森林近地层大气湍流特性观测分析.
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
本文利用长白山 ２００３年 ８月和 ９月大气边界 层观测资料，分析和比较了研究期内该地区近地层 风场、大气稳定度、湍流强度、无量纲化风脉动方差 相似性和地表通量变化等特征。
１ 实验地概况及观测仪器
１．１ 实验地概况 实验地点选在吉林省安图县二道白河镇西南 ５
ｋｍ的长白山阔叶红松林，主要树种为红松、椴树、蒙 古栎、水曲柳和色木等。林冠平均高度 （ｈｃ）为 ２６ ｍ，土壤类型为暗棕色森林土，坡度约为 ２％ ～４％。 测量设备 全 部 安 装 在 实 验 观 测 塔 上 （４２°２４′９″Ｎ， １２８°０５′４５″Ｅ，海拔 ７６１ｍ），塔高 ６１．８ｍ。 １．２ 观测仪器
引 言
大气边界层是地球大气与地表面直接接触的最 底层，由于受到大气热力层结和湍流摩擦等热力 － 动力过程的影响，大气运动的层流状态受到干扰和 破坏，形成了各种尺度的不规则湍涡，使得这一层具 有很强的湍流运动特性。大气中热量和水汽源主要 集中在下垫面，下垫面首先影响与之直接接触的大 气边界层。由于近地层分子扩散作用很小，地 －气 间的物质和能量交换则主要以湍流扩散方式来进 行。湍流运动是物质和能量垂直输送的载体，湍流 通量（动量、感热、潜热和 ＣＯ２ 通量等）是描述陆地 与大气之间物质和能量交换大小的量［１］。
在 ９月 ２５日 １５：３０，风速达到 ６．７８ｍ·ｓ－１，９月 风速的平均值为 ２．７８ｍ·ｓ－１。从风速发生的频 次来看，８月和 ９月风速基本发生在 ２～４ｍ·ｓ－１ 之间，表明 ８月 和 ９月 都 是 小 风 背 景，强 风 环 境 少，符合湍 流 观 测 条 件。 从 风 向 玫 瑰 图 可 以 看 出，２００３年 ８月 和 ９月 风 向 在 各 个 方 向 都 有 涉 及 ，但 以 东 北 风 为 主 。
图 １ 长白山 ８月和 ９月风速时间序列及风向玫瑰图 （ａ）８月和 ９月平均风速，（ｂ）８月风向玫瑰图，（ｃ）９月风向玫瑰图 Ｆｉｇ．１ ＴｈｅｍｅａｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｒｏｓｅａｔＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＭｏｕｎｔａｉｎｓｉｎＡｕｇｕｓｔａｎｄＳｅｐｔｅｍｂｅｒ （ａ）ｍｅａｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄｉｎＡｕｇｕｓｔａｎｄＳｅｐｔｅｍｂｅｒ，（ｂ）ｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｒｏｓｅｆｏｒＡｕｇｕｓｔ，（ｃ）ｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｒｏｓｅｆｏｒＳｅｐｔｅｍｂｅｒ
２ 计算处理
在计算过 程 中，零 平 面 位 移 高 度 ｄ取 为 ０．７６
ｈｃ，ｈｃ为树高，卡门常数取 ０．４。Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｈｏｖ长
度的核算采用公式
Baidu Nhomakorabea
Ｌ＝－ ｕ３ ，式中 ｋ珔Ｔｇｗ′Ｔ′
ｕ
为特征
尺度摩擦风速，ｋ为 Ｋａｒｍａｎ常数，ｇ为重力加速度。
３ 结果与分析
平均场是分离湍流运动的基本依据，了解平均 场是正确认识湍流和湍流通量特征的基础和前提。 我们主要以涡旋相关系统测量要素的 ３０ｍｉｎ均值
森林近地层大气湍流特性观测分析
许俊卿，陈蓓莹，隋晓霞
（中国气象局气象干部培训学院河北分院，河北 保定 ０７１０００）
