏西到偏南風,西北方向和東南方向的風很少。u,v,w方向的湍流強度均在5—9月較強,在10月至次年4月較弱。水平風速的平均湍流強度為0.4,垂直風速的平均湍流強度為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)為生長季高,非生長季低的趨勢,d和z0平均值分別為18.56 m和1.21 m,與長白山森林下墊面的結果接近。
(3)在不穩(wěn)定條件,各個季節(jié)的風速標準差均符合1/3次方相似規(guī)律,且Cu1≈Cv1>Cw1,夏季近中性條件,無量綱三維風速標準差σi/u*(i=u,v,w)為2.62、2.53、1.10;溫度和濕度的標準差在不穩(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,且濕度相對溫度較為離散。在近中性條件時,σu/u*和σv/u*值相對高原、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先從強不穩(wěn)定到弱不穩(wěn)定逐漸升高,直到達到弱不穩(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,當大氣處于不穩(wěn)定時(z/L<0),CD平均值為13.6×10-3,近中性時(-0.1
本文采用梯度觀測塔50 m處的渦度觀測資料進行分析,由于觀測塔只有一層渦度觀測系統(tǒng),且各層梯度數(shù)據(jù)誤差較大,無法驗證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)會對此進行深入分析。文中采用50 m處的渦度觀測資料對d和z0進行了計算,得出的結果和其他研究結果較為相似,但是在個別月份d數(shù)值偏大,可能與計算方法有關,也可能和觀測場地附近的地形有關,需要進行更加深入的分析。
致 謝:感謝中國氣象局沈陽大氣環(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)氣象野外科研試驗基地”。