长白山阔叶红松林的零平面位移和粗糙度

长白山阔叶红松林的零平面位移和粗糙度

3

赵晓松

1,233

　关德新1　吴家兵1　金昌杰1　韩士杰

1

(1中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016;2

中国科学院研究生院,北京100039)

摘　要　根据长白山阔叶红松林气象观测塔上16个月的风速、温度、湿度及气压的连续观测

资料,根据中性层结条件下风速随高度的对数变化规律,利用廓线法中的牛顿迭代法计算了该森林的零平面位移d 和粗糙度z 0,结果表明,d 和z 0均存在着较明显的季节变化,在生长季d 较大,z 0较小,而非生长季恰好相反,标准化的零平面位移d/h 和粗糙度z 0/h 在生长季和非生长季平均分别为01867,01764和4147×10-2,3159×10-2。与叶面积指数对比分析发现,d/h 和z 0/h 与叶面积指数分别存在正相关和负相关的关系。敏感性分析表明,牛顿迭代法求d 和z 0对风速的精度要求较高,需要精度高的仪器和长期的数据积累。关键词　零平面位移,粗糙度,阔叶红松林,牛顿迭代法

中图分类号　S716 文献标识码　A 文章编号　1000-4890(2004)05-0084-05

Z ero 2plane displacement and roughness length of the mixed forest of broad 2leaved and K orean 2pine in Changb ai Mountain.ZHAO Xiaosong 1,2,GUAN Dexin 1,WU Jiabing 1,J IN Changjie 1,HAN Shi 2jie 1(1Institute of A pplied Ecology ,Chinese Academy of Sciences ,S henyang 110016,China ;2

Graduate School of Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100039,China ).Chinese Journal of E 2cology ,2004,23(5):84～88.

Based on logarithm law of wind profile under neutral stratification ,zero 2plane displacement d and roughness length z 0of the mixed forest of broad 2leaved and K orean 2pine in Changbai Mountain were calculated with Newton iteration according to the 16months profile measurements of wind speed ,air temperature ,humidity and pressure.The results showed that d and z 0had obvious seasonal variation.In growing season was relatively high and z 0was lower.Normalized values ,d/h and z 0/h ,were in the magnitude of 01867,01764and 4147×10-2,3159×10-2in growing season and dormant sea 2son ,respectively.d/h and z 0/h were positively and negatively correlated with leaf area indexes of the forest.Sensitive analysis showed that the iteration approach of calculating d and z 0demanded high precision measurements of wind speed in the profiles.This work should be based on the long term measurements with high 2precision instruments.

K ey w ords zero 2plane displacement ,roughness length ,mixed forest of broad 2leaved and K orean 2pine ,Newton iteration approach.

3国家自然科学基金项目(30370293)和中国科学院知识创新工程重大资助项目(KZCX12SW 201201A1)。33通讯作者

收稿日期:2004-02-27 改回日期:2004-07-01

1　引　言

零平面位移(d )和粗糙度(z 0)是植被动量、热量

和气体交换等参数化过程的重要因子,用来表达这些量的湍流交换系数[17]。随着涡动相关技术越来越广泛地应用于森林等高大植被的CO 2、水汽等气体交换的测量,作为空气动力学分析中的重要因子,同时也是footprint 等多种模型的重要输入参数,d 和z 0得到了很大的关注。求解d 和z 0的方法主要有廓线法[6,9,23]、解析分析[3,12,13,14,19]、数值模拟[20,22]和湍流综合法[1,5]等方法。廓线法的优点是反映了流场实际观测结果,但需要高精度、运行稳定的自动观测仪器;数值模拟方法的流体力学机理明确,但需要野外实际观测的验证;湍流综合法建立

在湍流统计关系的基础上,并需要超声风温仪等精

密仪器,应用较少。

获取观测数据的方法主要有风洞模拟实验和野外实地观测,由于风洞模拟实验具有模型可随意改变的优点,所以很多学者进行了不同类型模型的风洞实验研究[2,4,7,8,16,24],但风洞实验中的模型很难实现与野外实际植被之间严格的几何相似(如枝叶尺度及其分布)和物理相似(如层结稳定度、枝杆的力学性质等),所以只能模拟特定条件的情况,与野外实际观测结果相互补充是十分必要的。因为d

生态学杂志Chinese Journal of Ecology 2004,23(5):84～88