摘 要：利用长白山森林生态系统定位研究站观测资料，及 ２００３年 ８月和 ９月涡旋相关资料，分析和 比较了该地区近地层包括风速、风向、大气稳定度在内的平均场特征，以及湍流强度、无量纲化风脉动 方差相似性和地表通量变化特征。结果表明：（１）８月和 ９月稳定度都基本集中在 ０附近；（２）风速 ＜ ２ｍ·ｓ－１的环境中，湍流发展最为旺盛，随着风速的增大湍流强度先迅速减小，当风速增大到 ３ｍ· ｓ－１后，湍流强度偏离 ０值变大了一些，再继续增大到一定风速大小以后，湍流强度基本不随风速变 化；（３）无量纲化三维风脉动方差符合 Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｈｏｖ相似理论的“１／３”定律，其最佳通用相似函数 在稳定和不稳定条件下都可以拟合得到；（４）地表通量均表现出明显的日变化特征，８月以潜热为主， 感热较小；９月仍以潜热为主，但是相比 ８月明显偏小，感热变化不大。 关键词：长白山；大气稳定度；湍流强度；无量纲化方差相似性；地表通量 文章编号：１００６－７６３９（２０１４）－０１－０００１－０９ ｄｏｉ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０１４）－０１－０００１ 中图分类号：Ｐ４２５．２＋１ 文献标识码：Ａ
ＭＡＯＳ－Ⅰ型小气候自动观测系统在 １９９７年 ９ 月完成安装调试，从 １９９８年 ５月开始运行，每年观 测历时为 ５～９月，采用 ＤＴ－５００型智能数据采集 器，采样周期为 １ｈ。该系统可观测 ４个层次的温 度、湿度、风速，７个层次的土壤温度。同时，还可以 观测风向、总辐射、反射辐射、净辐射、紫外辐射、光 合有效辐射、近红外辐射、管状辐射、土壤热通量、地 表温度以及降雨量。由于考虑对地表温度与土壤热 通量测量的代表性差，所以，对这 ２项的观测采用了 ３个传感器同时测量来减少误差。为了减小太阳辐 射造成温度测量的误差，除了传感器本身采用防辐 射措施外，还为大气温度、湿度传感器配置了小型塑
我 国 已 经 对 城 郊 ［２－４］、高 原 地 区 ［５－８］、沿 海 和 ［９－１０］ 干 旱 地 区 做 ［１１－１２］ 了 大 量 观 测 研 究，对 这些地区的地表湍流特征有了比较客观的认识。 对于森林附近的大 气 湍 流 特 性 的 研 究，近 年 来 开 始成为众多 研 究 者 关 注 的 焦 点。 刘 和 平 和 ［１３］ 刘 树华 等 ［１４］ 对 湍 流 结 构 作 了 较 为 详 细 的 分 析，并 对森林冠层上下动 量、热 量 和 水 汽 传 输 的 特 征 进 行了分析和模 拟 ［１５］，证 明 在 热 量 输 送 中，非 局 地
第 １期
许俊卿等：森林近地层大气湍流特性观测分析
３
来展示平均场的有关特征。 ３．１ 风速风向
图 １是 ２００３年 ８月 和 ９月 风 速 时 间 序 列 以 及风向玫 瑰 图，其 中 ９月 １２～１５日 因 仪 器 原 因 缺测。风速时间 序 列 显 示，８月 最 大 风 速 出 现 在 ８月 ２８日 １６：３０，风速达到 ８．１７ｍ· ｓ－１，８月 风 速的平均值为 ２．８９ｍ· ｓ－１。９月 最 大 风 速 出 现
收稿日期：２０１３－１１－０４；改回日期：２０１４－０１－０９ 作者简介：许俊卿（１９８８－），男，助理讲师，主要从事天气预报业务培训工作．Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｊｕｎｑｉｎｇ７０８８５＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ
２
干 旱 气 象
３２卷
温度标准差在越接近 ｜ζｌ｜＝０的 时 候，离 散 越 大， 森林上方的速度方差均大于林木湿地上方的速 度方差，而 森 林 上 方 的 温 度、湿 度 方 差 均 小 于 林 木湿地上 方 的 温 度、湿 度 方 差；大 部 分 湍 流 特 征 量随季 节 变 化 明 显，日 变 化 的 季 节 特 征 也 很 明 显，且最大 值 出 现 时 间 比 平 坦 地 形 滞 后，线 性 相 关系数与不稳定度关系呈对数关系。
料百叶箱。 １．２．２ 常规气象梯度观测系统
