Page 156 - 《高原气象》2026年第2期
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第 45 卷  第 2 期                         高     原    气     象                             Vol. 45  No. 2
                2026 年 4 月                       PLATEAU METEOROLOGY                               April， 2026


             王彦淇， 张宇， 苏有琦，等， 2026.  基于CEEMD 方法对森林下垫面湍流相干结构的通量贡献研究［J］. 高原气象， 45（2）： 456-
             470.  WANG Yanqi， ZHANG Yu， SU Youqi，et al， 2026.  A Study on Flux Contributions of Turbulent Coherent Structures over For‐
             est  Underlying  Surfaces  Using  the  CEEMD  Method［J］. Plateau  Meteorology，  45（2）：  456-470.   DOI：  10. 7522/j. issn. 1000-
             0534. 2025. 00080. CSTR: 32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00080.




                            基于CEEMD 方法对森林下垫面湍流

                                       相干结构的通量贡献研究



                                    王彦淇， 张 宇， 苏有琦， 张 茜， 叶 敏

                       （成都信息工程大学大气科学学院/成都平原城市气象与环境四川省野外科学观测研究站，  四川  成都    610225）

                     摘要： 为研究森林复杂下垫面下的湍流相干结构特征， 利用 2021年 5月位于四川省乐山市四峨山人工森
                     林地区（冠层高度 15 m）架设于 1. 33 倍、 2. 53 倍、 3. 86 倍冠层度的三层湍流数据， 三层数据分别观测了
                     粗糙副层、 粗糙副层和常通量层边界、 常通量层的湍流特征。利用上述观测数据， 在基于互补集合经验
                     模态分解（Complementary Empirical Mode Decomposition， CEEMD）算法的基础上对三个高度上不同尺
                     度的相干结构模态进行了提取， 并量化了相干结构通量贡献， 然后对相干结构的主要特征量进行了分析
                     和研究。结果表明： CEEMD 算法能够提取不同尺度的相干结构模态， 模态表现出了典型相干性。在相
                     干结构对通量的贡献方面， 不同高度上有所差异， 对感热、 潜热和动量的通量贡献在 20 m 处分别为
                     21%， 17%， 11%， 在 38 m 处分别为 13%， 11%， 7%， 而在 56 m 处分别为 12%， 10%， 6%。这表明， 在三
                     个高度上， 相干结构对于感热和潜热通量这些标量的输送效率都要大于动量通量， 并且在 20 m 粗糙副
                     层上相干结构的通量贡献最大， 并随着观测高度的升高而随之减小。在不同稳定层结下相干结构对通
                     量的贡献随着通量类型的不同和层结类型的不同而有所不同。相干结构对感热通量的输送在三个高度
                     上最大的通量贡献均出现在中性条件下， 其次是稳定条件下和不稳定条件下， 而对于潜热通量而言最大
                     的通量贡献在三个高度均出现在稳定条件下， 其次是中性条件下和不稳定条件下。对清扫和喷射过程
                     的通量贡献的结果表明在较高高度（38 m 和 56 m）喷射过程占主导， 而随着观测高度降低至接近粗糙副
                     层后清扫过程起了主导作用。最后对相干结构的斜坡强度与稳定度参数和摩擦速度的关系进行了研
                     究， 对于水平 u 风和垂直 w 风， 两者的斜坡强度均随着摩擦速度的增大而增大， 但对于稳定度参数两者
                     表现有所差异， 水平 u风的斜坡强度在中性条件下最大并随着稳定度和不稳定度的增加而减小。而垂直
                     w 风的斜坡强度在不稳定条件下最大而随着稳定度的增加相干的垂直运动被抑制而减小。本文的研究
                     结论为深入认识复杂下垫面下相干结构的通量贡献及其相干运动特征提供的统计性认识以及为后续湍
                     流结构的研究提供了支撑。
                     关键词： 湍流； 森林下垫面； 相干结构； 通量贡献
                                                                        +
                     文章编号： 1000-0534（2026）02-0456-15   中图分类号： P425.2 1   文献标识码： A
                     DOI： 10. 7522/j. issn. 1000-0534. 2025. 00080
                     CSTR: 32265.14.gyqx.CN62-1061/P.2025.00080


              1  引言                                             能量的交换， 深刻影响着人类的生产和生活（张宏
                                                                升等， 2002； Mauder et al， 2020）。边界层中湍流运
                  大气边界层是陆-气相互作用中最为活跃的部                          动是主要形式， 湍流中的相干结构在动量和标量的
             分， 边界层与下垫面相互作用， 不断进行着物质和                           输送中扮演着重要角色， 近几十年来， 对边界层湍


                 收稿日期： 2025⁃04⁃29； 定稿日期： 2025⁃06⁃30
                 资助项目： 国家自然科学基金项目（42275131）； 第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK010203）
                 作者简介： 王彦淇（1997 -）， 男， 四川达州人， 硕士研究生， 主要从事陆-气相互作用研究. E-mail： 996261913@qq.com
                 通信作者： 张宇（1975 -）， 男， 贵州六盘水人， 教授， 主要从事陆面过程与陆-气相互作用研究. E-mail： yuzhang@cuit.edu.cn
                 © Editorial Department of Plateau Meteorology （CC BY-NC-ND）
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