常规气象梯度观测系统（ＲＭＭＳ）于 ２００２年 ８ 月初开始安装调试，８月 ２２日投入使用。该系统包 括 ７个层次（２．５、８、２２、２６、３２、５０、６２ｍ）上的大气 温度、湿 度 和 风 速 的 观 测，温 度 ／湿 度 传 感 器 为 ＨＭＰ４５Ｃ（Ｖａｉｓａｌａ，Ｉｎｃ），风速传感器为 Ａ１００Ｒ（Ｖｅｃ ｔｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ）。５个 层 次 （１、５、２０、５０、１００ ｃｍ）上的土 壤 温 度 的 观 测；３个 层 次 （５、２０、５０ｃｍ） 上的土壤湿 度 观 测；１个 层 次 上 的 风 向、大 气 压 强、 降雨量、净辐射、红外冠层温度、红外地表温度、土壤 热通量和向上、向下 ２个方向的长波与短波辐射观 测。在 ６２ｍ高处安装有自记式雨量计和风向仪，型 号（厂家）分别为 ５２２２０３（ＲＭＹｏｕｎｇ，Ｉｎｃ）和 Ｗ２００Ｐ （ＶｅｃｔｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，Ｉｎｃ）。
开路涡动相关系统（ＯＰＥＣ）包括三维超声风温 仪 ＣＳＡＴ３（ＣａｍｐｂｅｌｌＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｉｎｃ）、ＣＯ２／Ｈ２Ｏ开路 红外气体分析仪 ＬＩ－７５００（Ｌｉ－Ｃｏｒ，Ｉｎｃ）以及数据 采集器 ＣＲ５０００（ＣａｍｐｂｅｌｌＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｉｎｃ）。其中，三 维超声风温仪可以实现对风速、温度脉动值的测定， 而 ＣＯ２／Ｈ２Ｏ开路红外气体分析仪可以测量水汽密 度的脉动。本研究共安装了 ２套开路涡动相关观测 系统，安装高度分别为 ４２ｍ和 ２．５ｍ。从而可以实 现对森林蒸散量和林下土壤蒸散量的观测。数据采 集器的采样频率为 １０Ｈｚ。
扩散通量不可忽视，并 且 非 局 地 扩 散 通 量 是 冠 层 内水汽 向 冠 层 上 传 输 的 主 要 机 制；温 学 发 等 ［１６］ 利用涡度相关技术对千烟洲红壤丘陵区亚热带 人工针叶林 ２倍 和 ３倍 冠 层 高 度 ＣＯ２ 等 湍 流 通 量进行了 长 期 观 测，采 用 谱 分 析、方 差 相 似 性 关 系和能量平衡闭合 分 析 ３种 手 段 对 ２００３年 千 烟 洲人工林 ２个 高 度 的 湍 流 通 量 测 定 数 据 质 量 进 行了分 析；刘 罡 等 通 ［１７］ 过 对 大 气 边 界 层 外 场 观 测资料进 行 分 析，计 算 了 温 度、水 汽 和 二 氧 化 碳 浓度的湍 流 方 差 函 数，结 果 表 明：水 汽 和 二 氧 化 碳浓度的湍流方差 相 似 函 数 比 温 度 要 分 散，并 且 独立于稳定度，说明 在 森 林 冠 层 上 空 的 大 气 湍 流 运动中，热、水 汽 和 二 氧 化 碳 的 输 送 是 互 不 相 似 的；李萍 阳 等 利 ［１８］ 用 森 林 及 林 木 湿 地 下 垫 面 塔 层湍流观 测 资 料，计 算 分 析 了 拖 曳 系 数，湍 流 强 度，无量纲速度、温度、湿 度 方 差 和 脉 动 方 差 随 粗 糙度、高度、季节的变化 情 况，及 湍 流 量 日 变 化 的 季节特征和线性相 关 系 数 的 变 化，指 出 与 平 坦 地 形相比，森 林 及 林 木 湿 地 下 垫 面 的 湍 强 较 大，且 湍强随高度增加而 减 弱 显 著，无 量 纲 风 速 标 准 差 在森林上 方 偏 小，且 随 高 度 增 加 而 增 大，无 量 纲
本研究应用的数据主要来自 ３套气象观测系统 和对土壤水分的监测。同时进行了叶面积指数的同 步测量（ＬＩ２０００，ＬｉＣｏｒＩｎｃ．，ＵＳＡ），时间为 ２００３年 和 ２００４年的 ４月到 １０月末，生长季初和生长季末 每隔 ３～４ｄ测量，生长季每隔 １０～１５ｄ测量。其 中，气象 观 测 系 统 包 括：（１）ＭＡＯＳ－Ⅰ 型 小 气 候 自 动观测系统；（２）常 规 气 象 梯 度 观 测 系 统 （ｔｈｅＲｏｕ ｔｉｎｅＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ），２００２年 ８ 月 ２２日投入使用；（３）开路涡动相关系统（ｔｈｅＯｐｅｎ －ＰａｔｈＥｄｄｙＣｏｖａｒｉａｎｃｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ），与 常 规气象梯度观测系统同期投入使用。 １．２．１ ＭＡＯＳ－Ⅰ型小气候自动观测系统
所有 的 传 感 器 分 别 与 ３个 ＣＲ１０Ｘ（Ｃａｍｐｂｅｌｌ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｉｎｃ）和 １个 ＣＲ２３Ｘ（ＣａｍｐｂｅｌｌＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ， Ｉｎｃ）型数据采集器中的一个相连，采样频率全部为 ０．５Ｈｚ，每 ３０ｍｉｎ自动记录平均值。所有数据采集 器通过网线与气象塔东 １０ｍ处的工作室内的 ＰＣ 计算机相连，从而实现对数据的实时监视和拷贝。 １．２．３ 开路涡动相关系统
第 ３２卷 第 １期 ２０１４年 ２月
干 旱 气 象
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｉｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．３２ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ，２０１４
许俊卿，陈蓓莹，隋晓霞．森林近地层大气湍流特性观测分析［Ｊ］．干旱气象，２０１４，３２（１）：１－９，［ＸＵＪｕｎｑｉｎｇ，ＣＨＥＮＢｅｉｙｉｎｇ，ＳＵＩＸｉａｏｘｉａ．Ｏｂ ｓｅｒｖａｔｉｏｎａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＴｕｒｂｕｌｅｎｔＣｈａｒａｃｔｅｒｉｔｉｃｓｏｆｔｈｅＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＳｕｒｆａｃｅＬａｙｅｒＡｂｏｖｅＦｏｒｅｓｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｉｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，２０１４，３２（１）：１－９］， ｄｏｉ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０１４）－０１－０００１
１ 实验地概况及观测仪器
１．１ 实验地概况 实验地点选在吉林省安图县二道白河镇西南 ５
ｋｍ的长白山阔叶红松林，主要树种为红松、椴树、蒙 古栎、水曲柳和色木等。林冠平均高度 （ｈｃ）为 ２６ ｍ，土壤类型为暗棕色森林土，坡度约为 ２％ ～４％。 测量设备 全 部 安 装 在 实 验 观 测 塔 上 （４２°２４′９″Ｎ， １２８°０５′４５″Ｅ，海拔 ７６１ｍ），塔高 ６１．８ｍ。 １．２ 观测仪器
引 言
大气边界层是地球大气与地表面直接接触的最 底层，由于受到大气热力层结和湍流摩擦等热力 － 动力过程的影响，大气运动的层流状态受到干扰和 破坏，形成了各种尺度的不规则湍涡，使得这一层具 有很强的湍流运动特性。大气中热量和水汽源主要 集中在下垫面，下垫面首先影响与之直接接触的大 气边界层。由于近地层分子扩散作用很小，地 －气 间的物质和能量交换则主要以湍流扩散方式来进 行。湍流运动是物质和能量垂直输送的载体，湍流 通量（动量、感热、潜热和 ＣＯ２ 通量等）是描述陆地 与大气之间物质和能量交换大小的量［１］。
在 ９月 ２５日 １５：３０，风速达到 ６．７８ｍ·ｓ－１，９月 风速的平均值为 ２．７８ｍ·ｓ－１。从风速发生的频 次来看，８月和 ９月风速基本发生在 ２～４ｍ·ｓ－１ 之间，表明 ８月 和 ９月 都 是 小 风 背 景，强 风 环 境 少，符合湍 流 观 测 条 件。 从 风 向 玫 瑰 图 可 以 看 出，２００３年 ８月 和 ９月 风 向 在 各 个 方 向 都 有 涉 及 ，但 以 东 北 风 为 主 。
图 １ 长白山 ８月和 ９月风速时间序列及风向玫瑰图 （ａ）８月和 ９月平均风速，（ｂ）８月风向玫瑰图，（ｃ）９月风向玫瑰图 Ｆｉｇ．１ ＴｈｅｍｅａｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｒｏｓｅａｔＣｈａｎｇｂａｉｓｈａｎＭｏｕｎｔａｉｎｓｉｎＡｕｇｕｓｔａｎｄＳｅｐｔｅｍｂｅｒ （ａ）ｍｅａｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄｉｎＡｕｇｕｓｔａｎｄＳｅｐｔｅｍｂｅｒ，（ｂ）ｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｒｏｓｅｆｏｒＡｕｇｕｓｔ，（ｃ）ｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｒｏｓｅｆｏｒＳｅｐｔｅｍｂｅｒ
２ 计算处理
在计算过 程 中，零 平 面 位 移 高 度 ｄ取 为 ０．７６
ｈｃ，ｈｃ为树高，卡门常数取 ０．４。Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｈｏｖ长
度的核算采用公式
Baidu Nhomakorabea
Ｌ＝－ ｕ３ ，式中 ｋ珔Ｔｇｗ′Ｔ′
ｕ
为特征
尺度摩擦风速，ｋ为 Ｋａｒｍａｎ常数，ｇ为重力加速度。
３ 结果与分析
平均场是分离湍流运动的基本依据，了解平均 场是正确认识湍流和湍流通量特征的基础和前提。 我们主要以涡旋相关系统测量要素的 ３０ｍｉｎ均值
森林近地层大气湍流特性观测分析
许俊卿，陈蓓莹，隋晓霞
（中国气象局气象干部培训学院河北分院，河北 保定 ０７１０００）
摘 要：利用长白山森林生态系统定位研究站观测资料，及 ２００３年 ８月和 ９月涡旋相关资料，分析和 比较了该地区近地层包括风速、风向、大气稳定度在内的平均场特征，以及湍流强度、无量纲化风脉动 方差相似性和地表通量变化特征。结果表明：（１）８月和 ９月稳定度都基本集中在 ０附近；（２）风速 ＜ ２ｍ·ｓ－１的环境中，湍流发展最为旺盛，随着风速的增大湍流强度先迅速减小，当风速增大到 ３ｍ· ｓ－１后，湍流强度偏离 ０值变大了一些，再继续增大到一定风速大小以后，湍流强度基本不随风速变 化；（３）无量纲化三维风脉动方差符合 Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｈｏｖ相似理论的“１／３”定律，其最佳通用相似函数 在稳定和不稳定条件下都可以拟合得到；（４）地表通量均表现出明显的日变化特征，８月以潜热为主， 感热较小；９月仍以潜热为主，但是相比 ８月明显偏小，感热变化不大。 关键词：长白山；大气稳定度；湍流强度；无量纲化方差相似性；地表通量 文章编号：１００６－７６３９（２０１４）－０１－０００１－０９ ｄｏｉ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０１４）－０１－０００１ 中图分类号：Ｐ４２５．２＋１ 文献标识码：Ａ
ＭＡＯＳ－Ⅰ型小气候自动观测系统在 １９９７年 ９ 月完成安装调试，从 １９９８年 ５月开始运行，每年观 测历时为 ５～９月，采用 ＤＴ－５００型智能数据采集 器，采样周期为 １ｈ。该系统可观测 ４个层次的温 度、湿度、风速，７个层次的土壤温度。同时，还可以 观测风向、总辐射、反射辐射、净辐射、紫外辐射、光 合有效辐射、近红外辐射、管状辐射、土壤热通量、地 表温度以及降雨量。由于考虑对地表温度与土壤热 通量测量的代表性差，所以，对这 ２项的观测采用了 ３个传感器同时测量来减少误差。为了减小太阳辐 射造成温度测量的误差，除了传感器本身采用防辐 射措施外，还为大气温度、湿度传感器配置了小型塑
我 国 已 经 对 城 郊 ［２－４］、高 原 地 区 ［５－８］、沿 海 和 ［９－１０］ 干 旱 地 区 做 ［１１－１２］ 了 大 量 观 测 研 究，对 这些地区的地表湍流特征有了比较客观的认识。 对于森林附近的大 气 湍 流 特 性 的 研 究，近 年 来 开 始成为众多 研 究 者 关 注 的 焦 点。 刘 和 平 和 ［１３］ 刘 树华 等 ［１４］ 对 湍 流 结 构 作 了 较 为 详 细 的 分 析，并 对森林冠层上下动 量、热 量 和 水 汽 传 输 的 特 征 进 行了分析和模 拟 ［１５］，证 明 在 热 量 输 送 中，非 局 地
第 １期
许俊卿等：森林近地层大气湍流特性观测分析
３
来展示平均场的有关特征。 ３．１ 风速风向
图 １是 ２００３年 ８月 和 ９月 风 速 时 间 序 列 以 及风向玫 瑰 图，其 中 ９月 １２～１５日 因 仪 器 原 因 缺测。风速时间 序 列 显 示，８月 最 大 风 速 出 现 在 ８月 ２８日 １６：３０，风速达到 ８．１７ｍ· ｓ－１，８月 风 速的平均值为 ２．８９ｍ· ｓ－１。９月 最 大 风 速 出 现
收稿日期：２０１３－１１－０４；改回日期：２０１４－０１－０９ 作者简介：许俊卿（１９８８－），男，助理讲师，主要从事天气预报业务培训工作．Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｊｕｎｑｉｎｇ７０８８５＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ
２
干 旱 气 象
３２卷
温度标准差在越接近 ｜ζｌ｜＝０的 时 候，离 散 越 大， 森林上方的速度方差均大于林木湿地上方的速 度方差，而 森 林 上 方 的 温 度、湿 度 方 差 均 小 于 林 木湿地上 方 的 温 度、湿 度 方 差；大 部 分 湍 流 特 征 量随季 节 变 化 明 显，日 变 化 的 季 节 特 征 也 很 明 显，且最大 值 出 现 时 间 比 平 坦 地 形 滞 后，线 性 相 关系数与不稳定度关系呈对数关系。
料百叶箱。 １．２．２ 常规气象梯度观测系统
常规气象梯度观测系统（ＲＭＭＳ）于 ２００２年 ８ 月初开始安装调试，８月 ２２日投入使用。该系统包 括 ７个层次（２．５、８、２２、２６、３２、５０、６２ｍ）上的大气 温度、湿 度 和 风 速 的 观 测，温 度 ／湿 度 传 感 器 为 ＨＭＰ４５Ｃ（Ｖａｉｓａｌａ，Ｉｎｃ），风速传感器为 Ａ１００Ｒ（Ｖｅｃ ｔｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ）。５个 层 次 （１、５、２０、５０、１００ ｃｍ）上的土 壤 温 度 的 观 测；３个 层 次 （５、２０、５０ｃｍ） 上的土壤湿 度 观 测；１个 层 次 上 的 风 向、大 气 压 强、 降雨量、净辐射、红外冠层温度、红外地表温度、土壤 热通量和向上、向下 ２个方向的长波与短波辐射观 测。在 ６２ｍ高处安装有自记式雨量计和风向仪，型 号（厂家）分别为 ５２２２０３（ＲＭＹｏｕｎｇ，Ｉｎｃ）和 Ｗ２００Ｐ （ＶｅｃｔｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，Ｉｎｃ）。
开路涡动相关系统（ＯＰＥＣ）包括三维超声风温 仪 ＣＳＡＴ３（ＣａｍｐｂｅｌｌＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｉｎｃ）、ＣＯ２／Ｈ２Ｏ开路 红外气体分析仪 ＬＩ－７５００（Ｌｉ－Ｃｏｒ，Ｉｎｃ）以及数据 采集器 ＣＲ５０００（ＣａｍｐｂｅｌｌＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｉｎｃ）。其中，三 维超声风温仪可以实现对风速、温度脉动值的测定， 而 ＣＯ２／Ｈ２Ｏ开路红外气体分析仪可以测量水汽密 度的脉动。本研究共安装了 ２套开路涡动相关观测 系统，安装高度分别为 ４２ｍ和 ２．５ｍ。从而可以实 现对森林蒸散量和林下土壤蒸散量的观测。数据采 集器的采样频率为 １０Ｈｚ。
扩散通量不可忽视，并 且 非 局 地 扩 散 通 量 是 冠 层 内水汽 向 冠 层 上 传 输 的 主 要 机 制；温 学 发 等 ［１６］ 利用涡度相关技术对千烟洲红壤丘陵区亚热带 人工针叶林 ２倍 和 ３倍 冠 层 高 度 ＣＯ２ 等 湍 流 通 量进行了 长 期 观 测，采 用 谱 分 析、方 差 相 似 性 关 系和能量平衡闭合 分 析 ３种 手 段 对 ２００３年 千 烟 洲人工林 ２个 高 度 的 湍 流 通 量 测 定 数 据 质 量 进 行了分 析；刘 罡 等 通 ［１７］ 过 对 大 气 边 界 层 外 场 观 测资料进 行 分 析，计 算 了 温 度、水 汽 和 二 氧 化 碳 浓度的湍 流 方 差 函 数，结 果 表 明：水 汽 和 二 氧 化 碳浓度的湍流方差 相 似 函 数 比 温 度 要 分 散，并 且 独立于稳定度，说明 在 森 林 冠 层 上 空 的 大 气 湍 流 运动中，热、水 汽 和 二 氧 化 碳 的 输 送 是 互 不 相 似 的；李萍 阳 等 利 ［１８］ 用 森 林 及 林 木 湿 地 下 垫 面 塔 层湍流观 测 资 料，计 算 分 析 了 拖 曳 系 数，湍 流 强 度，无量纲速度、温度、湿 度 方 差 和 脉 动 方 差 随 粗 糙度、高度、季节的变化 情 况，及 湍 流 量 日 变 化 的 季节特征和线性相 关 系 数 的 变 化，指 出 与 平 坦 地 形相比，森 林 及 林 木 湿 地 下 垫 面 的 湍 强 较 大，且 湍强随高度增加而 减 弱 显 著，无 量 纲 风 速 标 准 差 在森林上 方 偏 小，且 随 高 度 增 加 而 增 大，无 量 纲
本研究应用的数据主要来自 ３套气象观测系统 和对土壤水分的监测。同时进行了叶面积指数的同 步测量（ＬＩ２０００，ＬｉＣｏｒＩｎｃ．，ＵＳＡ），时间为 ２００３年 和 ２００４年的 ４月到 １０月末，生长季初和生长季末 每隔 ３～４ｄ测量，生长季每隔 １０～１５ｄ测量。其 中，气象 观 测 系 统 包 括：（１）ＭＡＯＳ－Ⅰ 型 小 气 候 自 动观测系统；（２）常 规 气 象 梯 度 观 测 系 统 （ｔｈｅＲｏｕ ｔｉｎｅＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ），２００２年 ８ 月 ２２日投入使用；（３）开路涡动相关系统（ｔｈｅＯｐｅｎ －ＰａｔｈＥｄｄｙＣｏｖａｒｉａｎｃｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ），与 常 规气象梯度观测系统同期投入使用。 １．２．１ ＭＡＯＳ－Ⅰ型小气候自动观测系统
所有 的 传 感 器 分 别 与 ３个 ＣＲ１０Ｘ（Ｃａｍｐｂｅｌｌ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｉｎｃ）和 １个 ＣＲ２３Ｘ（ＣａｍｐｂｅｌｌＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ， Ｉｎｃ）型数据采集器中的一个相连，采样频率全部为 ０．５Ｈｚ，每 ３０ｍｉｎ自动记录平均值。所有数据采集 器通过网线与气象塔东 １０ｍ处的工作室内的 ＰＣ 计算机相连，从而实现对数据的实时监视和拷贝。 １．２．３ 开路涡动相关系统
第 ３２卷 第 １期 ２０１４年 ２月
干 旱 气 象
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｉｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．３２ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ，２０１４
许俊卿，陈蓓莹，隋晓霞．森林近地层大气湍流特性观测分析［Ｊ］．干旱气象，２０１４，３２（１）：１－９，［ＸＵＪｕｎｑｉｎｇ，ＣＨＥＮＢｅｉｙｉｎｇ，ＳＵＩＸｉａｏｘｉａ．Ｏｂ ｓｅｒｖａｔｉｏｎａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＴｕｒｂｕｌｅｎｔＣｈａｒａｃｔｅｒｉｔｉｃｓｏｆｔｈｅＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＳｕｒｆａｃｅＬａｙｅｒＡｂｏｖｅＦｏｒｅｓｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｉｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，２０１４，３２（１）：１－９］， ｄｏｉ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０１４）－０１－０００１